DE102021006202B3 - Battery module with a module housing - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (2) mit einem Modulgehäuse (6) aus einem ersten elektrisch isolierenden Material zur Aufnahme von zylindrischen Batterieeinzelzellen (10) mit einer Aufnahmeöffnung (9) für jeweils eine der Batterieeinzelzellen (10), welche sich zwischen einer ersten Seite und einer zweiten gegenüberliegenden Seite des Modulgehäuses (6) erstrecken.Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modulgehäuse (6) zwischen der ersten und der zweiten Seite (7, 8) wenigstens ein Einleger (12) aus einem zweiten elektrisch leitenden Material vorgesehen ist, welcher wenigstens eine der Batterieeinzelzellen (10) kontaktierend elektrisch verbindet.Außerdem ist eine Batterie (1) mit solchen Batteriemodulen (2) angegeben.The invention relates to a battery module (2) with a module housing (6) made of a first electrically insulating material for accommodating cylindrical individual battery cells (10) with an accommodating opening (9) for one of the individual battery cells (10), which is located between a first side and a second opposite side of the module housing (6).The invention is characterized in that at least one insert (12) made of a second electrically conductive material is provided in the module housing (6) between the first and the second side (7, 8). , which electrically connects at least one of the individual battery cells (10) in a contacting manner. A battery (1) with such battery modules (2) is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Modulgehäuse nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a battery module with a module housing according to the type defined in more detail in the preamble of
Batteriemodule bzw. Batterien mit Modulgehäusen zur Aufnahme der Batterieeinzelzellen sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt beispielsweise die
Ein gattungsgemäßes Batteriemodul wird durch die
Batterien aus Batteriemodulen zeigen die
Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Batteriemodul mit einem Modulgehäuse aus einem ersten elektrisch isolierenden Material zur Aufnahme zylindrischer Batterieeinzelzellen in Aufnahmeöffnungen anzugeben.The object of the present invention is now to specify an improved battery module with a module housing made of a first electrically insulating material for accommodating cylindrical individual battery cells in accommodating openings.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem löst eine Batterie mit wenigstens zwei derartigen Batteriemodulen gemäß Anspruch 10 die Aufgabe. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Batterie ist im Anspruch 11 angegeben.According to the invention, this object is achieved by a battery module having the features of
Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist ein Modulgehäuse auf, welches sich zwischen zwei gegenüberliegenden und insbesondere parallel zueinander angeordneten Seiten erstrecken. In diese Aufnahmeöffnung lässt sich jeweils eine zylindrische Batterieeinzelzelle einsetzen, deren Gehäuse typischerweise in einen Becher aufgeteilt ist, welcher den Minuspol ausbildet, und in einen gegenüber diesem isolierten Deckel, welcher den Pluspol ausbildet. Dabei ist es nun so, dass in dem Modulgehäuse zwischen der ersten und er zweiten Seite, also in Inneren des Modulgehäuses und hier insbesondere in einer parallel zu den Seiten stehenden Ebene, wenigstens ein Einleger aus einem elektrisch leitenden Material vorgesehen ist, welcher in dem aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellten Modulgehäuse eingelegt ist. Dieser Einleger kontaktiert dabei wenigstens einige der Batterieeinzelzellen, insbesondere im Bereich ihres Gehäuses und verbindet diese elektrisch. Der Einleger dient also zum Parallelschalten der mit ihm verbundenen Batterieeinzelzellen, insbesondere einer Gruppe von Batterieeinzelzellen innerhalb des Batteriemoduls.The battery module according to the invention has a module housing which extends between two opposite sides and, in particular, sides which are arranged parallel to one another. A cylindrical single battery cell can be inserted into this receiving opening, the housing of which is typically divided into a cup, which forms the negative pole, and a cover that is insulated from this cup and forms the positive pole. It is now the case that in the module housing between the first and the second side, i.e. in the interior of the module housing and here in particular in a plane parallel to the sides, at least one insert made of an electrically conductive material is provided, which in the an electrically insulating material produced module housing is inserted. This insert makes contact with at least some of the individual battery cells, in particular in the area of their housing, and connects them electrically. The insert thus serves to connect the individual battery cells connected to it in parallel, in particular a group of individual battery cells within the battery module.
