DE102020206338A1

DE102020206338A1 - Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen

Info

Publication number: DE102020206338A1
Application number: DE102020206338.9A
Authority: DE
Inventors: Klaus Spieske; Ralph Glemser; Sinasi Temiz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2021-11-25
Also published as: CN113708014A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen (20), welche jeweils elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind, und einer Schalteinrichtung (3), welche einen ersten Anschluss (31) und einen zweiten Anschluss (32) aufweist, wobei der erste Anschluss (31) elektrisch leitend mit einem Spannungsabgriff (4) einer endständigen Batteriezelle (2, 21) elektrisch leitend verbunden ist und der zweite Anschluss (32) elektrisch leitend mit einem Spannungsabgriff des Batteriemoduls (1) verbunden ist, und einem Temperierelement (5), wobei ein wärmeleitend ausgebildetes Wärmeabfuhrelement (6) wärmeleitend mit der Schalteinrichtung (3) und wärmeleitend mit dem Temperierelement (5) verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Batteriemodule aus einer Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen bestehen können, welche seriell und/oder parallel elektrisch leitend miteinander verschaltet sein können, so dass die einzelnen Batteriezellen zu dem Batteriemodul zusammengeschaltet sind.
Weiterhin werden solche Batteriemodule zu Batterien bzw. Batteriesystemen zusammengeschaltet.
Zudem weisen solche Batteriemodule häufig Schalteinrichtungen wie bspw. ein Relais auf, die eine Spannungsfreiheit üblicherweise am positiven Pol des Batteriemoduls regeln sollen. Solche Schalteinrichtungen führen somit den maximalen Strom des jeweiligen Batteriemoduls und erzeugen grundsätzlich vergleichbar viel Wärme. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, diese abzugebende Wärme beispielsweise über eine Oberfläche der Schalteinrichtung oder auch eines Stromleiters, der die Schalteinrichtung mit einer Batteriezelle elektrisch leitend verbindet, mittels Konvektion an eine Umgebungsluft des Batteriemoduls abzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass auf zuverlässige Weise eine Entwärmung einer Schalteinrichtung des Batteriemoduls zur Verfügung gestellt werden kann.
Dazu wird ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Die Batteriezellen sind dabei insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet.
Weiterhin sind die Batteriezellen jeweils elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander verschaltet. Dazu können die Batteriezellen jeweils einen ersten Spannungsabgriff, insbesondere einen positiven Spannungsabgriff, und einen zweiten Spannungsabgriff, insbesondere einen negativen Spannungsabgriff, aufweisen, die untereinander mittels Zellverbindern elektrisch leitend verbunden sind, sodass eine elektrisch serielle und/oder parallele Verschaltung ausgebildet ist.
Das Batteriemodul umfasst zudem eine Schalteinrichtung mit einem ersten Anschluss und mit einem zweiten Anschluss. Der erste Anschluss ist dabei elektrisch leitend mit einem Spannungsabgriff einer endständigen Batteriezelle verbunden. Insbesondere ist der Spannungsabgriff der endständigen Batteriezelle ein positiver Spannungsabgriff der endständigen Batteriezelle. Der zweite Spannungsabgriff ist dabei elektrisch leitend mit einem Spannungsabgriff des Batteriemoduls verbunden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der zweite Anschluss der Schalteinrichtung auch den Spannungsabgriff des Batteriemoduls ausbilden kann. Insbesondere ist der Spannungsabgriff des Batteriemoduls ein positiver Spannungsabgriff des Batteriemoduls.
Das Batteriemodul umfasst weiterhin ein Temperierelement. Insbesondere kann das Temperierelement dabei von einem Temperierfluid durchströmbar ausgebildet sein.
Dabei ist ein Wärmeabfuhrelement, welches aus wärmeleitenden ausgebildet ist, wärmeleitend mit der Schalteinrichtung und wärmeleitend mit dem Temperierelement verbunden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls insbesondere auch der positive Spannungsabgriff der endständigen Batteriezelle, welcher eine vergleichbar hohe thermische Belastung erfährt, zuverlässig entwärmt werden kann.
Insgesamt kann damit auch bei vergleichbar hohen Anforderungen an das Batteriemodul beispielsweise einem durchschnittlichen Dauerstrom von 200 A eine zuverlässige Entwärmung der Schalteinrichtung und des positiven Spannungsabgriffs der endständigen Batteriezelle zur Verfügung gestellt werden. Somit kann insbesondere auch die Lebensdauer des gesamten Batteriemoduls erhöht werden.
Es ist zweckmäßig, wenn zwischen dem Wärmeabfuhrelement und der Schalteinrichtung ein thermisch leitfähig und elektrisch isolierend ausgebildetes Material angeordnet ist. Insbesondere kann dieses Material ein Klebstoff sein, der bevorzugt ausgewählt ist aus einem Epoxid oder einem Silikon oder einem Polyurethan (PU). Dadurch könnte eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Wärmeabfuhrelement und der Schalteinrichtung ausgebildet werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das thermisch leitfähig und elektrisch isolierend ausgebildete Material zwischen dem Wärmeabfuhrelement und dem ersten Anschluss, zwischen dem Wärmeabfuhrelement und dem zweiten Anschluss und/oder zwischen dem Wärmeabfuhrelement und einem Grundkörper der Schalteinrichtung angeordnet sein kann. Insgesamt kann dadurch eine vergleichbar hohe Wärmeleitfähigkeit ausgebildet werden. Weiterhin kann eine zuverlässige elektrische Isolierung ausgebildet werden.
