DE102021103388A1 - Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung und Batteriemodul mit einer solchen Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung - Google Patents

Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung und Batteriemodul mit einer solchen Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Eine Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) für ein Batteriemodul (10) mit mehreren Batteriezellen (12), die über mehrere Zellverbinder (16) elektrisch miteinander gekoppelt sind, weist eine starre Leiterplatte (21) auf, die im Bereich neben den mehreren Zellverbindern (16) über den Batteriezellen (12) angeordnet und über mehrere Kontaktelemente (30) mit den mehreren Zellverbindern (16) verbunden wird. Zwecks Vereinfachung und Zuverlässigkeit der Montage sind die mehreren Kontaktelemente jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Draht (32) gebildet, wobei der Draht (32) am ersten Endabschnitt (31a) des Kontaktelements (30) mit der Leiterplatte (21) elektrisch leitend verbunden ist und am entgegengesetzten zweiten Endabschnitt (31b) des Kontaktelements (30) mit dem jeweiligen Zellverbinder (16) elektrisch leitend verbunden werden kann und/oder an ein mit dem jeweiligen Zellverbinder (16) in Kontakt bringbares Sensorelement (34) angekoppelt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung für ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen und/oder Batteriezellengruppen, die über mehrere Zellverbinder elektrisch miteinander gekoppelt sind, sowie ein Batteriemodul mit einer solchen Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung.
  • Zellmanagementcontroller (CMC), die die einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls überwachen, um zum Beispiel Ladeprozesse, Balancing der Spannungen und der Ladezustände, Temperierprozesse, etc. für die Batteriezellen durchzuführen, benötigen eine Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung zum Kontaktieren der Batteriezellen und/oder der Zellverbinder, um entsprechende Messsignale zum Beispiel der Potentiale und der Temperaturen der Batteriezellen zu erhalten. Herkömmliche Batteriezellenkontaktierungsvorrichtungen erfordern einen hohen fertigungs- und montagetechnischen Aufwand für die Anbindung der Signalquellen an das Signalleitungssystem. Außerdem besteht bei herkömmlichen Batteriezellenkontaktierungsvorrichtungen häufig die Gefahr, dass die Kontaktierung der Batteriezellen bzw. Zellverbinder bei Bewegungen oder Anschwellungen der Batteriezellen zerstört wird.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung mit einem einfachen Aufbau und einer einfachen und dauerhaft zuverlässigen Montage zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung der Erfindung ist konzipiert für ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen und/oder Batteriezellengruppen, die über mehrere Zellverbinder elektrisch miteinander gekoppelt sind, sodass sie je nach Anordnung und Ausrichtung der Batteriezellen in Serie und/oder parallel geschaltet sind. Die Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung weist eine Leiterplatte auf, die im Bereich neben den mehreren Zellverbindern über den Batteriezellen(gruppen) angeordnet und über mehrere Kontaktelemente mit den mehreren Zellverbindern verbunden werden kann, wobei die mehreren Kontaktelemente jeweils einen ersten Endabschnitt in Richtung zur Leiterplatte und einen dem ersten Endabschnitt entgegengesetzten zweiten Endabschnitt in Richtung zu einem jeweiligen der mehreren Zellverbinder haben. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die mehreren Kontaktelemente jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Draht gebildet sind, welcher (i) zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt des Kontaktelements verläuft, (ii) am ersten Endabschnitt des Kontaktelements mit der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden ist, und (iii) am zweiten Endabschnitt des Kontaktelements mit dem jeweiligen Zellverbinder elektrisch leitend verbunden werden kann und/ oder an ein mit dem jeweiligen Zellverbinder in Kontakt bringbares Sensorelement angekoppelt ist. Die mehreren Zellverbinder, die die mehreren Batteriezellen und/oder Batteriezellengruppen elektrisch miteinander koppeln, können auch als Sammelschiene oder Bus-Bar-System bezeichnet werden. Das Merkmal, dass ein Kontaktelement aus einem Draht gebildet ist, soll in diesem Zusammenhang bedeuten, dass das Kontaktelement nicht nur irgendwo einen Draht enthält, sondern im Wesentlichen aus einem Draht besteht.