Durch diese interne Parallelverschaltung der Gruppe von Batterieeinzelzellen lassen sich diese hinsichtlich ihrer Spannung nivellieren und erlauben eine höhere Leistungsabgabe. Der Einleger erlaubt es außerdem, Messdaten abzugreifen, welche beispielsweise der Steuerung der Batterieeinzelzellen innerhalb des Batteriemoduls dienen können. Dies kann beispielsweise ein Ladungsausgleich zwischen den Batterieeinzelzellen bzw. Gruppen von Batterieeinzelzellen oder dergleichen umfassen.This internal parallel connection of the group of individual battery cells allows them to be leveled in terms of their voltage and allows a higher power output. The insert also allows measurement data to be accessed, which can be used, for example, to control the individual battery cells within the battery module. This can include, for example, charge equalization between the individual battery cells or groups of individual battery cells or the like.
In dem erfindungsgemäßen Batteriemoduls ist es dementsprechend vorgesehen, dass zumindest die Mantelfläche der Batterieeinzelzelle einen der Pole ausbildet, wobei der Einleger wenigstens eine in die Aufnahmeöffnung der zu kontaktierenden elektrischen Batterieeinzelzelle ragende Kontaktfläche aufweist. Vorzugsweise können hier drei Kontaktflächen des Einlegers in die jeweilige Aufnahmeöffnung ragen, welche die Mantelfläche der Batterieeinzelzelle, also insbesondere den Becher ihres Gehäuses, entsprechend kontaktieren und somit den negativen Pol der involvierten Batterieeinzelzellen miteinander verbinden. Die Kontaktfläche selbst kann dabei über Anpressung die elektrische Kontaktierung mit der Batterieeinzelzelle bzw. ihrem Gehäuse realisieren, insbesondere kann der konstruktive Aufbau der Kontaktfläche so ausgestaltet sein, dass diese im Rahmen der Elastizität ihres Materials federnd ausgebildet ist, um eine sichere und zuverlässige Kontaktierung unabhängig von den Bauteiltoleranzen der jeweiligen Batterieeinzelzelle sicher zu gewährleisten. Die Batterieeinzelzellen lassen sich somit ohne ein Verschweißen oder dergleichen einfach kontaktieren. Sie können somit im Falle einer Reparatur auch einfach ausgetauscht werden.In the battery module according to the invention, it is accordingly provided that at least the lateral surface of the individual battery cell forms one of the poles, with the insert having at least one contact surface protruding into the receiving opening of the individual electrical battery cell to be contacted. Preferably, three contact surfaces of the insert can protrude into the respective receiving opening, which contact the lateral surface of the individual battery cell, ie in particular the cup of its housing, and thus connect the negative pole of the individual battery cells involved to one another. The contact surface itself can make electrical contact with the individual battery cell or its housing by pressing on it; in particular, the structural design of the contact surface can be designed in such a way that it is designed to be resilient within the framework of the elasticity of its material in order to ensure safe and reliable contact regardless of to guarantee the component tolerances of the respective battery cell. The individual battery cells can thus be easily contacted without welding or the like. They can therefore also be easily replaced in the event of a repair.
Innerhalb des erfindungsgemäßen Batteriemoduls können nun die Aufnahmeöffnungen in dem Modulgehäuse in einzelnen Reihen angeordnet sein. Ähnlich wie beim eingangs genannten Stand der Technik können diese Reihen in ihrer Aufreihungsrichtung jeweils um die Hälfte des Durchmesser der Aufnahmeöffnung versetzt zu der nächsten benachbarten Reihe angeordnet sein, um so einen möglichst dichte Anordnung der Aufnahmeöffnungen und damit letztlich der Batterieeinzelzellen in dem Batteriemodul zu erreichen.Within the battery module according to the invention, the receiving openings in the can now Module housing can be arranged in individual rows. Similar to the state of the art mentioned at the outset, these rows can be offset in the direction in which they are arranged by half the diameter of the receiving opening in relation to the next adjacent row, in order to achieve the densest possible arrangement of the receiving openings and thus ultimately of the individual battery cells in the battery module.
