DE102020123796A1

DE102020123796A1 - Vorrichtung zur Anordnung von Batteriezellen, Batteriezellen-Anordnung mit einer solchen und Verfahren zum elektrischen Kontaktieren von Batteriezellen

Info

Publication number: DE102020123796A1
Application number: DE102020123796.0A
Authority: DE
Inventors: David Ehrenberger
Original assignee: Witzenmann GmbH
Current assignee: Witzenmann GmbH
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-03-17
Also published as: FR3114193A1

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Anordnung von Batteriezellen (2) mit einer Batteriezellen-Längsachse, bei denen die elektrischen Kontakte (2a, 2b) auf verschiedenen Seiten entlang der Batteriezellen-Längsachse angeordnet sind, vorzugsweise kreiszylinderförmigen Stabzellen, welche Vorrichtung aufweist:- eine äußere, elektrisch isolierende Umhüllung (5) für die Batteriezellen (2);- wenigstens einen aus der Umhüllung (5) vorzugsweise stirnseitig herausgeführten elektrischen Anschluss (7, 10);- wenigstens einen in der Umhüllung (5) aufgenommenen Modulträger (3) aus einem elektrisch isolierenden Material; welcher Modulträger (3) wenigstens eine Aufnahme (4) für eine Batteriezelle (2) aufweist, in welche Aufnahme (4) die Batteriezelle (2) entlang ihrer Längsachse einführbar ist, wobei die Verlängerung einer Längsachse (L) der Aufnahme (4) den Anschluss (7, 10) durchstößt, welche Aufnahme (4) bevorzugt zum Anschluss hin und an einer dem Anschluss gegenüberliegenden Seite öffnet und von der Umhüllung (5) beabstandet ist und wenigstens ein erstes, elastisches Halteelement (3a, 3b) aufweist, welches erste Halteelement (3a, 3b) dazu ausgebildet und vorgesehen ist, eine in der Aufnahme (4) aufgenommene oder aufzunehmende Batteriezelle (2) zumindest bereichsweise quer zu der Längsachse (L) der Aufnahme (4) mit einer Innenwandung (4a) der Aufnahme (4) in Anlage zu bringen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anordnung von Batteriezellen gemäß Anspruch 1. Die Batteriezellen, für welche die Vorrichtung bestimmt ist, weisen eine Batteriezellen-Längsachse auf, und die elektrischen Kontakte der Batteriezellen sind auf verschiedenen (Stirn-)Seiten entlang der Batteriezellen-Längsachse angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei den Batteriezellen um kreiszylinderförmige Stabzellen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Batteriezellen-Anordnung gemäß Anspruch 16, welche Batteriezellen-Anordnung eine erfindungsgemäße Vorrichtung und eine Anzahl von Batteriezellen umfasst, welche Batteriezellen so ausgebildet sind, wie vorstehend beschrieben.
Außerdem betrifft die Erfindung noch ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Mehrzahl von Batteriezellen gemäß Anspruch 22, wobei ebenfalls eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz kommt, welche Vorrichtung mit den eingangs definierten Batteriezellen zusammenwirkt.
Der derzeit gewünschte bzw. angestrebte Übergang zu einer weitreichenden Elektromobilität steht und fällt mit der Bereitstellung geeigneter Batteriezellen bzw. Batteriezellen-Anordnungen. Unter einer „Batteriezellen-Anordnung“ im Rahmen dieser Beschreibung wird eine elektrische Zusammenschaltung mehrerer Batteriezellen verstanden, was regelmäßig nach Art einer elektrischen Reihenschaltung geschieht, sodass sich die von den einzelnen Batteriezellen bereitgestellten Spannungen zu einer Gesamtspannung addieren. Eine solche Batteriezellen-Anordnung kann dann beispielsweise zum Betreiben eines Traktionsmotors (Antriebsmotors) für ein Kraftfahrzeug verwendet werden.
Aus dem Stand der Technik ist ein Batteriemodul bekannt, bei dem in einem Kunststoffträger angeordnete Rundzellen (kreiszylinderförmige Stabzellen) in Form einer elektrischen Parallelschaltung angeordnet sind. Ein solches Batteriemodul kann dann mit weiteren Batteriemodulen derselben Art in Reihe geschaltet werden, sodass sich die weiter oben angesprochene Reihenschaltung von Batteriezellen ergibt. Zur Parallelschaltung der Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls ist ein Kontaktblech vorgesehen bzw. angeschweißt, das alle Batteriezellen eines Batteriemoduls stirnseitig miteinander verbindet und so einen Potenzialausgleich gewährleistet. Außerdem erfolgt über das genannte Kontaktblech die Kontaktierung der Zellen des nächsten, in Reihe geschalteten Batteriemoduls.
In dem Zusammenhang wurde seitens der Anmelderin festgestellt, dass das einseitige Anschweißen des Kontaktblechs technisch ohne größere Probleme zu bewerkstelligen ist, wobei allerdings die Herstellung und die Montage des Kontaktblechs bereits für einen erhöhten Fertigungsaufwand sorgt. Schwieriger und aufwendiger gestaltet sich die Kontaktierung der jeweils zweiten Seite der Batteriezellen (Rundzellen), welche regelmäßig eine gewisse Fertigungstoleranz, insbesondere bezogen auf ihre Länge, aufweisen. Nach dem Stand der Technik wird auch auf der anderen Kontaktseite des Batteriemoduls ein Kontaktblech der genannten Art angeschweißt, was sich nach dem Vorstehenden aufwendig, fertigungsintensiv und entsprechend kostenträchtig gestaltet.
Es besteht Bedarf an einer Batteriezellen-Anordnung bzw. einer Vorrichtung zur Anordnung von Batteriezellen zwecks Schaffung einer Batteriezellen-Anordnung, die ohne beidseitig anzuschweißende Kontaktbleche auskommt bzw. auskommen, wodurch sich Fertigungsaufwand und Kosten reduzieren lassen. Außerdem soll bezogen auf die Batteriezellen ein umfassender Toleranzausgleich möglich sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Batteriezellen-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 sowie durch ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Mehrzahl von Batteriezellen mit den Merkmalen des Anspruchs 22.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ideen sind in den Unteransprüchen definiert.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anordnung von Batteriezellen mit einer Batteriezellen-Längsachse, bei denen die elektrischen Kontakte auf verschiedenen Seiten entlang der Batteriezellen-Längsachse angeordnet sind, vorzugsweise kreiszylinderförmigen Stabzellen (Rundzellen), weist auf: eine äußere, elektrisch isolierende Umhüllung für die Batteriezellen; wenigstens einen aus der Umhüllung vorzugsweise stirnseitig herausgeführten elektrischen Anschluss; wenigstens einen in der Umhüllung aufgenommenen Modulträger aus einem elektrisch isolierenden Material; welcher Modulträger wenigstens eine Aufnahme für eine Batteriezelle aufweist, in welche Aufnahme die Batteriezelle entlang ihrer Längsachse einführbar ist, wobei die (gedachte) Verlängerung einer Längsachse der Aufnahme den Anschluss durchstößt, welche Aufnahme von der Umhüllung beabstandet ist und wenigstens ein erstes, elastisches Halteelement aufweist, welches erste Halteelement dazu ausgebildet und vorgesehen ist, eine in der Aufnahme aufgenommene oder aufzunehmende Batteriezelle zumindest bereichsweise quer zu der Längsachse der Aufnahme mit einer Innenwandung der Aufnahme in Anlage zu bringen.
Wenn vorliegend davon die Rede ist, dass „die (gedachte) Verlängerung einer Längsachse der Aufnahme den Anschluss durchstößt“, bedeutet dies, dass die (gedachte) Verlängerung einer Längsachse der Aufnahme auf den Anschluss trifft, sodass eine elektrische Kontaktierung zwischen Anschluss und Batteriezelle möglich ist, wenn sich die Batteriezelle in der Aufnahme befindet.
