DE102021006201B4

DE102021006201B4 - Batteriemodul mit mehreren zylindrischen Batterieeinzelzellen

Info

Publication number: DE102021006201B4
Application number: DE102021006201.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Steffens; Michael Stocker
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2023-02-23
Anticipated expiration: 2041-12-17
Also published as: WO2023110633A1; DE102021006201A1

Abstract

Batteriemodul (1) mit mehreren zylindrischen Batterieeinzelzellen (2), deren einen Batteriepol ein becherförmiges Außengehäuse (3) ausbildet, welches über einen Zellverbinder (5) elektrisch kontaktiert ist, wobei zur elektrisch parallelen Verschaltung der becherförmige Außengehäuse (3) mehrerer Batterieeinzelzellen (2) der Zellverbinder (5) mit mehreren Kontaktbereichen ausgebildet ist, von welchen jeder mit einer im becherförmigen Batterieaußengehäuse (3) umfangsseitig korrespondierenden Formgebung ausgebildet ist, wobei der Kontaktbereich zumindest über einen Teil des Umfangs des becherförmigen Außengehäuses (3) an diesem anliegt und zumindest in einem Abschnitt des Kontaktbereichs mit dem becherförmigen Außengehäuse (3) verschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbinder (5) als flächiges Element mit Durchbrüchen (8) zum Durchstecken der Batterieeinzelzellen (2) ausgebildet ist, wobei jeder der Durchbrüche (8) einen Kontaktbereich für eine durchgesteckte Batterieeinzelzelle (2) ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mehreren zylindrischen Batterieeinzelzellen deren einen Batteriepol ein becherförmiges Außengehäuse ausbildet, welches über einen Zellverbinder elektrisch kontaktiert ist.
Batteriemodule aus einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen, beispielsweise in zylindrischer Bauart, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden in einem Batteriemodul über ein sogenanntes Zellterminal und Zellverbinder elektrisch kontaktiert. Dabei sind verschiedene Arten der Kontaktierung denkbar, beispielsweise ein Verschweißen, ein Durchsetzfügen oder dergleichen. Die DE 10 2012 223 812 A1 beschreibt in diesem Zusammenhang einen Aufbau mit zum Teil elastischen Zellverbindern, um eine zuverlässige Anbindung der Batterieeinzelzellen zu gewährleisten.
Die DE 10 2019 130 378 A1 beschreibt einen gattungsgemäßen Aufbau, bei welchem die Batterieeinzelzellen mit einem bandförmigen Zellverbinder verschweißt werden. Ähnliche Aufbauten sind auch in den Veröffentlichungen US 2021/0184290 A1 sowie US 2021/0384591 A1 gezeigt.
Ergänzend kann ferner auf die US 2021/0159571 A1 verwiesen werden, welche den Einsatz eines flächigen Zellverbinders an einer der Stirnseiten der Batterieeinzelzellen zeigt.
Dabei ist es so, dass häufig alle Pole der Batterieeinzelzellen im Bereich einer Kopfseite der Batterie herausgeführt werden, was den Aufbau flächenmäßig sehr stark einschränkt und die Kontaktierung mittels eines Zellverbinders daher schwierig macht. Bei Batteriemodulen mit einem becherförmigen Außengehäuse, welches einen der Batteriepole der jeweiligen Einzelzelle ausbildet, sind außerdem Kontaktfedern aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, welche von der Stirnseite her auf dieses Gehäuse aufgesetzt werden. Diese haben den Nachteil an mechanischen Anfälligkeit der elektrischen Kontaktierung. Bezüglich des Standes der Technik kann in diesem Zusammenhang auf die EP 3 096 372 B2 hingewiesen werden.