Eine außerordentlich günstige Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht es dabei vor, dass die Batterieeinzelzellen in einer Reihe der Aufnahmeöffnungen mit identischer Polung eingebracht sind, wobei die Polung in der benachbarten Reihe jeweils umgekehrt ist. Jede Reihe hat also eine unterschiedliche Anordnung der Batterieeinzelzellen, so dass beispielsweise in einer ersten Reihe alle Deckel mit den Pluspolen nach links weisen, in der daneben angeordneten Reihe nach rechts und so weiter.An extraordinarily favorable further development of this configuration provides that the individual battery cells are placed in a row of the receiving openings with identical polarity, with the polarity in the adjacent row being reversed in each case. Each row has a different arrangement of the individual battery cells, so that, for example, in a first row all the covers with the positive poles point to the left, in the next row to the right and so on.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Ausgestaltung kann es nun vorgesehen sein, dass für jede dieser Reihen ein Einleger vorgesehen ist, welcher die Batterieeinzelzellen der Reihe kontaktiert. Damit werden alle Batterieeinzelzellen der jeweiligen Reihe parallel miteinander verschaltet, die einzelnen Reihen können dann im weiteren, insbesondere außerhalb des jeweiligen Batteriemoduls, in der gewünschten Art und Weise weiterverschaltet werden, beispielsweise mit einer elektrischen Reihenschaltung. According to an extraordinarily favorable embodiment, it can now be provided that an insert is provided for each of these rows, which insert contacts the individual battery cells of the row. All of the individual battery cells in the respective row are thus connected to one another in parallel, and the individual rows can then be further connected in the desired manner, in particular outside of the respective battery module, for example with an electrical series circuit.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es dann ferner vorgesehen sein, dass die Einleger benachbarter Reihen in verschiedenen Ebenen angeordnet sind. Damit ist es möglich, die einzelnen Aufnahmeöffnungen und damit letztlich die Batterieeinzelzellen, welche in diese eingesteckt werden, sehr dicht beieinander zu positionieren. Ein mit ausreichendem Querschnitt ausgebildeter Einleger könnten dann die Batterien der einen Reihe mit der anderen Reihe kontaktieren, was jedoch unerwünscht ist, um die Flexibilität der Verschaltung außerhalb des Batteriemoduls zu erhalten. Deshalb können verschiedene Ebenen für die Einleger der benachbarten Reihen vorgesehen sein, dass beispielsweise in einer ersten Ebene die Einleger für alle Reihen mit ungerader Nummer und in einer zweiten Ebene alle Einleger für die Reihen mit gerader Nummer vorgesehen sind. Dies ermöglicht mit vertretbarem Aufwand ausreichend große Einleger einerseits, welche sich untereinander nicht berühren und erlaubt andererseits eine sehr dichte Packung der Aufnahmeöffnungen und damit letztlich der Batterieeinzelzellen des Batteriemoduls.According to a further very advantageous embodiment of the battery module according to the invention, it can then also be provided that the inserts of adjacent rows are arranged on different levels. This makes it possible to position the individual receiving openings, and thus ultimately the individual battery cells that are inserted into them, very close together. An insert designed with a sufficient cross-section could then contact the batteries in one row with the other row, which, however, is undesirable in order to maintain the flexibility of the wiring outside of the battery module. Different levels can therefore be provided for the depositors of the adjacent rows, for example in a first level the depositors for all odd-numbered rows and in a second level all depositors for the even-numbered rows are provided. On the one hand, this enables sufficiently large inserts that do not touch one another with justifiable effort and, on the other hand, allows the receiving openings and thus ultimately the individual battery cells of the battery module to be packed very tightly.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann für jeden der Einleger wenigstens ein Messabgriff aus dem Modulgehäuse herausgeführt sein. Damit wird es möglich, beispielsweise die Spannung im Bereich des Einlegers und den Spannungsmitteltwert der von ihm parallel geschalteten Batterieeinzelzellen entsprechend abzufragen, um so eine effiziente Steuerung auf Basis der jeweiligen Spannungen der einzelnen Reihen der Batterieeinzelzellen zu erreichen. Je nach Größe der Einleger und Anzahl der Batterieeinzelzellen je Reihe lässt sich so ein Messabgriff realisieren, welcher einer Einzelzellspannungsüberwachung nahe kommt, beispielsweise wenn eine der Reihen lediglich 3 bis 8 Batterieeinzelzellen aufweist.According to a further very advantageous embodiment of the battery module according to the invention, at least one measurement tap can be led out of the module housing for each of the inserts. This makes it possible, for example, to query the voltage in the area of the insert and the average voltage value of the individual battery cells connected in parallel by it in order to achieve efficient control based on the respective voltages of the individual rows of the individual battery cells. Depending on the size of the inserts and the number of individual battery cells per row, a measurement tap can be implemented that comes close to monitoring the voltage of an individual cell, for example if one of the rows only has 3 to 8 individual battery cells.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es vergleichbar wie in der eingangs genannten
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es ferner vorsehen, dass das Modulgehäuse interne Hohlräume aufweist, welche mit Kühlmedienanschlüssen verbunden sind. Solche Hohlräume können dann genutzt werden, um Kühlmedium durch das jeweilige Modulgehäuse zu führen und die in ihm befindlichen Batterieeinzelzellen effizient zu temperieren.A further very favorable embodiment of the battery module according to the invention can also provide that the module housing has internal cavities which are connected to coolant connections. Such cavities can then be used to guide cooling medium through the respective module housing and to efficiently temperature-control the individual battery cells located in it.