  • Die Verwendung von elektrisch leitfähigen Drähten für die Kontaktelemente hat mehrere Vorteile. Drähte sind Standardbauteile, die eine einfache Struktur haben, die variabel gestaltet und an konkrete Anwendungsfälle angepasst werden kann, und die ohne zusätzliche Spezialelemente einfache elektrische Kontaktierungen (z.B. durch Löten oder Schweißen) mit der Leiterplatte (und damit mit Signalleitungen der Leiterplatte) und mit den Zellverbindern ermöglichen, die auch automatisiert erfolgen können. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Montage der Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung in einem Batteriemodul. Außerdem kann die Flexibilität dieser Kontaktelemente Bewegungen und Anschwellungen der Batteriezellen kompensieren, die zum Beispiel während Lade- und Entladezyklen auftreten können, was bei starren Kontaktsystemen nicht möglich ist. Die Drähte können ferner in einfacher Weise an Sensorelemente angekoppelt werden, die Eigenschaften der Batteriezellen und/oder der Zellverbinder erfassen (z.B. Temperatursensoren). Die Flexibilität der Draht-Kontaktelemente ermöglicht vorteilhafterweise auch die Verwendung einer starren Leiterplatte, die eine einfachere Handhabung bei der Fertigung und der Montage und auch die Montage von Bauteilen wie beispielsweise elektronischen Schaltungselementen darauf ermöglicht. Die Form und die Größe der starren Leiterplatte können grundsätzlich an beliebige Konstruktionen von Batteriemodulen, insbesondere an beliebige Anordnungen, Größen und Anzahlen von Batteriezellen, angepasst werden. Ebenso können die Anzahl, die Längen, die Ausrichtungen und die Positionen der Draht-Kontaktelemente grundsätzlich an beliebige Konstruktionen von Batteriemodulen, insbesondere an beliebige Anordnungen, Formen und Anzahlen der Zellverbinder für die Batteriezellen, angepasst werden.
  • Die Drähte der mehreren Kontaktelemente können vorzugsweise jeweils am ersten Endabschnitt des Kontaktelements in wenigstens einer Durchkontaktierung durch die Leiterplatte oder an wenigstens einem Kontaktfeld auf einer Oberfläche der Leiterplatte mit der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden sein. Im Fall der Durchkontaktierungen können die Drähte grundsätzlich von einer beliebigen Seite der Leiterplatte in die Durchkontaktierung eingeführt sein. Im Fall der Kontaktfelder befinden sich diese vorzugsweise auf der den Batteriezellen(gruppen) abgewandten oberen Seite der Leiterplatte. Das Kontaktieren der Drähte an den Durchkontaktierungen oder Kontaktfeldern kann bevorzugt durch ein Anlöten erfolgen, das auch automatisiert erfolgen kann.
  • Ferner sind die Drähte der mehreren Kontaktelemente vorzugsweise jeweils ausgestaltet, um am zweiten Endabschnitt des Kontaktelements mit einer Oberfläche des jeweiligen Zellverbinders verschweißt werden zu können. Das Kontaktieren der Drähte an den Zellverbindern kann bevorzugt durch ein Ultraschallschweißverfahren erfolgen, was wenig Zeitaufwand benötigt und automatisiert erfolgen kann.