Eine erfindungsgemäße Batteriezellen-Anordnung umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung und eine Anzahl von Batteriezellen mit einer Batteriezellen-Längsachse, bei denen die elektrischen Kontakte auf verschiedenen Seiten entlang der Batteriezellen-Längsachse angeordnet sind, vorzugsweise kreiszylinderförmige Stabzellen (Rundzellen). Vorzugsweise ist in jeder Aufnahme der Vorrichtung eine Batteriezelle angeordnet, wobei die in einer betreffenden Aufnahme aufgenommene Batteriezelle durch das erste Halteelement zumindest bereichsweise quer zu der Längsachse der Aufnahme mit einer Innenwandung der Aufnahme in Anlage gebracht ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum elektrischen Kontaktieren einer Mehrzahl von Batteriezellen. Es umfasst die Schritte: a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Batteriezellen mit einer Batteriezellen-Längsachse, bei denen die elektrischen Kontakte auf verschiedenen Seiten entlang der Batteriezellen-Längsachse angeordnet sind, vorzugsweise kreiszylinderförmigen Stabzellen; b) Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der innerhalb der Umhüllung mehrere gleiche Modulträger hintereinander aufgenommen sind, wobei vorzugsweise einander entsprechende Aufnahmen verschiedener Modulträger fluchten; c) Einbringen der Batteriezellen in die entsprechenden Aufnahmen und Herstellen einer Batteriezellen-Anordnung, bei der in entsprechenden, hintereinander angeordneten, fluchtenden Aufnahmen verschiedener Modulträger angeordnete Batteriezellen eine Batteriezellenstange bilden und einander paarweise mit ihren elektrischen Kontakten unter Ausbildung von entsprechenden Kontaktstellen berühren; d) elektrisches Kontaktieren eines ersten stirnseitigen elektrischen Kontakts der Batteriezellenstange und eines letzten stirnseitigen elektrischen Kontakts der bzw. jeder Batteriezellenstange, vorzugsweise durch Kontaktieren des Anschlusses mit dem ersten stirnseitigen elektrischen Kontakt der Batteriezellenstange und durch stirnseitiges Verschließen der Umhüllung auf der Seite des letzten stirnseitigen elektrischen Kontakts der Batteriezellenstange bzw. dessen Kontaktierung.
Durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. deren Verwendung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung bzw. zum elektrischen Kontaktieren im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Anschweißen von Kontaktblechen nicht mehr erforderlich. Die Batteriezellen können - ähnlich wie bei einer allseits bekannten Stabtaschenlampe - hintereinander nach Art einer sogenannten „Batteriestange“ angeordnet werden und berühren sich so unmittelbar paarweise stirnseitig, ohne dass aufwendig anzuschweißende Kontaktbleche erforderlich wären. Das erste Halteelement sorgt für eine definierte, sichere Positionierung der Batteriezellen und gleicht auf diese Weise etwaige Fertigungstoleranzen zumindest hinsichtlich eines Durchmessers der Batteriezellen aus. Vorteilhafterweise kann das erste Halteelement im Sinne einer weitgehenden Funktionsintegration auch zum elektrischen Kontaktieren bzw. für einen Potenzialausgleich zwischen den Batteriezellen verwendet werden. Einzelheiten hierzu werden weiter unten genauer beschrieben.
Die Kontaktierung der Batteriestangen kann in einfacher Weise erfolgen, wenn im Rahmen einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Aufnahme zum Anschluss hin und an einer dem Anschluss gegenüberliegenden Seite öffnet. Somit sind die (stirnseitigen) Kontakte einer in der Aufnahme enthaltenen Batteriezellen von außen leicht zugänglich.
Durch das Vorsehen der genannten Umhüllung und des Modulträgers lässt sich außerdem eine weitere Funktionsintegration in das Gehäuse der Batteriezellen-Anordnung erreichen, welches demgemäß eine dichtende (Umhüllung) und tragende (Modulträger) Funktion aufweist, was von dem beschriebenen Stand der Technik so nicht bekannt war.
Es soll nun auf vorteilhafte Weiterbildungen der grundlegenden Erfindungsidee näher eingegangen werden, wie sie in den Unteransprüchen definiert sind.
Eine erste Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das erste Halteelement ein Federelement ist, vorzugsweise eine Federzunge oder eine Federlasche. Derartige Varianten des ersten Halteelements sind z.B. als Stanzteile besonders einfach und kostengünstig zu fertigen und erfüllen hervorragend die ihnen zugedachte Funktion, nämlich eine in der Aufnahme aufgenommene oder aufzunehmende Batteriezelle zumindest bereichsweise quer zu der Längsachse der Aufnahme mit einer Innenwandung der Aufnahme in Anlage zu bringen, um sie sicher und dauerhaft zu positionieren.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das erste Halteelement aus einem elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt ist, vorzugsweise einem Metall, oder mit einem solchen Werkstoff beschichtet ist. Auf den besonderen Vorteil einer derartigen Ausgestaltung wurde weiter oben bereits hingewiesen: Es ist auf diese Weise möglich, da das erste Halteelement eine elektrische Kontaktierung der Batteriezellen vorzunehmen, insbesondere zwecks eines Potenzialausgleichs zwischen parallel geschalteten Batteriezellen. Darüber hinaus eignen sich metallische Halteelemente besonders gut für die weiter oben beschriebene Verwendung als Federelement.
Bei wieder einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass das erste Halteelement dazu ausgebildet ist, eine in der Aufnahme aufgenommene oder aufzunehmende Batteriezelle elektrisch leitend zu kontaktieren; hierauf wurde weiter oben bereits hingewiesen. Vorzugsweise geht dies einher mit der bereits angesprochenen Ausgestaltung des ersten Halteelements aus einem metallischen Werkstoff. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, im Bereich der Aufnahme gedruckte Leiterbahnen oder dgl. für eine elektrisch leitende Kontaktierung einer in der Aufnahme aufgenommenen oder aufzunehmenden Batteriezelle vorzusehen.
Um nicht nur die Batteriezellen innerhalb des Modulträgers sicher zu positionieren, sondern des Weiteren auch den Modulträger selbst innerhalb der Umhüllung festzulegen, kann eine äußerst bevorzugte andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorsehen, dass das erste Halteelement dazu ausgebildet und angeordnet ist, den Modulträger gegen eine Innenwand der Umhüllung zu verspannen. Dem ersten Halteelement kann also dementsprechend eine Doppelfunktion zukommen, was die Anzahl benötigter Bauteile reduzieren und eine entsprechende Kostenersparnis mit sich bringen kann. Allerdings kann das Verspannen des Modulträgers gegen die Umhüllung auch mittels eines von dem ersten Halteelement verschiedenen, weiteren Halteelement erfolgen, ohne dass die Erfindung diesbezüglich beschränkt wäre. Dieses weitere Halteelement kann ansonsten dieselben Eigenschaften besitzen, wie das erste Halteelement.
Vorteilhafterweise ist im Rahmen einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Modulträger aus der Umhüllung entnehmbar und wieder in die Umhüllung einsetzbar. Hierdurch lässt sich die Wartungs- und Montagefreundlichkeit vergrößern und die Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung erleichtern. Die Umhüllung kann zur Aufnahme eines oder - bevorzugt - mehrerer Modulträger ausgebildet sein, je nach angestrebter Größe der Batteriezellen-Anordnung. Dasselbe gilt für die Anzahl der Batteriezellen-Aufnahmen je Modulträger.
Damit die Batteriezellen in der Aufnahme sicher und spielfrei gelagert sind, was vorteilhafterweise mit einem entsprechenden Toleranzausgleich einhergeht, sieht eine äußerst bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die Innenwandung der Aufnahme über ihren Umfang wenigstens einen sich in Richtung der Längsachse der Aufnahme erstreckenden Vorsprung aufweist, vorzugsweise zwei sich in Richtung der Längsachse der Aufnahme erstreckende Vorsprünge, höchst vorzugsweise über eine (gesamte) Längsabmessung der Aufnahme durchgängig, wobei insbesondere das erste Halteelement und die Vorsprünge über einen Umfang der Aufnahme gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Wenn - wie beschrieben - zwei Vorsprünge vorhanden sind, kann sich zusammen mit dem ersten Halteelement eine sogenannte Dreipunkt-Lagerung ergeben, was aus statischen Gründen äußerst bevorzugt ist.
Noch eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass zwischen der Innenwandung der Aufnahme und einer in der Aufnahme aufgenommenen oder aufzunehmenden Batteriezelle zumindest bereichsweise ein erster Freiraum gebildet ist bzw. verbleibt. Dieser Freiraum kann - ohne Beschränkung - zum Einleiten eines Temperierfluids oder dergleichen verwendet werden, um insbesondere die Batteriezelle während des Betriebs zu temperieren (zu kühlen).
Noch eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Modulträger eine Mehrzahl von Aufnahmen mit zueinander parallelen Längsachsen aufweist, welche Aufnahme vorzugsweise regelmäßig in Form von Reihen und Spalten angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich eine große Anzahl von Batteriezellen bei relativ geringem Platzbedarf miteinander elektrisch verschalten, was regelmäßig eine Voraussetzung für die Verwendung von Batteriezellen auf dem Gebiet der Elektromobilität darstellt. Die Erfindung ist nicht auf eine Reihen-Spalten-Anordnung der Batteriezellen bzw. der Aufnahmen beschränkte. Alternative Anordnungsmuster, wie eine hexagonale oder konzentrisch-kreisförmige Anordnung oder sogar unregelmäßige Anordnungen, sind möglich.