Das Modulgehäuse selbst kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls aus dem ersten Material, einem Kunststoff, im Spritzguss hergestellt sind, wobei das zweite Material, welches die Einleger ausbildet, als metallischer Einleger in die Spritzgussform eingelegt wird und damit beim Spritzguss in das Modulgehäuse integriert und in diesem fixiert wird. Mit minimalem Fertigungsaufwand lässt sich so ein Aufbau erreichen, welcher durch das reine Einstecken der zylindrischen Batterieeinzelzellen deren Parallelverschaltung über die jeweiligen Einleger erzielt und darüber hinaus Messabgriffe für die jeweilige Gruppe bzw. Reihe von Batterieeinzelzellen bereits umfasst. Bei der Ausgestaltung mit der Kontaktfeder an dem einen der Pole lassen sich solche Module dann außerordentlich effizient und zu jeder Zeit auch einfach demontierbar zu einer Batterie zusammenstecken.According to an extremely favorable embodiment of the battery module according to the invention, the module housing itself can be produced from the first material, a plastic, by injection molding, with the second material, which forms the inserts, being inserted into the injection mold as a metal insert and thus during injection molding into the Module housing is integrated and fixed in this. A structure can be achieved with minimal production effort which, simply by plugging in the cylindrical individual battery cells, achieves their parallel connection via the respective inserts and, in addition, already includes measurement taps for the respective group or row of individual battery cells. When designing with the Kon With a clock spring on one of the poles, such modules can then be connected together to form a battery extremely efficiently and can be easily removed at any time.
Eine erfindungsgemäße Batterie sieht es dementsprechend vor, dass wenigstens zwei derartige Batteriemodule nach einer oder mehreren vorgehenden Ausgestaltungen vorhanden sind, welche über Zuganker zwischen zwei Endplatten verspannt und über Kontaktierungselemente in den Endplatten elektrisch verschaltet sind. Die Batteriemodule lassen sich insbesondere beim Aufstapeln untereinander elektrisch verschalten und können dann benachbart zu dem jeweils letzten Modul an beiden Enden dieses Stapels mit Endplatten versehen werden, welche wiederum die elektrische Verschaltung der einzelnen Reihen von Batterieeinzelzellen in den Modulen vorsehen. Über Zuganker wird der gesamte Aufbau stabilisiert, die Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedien kann über eine zentrale Zu- und Abfuhrleitung für die so aufgebaute Batterie für alle vorgesehenen Batteriemodule parallel erfolgen.A battery according to the invention accordingly provides that at least two such battery modules are present according to one or more of the preceding configurations, which are clamped between two end plates via tie rods and electrically connected via contacting elements in the end plates. The battery modules can be electrically interconnected, especially when stacked, and can then be provided with end plates adjacent to the last module at both ends of this stack, which in turn provide the electrical interconnection of the individual rows of individual battery cells in the modules. The entire structure is stabilized via tie rods, and cooling media can be supplied and discharged in parallel via a central supply and discharge line for the battery constructed in this way for all battery modules provided.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Batterie ist dabei vorgesehen, dass Aufnahmebuchsen für die Zuganker in jedem Modulgehäuse eingebracht sind, beispielsweise bei einer Herstellung des Batteriegehäuses durch Spritzguss in die Spritzgussform eingelegt wurden, welche eine größere Länge aufweisen, als das Modulgehäuse in derselben Richtung. Beim Verspannen über die Zuganker wird die Kraft dabei über diese Buchsen übertragen, so dass jedes Modulgehäuse und damit die in ihm befindlichen Batterieeinzelzellen im Wesentlichen schwimmend zwischen den Endplatten aufgenommen sind.According to an extraordinarily favorable development of this battery, it is provided that sockets for the tie rods are introduced into each module housing, for example when the battery housing is manufactured by injection molding in the injection mold, and are longer than the module housing in the same direction. When braced via the tie rods, the force is transmitted via these sockets, so that each module housing and thus the individual battery cells located in it are accommodated between the end plates in a substantially floating manner.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sowie der Batterie aus einem solchen Batteriemodul ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous configurations of the battery module according to the invention and of the battery from such a battery module also result from the exemplary embodiment, which is described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Batterie in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; -
2 ein Modulgehäuse eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer möglichen Ausführungsform; und -
3 einen Ausschnitt durch das Batteriemodul gemäß der Linie III-III in2 .