  • Falls der Draht an ein Sensorelement angekoppelt ist, kann diese Ankopplung zum Beispiel durch ein Anlöten erfolgen und ist das Sensorelement vorzugsweise ausgestaltet, um mit der Oberfläche des jeweiligen Zellverbinders verbunden werden zu können. Je nach Art des Sensorelements kann die Verbindung mit dem Zellverbinder zum Beispiel durch Ankleben, Anlöten oder Verschweißen erfolgen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung verläuft der Draht eines Kontaktelements einphasig zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt des Kontaktelements, wobei das eine Ende des Drahtes am ersten Endabschnitt des Kontaktelements mit der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden ist und das andere Ende des Drahtes am zweiten Endabschnitt des Kontaktelements mit dem jeweiligen Zellverbinder elektrisch leitend verbunden werden kann. Der einphasige Verlauf des Drahtes bedeutet eine einzelne Verbindungsleitung bzw. zum Beispiel eine I-Form des Kontaktelements.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung verläuft der Draht eines Kontaktelements mehrphasig zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt des Kontaktelements, wobei die Enden des Drahtes am ersten Endabschnitt des Kontaktelements mit der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden sind und ein (einfach gekrümmter, mehrfach gekrümmter oder geradliniger) Bogen des Drahtes am zweiten Endabschnitt des Kontaktelements mit dem jeweiligen Zellverbinder elektrisch leitend verbunden werden kann. In einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung verläuft der Draht eines Kontaktelements mehrphasig zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt des Kontaktelements, wobei ein (einfach gekrümmter, mehrfach gekrümmter oder geradliniger) Bogen des Drahtes am ersten Endabschnitt des Kontaktelements mit der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden ist und die Enden des Drahtes am zweiten Endabschnitt des Kontaktelements mit dem jeweiligen Zellverbinder elektrisch leitend verbunden werden können. Der mehrphasige Verlauf des Drahtes bedeutet wenigstens zwei Verbindungsleitungen bzw. zum Beispiel eine U-Form oder W-Form des Kontaktelements. Der mehrphasige Verlauf des Drahtes hat einen zusätzlichen Vorteil einer redundanten Verbindung und/oder separaten Mess- und Ansteuerverbindungen zwischen der Leiterplatte und dem jeweiligen Zellverbinder.
  • Die mehreren Kontaktelemente der Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung können wahlweise alle in einer gleichen oder in verschiedenen der drei vorgenannten Ausführungsformen realisiert sein.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung ferner wenigstens eine Signalmanagementschaltung auf, die auf der Leiterplatte montiert ist oder mit der Leiterplatte verbunden ist. Diese Signalmanagementschaltung ist dann ihrerseits mit einer Batteriemodulsteuerung verbunden oder darin integriert. Die Batteriemodulsteuerung führt zum Beispiel Ladeprozesse, Balancing der Spannungen und der Ladezustände, Temperierprozesse wie insbesondere Kühlprozesse, und dergleichen durch, zumindest teilweise abhängig von den durch die Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung erhaltenen Messsignalen Die Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung, die Signalmanagementschaltung und die Batteriemodulsteuerung können zusammen auch als Zellmanagementcontroller (CMC) bezeichnet werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Leiterplatte der Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung wenigstens eine Lüftungsöffnung (z.B. in Form mehrerer Löcher oder einer Spalte) aufweisen. Solche Lüftungsöffnungen können einen Kühlprozess der Batteriezellen unter der starren Leiterplatte unterstützen.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen und/ oder Batteriezellengruppen, die nebeneinander angeordnet sind und jeweils wenigstens einen positiven Elektrodenanschluss und wenigstens einen negativen Elektrodenanschluss aufweisen; mehreren Zellverbindern, welche jeweils die Elektrodenanschlüsse von benachbarten der mehreren Batteriezellen(gruppen) elektrisch miteinander verbinden; und einer oben beschriebenen Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung der Erfindung, wobei die Leiterplatte im Bereich neben den mehreren Zellverbindern über den Batteriezellen(gruppen) angeordnet ist und die elektrisch leitfähigen Drähte der mehreren Kontaktelemente jeweils am zweiten Endabschnitt des Kontaktelements mit dem jeweiligen Zell-verbinder elektrisch leitend verbunden sind und/oder an ein Sensorelement in Kontakt mit dem jeweiligen Zellverbinder angekoppelt sind. Die Drähte der mehreren Kontaktelemente sind vorzugsweise jeweils am zweiten Endabschnitt des Kontaktelements mit den jeweiligen Zellverbindern durch ein Ultraschallschweißverfahren verschweißt.