Eine Weiterbildung dieser Idee kann vorsehen, dass zwischen jeweils zwei in einer Reihe oder in einer Spalte benachbarten Aufnahme wenigstens ein zweites, elastisches Halteelement mit den weiter oben detailliert beschriebenen zusätzlichen Merkmalen des ersten Halteelements angeordnet ist, was die Ausbildung als Federelement (Federzunge oder Federlast), in einem metallischen (elektrisch leitenden) Werkstoff und die elektrische Kontaktierung einer Batteriezelle anbelangt. Weiterhin kann außerdem noch vorgesehen sein, dass das erste Halteelement und das zweite Halteelement elektrisch leitend verbunden sind. Somit lässt sich in einfacher Weise die bereits mehrfach angesprochene elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Batteriezellen herstellen, insbesondere zwecks eines Potenzialausgleichs. Es ist in Weiterbildung dieser Idee außerdem möglich, dass das erste Halteelement und das zweite Halteelement einstückig-integral ausgebildet sind. Gleiches gilt unter Einbeziehung des oben erwähnten weiteren Halteelements.
Zwecks weitergehender Funktionsintegration kann im Rahmen einer wieder anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch vorgesehen sein, dass innerhalb der Umhüllung eine Elektronikplatine (Printed Circuit Board - PCB) oder eine sonstige Leitungsanordnung vorhanden ist, wobei das erste Halteelement (oder das weitere Halteelement) die Elektronikplatine bzw. die Leitungsanordnung elektrisch leitend kontaktiert. Auf diese Weise lässt sich die Batteriezelle bzw. lassen sich die Batteriezellen mit der Elektronikplatine bzw. der Leitungsanordnung elektrisch leitend verbinden, sodass beispielsweise mittels einer auf der Elektronikplatine bzw. der Leitungsanordnung vorhandenen oder damit verbundenen elektrischen Schaltung eine Überwachung bzw. Steuerung der Batteriezellen vorgenommen werden kann, beispielsweise und ohne Beschränkung eine Temperaturüberwachung oder dergleichen.
Es kann in Weiterbildung dieser Idee auch vorgesehen sein, dass die Elektronikplatine oder die Leitungsanordnung mit einem vorzugsweise ebenfalls in der Umhüllung aufgenommenen Batterie-Managementsystem (BMS) in elektrischer Wirkverbindung steht. Das BMS kann für eine weitreichende Steuerung und Überwachung der Batteriezellen bzw. einer Batteriezellen-Anordnung im laufenden Betrieb ausgebildet sein. Durch seine Anordnung in der Umhüllung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es optimal vor äußeren Schadeinwirkungen schützbar. Außerdem kann ein zusätzlicher, späterer Verdrahtungs- bzw. Verkabelungsaufwand entfallen.
Noch eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass innerhalb der Umhüllung mehrere gleiche Modulträger hintereinander aufgenommen oder aufnehmbar sind. Bei diesen Modulträgern handelt es sich vorzugsweise um Modulträger mit einer Mehrzahl von Aufnahmen für Batteriezellen mit zueinander parallelen Längsachsen, die in Form von Reihen und Spalten angeordnet sind, worauf weiter oben bereits hingewiesen wurde. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn einander entsprechende Aufnahmen verschiedener Modulträger fluchten, weil dies die Anordnung der Batteriezellen stark vereinfacht.
Vorzugsweise ist die Umhüllung bei entsprechender Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einerseits stirnseitig verschlossen oder verschließbar, vorzugsweise reversibel. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Umhüllung auf der Seite des (stirnseitig) herausgeführten elektrischen Anschlusses dauerhaft gegenüber der Umgebung verschlossen ist. Auf der gegenüberliegenden Seite kann - ohne Beschränkung hierauf - ein reversibles Verschließen der Umhüllung beispielsweise unter Verwendung eines entsprechenden Deckelteils erfolgen, das auf die Umhüllung aufgeschraubt wird, um diese zu verschließen. Auch dieses Deckelteil bzw. ein entsprechendes alternatives Verschlussteil kann einen (stirnseitig) herausgeführten elektrischen Anschluss aufweisen, um in der Vorrichtung aufgenommene Batteriezellen beidseitig zwecks Schaffung eines Stromkreises elektrisch kontaktieren zu können.
Die Erfindung ist nicht auf das reversible Verschließen der Umhüllung, wie weiter oben beschrieben, beschränkt. Allerdings erleichtert eine solche reversible Verschließbarkeit die Wartungsfreundlichkeit der Vorrichtung.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht dagegen vor, dass stirnseitige Verschlusselemente zum Verschließen einer ansonsten vorzugsweise als rohrförmige Hülse ausgebildeten Umhüllung vorgesehen sind, welche Verschließteile mit der Umhüllung dauerhaft stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt, sind.
Eine äußerst bevorzugte andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass zwischen Umhüllung und Modulträger noch ein zweiter Freiraum ausgebildet ist, der ebenfalls zum Einleiten bzw. Durchleiten eines Temperierfluids dienen kann, z.B. zum Temperieren des PCB. Vorzugsweise ist der weiter oben beschriebene erste Freiraum mit dem zweiten Freiraum strömungstechnisch verbunden, sodass ein gemeinsamer Strömungsraum für das Temperierfluid gebildet ist.
An der Umhüllung können wenigstens eine Zuleitung und wenigstens eine Ableitung für das Temperierfluid vorgesehen sein, um das Temperierfluid in den ersten Freiraum und/oder in den zweiten Freiraum einleiten und daraus auch wieder ableiten zu können. Vorzugsweise befinden sich die genannten Zu- und Ableitungen im Bereich der weiter oben angesprochenen Verschließteile zum (stirnseitigen) Verschließen der Umhüllung. Die Zu- bzw. Ableitungen können als Anschlussteile ausgeführt sein, um den Temperierkreislauf der Vorrichtung, wie weiter oben beschrieben, mit einem extern in der Vorrichtung ausgebildeten bzw. vorhandenen Temperierkreislauf und entsprechenden Vorrats- und Fördermitteln zu verbinden, wie er insbesondere bei Kraftfahrzeugen regelmäßig vorhanden ist.
Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf eine solche Ausgestaltung beschränkt; vielmehr kann auch für die Vorrichtung selbst ein eigener Temperierkreislauf mit entsprechenden Vorrats- und Fördermitteln vorhanden sein.
Eine erste Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung sieht vor, dass das erste Halteelement eine in der Aufnahme aufgenommene Batteriezelle elektrisch leitend kontaktiert. Auf die entsprechenden Vorteile und Möglichkeiten wurde weiter oben bereits eingehend hingewiesen.
Noch eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung sieht vor, dass bei einem Vorhandensein mehrerer gleicher Modulträger, wie weiter oben beschrieben, und einer Mehrzahl von Batteriezellen, die in entsprechenden, hintereinander angeordneten, fluchtenden Aufnahmen verschiedener Modulträger angeordneten Batteriezellen eine Batteriezellenstange bilden und einander paarweise mit ihren elektrischen Kontakten unter Ausbildung von entsprechenden Kontaktstellen berühren. Auf diese Weise ist ohne Weiteres bereits eine Reihenschaltung von Batteriezellen realisierbar, ohne dass zu diesem Zweck irgendwelche zusätzlichen Kontakteinrichtungen erforderlich wären.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung die Batteriezellen einer Batteriezellenstange an den genannten Kontaktstellen stoffschlüssig miteinander verbunden sind, vorzugsweise verschweißt. Dies kann durch Laserschweißen oder auch durch Reibschweißen erfolgen, ohne dass die Erfindung auf derartige Schweißarten beschränkt wäre. Auf diese Weise ist ein dauerhafter und sicherer elektrischer Kontakt zwischen den einzelnen Batteriezellen gewährleistet.
Für die Handhabung, insbesondere bei der Montage, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Batteriezellen einer Batteriezellenstange bereits vor ihrem Einbringen in die erfindungsgemäße Vorrichtung miteinander verbunden wurden. Auf diese Weise sind nicht mehr eine Vielzahl einzelner Batteriezellen zu handhaben, sondern nur noch eine reduzierte Anzahl von Batteriezellenstangen, bei denen die einzelnen Batteriezellen bereits dauerhaft elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dies bringt entsprechende Fertigungsvorteile und Kostenersparnis mit sich.