-
1 a schematic view of a battery in a possible embodiment according to the invention; -
2 a module housing of a battery module according to the invention in one possible embodiment; and -
3 a section through the battery module according to line III-III in2 .
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Für zumindest einige der später in die Aufnahmeöffnungen 9 eingebrachten Batterieeinzelzellen 10 ist es nun vorgesehen, dass diese innerhalb des Modulgehäuses 6 aus dem elektrisch nicht leitenden ersten Material, insbesondere einem Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff oder dergleichen über einen Einleger 12 aus einem metallischen, elektrisch leitenden Material miteinander verbunden werden. Der Einleger 12 kann insbesondere aus einer Kupferlegierung, einer Aluminiumlegierung oder dergleichen hergestellt sein. Auch er wird analog zu den Zugankerbuchsen 11 bei einer Herstellung durch Spritzgiessen in die Spritzgussform für das Modulgehäuse 6 eingelegt.For at least some of the
Vorzugsweise kann es so sein, dass für jede der Reihen R1 bis R6 jeweils ein Einleger 12 vorhanden ist. In der Darstellung der
Über die Kontaktelemente 14 werden nun also alle becherförmigen Gehäuse 15 und damit alle Minuspole der in einer Reihe R1 bis R6 angeordneten Batterieeinzelzellen 10 untereinander kontaktiert und durch den Einleger 12 damit innerhalb des Modulgehäuses 6 parallel verschaltet. Außerdem ist für jede der Einleger 12 ein Messabgriff 18 aus dem Modulgehäuse 6 herausgeführt und kann dort direkt oder mittelbar über Kabel elektrisch mit einer Messsensorik verbunden werden, beispielsweise zur Erfassung der mittleren Spannung der in der jeweiligen Reihe R1 bis R6 verbauten Batterieeinzelzellen 10.All cup-shaped
Wie eingangs bereits erwähnt, kann in dem Modulgehäuse 6 außerdem ein flüssiges Kühlmedium geführt werden. Es kann durch die hier beispielhaft angedeuteten Zufuhrstutzen 19 zugeführt und durch den Abfuhrstutzen 20 wieder abgeführt werden. Das Kühlmedium kann dann durch innere Hohlräume innerhalb des Modulgehäuses 6 strömen und die Batterieeinzelzellen kühlen. In der schematischen Schnittdarstellung der
Die Schnittdarstellung der
In der Darstellung der
Damit die Batterieeinzelzellen 10 bzw. die Aufnahmeöffnungen 9 für die Batterieeinzelzellen 10 dicht beieinander positioniert werden können, ohne dass die Einleger 12 benachbarter Reihen R1 bis R6 sich untereinander berühren, sind die Einleger 12 der Reihen mit ungerader Nummerierung, in der Darstellung der
Abschließend soll nur noch auf die Zugankerbuchse 11 eingegangen werden. Diese ist in einem Bereich des Modulgehäuses 6 angeordnet, welcher die äußeren aneinander anliegenden Seiten 7, 8 ausbildet, so dass beim Zusammensetzen und Verspannen der einzelnen Batteriemodulen 2 der in
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