  • Die Batteriezellen sind über Zellverbinder miteinander verbunden und über einen elektrischen Anschluss des Batteriemoduls mit einem Verbraucher oder einem Ladesystem verbindbar. Die Batteriezellen und die Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung sind vorzugsweise beide in einem Modulgehäuse aufgenommen. Die Erfindung ist nicht auf eine spezielle Anzahl, Größe oder Anordnung der mehreren Batteriezellen(gruppen) beschränkt.
  • Die Erfindung ist in vorteilhafter Weise anwendbar für Batteriemodule für Fahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge und insbesondere Kraftfahrzeuge und Krafträder, und auch für Energiespeichersysteme und andere elektrische Geräte.
  • Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung besser verständlich. Darin zeigen, zum Teil schematisch:
    • 1A eine Draufsicht einer in einem Batteriemodul eingesetzten Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    • 1B eine Draufsicht einer in einem Batteriemodul eingesetzten Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    • 2 eine Perspektivansicht einer möglichen Anordnung mehrerer Batteriezellen unter der Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung von 1A/B;
    • 3 und 4 perspektivische Teilansichten der Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung von 1A/B;
    • 5 bis 8 perspektivische Detailansichten jeweils eines Kontaktelements gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • 9 eine Darstellung eines Jumper Wires zur möglichen Verwendung für die Kontaktelemente;
    • 10 eine perspektivische Detailansicht eines Kontaktelements mit einem Sensorelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
    • 11 bis 13 perspektivische Detailansichten jeweils eines Kontaktelements gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsformen der Erfindung.
  • Bezugnehmend auf 1 bis 4 werden nun beispielhaft die Grundaufbauten eines Batteriemoduls 10 und einer erfindungsgemäßen Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung 20 in mehr Einzelheiten erläutert.
  • Das Batteriemodul 10 hat eine Vielzahl von Batteriezellen 12 (wahlweise zumindest teilweise in Form mehrerer Batteriezellengruppen), die in einem Modulgehäuse 11 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen in der Rechts-Links-Richtung von 1A / 1B nebeneinander angeordnet und haben jeweils im oberen Endbereich einen positiven Elektrodenanschluss 13 und einen negativen Elektrodenanschluss 14, wobei die positiven und negativen Elektrodenanschlüsse 13, 14 der Batteriezellen 12 alternierend angeordnet sind, sodass sich ein positiver Elektrodenanschluss 13 einer Batteriezelle 12 neben einem negativen Elektrodenanschluss 14 einer benachbarten Batteriezelle 12 befindet, wie in 2 veranschaulicht.
  • Wie in 1A und 1B dargestellt, ist auf der Batteriezellenanordnung eine Vielzahl von Zellverbindern 16 angeordnet, welche jeweils zwei Kontaktbereiche 16a, 16b und einen (vorzugsweise elastischen) Kompensationsbereich 16c zwischen den beiden Kontaktbereichen 16a, 16b aufweisen. Die Zellverbinder 16 koppeln jeweils über ihre beiden Kontaktbereiche 16a, 16b den positiven Elektrodenanschluss 13 einer Batteriezelle 12 mit dem negativen Elektrodenanschluss 14 einer benachbarten Batteriezelle 12, sodass sich in diesem Ausführungsbeispiel eine Reihenschaltung der Batteriezellen 12 im Batteriemodul 10 ergibt. Diese Systematik eines Batteriemoduls 10 mit über Zellverbinder 16 elektrisch gekoppelten Batteriezellen 12 ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, und die Erfindung ist nicht auf eine spezielle Konstruktion davon beschränkt, weshalb auf eine detailliertere Darstellung und Beschreibung verzichtet werden kann.
  • Wie in 1A und 1B veranschaulicht, enthält das Batteriemodul 10 ferner eine Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung 20, die im Modulgehäuse 11 oberhalb der Batteriezellen 12 und der Zellverbinder 16 angeordnet. Die Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung 20 besteht im Wesentlichen aus einer starren Leiterplatte 21, die bevorzugt als mehrlagige Leiterplatte ausgestaltet sein kann. In diesen Ausführungsbeispielen hat die Leiterplatte 21 eine im Wesentlichen rechteckige Grundform und ist so bemessen, dass sie sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Batteriezellenanordnung erstreckt und zwischen die beiden Reihen der Zellverbinder 16 passt.