Eine alternative Ausgestaltungsart sieht vor, zwischen den Zellen einer (Batterie-)Zellenstange ein Sicherungselement anzubringen, das dazu ausgebildet und vorgesehen ist, bei elektrischer und/oder thermischer Überlast die betreffende Batteriezelle physisch von der (Batterie-)Zellenstange zu trennen. Das Sicherungselement kann als Schmelzsicherung, z.B. in Form eines dünnen Drahts, ausgebildet sein. Alternativ kann auch ein elektrisch isolierendes, ausreichend druckstabiles Element mit einer leitfähigen Beschichtung oder mit einer dem Auslösestrom entsprechend dimensionierten Verbindung zwischen den Zellkontakten, vorzugsweise ausgeführt in Form einer Außenbeschichtung oder eines optional innenliegenden Drahts, zum Einsatz kommen. Vorzugsweise ist immer zwischen zwei direkt benachbarten Batteriezellen in einer Zellenstange ein solches Sicherungselement vorgesehen.
Die in der Zellenstange verbleibenden intakten Zellen können bei entsprechender Weiterbildung über die Federelemente zum Potentialausgleich (erste und/oder zweite Haltelemente, wie oben beschrieben) schaltungstechnisch wieder in den Verband eingegliedert werden bzw. darin verbleiben. Ein mittels einer solchen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung angetriebenes Fahrzeug fährt dementsprechend noch. Dies ist umso vorteilhafter, je größer die Anzahl der parallel geschalteten Zellen ist.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung bei entsprechender Weiterbildung über einen ersten und/oder einen zweiten Freiraum verfügen kann, die mit einem Temperierfluid gefüllt oder von einem solchen Fluid durchströmt sein können. Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung sieht nun vor, dass der erste Freiraum und/oder der zweite Freiraum mit einem solchen Temperierfluid tatsächlich befüllt und/oder durchströmt sind. Bei diesem Temperierfluid kann es sich insbesondere um ein Dielektrikum handeln, welches als elektrischer Isolator wirkt und dafür sorgt, dass es zu keinen ungewollten elektrischen Verbindungen innerhalb von Batteriezellen-Anordnungen kommen kann. Vorzugsweise sind in diesem Zusammenhang der erste Freiraum und der zweite Freiraum strömungstechnisch miteinander verbunden, was insbesondere dazu führt, dass nur ein einziger Kreislauf für das Temperierfluid erforderlich ist, was wiederum die Herstellung und den Betrieb vereinfacht und zu einer entsprechenden Kostensenkung beiträgt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zunächst vorgesehen sein, dass in einem zusätzlichen Schritt e), der sich insbesondere an den weiter oben definierten Schritt d) anschließen kann, innerhalb eines Modulträgers parallel angeordnete Batteriezellen elektrisch leitend verbunden werden. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass dies in besonders einfacher Weise über das zweite Halteelement bzw. eine geeignete Mehrzahl solcher Halteelemente erfolgen kann, wenn diese/s entsprechend ausgebildet ist/sind, worauf weiter oben eingehend hingewiesen wurde.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass vor Schritt c) eine Anzahl an Batteriezellen immer paarweise über ihre elektrischen Kontakte miteinander zu einer Batteriezellenstange aus zwei oder mehr Batteriezellen verbunden werden, worauf ebenfalls weiter oben schon hingewiesen wurde. Bevorzugt erfolgt dieses Verbinden durch Reibschweißen oder Laserschweißen, ohne dass die Erfindung jedoch hierauf beschränkt wäre. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Anzahl an Batteriezellen in einer Batteriezellenstange eine Anzahl hintereinander angeordneter, fluchtender Aufnahmen verschiedener Modulträger entspricht. Auf diese Weise sind alle fluchtenden Aufnahmen der verschiedenen Modulträger mit einer einzigen Batteriezellenstange gefüllt bzw. füllbar, weil alle Batteriezellen innerhalb der Batteriezellenstange bereits elektrisch leitend miteinander verbunden (in Reihe geschaltet) sind, sodass grundsätzlich nur noch dafür zu sorgen ist, dass die Batteriezellenstange an ihren beiden Stirnseiten ordnungsgemäß elektrisch kontaktiert wird. Dies schafft einen weitgehenden Toleranzausgleich hinsichtlich von Abmessungen der einzelnen Batteriezellen, insbesondere in Längsrichtung, und reduziert den Fertigungsaufwand erheblich. Besonders vorteilhaft kann es dabei sein, wenn zur stirnseitigen Kontaktierung der Batteriezellenstangen zumindest auf einer Seite ein Federmittel bzw. ein elastisch verformbares Anschlussmittel vorhanden ist.
Damit es nicht beim Einschieben der Batteriezellenstangen in die Modulträger zu ungewollten elektrischen Verbindungen kommt, die sich bei entsprechender Ausgestaltung insbesondere des ersten Halteelements ergeben könnten und die zu einer Zerstörung von Batteriezellen führen könnten, sieht eine äußerst bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass im besten Fall jede Batteriezellenstange vor Schritt c) mit einer umfänglich geschlossenen, elektrisch isolierenden Einhüllung versehen wird, beispielsweise einer Einhüllung aus Papier oder einer Kunststofffolie. Diese Einhüllung sollte vorzugsweise über den Umfang der Batteriezelle bzw. Batteriezellenstange eng anliegen, um das Einführen der Batteriezellenstange in die Aufnahmen der Modulträger nicht zu behindern. Die stirnseitigen Kontakte bleiben bevorzugt frei. Aufgrund der elektrisch isolierenden Einhüllung der Batteriezellenstange kann es jedoch nicht dazu kommen, dass bei deren Einführung in den Modulträger ein ungewollter und potenziell schädlicher elektrischer Kontakt ausgebildet wird. Eine solche Kontaktierung der Batteriezellen bzw. Batteriezellenstange ist erst möglich, nachdem die elektrisch isolierende Einhüllung entfernt wurde. Hierzu sieht eine wieder andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch vor, dass nach Schritt c) bzw. vor einer Inbetriebnahme der Batteriezellen-Anordnung die beschriebene Einhüllung entfernt wird. Dies kann vorzugsweise einfach dadurch geschehen, dass sie in Richtung einer Längsachse der jeweiligen Batteriezellenstange abgezogen wird, vorteilhafterweise zur derjenigen (Stirn-)Seite der Umhüllung, die noch nicht mit einem entsprechenden Verschließelement verschlossen wurde.
Nach dem Entfernen der Einhüllung können dann die einzelnen Batteriezellen seitlich, insbesondere über das erste und/oder zweite Halteelement, elektrisch leitend miteinander bzw. mit weiteren Bestandteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie der weiter oben beschriebenen Elektronikplatine, verbunden werden, wie zum Betrieb der Batteriezellen-Anordnung notwendig bzw. vorgesehen. Dies geschieht aufgrund der elastischen Ausgestaltung der genannten Federmittel bevorzugt selbsttätig.
Die nachfolgende Beschreibung fasst noch mal bestimmte, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung exemplarisch zusammen, die sich aus Sicht der Anmelderin als besonders praxisrelevant erwiesen haben. Es sei jedoch angemerkt, dass die Erfindung keinesfalls auf die nachfolgend beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, sodass sich der Schutzbereich der Anmeldung in üblicher Weise aus den Patentansprüchen und der vorstehenden, allgemeinen Beschreibung ergibt.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, die Batteriezellen bzw. Rundzellen zu Stangen bzw. Stäben zu verbinden. Neben dem bereits angesprochenen Schweißverfahren kann in diesem Zusammenhang auch ein Verlöten der Batteriezellen erfolgen. Das Vorsehen einer Laserschweißnaht oder der Einsatz eines Ultraschallschweißverfahrens haben sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, weil hierdurch der Wärmeeintrag in die Batteriezellen möglichst gering gehalten werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe „Zellstab“, „Zellstange“, „Rundzellenstab“ und „Batteriezellenstab“ oder „Batteriezellenstange“ oder dgl. als Synonyme verwendet, sofern dies nicht ausdrücklich anders angegeben ist.
Die Rundzellenstäbe können je nach gewünschter Modulkonfiguration (z.B. 6S xP, das heißt x-mal 6 Batteriezellen in Serie) aufgebaut und dann in der gewünschten Anzahl innerhalb jedes Modulträgers parallel zueinander angeordnet werden, wobei die Fixierung durch den beschriebenen Modulträger erfolgt. Dabei sind die Modulträger, insbesondere im Rahmen der genannten Aufnahmen, auf die Geometrie und die Abmessungen der Batteriezellen (vorzugsweise Rundzellen) abgestimmt. Auf diese Weise ergibt sich ein sogenannter Zellblock.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die Fixierung der Batteriezellen bzw. Zellstäbe innerhalb der Modulträger vorzugsweise durch eine Dreipunkt-Lagerung oder Dreipunkt-Aufhängung erfolgt. Diese kann in der bereits beschriebenen Art und Weise durch zwei im Modulträger ausgebildete Vorsprünge bzw. Kontaktelemente aus Kunststoff und einem Federelement gebildet sein, welches Federelement vorzugsweise aus einem metallischen, elastischen Werkstoff besteht, wie weiter oben detailliert beschrieben. Das Federelement ist dabei so ausgebildet, dass beim Einschieben der Rundzellen(stäbe) selbige gegen die beiden Vorsprünge des Modulträgers gepresst werden.