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches eine sichere und zuverlässige Kontaktierung erlaubt, und welches einfach im Handling ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das Batteriemodul gemäß der Erfindung besteht aus mehreren zylindrischen Batterieeinzelzellen mit einem becherförmigen Außengehäuse, welches einen der Batteriepole, typischerweise den Minuspol der jeweiligen Batterieeinzelzelle ausbildet. Diese sind über einen Zellverbinder elektrisch kontaktiert. Der Zellverbinder in dem erfindungsgemäßen Batteriemodul dient dabei zum parallelen Verschalten der becherförmigen Außengehäuse mehrerer Batterieeinzelzellen. Der Zellverbinder weist dafür mehrere Kontaktbereiche auf, von welchen jeder mit einer dem becherförmigen Außengehäuse umfangsseitig korrespondierenden Formgebung ausgebildet ist. Der Zellverbinder kann also an zumindest einem Teil des Umfangs des becherförmigen Außengehäuses weitgehend nahtlos angelegt werden. Der zumindest über einen Teil des Umfangs an dem becherförmigen Außengehäuse anliegende Kontaktbereich ist dann in zumindest einem Abschnitt des Kontaktbereichs mit dem Außengehäuse verschweißt.
Der Zellverbinder wird also in einen mechanischen Kontakt mit dem Außengehäuse gebracht und mit diesem verschweißt. Dadurch wird eine sichere und zuverlässige elektrische Kontaktierung gewährleistet. Außerdem kann durch die Verbindung der jeweiligen Außengehäuse mit den jeweiligen Zellverbindern durch Verschweißen ein mechanisch stabiler Aufbau dieser untereinander über den Zellverbinder verbundenen Batterieeinzelzellen erzielt werden, welche dementsprechend einfach in der weiteren Handhabung sind. Darüber hinaus ist es so, dass der stirnseitige Bereich eines gegenüber dem Außengehäuse isolierten Deckels der Batterieeinzelzelle den anderen Batteriepol, typischerweise den Pluspol, ausbilden kann und dementsprechend einfach und effizient für eine elektrische Kontaktierung, beispielsweise durch das Aufschweißen von Zellterminals, zugänglich ist, da die Kontaktierung des anderen Batteriepols beabstandet im Bereich des Gehäuses erfolgt ist.
Der Zellverbinder des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ist dabei als flächiges Element mit Durchbrüchen zum Durchstecken der Batterieeinzelzellen ausgebildet, wobei jeder der Durchbrüche einen Kontaktbereich für eine durchgesteckte Batterieeinzelzelle ausbildet. Ein solcher Zellverbinder kann beispielsweise in der Art eines Blechs, vorzugsweise aus einer gut elektrisch leitenden Legierung, beispielsweise einer Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen, ausgebildet sein. Er weist dann Durchbrüche auf, welche zum Durchstecken der Batterieeinzelzellen ausgebildet sind, also vorzugsweise bezüglich ihrer Form und Größe mit diesen korrespondieren. Die Batterieeinzelzellen können dann durch diese Durchbrüche hindurch gesteckt werden, so dass sowohl ein Teil der Batterieeinzelzelle oberhalb des flächigen Elements als auch ein Teil der jeweiligen Batterieeinzelzelle unterhalb des flächigen Elements liegt. Die Ausgestaltung ist dabei vorzugsweise so, dass die Batterieeinzelzellen mit wenig Kraft in die Durchbrüche eingesteckt werden können, durch diese aber nicht ohne weitere Krafteinwirkung hindurchfallen. Sie können dann einfach und effizient im Berührungsbereich mit dem Zellverbinder verschweißt werden, beispielsweise über eine durch Laserschweißen realisierte Kehlnaht.
