DE102020209181A1 - Batteriemodul und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

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Axel Bormann
Johannes Proell
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Abstract

Es wird ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, insbesondere einer Mehrzahl von wieder aufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen beschrieben, welche miteinander seriell oder parallel den elektrischen Strom leitend verschaltet sind, wobei die den elektrischen Strom leitende Verschaltung der Batteriezellen (12a - 12d) untereinander mittels innerhalb einer flexiblen Leiterplatte (20) eingebetteter flexibler Leiterbahnen (24a - 24d) erfolgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul, ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie dessen Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, wenigstens aus einem Batteriemodul oder vorteilhafterweise auch aus einer Mehrzahl an Batteriemodulen bestehen. Ein derartiges Batteriemodul weist bevorzugt eine Vielzahl an einzelnen Batteriezellen auf, welche untereinander elektrisch verschaltet sind, wobei die einzelnen Batteriezellen seriell oder parallel mittels Zellverbindern miteinander verschaltet sind.
  • Dabei ist es bekannt, dass Zellverbinder einen flexiblen Bereich aufweisen, um Bewegungen der einzelnen Batteriezellen relativ zueinander zu kompensieren oder auch um Toleranzen bei der Herstellung und Montage der Batteriezellen ausgleichen zu können.
  • Weiterhin ist aus der US 2004/0029311 eine Methode zur Herstellung von sogenannten Solid-State-Batterien bekannt, bei der auf eine schonende Weise Batteriezellen elektrisch kontaktiert werden. Darüber hinaus ist aus der EP 2226747 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Schaltungsmusters auf einem Substrat bekannt, bei dem ein Leiterband mit einer Oberflächenseite des Substrats elektrisch leitend verbunden wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung sieht ein Batteriemodul, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor.
  • Dabei ist ein Batteriemodul vorgesehen, welches beispielsweise eine Mehrzahl von Batteriezellen wie beispielsweise wieder aufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen aufweist. Unter einer Mehrzahl von Batteriezellen werden beispielsweise mindestens zwei Batteriezellen bis mehr als 100 Batteriezellen verstanden. Diese Mehrzahl an Batteriezellen ist beispielsweise seriell oder parallel den elektrischen Strom leitend miteinander verschaltet. Dabei ist es auch möglich, Gruppen von Batteriezellen untereinander seriell elektrisch leitend zu verschalten und diese Gruppen an Batteriezellen ihrerseits miteinander parallel elektrisch leitend zu verschalten. Die Verschaltung der Mehrzahl an Batteriezellen untereinander erfolgt erfindungsgemäß mittels flexiblen, in eine flexible Leiterplatte integrierten Leiterbahnen.
  • Der besondere Vorteil einer Verwendung von in eine flexible Leiterplatte eingebetteten flexiblen Leiterbahnen zur stromleitenden Verschaltung von Batteriezellen miteinander besteht darin, dass die flexiblen Leiterbahnen innerhalb der flexiblen Leiterplatte in Bezug auf ihre Positionierung relativ zueinander vorpositioniert werden können und somit eine entsprechende elektrische Kontaktierung der flexiblen Leiterbahnen mit elektrischen Terminals der im Batteriemodul vorgesehenen Batteriezellen mit hoher örtlicher Präzision sowie zeitgleich, und somit sehr rasch erfolgen kann. Auf diese Weise lässt sich eine große Anzahl elektrischer Kontaktierungen von in dem betreffenden Batteriemodul verbauten Batteriezellen gewährleisten.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • So ist es von Vorteil, wenn die in die flexible Leiterplatte integrierten flexiblen Leiterbahnen in Form eines Flachleiterbandes ausgeführt sind. Dieses weist vorteilhafterweise eine Bandstärke von 20 bis 100 µm, vorzugsweise 25 bis 40 µm, weiter bevorzugt eine Bandstärke von 30 µm auf, sowie eine Breite von 1,5 bis 5,0 mm, vorzugsweise 2,0 bis 3,2 mm und weiter bevorzugt eine Breite von 2,5 mm auf.