Vorteilhafterweiße ist das Wärmeabfuhrelement stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Temperierelement verbunden. Eine stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise geschweißt oder gelötet ausgebildet sein. Eine formschlüssige Verbindung kann beispielsweise geschraubt oder genietet ausgebildet sein. Insgesamt kann dadurch eine zuverlässige, mechanische Verbindung zwischen dem Wärmeabfuhrelement und dem Temperierelement ausgebildet werden. Zudem ist es möglich, zwischen dem Temperierelement und dem Wärmeabfuhrelement ein thermisches Ausgleichsmaterial anzuordnen, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass durch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Wärmeabfuhrelement und der Schalteinrichtung sowie einer stoffschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung zwischen dem Wärmeabfuhrelement und dem Temperierelement eine Befestigung der Schalteinrichtung möglich wäre. Es wäre aber auch möglich, das Wärmeabfuhrelement zusätzlich formschlüssig, wie beispielsweise geschraubt, mit der Schalteinrichtung zu verbinden, sodass der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Wärmeabfuhrelement und der Schalteinrichtung lediglich die Aufgabe einer Verbesserung der Wärmeleitung zukommt und keine zusätzliche mechanische Belastung durch das Eigengewicht der Schalteinrichtung zu tragen ist. Besonders bevorzugt kann mittels derselben Schraubverbindung eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Wärmeabfuhrelement und dem Temperierelement sowie zwischen dem Wärmeabfuhrelement und der Schalteinrichtung ausgebildet werden.
Besonders bevorzugt ist das Wärmeabfuhrelement ausgebildet aus einem Material, welches ausgewählt ist aus Kupfer oder Aluminium. Dies bietet den Vorteil, dass eine besonders zuverlässige Wärmeabfuhr aufgrund einer vergleichbar hohen Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabfuhrelements zur Verfügung gestellt werden kann.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die Schalteinrichtung unmittelbar benachbart zu der endständigen Batteriezelle angeordnet. Bevorzugt sind die Batteriezellen dabei als prismatische Batteriezellen ausgebildet. Prismatische Batteriezellen weisen üblicherweise sechs Seitenflächen auf, wobei gegenüberliegende Seitenflächen jeweils im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und im Wesentlichen gleich groß ausgebildet sind. Unmittelbar benachbart zueinander angeordnete Seitenflächen sind dabei jeweils im Wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet. Die Batteriezellen sind dabei in der Art angeordnet, dass diese bevorzugt mit ihren jeweils größten Seitenflächen in einer Längsrichtung des Batteriemoduls benachbart zueinander angeordnet sind. Die Schalteinrichtung ist hierbei insbesondere unmittelbar benachbart zu einer größten Seitenfläche einer in der Längsrichtung endständig angeordneten Batteriezelle angeordnet. An dieser Stelle sei noch bemerkt, dass endständig angeordnet auch elektrisch endständig angeordnet bedeuten kann. Eine endständige Anordnung bietet insbesondere den Vorteil, dass eine kurze elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss der Schalteinrichtung und dem Spannungsabgriff der endständigen Batteriezelle auszubilden ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gehäuse des Batteriemoduls das Temperierelement ausbildet. Beispielsweise kann das Batteriemodul dazu, einen von Temperierfluid durchströmbaren Temperierraum ausbilden. Das Temperierelement ist dabei bevorzugt an einer Unterseite des Batteriemoduls angeordnet. Ferner kann das Temperierelement auch als Temperierplatte ausgebildet, welche zusätzlich zu dem Gehäuse angeordnet sein kann.
Ferner ist es bevorzugt, wenn das Wärmeabfuhrelement ein erstes Element aufweist, das wärmeleitend mit der Schalteinrichtung verbunden ist. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Wärmeabfuhrelement ein zweites Element aufweist, das wärmeleitend mit dem Temperierelement verbunden ist. Dabei sind das erste Element und das zweite Element rechtwinklig zueinander angeordnet. Dabei könnte das Wärmeabfuhrelement einteilig ausgebildet sein. Ferner wäre es aber auch möglich, wenn das Wärmeabfuhrelement zweiteilig ausgeführt ist. In diesem Fall könnten beispielsweise das erste Element und das zweite Element stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Wärmeabfuhrelement insgesamt winkelförmig ausgebildet ist.
Die Schaltervorrichtungen kann bspw. als Halbleiterschalter, welche auch als Transistoren, Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) bekannt sind, ausgebildet sein. Bevorzugt ist Schaltervorrichtung ein mechanisches Relais, in dem ein Kontakt durch eine elektromagnetische Kraft geöffnet und geschlossen werden kann.
Besonders vorteilhaft ist, dass mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der erste Anschluss und der zweite Anschluss wärmeleitend an das Temperierelement angebunden werden können, um bspw. die im Inneren des Schalteinrichtung bzw. des Relais erzeugte Wärme direkt an das Temperierelement abzuleiten.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Wärmeabfuhrelement und der erste Anschluss und/oder das Wärmeabfuhrelement und der zweite Anschluss einteilig ausgebildet sein können.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:

1 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Batteriemoduls in einer ersten Seitenansicht,
2 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Batteriemoduls in einer zweiten Seitenansicht und
3 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Batteriemoduls in einer Unteransicht.

Die 1 bis 3 sollen im Folgenden gemeinsam beschrieben sein. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen daher gleiche Elemente.
Das Batteriemodul 1 weist eine Mehrzahl an Batteriezellen 2 auf, von denen beispielsweise in der 1 nur eine Batteriezelle 2 gezeigt ist. Die Batteriezellen 2 sind dabei insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen 20 ausgebildet. Bevorzugt sind die Batteriezellen 2 gemäß 1 dabei als prismatische Batteriezellen 200 ausgebildet. Die in der 1 gezeigte Batteriezelle 2 ist dabei eine endständige Batteriezelle 21.
Weiterhin ist die Mehrzahl an Batteriezellen 2 jeweils elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander verschaltet.
Zudem weist das Batteriemodul 1 eine Schalteinrichtung 3 auf, welche insbesondere als mechanisches Relais 30 ausgebildet ist. Die Schalteinrichtung 3 umfasst dabei, wie beispielsweise aus der 2 zu erkennen ist, einen ersten Anschluss 31 und einen zweiten Anschluss 32. Der erste Anschluss 31 ist dabei elektrisch leitend mit einem Spannungsabgriff 4 der endständigen Batteriezelle 21 verbunden. Insbesondere ist der Spannungsabgriff 4 dabei ein positiver Spannungsabgriff. Der zweite Anschluss 32 ist dabei elektrisch leitend mit einem in den Figuren nicht zu erkennenden Spannungsabgriff des Batteriemoduls 1 verbunden. Insbesondere sei an dieser Stelle angemerkt, dass der zweite Spannungsabgriff 42 auch den Spannungsabgriff des Batteriemoduls 1 ausbilden kann. Insbesondere ist der Spannungsabgriff des Batteriemoduls 1 dabei ein positiver Spannungsabgriff. Die Schalteinrichtung 3 ist dabei unmittelbar benachbart zu der endständigen Batteriezelle 41 angeordnet.
Weiterhin umfasst das Batteriemodul 1 ein Temperierelement 5. An dieser Stelle sei angemerkt, dass insbesondere ein Gehäuse 50 des Batteriemoduls 1 das Temperierelement 5 ausbilden kann.
Zudem umfasst das Batteriemodul 1 ein Wärmeabfuhrelement 6. Das Wärmeabfuhrelement 6 ist dabei aus einem wärmeleitenden Material 60 ausgebildet. Das Wärmeabfuhrelement 6 ist dabei wärmeleitend mit der Schalteinrichtung 3 verbunden. Weiterhin ist das Wärmeabfuhrelement 6 dabei wärmeleitend mit dem Temperierelement 5 verbunden.
Bevorzugt ist das Wärmeabfuhrelement 6 aus einem Werkstoff ausgebildet, welcher ausgewählt ist aus Kupfer oder Aluminium oder einer Keramik.
Insbesondere aus der 1 ist zu erkennen, dass das Wärmeabfuhrelement 6 ein erstes Element 61 aufweist. Dabei ist das erste Element 61 wärmeleitend mit der Schalteinrichtung 3 verbunden.
Weiterhin ist insbesondere der 1 zu erkennen, dass das Wärmeabfuhrelement 6 ein zweites Element 62 aufweist. Dabei ist das zweite Element 62 wärmeleitend mit dem Temperierelement 5 verbunden.