Die Durchbrüche können gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dabei in zueinander um den halben Durchmesser eines Durchbruchs versetzt in Reihen ausgebildet sein. Eine solche Anordnung hat sich bezüglich der Dichte der möglichen Anordnungen der zylindrischen Batterieeinzelzellen bewährt und kann als bevorzugte Variante zu einem Aufbau mit nicht gegeneinander versetzten Reihen als sehr platzsparende Alternative realisiert werden.
Die Kontaktbereiche selbst können dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung über eine partielle Schweißnaht mit den jeweiligen becherförmigen Außengehäusen verbunden sein, insbesondere durch eine partielle Kehlnaht zwischen denen vorzugsweise in einem rechten Winkel aufeinander stehenden Elementen der Gehäusewand des becherförmigen Außengehäuses einerseits und des senkrecht dazu stehenden Zellverbinders andererseits. Eine solche partielle Schweißnaht, welche von kurzen verschweißten Abschnitten und kurzen dazwischen liegenden nicht verschweißten Abschnitten ausgebildet wird, erlaubt eine zuverlässige Kontaktierung und Befestigung einerseits und kann gleichzeitig eine Minimierung des Wärmeeintrags beim Schweißvorgang ermöglichen. Vorzugsweise wird die Schweißnaht dabei als Laserschweißnaht ausgebildet.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus kann es ferner vorsehen, dass mehrere der Zellverbinder miteinander durch Verschweißen kontaktiert sind. Dadurch kann beim Herstellen der Batterie ein Aufbau aus jeweils einigen über die Zellverbinder elektrisch und mechanisch verbundenen Batterieeinzelzellen hergestellt werden und dann mit einer anderen vergleichbaren Einheit mechanisch und elektrisch kontaktiert werden. Auch hier können vorzugsweise partielle Schweißnähte und vorzugsweise wiederum Laserschweißnähte zum Einsatz kommen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es ferner vorsehen, dass die nicht durch die becherförmigen Außengehäuse gebildeten Batteriepole, insbesondere also die Pluspole, wie oben bereits erwähnt, mit einem Zellterminal verbunden sind. Auch dies kann prinzipiell durch Schweißen erfolgen, wobei auch andere Techniken wie beispielsweise ein Durchsetzfügen oder prinzipiell auch ein Löten oder ein Verschrauben grundsätzlich denkbar sind.
Die Zellverbinder und die becherförmigen Außengehäuse können gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls dabei aus einem vergleichbaren, insbesondere identischen, Werkstoff ausgebildet sein. Ein vergleichbarer Werkstoff im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wäre beispielsweise ein Aluminiumwerkstoff, ein Nickelwerkstoff, bevorzugt als Beschichtung, ein Kupferwerkstoff, ein Stahlwerkstoff wie beispielsweise Hilumin oder dergleichen. Die Legierung basiert also auf demselben Werkstoff, so dass die Werkstoffe vergleichbar sind. Sie muss nicht zwingend, wie es bei identischen Werkstoffen der Fall wäre, in beiden Fällen exakt die gleichen Legierungsbestandteile aufweisen. So ließe sich beispielsweise der Zellverbinder und das becherförmige Außengehäuse aus zwei sehr ähnlichen Aluminiumwerkstoffen herstellen, welche bezüglich der weiteren Bestandteile jedoch nicht zwingend gleich sein müssen, da die Anforderungen an das becherförmige Außengehäuse beispielsweise beim Tiefziehprozess, um dieses herzustellen, andere sind, als bei dem Zellverbinder, welcher beispielsweise aus einem gestanzten und nicht weiter umgeformten Blech aus einer Aluminiumwerkstoff bestehen könnte.
Dennoch erlauben diese vergleichbaren Werkstoffe, also beispielsweise die beiden Aluminiumlegierungen ein Verschweißen der Bauteile mit entsprechend günstigen Eigenschaften bezüglich der Schweißnähte.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:

1 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines möglichen Batteriemoduls gemäß der Erfindung;
2 einen Längsschnitt durch einen Teil des Batteriemoduls gemäß 1;
3 einen Querschnitt durch ein Batteriemodul gemäß 1;
4 eine alternative Ausgestaltung eines Zellverbinders; und
5 eine Verbindung zwischen zwei Zellverbindern gemäß 4

In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnetes Batteriemodul in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung zu erkennen. Das Batteriemodul 1 umfasst hier rein beispielhaft acht Batterieeinzelzellen 2, von welchen jeweils nur einige mit dem Bezugszeichen 2 versehen sind. Diese Batterieeinzelzellen 2 sind als zylindrische Batterieeinzelzellen ausgebildet. Sie haben ein becherförmiges Außengehäuse 3, welches beispielsweise als tiefgezogener oder fließgepresster Becher aus einem Aluminiumwerkstoff hergestellt sein kann. Dieses becherförmige Außengehäuse 3 bildet gleichzeitig den Minuspol der jeweiligen Batterieeinzelzelle 2 aus. Ein Deckel 4, wobei sowohl das becherförmige Außengehäuse 3 als auch der Deckel 4 nur an einer der Batterieeinzelzellen 2 mit einem Bezugszeichen versehen sind, ist davon isoliert an der oberen Stirnseite angeordnet und bildet den Pluspol aus. In an sich bekannter Weise sind hier die Pluspole aller acht Batterieeinzelzellen 2 über ein Zellterminal 7 elektrisch miteinander verbunden. Ein mit 5 bezeichneter Zellverbinder liegt außerdem im Außenbereich der becherförmigen Außengehäuse 3 an diesen an und ist elektrisch mit diesen verbunden, so dass alle Minuspole der acht Batterieeinzelzellen 2 ebenfalls elektrisch miteinander kontaktiert sind.
Anhand der vereinfachten Schnittdarstellung durch einen Teil des Aufbaus in der Darstellung der 2 wird dies verdeutlicht. Dargestellt sind Ausschnitte von zwei der Batterieeinzelzellen 2 mit jeweils einer Wand des becherförmigen Außengehäuses 3 und einem Teil ihres Deckels 4. Zwischen den beiden becherförmigen Gehäusen 3 der beiden Batterieeinzelzellen 2 ist der Zellverbinder 5 angeordnet und über zwei Schweißnähte 6 mit dem jeweiligen becherförmigen Außengehäuse 3 verbunden. Hierdurch entsteht einerseits die elektrische Kontaktierung für den in 2 angedeuteten Minuspol und andererseits werden die Batterieeinzelzellen 2 mechanisch miteinander verbunden, so dass sie als Zellblock einfach gehandhabt werden können. Die für jeden jeweiligen Deckel 4 ausgebildeten Pluspole sind über das Zellterminal 7 in an sich bekannter Art und Weise, beispielsweise durch Verschweißen miteinander verbunden.
In der Darstellung der 3 ist nun ein Querschnitt auf Höhe des Zellverbinders 5 zu erkennen. Dieser wird aus ringförmigen Segmenten ausgebildet, welche jeweils einen Durchbruch 8 umschließen, in welchem die jeweilige Batterieeinzelzelle 2 angeordnet ist. Diese ist mit dem Zellverbinder 5 über die bereits angesprochene Schweißnaht 6 verbunden, welche in der Darstellung der 3 in Form von hellen Linien innerhalb des durchgehend schwarz dargestellten Zellverbinders 5 angedeutet sind. Die Schweißnähte 6 sind dabei als partielle Schweißnähte 6 ausgebildet, sie sind also nicht vollständig umlaufend, sondern immer wieder unterbrochen ausgeführt. Dies lässt sich insbesondere bei der Erzeugung einer Laserschweißnaht entsprechend einfach realisieren. Es stellt einen guten Kompromiss zwischen der Gefahr für die Batterieeinzelzelle 2 durch die eingetragenen Wärme beim Schweißen einerseits und die Stabilität der elektrischen und mechanischen Verbindung andererseits dar. Der Aufbau des Zellverbinders 5 könnte dabei auch so gestaltet sein, dass anstelle der einzelnen Ringe ein durchgehendes Blechelement Verwendung findet, in welches die Durchbrüche 8 beispielsweise durch Stanzen eingebracht sind.
Neben der in 3 gezeigten Anordnung der Batterieeinzelzellen 2 in parallelen Reihen mit direkt benachbarten Durchbrüchen 8 können diese Reihen auch um den halben Durchmesser einer der Batterieeinzelzellen 2 versetzt zueinander ausgebildet werden.
Damit ist der in der Darstellung der 4 gezeigte Zellverbinder 5 erhältlich, welcher durch die dichtere Anordnung der Batterieeinzelzellen insgesamt Bauraum einspart.
Mehrere derartige Zellverbinder 5, wie sie beispielsweise in 3 oder 4 dargestellt sind, können auch untereinander zu einer größeren Einheit verbunden werden. Dies ist in der Darstellung der 5 am Beispiel von zwei Zellverbindern 5 gemäß 4 entsprechend angedeutet. Das Verbinden erfolgt hier ebenfalls über Schweißnähte 6, welche in der Darstellung der 5 wiederum in weißer Farbe dargestellt sind, und welche ebenfalls als partielle Schweißnähte 6, also mit Unterbrechungen zwischen einzelnen Längenabschnitten der Schweißnaht ausgebildet sind.
Die Batterieeinzelzellen 2 bei den bisher gezeigten Aufbauten waren dabei immer durch das Material des Zellverbinders 5 voneinander beabstandet, so dass sich die einzelnen Abschnitte der becherförmigen Außengehäuse 3 nicht berühren. Dies ermöglicht beispielsweise das Durchleiten eines Kühlmediums, beispielsweise eines gasförmigen oder flüssigen Kühlmediums zur Temperierung der Batterieeinzelzellen 2. Alternativ dazu können sowohl bei der nicht versetzten Anordnung gemäß 3 als auch bei der versetzten Anordnung gemäß 4 die becherförmigen Außengehäuse 3 der Batterieeinzelzellen 2 sich berühren.
Prinzipiell kann das Material für die Zellverbinder 5 ein beliebiges einerseits zum Schweißen und andererseits zur elektrischen Leitung geeignetes Material eingesetzt werden. Beispielsweise können Kupferbauteile oder andere Bauteile Verwendung finden. Besonders günstig ist es jedoch, wenn ein vergleichbarer oder sogar identischer Werkstoff sowohl für die becherförmigen Außengehäuse 3 als auch für den oder die Zellverbinder 5 eingesetzt wird. Dies kann beispielsweise Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung sein, wobei die Legierungen der becherförmigen Außengehäuse 3 und des Zellverbinders 5 nicht unbedingt identische Legierungsbestandteile in derselben Menge aufweisen müssen. Als Alternative zum Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ist beispielsweise auch vernickelter Stahl als Bauteil denkbar. Ein solcher speziell für den Einsatz in Batteriemodulen konzipierter Werkstoff wird beispielsweise unter dem Markennamen Hilumin angeboten.