  • In herkömmlichen Batteriemodulen erfolgt die elektrische Verschaltung von Batteriezellen häufig mit Aluminiumdrähten. Dabei ergeben sich ggf. Probleme in Bezug auf eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung eines derartigen Aluminiumdrahtes mit elektrischen Terminals von Batteriezellen, die auch Erschütterungen im Betrieb des Batteriemoduls ohne Ablösung des Aluminiumdrahts übersteht. Durch Verwendung eines Flachleiterbandes ist diesbezüglich eine höhere Zuverlässigkeit der entsprechenden Verbindungsstelle zwischen dem Flachleiterband und einem elektrischen Terminal einer Batteriezelle zu realisieren.
  • Neben einer zuverlässigen elektrischen Kontaktierung des entsprechenden elektrischen Terminals einer Batteriezelle bietet die Verwendung eines Flachleiterbandes zusätzlich die Möglichkeit, aufgrund seiner Ausgestaltung als Schmelzsicherung zu dienen. Dies ist für den Fall vorgesehen, dass es zu einem überhöhten Stromfluss durch die betreffende Batteriezelle kommt, was zu einem gefährlichen Zustand der entsprechenden Batteriezelle führen kann. Wirkt das Flachleiterband von seiner Funktion her als Schmelzsicherung, so dient das Flachleiterband neben der elektrischen Kontaktierung des Terminals der Batteriezelle zusätzlich auch als passives Sicherungselement. Bei Verwendung eines entsprechenden Flachleiterbandes kann hierbei auf eine kürzere Sicherungsleitungslänge des Flachleiterbandes verglichen mit konventionellen Draht-Bondings zurückgegriffen werden und es kommt in Folge dessen zu geringeren elektrischen Verlusten im Bereich der elektrischen Verschaltung von Batterieterminals untereinander.
  • Weiterhin ist von Vorteil, wenn das Batteriemodul zwei flexible Leiterplatten aufweist, wobei eine erste flexible Leiterplatte in stromleitendem Kontakt mit ersten Batterieterminals der in dem Batteriemodul enthaltenen Batteriezellen steht und eine zweite flexible Leiterplatte in stromleitendem Kontakt mit zweiten Batterieterminals der im Batteriemodul enthaltenen Batteriezellen. Dies ermöglicht beispielsweise die elektrische Kontaktierung einer Mehrzahl von Batteriezellen, deren elektrische Batterieterminals jeweils an endständigen Oberflächen des Batteriezellgehäuses positioniert sind. Dies ist beispielsweise bei klassischen Rundzellen des Formats 18650 oder 21700 der Fall.
  • Kommen jedoch beispielsweise Batteriezellen mit einem prismatischen Gehäuse zum Einsatz, bei denen die einer Anode bzw. einer Kathode jeweils zuzuordnenden elektrischen Terminals auf der gleichen Gehäuseoberfläche positioniert sind, so ist die Verwendung einer einzigen flexiblen Leiterplatte ausreichend, wobei die darin eingebetteten flexiblen Leiterbahnen Terminals unterschiedlicher Batteriezellen miteinander verbinden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Batteriemodul eine Überwachungseinheit umfasst, welche beispielsweise als weitere Leiterplatte in Form eines Printed-Circuit-Boards (PCB) ausgeführt ist. Diese Überwachungseinheit dient in vorteilhafter Weise beispielsweise der Überwachung von elektrischen Parametern des Batteriemoduls wie der Modul- oder Batteriezellspannung oder der Betriebstemperatur des Batteriemoduls. Die elektrische Kontaktierung kann in diesem Fall beispielsweise über separate elektrische Kontaktierungsmittel erfolgen wie beispielsweise über ein Draht-Bonding. In diesem Fall werden elektrische Terminals von einzelnen oder auch von allen Batteriezellen mittels einer stromleitenden Drahtverbindung mit Anschlusspunkten der Überwachungseinheit verbunden.