Um einen Kurzschluss der Zelle insbesondere beim Einschieben in den Modulträger zu verhindern, kann zusätzlich zu dem weiter oben beschriebenen Vorsehen einer geeigneten Einhüllung oder auch alternativ auf dem Zellgehäuse der Batteriezelle selbst ein hinreichend breiter Bereich aus einem nicht leitenden Material vorgesehen sein, der vorzugsweise aus einer Beschichtung bestehen kann, die während des Schweißprozesses zum Verbinden der Batteriezellen aufgetragen wird. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine hinreichend hohe Füllgeschwindigkeit zum Einsatz kommen, um eine Beschädigung der Batteriezellen beim Einschieben zu verhindern. Bevorzugt ist allerdings die Verwendung eines Fügehilfsteils (Einhüllung), wie weiter oben beschrieben, das bei der Modulträgerpassage den Kurzschluss verhindert und nach der Montage wieder entfernt wird. Vorteilhafterweise kann das Fügehilfsteil anschließend wiederverwendet werden. Auf diese Weise ist es dann nicht erforderlich, den weiter oben beschriebenen nicht leitenden Bereich auszubilden, was die Fertigung wiederum vereinfachen kann. Das genannte Fügehilfsteil, welches die weiter oben bereits beschriebene Einhüllung bildet, kann beispielsweise als dünnwandiges Kunststoff- oder Papierrohr ausgeführt sein und kann zusätzlich auch noch als Transport-/Lagerschutz für die Zellstangen oder Zellstäbe Verwendung finden.
Durch die bereits beschriebene vorgespannte Dreipunkt-Lagerung der Batteriezellen ist ein Toleranzausgleich hinsichtlich des Rundzellendurchmessers möglich. Insbesondere dann, wenn die einzelnen (Batterie-)Zellen innerhalb eines Stabs starr miteinander verbunden sind, ist pro Zelle bzw. pro Aufnahme ein einzelnes Halteelement (Federelement) ausreichend. Allerdings ist die Erfindung nicht auf Ausgestaltungen mit nur einem Halteelement beschränkt.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Halteelemente bzw. Federelemente aus einem Blech durch Stanzbiegen hergestellt und in einer Ebene untereinander zu einer Federelementplatte verbunden werden. Dadurch können im Modulträger alle Halteelemente (Federelemente) in einem Arbeitsschritt eingelegt und montiert werden. Dabei sind Varianten mit eingespritzten, eingeklippten oder eingelegten Halteelementen bzw. Federelementplatten möglich.
Die genannten Halteelemente bzw. Federelemente oder Federelementplatten bilden zusätzlich zur mechanischen Fixierung durch elastische Vorspannung bei entsprechender Materialauswahl auch den Potenzialausgleich elektrisch parallel geschalteter Batteriezellen. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass über die Halteelemente bzw. Federelemente oder Federelementplatten auch der Kontakt zu einem Batterie-Managementsystem oder zusätzliche Verdrahtung möglich ist. Es wurde weiter oben bereits vorgeschlagen, das BMS auf einem PCB anzuordnen, welches PCB ähnlich wie die Zellstangen in die Umhüllung eingeschoben und montiert wird, wobei vorzugsweise zugleich auch die elektrische Kontaktierung mit den Zellstangen gewährleistet ist, um Fertigungsaufwand zu sparen. Vorzugsweise weisen demnach sowohl Modulträger als auch Umhüllung (gemeinsam) einen Raum zum Anordnen des oder zumindest eines PCB auf.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass der Modulträger bzw. die Modulträger vorzugsweise so ausgestaltet sein können, dass ein Kühlfluid (Dielektrikum) eine Immersionskühlung jeder Batteriezelle im Modulträger sicherstellen kann, um die Batteriezellen vorzugsweise gleichmäßig zu umströmen und zu entwärmen.
Zur Kontaktierung der Batteriezellen-Anordnung sind bei entsprechender Weiterbildung Stromsammelbleche oder dergleichen vorgesehen, die vorzugsweise an den jeweiligen Enden der Batteriestangen bzw. der Umhüllung angeordnet sind und jeweils einen zentralen Anschluss bzw. Ableiter bilden bzw. aufweisen. Auch hier kann wiederum eine Verbindung zu den Batteriestangen durch Schweißen oder dergleichen erfolgen; es kann jedoch auch ausreichen, wenn die entsprechende Kontaktierung einfach durch Kraftschluss hergestellt wird, wie weiter oben bereits grundlegend beschrieben.
Zur Abdichtung des Systems dient vorteilhafterweise die bereits angesprochene Umhüllung, die als ein dünnwandiges Hüllelement ausgebildet sein kann, in das die Zellblöcke mit den Stromsammelblechen, das heißt insbesondere die Modulträger mit den Batteriezellen, eingeschoben werden. Das dünnwandige Hüllelement kann beispielsweise als Kunststoff- oder Metallrohr ausgebildet sein und ist in seinem (lichten) Querschnitt an die entsprechenden Abmessungen der Modulträger angepasst. Es übernimmt die Funktion einer Abdichtung nach außen und kann darüber hinaus über eine axiale Verspannung der gesamten Anordnung Formstabilität verleihen. An den Modulträgern können (weitere) Federelemente zur Verspannung der Modulträger in der Umhüllung vorgesehen sein, wie bereits erläutert wurde.
Im Fall entsprechender Anforderungen kann das Hüllelement selbst einen ganz oder teilweise flexiblen Abschnitt aufweisen, insbesondere nach Art eines Balgs, um Dehnungen und Toleranzen auszugleichen, insbesondere thermisch induzierte Dehnungen während des laufenden Betriebs. Vorzugsweise weist der genannte flexible Abschnitt - wie bereits angedeutet - Wellen auf, insbesondere Ringwellen, die vorzugsweise nach innen ausgeformt sind.
An den Stirnseiten des Hüllelements sind in der Regel Verschlusselemente bzw. die bereits angesprochenen Verschließteile vorgesehen, die gegenüber den genannten Stromsammelblechen elektrisch isoliert und abgedichtet sein sollten. Außerdem können die genannten Verschlusselemente optional die Elektronik (PCB) und entsprechende Kontaktierungselemente tragen. Des Weiteren können hier die Zu- und Ableitungen für das Temperierfluid vorgesehen sein. Auch hierauf wurde weiter oben bereits grundlegend hingewiesen. Die Fixierung der Verschlusselemente an dem Hüllelement bzw. der Umhüllung kann durch Verschweißen oder durch Bördeln erfolgen, ohne dass die Erfindung auf eine bestimmte Fixierungsart beschränkt wäre.
Durch eine Montage des Verschlusselements bzw. der Verschlusselemente unter mechanischer Vorspannung kann gegebenenfalls auch ein Anschweißen der Stromsammelbleche vermieden werden. Der elektrische Kontakt wird dann durch eine sogenannte Hertzsche Pressung hergestellt.
Das Verschlusselement bzw. die Verschlusselemente können so ausgebildet sein, dass eine Fixierung und Positionierung für Handhabungshilfen, wie Montageroboter, und für die Montage in einem übergeordneten Batteriegehäuse vorgesehen sind.
Die Erfindung ist in jedem Fall keinesfalls auf die Verwendung von Rundzellen, das heißt Batteriezellen mit kreisförmigem Querschnitt beschränkt, sondern kann ebenso gut für Batteriezellen mit nicht rundem Querschnitt verwendet werden.
Die durch die Erfindung, zumindest im Rahmen der vorstehend genannten Weiterbildungen, erreichbaren Vorteile umfassen die weitgehende Funktionsintegration (Dichtung und Verspannung innerhalb des äußeren Hüllelements), die weitgehende Bauteileinsparung, die Leichtbau-Fähigkeit, die Austauschbarkeit einzelner Zellstäbe, den modularen Aufbau, den reduzierten bzw. entfallenden Verkabelungsaufwand, den möglichen Toleranzausgleich hinsichtlich des Batteriezellen-Durchmessers sowie die direkte Zellanbindung ohne aufwendig zu montierende Zwischenleitelemente (Kontaktbleche), wie sie nach dem Stand der Technik erforderlich sind.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriezellen-Anordnung im Längsschnitt;
2 zeigt einen teilweisen Querschnitt durch einen Modulträger mit aufgenommenen Batteriezellen;
3 zeigt eine mögliche Verschaltung von Batteriezellen; und
4 zeigt eine alternative Verschaltung von Batteriezellen.