Claims

Batteriemodul (1) mit mehreren zylindrischen Batterieeinzelzellen (2), deren einen Batteriepol ein becherförmiges Außengehäuse (3) ausbildet, welches über einen Zellverbinder (5) elektrisch kontaktiert ist, wobei zur elektrisch parallelen Verschaltung der becherförmige Außengehäuse (3) mehrerer Batterieeinzelzellen (2) der Zellverbinder (5) mit mehreren Kontaktbereichen ausgebildet ist, von welchen jeder mit einer im becherförmigen Batterieaußengehäuse (3) umfangsseitig korrespondierenden Formgebung ausgebildet ist, wobei der Kontaktbereich zumindest über einen Teil des Umfangs des becherförmigen Außengehäuses (3) an diesem anliegt und zumindest in einem Abschnitt des Kontaktbereichs mit dem becherförmigen Außengehäuse (3) verschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbinder (5) als flächiges Element mit Durchbrüchen (8) zum Durchstecken der Batterieeinzelzellen (2) ausgebildet ist, wobei jeder der Durchbrüche (8) einen Kontaktbereich für eine durchgesteckte Batterieeinzelzelle (2) ausbildet.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (8) in zueinander um den halben Durchmesser eines Durchbruchs (8) versetzten Reihen ausgebildet sind.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche über eine partielle Schweißnaht (6) mit den becherförmigen Außengehäusen (3) verbunden sind.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Zellverbinder (5) miteinander durch Verschweißen kontaktiert und verbunden sind.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellverbinder (5) über eine partielle Schweißnaht (6) miteinander verbunden sind.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht durch die becherförmigen Außengehäuse (3) gebildeten Batteriepole über ein Zellterminal (7) verbunden sind.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellverbinder (5) und die becherförmigen Außengehäuse (3) aus einem vergleichbaren, insbesondere identischen Werkstoff ausgebildet sind.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindungen durch Laserschweißen realisiert sind.