  • Weiterhin ist von Vorteil, wenn die flexible Leiterplatte in Form eines Flexible-Printed-Circuit (FPC) im Bereich der elektrischen Terminals von Batteriezellen Durchbrechungen aufweist. Auf diese Weise können Abstufungen zwischen elektrischen Ableitern des Batteriemoduls und den elektrischen Terminals der Batteriezellen ausgeglichen werden.
  • Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung des vorbeschriebenen Batteriemoduls. Bei diesem wird in vorteilhafter Weise zunächst eine Mehrzahl an Batteriezellen bereitgestellt, und in einem zweiten Schritt elektrische Terminals dieser Batteriezellen mit einer flexiblen Leiterbahn einer flexiblen Leiterplatte stoffschlüssig verbunden. Dies kann in besonders vorteilhafter Weise durch einen Laserschweißprozess erfolgen, da dieser verfahrenstechnisch besonders rasch durchführbar ist. Besonders geeignet ist dabei die Verwendung von grünem Laserlicht der Wellenlänger 500 bis 600 nm, da es in diesem Fall nur zu einer geringen thermischen Erwärmung der betroffenen Batteriezellen kommt.
  • Weiterhin ist von Vorteil, wenn während der stoffschlüssigen Verbindung der in die flexible Leiterplatte integrierten flexiblen Leiterbahnen mit einem elektrischen Terminal der Batteriezellen die flexible Leiterplatte auf eine Oberfläche der Batteriezellen gedrückt wird, auf welcher deren elektrische Terminals positioniert sind. Dies erfolgt vorteilhafterweise durch die Verwendung eines Volumenstroms eines Fluides wie beispielsweise Druckluft, Stickstoff oder eines Schutzgases, wobei das Fluid beispielsweise durch eine Düse oder einen Düsenkamm erzeugt und auf die flexible Leiterplatte gerichtet wird.
  • Das erfindungsgemäße Batteriemodul lässt sich in vorteilhafter Weise einsetzen in elektrisch oder teilelektrisch betriebenen Fahrzeugen wie beispielsweise batterieelektrischen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Plug-In-HybridFahrzeugen oder in stationären Energiespeichern zur Speicherung insbesondere regenerativ erzeugter elektrischer Energie sowie als Pufferenergie beispielsweise in Brennstoffzellensystemen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher ausgeführt. Es zeigt:
    • 1a bis 1d schematische Ausschnittsdarstellungen eines Batteriemoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
    • 2 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Herstellung eines Batteriemoduls gemäß 1a bis 1d.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1a ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 10 schematisch in einer Aufsicht dargestellt. Das Batteriemodul 10 umfasst eine Mehrzahl an Batteriezellen 12a - 12d, welche beispielsweise als sogenannte Rundzellen mit einem zylindrischen Gehäuse ausgeführt sind. Dabei handelt es sich beispielsweise um Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die Batteriezellen 12a - 12d sind parallel zueinander ausgerichtet und in einem Modulblock 14 ortsfest fixiert.
  • Zur Kontaktierung der Batteriezellen 12a - 12d dient beispielsweise eine flexible Leiterplatte 20 in Form eines Flexible-Printed-Circuits (FPC). Die flexible Leiterplatte 20 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl an Ausnehmungen 22a - 22d. Dazu korrespondierend sind flexible Leiterbahnen 24a - 24d vorgesehen, die die jeweilige Aussparung 22a - 22d queren und innerhalb derer nicht in das Trägermaterial der flexiblen Leiterplatte 20 eingebettet sind. Dies erlaubt eine spätere stoffschlüssige Verbindung der jeweiligen Leiterbahn 24a - 24d innerhalb der Aussparung 22a - 22d mit - bezogen auf die flexible Leiterplatte 20 - externen elektrischen Anschlusspunkten. Die in 1 b dargestellten flexiblen Leiterbahnen 24a - 24d sind beispielsweise mit weiteren Anschlusspunkten 26 versehen, welche eine spätere Anbindung der flexiblen Leiterplatte 20 beispielsweise an eine Stromschiene des Batteriemoduls 10 gestatten.