Das erste Element 61 und das zweite Element 62 können dabei beispielsweise stoffschlüssig mechanisch miteinander verbunden sein. Weiterhin kann das Wärmeabfuhrelement 3 auch einteilig ausgebildet sein.
Zwischen dem Wärmeabfuhrelement 6, insbesondere dem ersten Element 61, und der Schalteinrichtung 3 ist dabei ein thermisch leitfähig und elektrisch isolierend ausgebildetes Material 7 angeordnet. Insbesondere ist das Material 7 ein Klebstoff 70, welcher ausgewählt ist aus einem Epoxid oder einem Silikon oder Polyurethan.
Aus der 1 ist ferner zu erkennen, dass das Wärmeabfuhrelement 6 formschlüssig mittels einer Schraubverbindung 8 mit dem Temperierelement 5 verbunden ist. Mittels dieser Schraubverbindung 8 kann auch das Wärmeabfuhrelement 6 an das Temperierelement 5 angebunden sein.

Claims

Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen (20), welche jeweils elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind, und einer Schalteinrichtung (3), welche einen ersten Anschluss (31) und einen zweiten Anschluss (32) aufweist, wobei der erste Anschluss (31) elektrisch leitend mit einem Spannungsabgriff (4) einer endständigen Batteriezelle (2, 21) elektrisch leitend verbunden ist und der zweite Anschluss (32) elektrisch leitend mit einem Spannungsabgriff des Batteriemoduls (1) verbunden ist, und einem Temperierelement (5), dadurch gekennzeichnet, dass ein wärmeleitend ausgebildetes Wärmeabfuhrelement (6) wärmeleitend mit der Schalteinrichtung (3) und wärmeleitend mit dem Temperierelement (5) verbunden ist.
Batteriemodul nach dem vorhergehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmeabfuhrelement (6) und der Schalteinrichtung (3) ein thermisch leitfähig und elektrisch isolierend ausgebildetes Material (7) angeordnet ist, insbesondere ein Klebstoff (70), welcher bevorzugt ausgewählt ist aus einem Epoxid oder einem Silikon oder einem Polyurethan.
Batteriemodul nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabfuhrelement (6) stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Temperierelement (5) verbunden ist.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabfuhrelement (6) aus einem Material (60) ausgebildet ist, welches ausgewählt ist aus Kupfer oder Aluminium oder Keramik.
Batteriemodul nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (3) unmittelbar benachbart zu der endständigen Batteriezelle (21) angeordnet ist.
Batteriemodul nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (50) des Batteriemoduls (1) das Temperierelement (5) ausbildet.
Batteriemodul nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabfuhrelement (6) ein erstes Element (61) aufweist, welches wärmeleitend mit der Schalteinrichtung (3) verbunden ist, und das Wärmeabfuhrelement (6) ein zweites Element (62) aufweist, welches wärmeleitend mit dem Temperierelement (5) verbunden ist, wobei das erste Element (61) und das zweite Element (62) rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabfuhrelement (3) einteilig ausgebildet ist.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (3) als ein mechanisches Relais (30) ausgebildet ist.