1 zeigt bei Bezugszeichen 1 eine Batteriezellen-Anordnung mit einer Mehrzahl von als Rundzellen oder Stabzellen der beschriebenen Art ausgebildeten Batteriezellen, von denen in 1 acht zumindest zum Teil erkennbar sind. Die Batteriezellen sind allgemein mit dem Bezugszeichen 2 (vgl. 2 ff.) und speziell mit den Bezugszeichen 2₁₁, 2₂₁, 2₁₂, 2₂₂, 2₁₃, 2₂₃, _..., 21_n, 22_n bezeichnet, wobei 2n die Gesamtanzahl der Batteriezellen 2 angibt. Jede der Batteriezellen 2₁₁,... weist jeweils zwei stirnseitige elektrische Kontakte auf (PlusPol und Minus-Pol), die in 1 nur für eine Batteriezelle 2₁₂ mit den Bezugszeichen 2a und 2b exemplarisch bezeichnet sind. Dementsprechend wird der eine elektrische Kontakt 2b durch die Ummantelung 2c der Batteriezellen 2₁₁, ... gebildet bzw. umfasst diese. Um einen Kurzschluss der Batteriezellen 2₁₁, ... zu vermeiden, ist zwischen dem Kontakt 2a und dem Kontakt 2b ein axialer Bereich 2d aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Solche Batteriezellen (Rundzellen, Stabzellen) sind dem Fachmann bekannt. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von Batteriezellen 2₁₁, ... mit kreisförmigem Querschnitt beschränkt ist.
Während die Batteriezellen 2₁₁, 2₁₂, 2₁₃, ... in Reihe geschaltet sind, indem sich immer unterschiedliche Kontakte 2a, 2b berühren, sind die Batteriezellen 2₁₁ und 2₂₁ bzw. 2₁₂ und 2₂₂ bzw. 2₁₃ und 2₂₃ usw. parallel geschaltet. Zu diesem Zweck sind Halte- bzw. Federelemente 3b vorgesehen, welche die parallel geschalteten Batteriezellen 2₁₁, 2₂₁ etc. elektrisch leitend miteinander verbinden; hierauf wird weiter unten noch genauer eingegangen.
Die parallel geschalteten Batteriezellen 2₁₁, 2₂₁ etc. sind jeweils in einem gemeinsamen Modulträger 3 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Kunststoff oder dergleichen, angeordnet. Auch hierauf wird weiter unten noch genauer eingegangen. Jeder Modulträger 3 besitzt Aufnahmen 4 zum Aufnehmen jeweils einer Batteriezelle 2₁₁, ... Die Modulträger 3 sind fluchtend hintereinander in einer hülsenförmigen Umhüllung 5 angeordnet, die jeweils stirnseitig mit einem Verschlusselement 6 verschlossen ist. Dabei sind Umhüllung 5 und Verschlusselement 6 bei Bezugszeichen 56 jeweils stoffschlüssig miteinander über ihren Umfang verbunden. Im Bereich der Verschlusselemente 6 sind innerhalb der Umhüllung 5 Sammelbleche 7 vorgesehen, welche die entsprechenden stirnseitigen Kontakte 2a, 2b der Batteriezellen 2₁₁, ... kontaktieren. Außerdem befinden sich im Bereich der Verschlusselemente 6 Zuleitungen bzw. Ableitungen 8 für ein die Umhüllung 5 durchströmendes Dielektrikum (Temperierfluid) 9. Gemäß der Darstellung in 1 ist es grundsätzlich unerheblich, welcher der bei Bezugszeichen 8 dargestellten Anschlüsse als Zuleitung bzw. als Ableitung für das Temperierfluid 9 fungiert.
Die Sammelbleche 7 stehen in elektrischer Verbindung mit jeweils einem elektrischen Anschluss bzw. Ableiter für die Batteriezellen-Anordnung 1. Diese Ableiter sind in 1 mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Sie sind durch stirnseitig angeordnete Elemente 11 gegenüber den Verschlusselementen 6 bzw. der Umhüllung 5 elektrisch isoliert.
Die jeweils in Reihe geschalteten Batteriezellen 2₁₁, 2₁₂, 2₁₃, ... bzw. 2₂₁, 2₂₂, 2₂₃, ... können vor dem Einbringen in die Modulträger 3 bzw. in die Umhüllung 5 stoffschlüssig und elektrisch leitend zu sogenannten Batteriezellenstangen miteinander verbunden worden sein, um die Handhabung zu vereinfachen. Alle Modulträger 3 sind zumindest hinsichtlich ihrer Abmessungen, Geometrie und Aufnahmen 4 identisch ausgebildet, wie dargestellt, sodass insbesondere die Aufnahmen 4 in einer Längsrichtung L, die parallel zu einer (nicht gezeigten) Längsachse der einzelnen Batteriezellen 2₁₁, ... verläuft, fluchten.
Als Strömungsraum für das Temperierfluid 9 sind innerhalb der Umhüllung 5 zumindest zwei verschiedene Freiräume ausgebildet, die in 1 mit dem Bezugszeichen 12a und 12b bezeichnet sind. Der (erste) Freiraum 12a ist innerhalb jeder Aufnahme 4 für eine Batteriezelle 2 und einer Innenwandung 4a der jeweiligen Aufnahme 4 ausgebildet. Der zweite Freiraum 12b ist ausgebildet zwischen einem jeweiligen Modulträger 3 und der Umhüllung 5. Vorzugsweise sind die beiden Freiräume 12a, 12b fluidtechnisch miteinander verbunden. Außerdem besteht eine fluidtechnische Verbindung zwischen den Freiräumen 12a, 12b der jeweiligen Modulträger 3, sodass sich zwischen Zuleitung und Ableitung 8 vorzugsweise ein einziger durchgängiger Strömungsraum für das Temperierfluid 9 ergibt.
Weiterhin ist innerhalb der Umhüllung 5 noch eine Elektroplatine (PCB) 13 angeordnet, die elektronische Bauteile (nicht gezeigt) sowie elektrische Kontakte 13a aufweist. Das PCB 13 kann an den Elementen 11 gelagert sein und mit weiteren Elektronikkomponenten 14 in elektrischer Wirkverbindung stehen, welche weiteren Komponenten 14 ebenfalls im Bereich der stirnseitigen Verschlusselemente 6 (an den Elementen 11) angeordnet sind, um beispielsweise ein Batterie-Managementsystem (BMS) auszubilden.
Gemäß der Ausgestaltung in 1 erstreckt sich der (zweite) Freiraum 12b auch noch um das PCB 13 herum, um auch dieses mittels des Temperierfluids 9 entwärmen zu können.
Gemäß der Darstellung in 1 sind die genannten zusätzlichen Elektronikkomponenten 14 auf beiden Seiten der Batteriezellen-Anordnung 1 angeordnet. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf eine derartige Ausgestaltung beschränkt, sondern umfasst auch Batteriezellen-Anordnungen, bei denen sich derartige zusätzliche Elektronikkomponenten 14 nur auf einer Seite der Anordnung befinden. Außerdem kann optional eine (nicht dargestellte) Verbindung zum Daten- und Informationsaustausch des BMS mit der zentralen Batteriesteuerung vorhanden sein.
Um die Batteriezellen 2 innerhalb der Modulträger 3 sowie die Modulträger 3 innerhalb der Umhüllung 5 zu fixieren, sind je Modulträger 3 eine Anzahl von Halteelementen 3a, 3b, 3c vorgesehen, worauf teilweise oben schon hingewiesen wurde, die vorzugsweise als metallische Federelemente oder Federzungen ausgebildet sind. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, die Halteelemente 3a - 3c als separate Bauteile vorzusehen; vielmehr können diese auch integral ausgebildet bzw. zu einem gemeinsamen Bauteil verbunden sein. Das Halteelement 3a sorgt dafür, dass eine in der Aufnahme 4 des Modulträgers 3 aufgenommene Batteriezelle 2 an der Innenwandung 4a der Aufnahme 4 anliegt, wie in 1 exemplarisch dargestellt. Die betreffende Batteriezelle 2 (hier speziell die Batteriezelle 2₁₁) ist somit sicher in der Aufnahme 4 positioniert.