  • In 1c ist ein Bildausschnitt der 1a vergrößert dargestellt. Dabei sind die Batteriezellen 12a - 12c erkennbar. Wird nun die flexible Leiterplatte 20 gemäß 1b perspektivisch über den Batteriezellen 12a bis 12c positioniert, so befinden sich die Aussparungen 22a, 22b, 22c an den Positionen 28a, 28b, 28c oberhalb der Oberfläche der Batteriezellen 12a - 12c. Weiterhin werden die flexiblen Leiterbahnen 24a, 24b, 24c mit in 1c nicht erkennbaren elektrischen Terminals der Batteriezellen 12a - 12c stoffschlüssig verbunden. Dabei entstehen jeweilige Anschlusspunkte 29a, 29b, 29c.
  • Weiterhin umfasst das Batteriemodul 10 eine Überwachungseinheit 30, welche beispielsweise der Überwachung der Batteriezellen 12a - 12c dient. Dazu sind zwischen den Anschlusspunkten 29a - 29c und der Überwachungsvorrichtung 30 elektrische Überwachungsleitungen 32a, 32b, 32c vorgesehen. Diese sind ihrerseits an elektrischen Kontaktpunkten 34a, 34b, 34c der Überwachungsvorrichtung 30 angebracht, wobei die Überwachungsvorrichtung 30 vorzugsweise ebenfalls als Leiterplatte, in diesem Fall in Form einer starren Leitungsplatte als Printed-Circuit-Board (PCB) ausgeführt ist. Die Anschlusspunkte 34a - 34c können auch als sogenannte Landings bezeichnet werden. Mit Hilfe der Überwachungsvorrichtung 30 können die Batteriezellen 12a - 12c beispielsweise hinsichtlich ihrer Batteriezellspannung, ihrer Temperatur oder weiterer elektrischer oder thermischer Kenngrößen überwacht werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist anhand exemplarischer Batteriezellen 12a - 12c erläutert. Es versteht sich, dass auch mehr Batteriezellen der beschriebenen Art oder alle Batteriezellen eines Batteriemoduls in äquivalenter Weise durch in eine flexible Leiterplatte integrierte flexible Leiterbahnen kontaktiert und durch die Überwachungseinheit 30 überwacht werden können. Je nach Anwendungszweck können auch hier einzelne exemplarische Batteriezellen überwacht werden oder die Gesamtheit der Batteriezellen.
  • In 2 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls gemäß 1 dargestellt.
  • Dabei wird zunächst in einem ersten Schritt 50 eine Mehrzahl von Batteriezellen eines Batteriemoduls bereitgestellt. Weiterhin wird eine flexible Leiterbahnen umfassende flexible Leiterplatte ebenfalls bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 52 wird die flexible Leiterbahnen umfassende flexible Leiterplatte auf einer Großfläche gebildet aus Oberflächen der Batteriezellen des Batteriemoduls positioniert, derart, dass Aussparungen der flexiblen Leiterplatte deckungsgleich über elektrischen Batterieterminals der Batteriezellen des Batteriemoduls positioniert sind.
  • In einem dritten Schritt 54 erfolgt dann vorzugsweise mittels einer Laserschweißvorrichtung eine stoffschlüssige Verbindung der flexiblen Leiterbahnen der flexiblen Leiterplatte mit den elektrischen Batterieterminals der Batteriezellen des Batteriemoduls. Als flexible Leiterbahn wird insbesondere ein Flachleiterband verwendet, welches sich durch eine geringe Aufbauhöhe im Bereich von 20 bis 100 µm, insbesondere von 20 bis 50 µm und insbesondere von 30 µm auszeichnet und beispielsweise eine Breite von 1,5 bis 5 mm, vorzugsweise von 2 bis 4 mm und insbesondere von 2,5 mm Breite aufweist.
  • Aufgrund dieser Dimensionierung weist die als Flachleiterband ausgeführte flexible Leiterbahn gleichzeitig die Eigenschaft einer Schmelzsicherung auf, da diese bei über einem Höchstmaß liegenden Stromflüssen schmilzt und somit den Stromfluss durch die betreffende Batteriezelle unterbindet.