Das Halteelement 3b fungiert entsprechend für die Batteriezelle 2₂₂ innerhalb ihre Aufnahme 4, die in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher bezeichnet ist, und verbindet zugleich elektrisch leitend die Batteriezelle 2₁₂ mit ihrem elektrischen Kontakt 2b mit dem entsprechenden elektrischen Kontakt der Batteriezelle 2₂₂ nach Art einer Parallelschaltung (Potenzialausgleich). Das Halteelement 3c sorgt für eine definierte Anordnung des betreffenden Modulträgers 3 mit den aufgenommenen Batteriezellen 2₁₂ und 2₂₂ innerhalb der Umhüllung 5 und kontaktiert zugleich elektrisch leitend das PCB 13 bei Bezugszeichen 13a. Auf diese Weise kann insbesondere das BMS (siehe oben) mit den Batteriezellen 2₁₂ und 2₂₂ zusammenwirken. Gleiches gilt selbstverständlich für die weiteren Batteriezellen, beispielsweise die Batteriezellen 2₁₁ und 2₂₁ bzw. die Batteriezellen 2₁₃ und 2₂₃ sowie die Batteriezellen 2_1n und 2_2n.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Elemente mit Bezugszeichen versehen wurden. Insbesondere wiederholen sich alle wesentlichen Elemente von Modulträger 3 zu Modulträger 3, sodass es grundsätzlich ausreicht, einen dieser Modulträger 3 mit seinen Aufnahmen 4 und den weiteren Einzelheiten, wie insbesondere den Halteelementen 3a bis 3c eingehend zu beschreiben.
Auch die Batteriezellen 2 sind allesamt identisch ausgebildet, sodass es auch hier nicht erforderlich ist, jede einzelne Batteriezelle 2 genauer zu beschreiben.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass vorteilhafterweise alle in Reihe geschalteten Batteriezellen 2₁₁, 2₁₂, 2₁₃, ..., 2_1n usw. vor dem Einbringen in die Batteriezellen-Anordnung 1 stoffschlüssig im Bereich ihrer Kontakte 2a, 2b bzw. ihrer stirnseitigen Kontaktstellen miteinander verbunden wurden.
Bezugszeichen L bezeichnet exemplarisch eine Längsachse jeder Aufnahme 4, die bei der Batteriezellen-Anordnung 1 gemäß 1 parallel zu einer (nicht gezeigten) Längsachse jeder einzelnen Batteriezelle (Stabzelle) 2 verläuft. Die Aufnahmen 4 der Modulträger 3 sind entsprechend so ausgebildet, dass die Batteriezellen 2 nur in Richtung ihrer jeweiligen Längsachse in die Aufnahmen 4 einbringbar sind. Wie ebenfalls in 1 dargestellt, öffnen die Aufnahmen 4 jeweils stirnseitig, um eine Kontaktierung der Batteriezellen 2 untereinander und im Bereich der Sammelbleche 7 zu ermöglichen, wie zeichnerisch gezeigt.
2 zeigt ein Detail eines Querschnitts durch einen Modulträger 3, wobei in 2 zwei Aufnahmen 4 innerhalb des Modulträgers 3 dargestellt sind, in denen jeweils eine Batteriezelle 2 aufgenommen ist. Die Kreuze in 2 symbolisieren (weitere) Batteriezellen bzw. deren Mittelpunkte, die entsprechend innerhalb des Modulträgers 3 in Form von Zeilen (horizontal) und Spalten (vertikal) angeordnet sind. Die Schnittebene in 2 ist quer zu der in 1 dargestellte Längsachse L orientiert.
Wesentlich in 2 ist die geometrische Ausgestaltung der Aufnahmen 4 hinsichtlich ihres jeweiligen Querschnitts; Bezugszeichen 3a und 3b bezeichnen jeweils ein Halteelement entsprechend der Darstellung in 1.
Wie sich aus 2 ergibt, weisen die Aufnahmen 4 an ihrer Innenwandung 4a über ihren Umfang jeweils zwei Vorsprünge 4b auf, die sich weiter in die Zeichenebene hinein und aus dieser hinaus erstrecken. Das Halteelement 3a ist an der Innenwandung 4a der Aufnahme 4 derart platziert, dass die Vorsprünge 4b und das Halteelement 3a so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang der ansonsten im Querschnitt kreisförmigen Ausnehmung verteilt sind.
Auf diese Weise drückt das als Federelement ausgebildete Halteelement 3a die Batteriezellen 2 gegen die beiden Vorsprünge 4b, sodass sich eine äußerst günstige Dreipunkt-Lagerung ergibt. Entsprechendes gilt für das Haltelement 3b. Zugleich kann das Halteelemente 3b bei entsprechender Ausgestaltung benachbarte Batteriezellen 2 elektrisch leitend verbinden, worauf bereits hingewiesen wurde.
Grundsätzlich sind alle Aufnahmen 4 bei der Batteriezellen-Anordnung 1 gemäß 1 entsprechend ausgebildet.
Die beiden Halteelemente 3a, 3b können durch eine außerhalb der Zeichenebene von 2 befindliche Struktur elektrisch leitend miteinander verbunden sein, worauf bereits hingewiesen wurde.
Weiterhin ist eine Ausbildungsvariante möglich, bei der die Halteelemente (Federelemente) zur Verspannung und zum Toleranzausgleich in dem Modulträger 3 integriert sind und der Potentialausgleich sowie die Kontaktierung der Batteriezellen über aufgedruckte Leiterbahnen abgebildet wird. In diesem Falle kann auf des PCB-Board 13 verzichtet werden, wenn die Leiterbahnen die Potentiale über die Modulträger 3 direkt an das BMS weiterleiten. Hierfür sind in diesem Fall vorzugsweise stirnseitig auch Federelemente vorgesehen, die elektrisch leitend beschichtet sind und bei Montage den elektrischen Kontakt zum nächsten Modul herstellen. Es ist auch möglich, einen beliebigen Vorsprung 4b zu beschichten, sofern ein Kurzschluss ausgeschlossen ist.
Nicht dargestellt ist in 2 insbesondere die Umhüllung 5 (vgl. 1) sowie - bis auf das Element 13a - die weitere Anbindung der Batteriezellen 2 an ein PCB (vgl. Bezugszeichen 13 in 1).
Abschließend sind in den 3 und 4 verschiedene Verschaltungen einer Mehrzahl von Batteriezellen 2 (nicht alle bezeichnet) zu einer Batteriezellen-Anordnung 1 dargestellt.
Die Schaltung gemäß 3 entspricht grundsätzlich der in 1 gezeigten Anordnung. Entsprechend sind die Ableiter 10 an gegenüberliegenden Stirnseiten der Batteriezellen-Anordnung 1 vorgesehen. Abweichend von 1 sind vier parallel geschaltete Zellstangen 2' vorgesehen, wobei in 3 die elektrische Kontaktierung parallel geschalteter Batteriezellen 2 zum Zwecke des Potenzialausgleichs nicht dargestellt ist (vgl. 1).
In 4 ist eine andere Verschaltungsmöglichkeit dargestellt; hier existieren de facto nur zwei parallel geschaltete Zellstangen 2'; und die Ableiter 10 befinden sich auf einer gemeinsamen Stirnseite (links) der Batteriezellen-Anordnung 1.
Beide Schaltungsvarianten sind im Rahmen der Erfindung problemlos zu realisieren, wobei es allein auf die Ausgestaltung der stirnseitigen Verschlusselemente 6 (vgl. 1) zusammen mit den Sammelblechen 7 und den Ableitern 10 ankommt.

Claims

Vorrichtung zur Anordnung von Batteriezellen (2) mit einer Batteriezellen-Längsachse, bei denen die elektrischen Kontakte (2a, 2b) auf verschiedenen Seiten entlang der Batteriezellen-Längsachse angeordnet sind, vorzugsweise kreiszylinderförmigen Stabzellen, welche Vorrichtung aufweist: - eine äußere, elektrisch isolierende Umhüllung (5) für die Batteriezellen (2); - wenigstens einen aus der Umhüllung (5) vorzugsweise stirnseitig herausgeführten elektrischen Anschluss (7, 10); - wenigstens einen in der Umhüllung (5) aufgenommenen Modulträger (3) aus einem elektrisch isolierenden Material; welcher Modulträger (3) wenigstens eine Aufnahme (4) für eine Batteriezelle (2) aufweist, in welche Aufnahme (4) die Batteriezelle (2) entlang ihrer Längsachse einführbar ist, wobei die Verlängerung einer Längsachse (L) der Aufnahme (4) den Anschluss (7, 10) durchstößt, welche Aufnahme (4) von der Umhüllung (5) beabstandet ist und wenigstens ein erstes, elastisches Halteelement (3a, 3b) aufweist, welches erste Halteelement (3a, 3b) dazu ausgebildet und vorgesehen ist, eine in der Aufnahme (4) aufgenommene oder aufzunehmende Batteriezelle (2) zumindest bereichsweise quer zu der Längsachse (L) der Aufnahme (4) mit einer Innenwandung (4a) der Aufnahme (4) in Anlage zu bringen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das erste Halteelement (3a, 3b) ein Federelement ist, vorzugsweise eine Federzunge oder Federlasche.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das erste Halteelement (3a, 3b) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt ist, vorzugsweise Metall, oder mit einem elektrisch leitenden Werkstoff beschichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das erste Halteelement (3a, 3b) dazu ausgebildet ist, eine in der Aufnahme aufgenommene oder aufzunehmende Batteriezelle (2) elektrisch leitend zu kontaktieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das erste Halteelement (3c) dazu ausgebildet und angeordnet ist, den Modulträger (3) gegen in der Umhüllung (5) zu verspannen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Modulträger (3) aus der Umhüllung (5) entnehmbar und wieder in die Umhüllung (5) einsetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Innenwandung (4a) der Aufnahme (4) über ihren Umfang wenigstens einen sich in Richtung der Längsachse (L) der Aufnahme (4) erstreckenden Vorsprung (4b) aufweist, vorzugsweise zwei sich in Richtung der Längsachse (L) der Aufnahme (4) erstreckende Vorsprünge, höchst vorzugsweise über eine Längsabmessung der Aufnahme (4) durchgängig, wobei insbesondere das erste Halteelement (3a-3c) und die Vorsprünge (4b) über einen Umfang der Aufnahme (4) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zwischen der Innenwandung (4a) der Aufnahme (4) und einer in der Aufnahme (4) aufgenommenen oder aufzunehmenden Batteriezelle (2) zumindest bereichsweise ein erster Freiraum(12a) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Modulträger (3) eine Mehrzahl von Aufnahmen (4) mit zueinander parallelen Längsachsen (L) aufweist, welche Aufnahmen (4) vorzugsweise regelmäßig in Form von Reihen und Spalten angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der zwischen jeweils zwei in einer Reihe oder in einer Spalte benachbarten Aufnahmen (4) wenigstens ein zweites, elastisches Halteelement (3b) mit den zusätzlichen Merkmalen des ersten Halteelements (3a, 3b) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 angeordnet ist, bei der vorzugsweise das erste Halteelement (3a) mit dem zweiten Halteelement (3b) elektrisch leitend verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 unter Rückbezug auf Anspruch 4, bei der innerhalb der Umhüllung eine Elektronikplatine (13) oder eine Leitungsanordnung, vorzugsweise mit gedruckten Leiterbahnen, vorhanden ist und bei der das erste Halteelement (3c) die Elektronikplatine (13) oder die Leitungsanordnung elektrisch leitend kontaktiert.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Elektronikplatine (13) oder die Leitungsanordnung mit einem vorzugsweise in der Umhüllung (5) aufgenommenen Batterie-Managementsystem (14) in elektrischer Wirkverbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der innerhalb der Umhüllung (5) mehrere gleiche Modulträger (3), insbesondere gemäß Anspruch 9, hintereinander aufgenommen oder aufnehmbar sind, sodass vorzugsweise einander entsprechende Aufnahmen (4) verschiedener Modulträger (3) fluchten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Umhüllung (5) beiderseits stirnseitig verschlossen oder verschließbar ist, vorzugsweise reversibel.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der zwischen Umhüllung (5) und Modulträger (3) ein zweiter Freiraum (12b) ausgebildet ist, wobei bevorzugt der erste Freiraum (12a) gemäß Anspruch 8 und der zweite Freiraum (12b) strömungstechnisch verbunden sind.
Batteriezellen-Anordnung (1) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer Anzahl von Batteriezellen (2) mit einer Batteriezellen-Längsachse, bei denen die elektrischen Kontakte (2a, 2b) auf verschiedenen Seiten entlang der Batteriezellen-Längsachse angeordnet sind, vorzugsweise kreiszylinderförmigen Stabzellen, wobei vorzugsweise in jeder Aufnahme (4) eine Batteriezelle (2) angeordnet ist, wobei die in einer betreffenden Aufnahme (4) aufgenommene Batteriezelle (2) durch das erste Halteelement (3a, 3b) zumindest bereichsweise quer zu der Längsachse (L) der Aufnahme (4) mit einer Innenwandung (4a) der Aufnahme (4) in Anlage gebracht ist.
Batteriezellen-Anordnung (1) nach Anspruch 16, bei der der das erste Halteelement (3a-3c) eine in der Aufnahme (4) aufgenommene Batteriezelle (2) elektrisch leitend kontaktiert.
Batteriezellen-Anordnung (1) nach Anspruch 16 oder 17 mit einer Vorrichtung nach Anspruch 13 und mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (2), bei der in entsprechenden, hintereinander angeordneten, fluchtenden Aufnahmen (2) verschiedener Modulträger (3) angeordnete Batteriezellen (2) eine Batteriezellenstange (2') bilden und einander paarweise mit ihren elektrischen Kontakten (2a, 2b) unter Ausbildung von entsprechenden Kontaktstellen berühren.
Batteriezellen-Anordnung (1) nach Anspruch 18, bei der die Batteriezellen (2) einer Batteriezellenstange (2') an den Kontaktstellen stoffschlüssig miteinander verbunden sind, bevorzugt verschweißt.
Batteriezellen-Anordnung (1) nach Anspruch 19, bei der die Batteriezellen (2) einer Batteriezellenstange (2') an den Kontaktstellen vor Einbringen in die Vorrichtung miteinander verbunden wurden, vorzugsweise verschweißt, insbesondere bevorzugt durch Reibschweißen oder Laserschweißen, wobei höchst vorzugsweise zwischen jeweils zwei Batteriezellen (2) einer Batteriezellenstange (2') ein Sicherungselement angeordnet ist.
Batteriezellen-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei der der erste Freiraum (12a) gemäß Anspruch 8 und/oder der zweite Freiraum (12b) gemäß Anspruch 15 mit einem Temperierfluid (9), vorzugsweise einem Dielektrikum, gefüllt und/oder durchströmt sind, wobei bevorzugt der erste Freiraum (12a) und der zweite Freiraum (12b) strömungstechnisch verbunden sind.
Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Mehrzahl von Batteriezellen (2), mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Batteriezellen (2) mit einer Batteriezellen-Längsachse, bei denen die elektrischen Kontakte (2a, 2b) auf verschiedenen Seiten entlang der Batteriezellen-Längsachse angeordnet sind, vorzugsweise kreiszylinderförmigen Stabzellen; b) Bereitstellen einer Vorrichtung nach Anspruch 13; c) Einbringen der Batteriezellen (2) in die entsprechenden Aufnahmen (4) und Herstellen einer Batteriezellen-Anordnung (1) gemäß Anspruch 18; d) elektrisches Kontaktieren eines ersten stirnseitigen elektrischen Kontakts der Batteriezellenstange (2') und eines letzten stirnseitigen elektrischen Kontakts der Batteriezellenstange (2'), vorzugsweise durch Kontaktieren des Anschlusses mit dem ersten stirnseitigen elektrischen Kontakt (2a) der Batteriezellenstange (2') und durch stirnseitiges Verschließen der Umhüllung (5) auf der Seite des letzten stirnseitigen elektrischen Kontakts (2b) der Batteriezellenstange (2').
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem in einem Schritt e) innerhalb eines Modulträgers (3) parallel angeordnete Batteriezellen (2) elektrisch leitend verbunden werden, vorzugsweise über das zweite Halteelement (3b).
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem vor Schritt c) eine Anzahl an Batteriezellen (2) paarweise über ihre elektrischen Kontakte (2a, 2b) miteinander zu einer Batteriezellenstange (2') verbunden werden, bevorzugt durch Reibschweißen oder Laserschweißen, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Sicherungselements, wobei die Anzahl an Batteriezellen (2) einer Anzahl hintereinander angeordneter, fluchtender Aufnahmen (4) verschiedener Modulträger (3) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem jede Batteriezellenstange (2') vor Schritt c) mit einer umfänglich geschlossenen, elektrisch isolierenden Einhüllung versehen wird, vorzugsweise aus Papier oder Kunststofffolie.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem nach Schritt c) oder vor einer Inbetriebnahme der Batteriezellen-Anordnung (1) die Einhüllung entfernt wird, vorzugsweise durch Abziehen in Richtung einer Längsachse der jeweiligen Batteriezellenstange (2').