  • In einem vierten Schritt 56 wird eine Überwachungseinheit des Batteriemoduls jeweils mit elektrisch leitenden Verbindungen mit einer ausgewählten Anzahl an Batteriezellen oder auch allen Batteriezellen vorzugsweise im Bereich ihres jeweiligen Batterieterminals elektrisch leitend verbunden. Dies ermöglicht die Kontrolle der Batteriezellen des Batteriemoduls.
  • Das erfindungsgemäße Batteriemodul lässt sich in vorteilhafter Weise einsetzen in elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugen wie beispielsweise batterieelektrischen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Plug-In-HybridFahrzeugen, als Pufferbatterie in Brennstoffzellensystemen oder in stationären Speichern zur Speicherung beispielsweise regenerativ erzeugter elektrischer Energie.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2004/0029311 [0004]
    • EP 2226747 [0004]

Claims (10)

  1. Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, insbesondere einer Mehrzahl von wieder aufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen, welche miteinander seriell oder parallel den elektrischen Strom leitend verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die den elektrischen Strom leitende Verschaltung der Batteriezellen (12a - 12d) untereinander mittels innerhalb einer flexiblen Leiterplatte (20) eingebetteter flexibler Leiterbahnen (24a - 24d) erfolgt.
  2. Batteriemodul gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterbahnen (24a - 24d) als Flachleiterband mit einer Stärke von 20 bis 100 µm, insbesondere von 25 bis 40 µm und mit einer Breite von 1,5 bis 5 mm, insbesondere einer Breite von 2,0 bis 3,2 mm ausgeführt sind.
  3. Batteriemodul gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Batteriezellen (12a - 12d) jeweils ein erstes Batterieterminal auf einer ersten Gehäuseoberfläche und ein zweites Batterieterminal auf einer zweiten, der ersten Gehäuseoberfläche gegenüberliegenden Gehäuseoberfläche aufweist, und dass eine erste flexible Leiterplatte (20) in den elektrischen Strom leitendem Kontakt mit den ersten Batterieterminals der Mehrzahl an Batteriezellen (12a - 12d) steht und eine zweite flexible Leiterplatte (20) in den elektrischen Strom leitendem Kontakt mit den zweiten Batterieterminals der Batteriezellen (12a - 12d).
  4. Batteriemodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Überwachungseinheit (30) vorgesehen ist, die insbesondere in Form einer weiteren Leiterplatte ausgeführt ist, wobei die Überwachungseinheit mit elektrischen Terminals der Mehrzahl an Batteriezellen (12a - 12d) in einem separaten weiteren stromleitenden Kontakt steht.
  5. Batteriemodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte (20) Durchbrechungen (22a - 22d) im Bereich der elektrischen Terminals der Batteriezellen aufweist.
  6. Batteriemodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (12a - 12d) ein zylindrisches Gehäuse aufweisen.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Batteriezellen (12a - 12d) bereitgestellt wird, und dass in eine flexible Leiterplatte integrierte flexible Leiterbahnen (24a -24d) mit elektrischen Terminals der Batteriezellen stoffschlüssig verbunden werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung der in eine flexible Leiterplatte (20) integrierten flexiblen Leiterbahnen (24a - 24d) mittels Laserschweißen, insbesondere bei einer Wellenlänge von 500 bis 600 nm, erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der stoffschlüssigen Verbindung der in die flexible Leiterplatte (20) integrierten flexiblen Leiterbahnen (24a - 24d) mit elektrischen Terminals der Batteriezellen (12a - 12d) ein Andrücken der flexiblen Leiterplatte (20) auf die die elektrischen Terminals tragenden Gehäuseoberflächen der Batteriezellen (12a - 12d) durch einen Volumenstrom eines Fluides erfolgt.
  10. Verwendung eines Batteriemoduls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugen, in Brennstoffzellensystemen oder zur Speicherung insbesondere regenerativ erzeugter elektrischer Energie in stationären elektrischen Speichern.
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