  • Wie in 1A und 1B angedeutet, sind die Leiterplatte 21 bzw. ihre Signalleitungen über eine Vielzahl von Kontaktelementen 30 mit den Zellverbindern 16 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktelemente 30 sind an den beiden langen Seitenkanten der Leiterplatte 21 vorgesehen. Die Anzahl der Kontaktelemente 30 entspricht der Anzahl der Zellverbinder 16, und die Kontaktelemente 30 sind jeweils mit einem Kontaktbereichs 16a oder 16b eines Zellverbinders 16 verbunden. Über die Kontaktelemente 30 können so die Potentiale der Elektrodenanschlüsse 13, 14 der Batteriezellen 12 des Batteriemoduls 10 erfasst werden.
  • Wie in 3 und 4 veranschaulicht, haben die Kontaktelement 30 jeweils einen ersten Endabschnitt 31a in Richtung zur Leiterplatte 21 und einen dem ersten Endabschnitt 31a entgegengesetzten zweiten Endabschnitt 31b in Richtung zu einem jeweiligen Zellverbinder 16. Die Kontaktelemente 30 bestehen jeweils im Wesentlichen aus einem elektrisch leitfähigen Draht 32, der zwischen den beiden Endabschnitten 31a, 31b des Kontaktelements 30 verläuft. Der elektrisch leitfähige Draht 32 ist vorzugsweise ein Metalldraht. Am ersten Endabschnitt 31a des Kontaktelements 30 ist der Draht 32 mit der Leiterplatte 21 (genauer einer Signalleitung der Leiterplatte) elektrisch leitend verbunden, und am zweiten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 ist der Draht 32 mit einem Kontaktbereich 16a oder 16b eines jeweiligen Zellverbinders 16 elektrisch leitend verbunden. Die Verbindung des Drahtes 32 mit der Leiterplatte 21 erfolgt schon beim Herstellungsprozess der Leiterplatte 21, während die Verbindung des Drahtes 32 mit dem Zellverbinder 16 nach dem Aufsetzen der Leiterplatte 21 auf die Batteriezellenanordnung im Batteriemodul 10 erfolgt.
  • Die Verwendung eines Drahtes für ein Kontaktelement 30 erzeugt naturgemäß, d.h. ohne weitere zusätzliche Maßnahmen, eine Elastizität des Kontaktelements, d.h. eine mögliche Bewegung des zweiten Endabschnitts 31b relativ zum ersten Endabschnitt 31a an der starren Leiterplatte 21 sowohl in einer Richtung senkrecht zur Ebene der starren Leiterplatte als auch in einer Ebene parallel zur Ebene der starren Leiterplatte. Hierdurch können die Kontaktelemente 30 sowohl Anschwellungen als auch Bewegungen der Batteriezellen 12 in verschiedenen Ausrichtungen kompensieren, die zum Beispiel während Lade- und Entladezyklen auftreten können.
  • Wie in 4 dargestellt, kann die Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung 20 auch ein paar Kontaktelemente 30 aufweisen, bei denen der Draht 32 am zweiten Endabschnitt 31b an ein Sensorelement 34 (z.B. Temperatursensor) angekoppelt ist. In diesem Fall steht das Sensorelement 34 in Kontakt mit einem Kontaktbereich 16b des jeweiligen Zellverbinders 16.
  • Im Ausführungsbeispiel von 1A ist auf der Leiterplatte 21 zudem eine elektronische Signalmanagementschaltung 22 montiert, mit der die Kontaktelemente 30 über die (nicht dargestellten) Signalleitungen der Leiterplatte 21 verbunden sind. Die Signalmanagementschaltung 22 ist zum Beispiel ausgestaltet, um das Spannungsmessverfahren durch-zuführen und die von den Kontaktelementen 30 erhaltenen Messsignale auszuwerten. Wie in 1A veranschaulicht, kann die Signalmanagementschaltung 22 über eine Verbindungsschnittstelle 23 mit einer Batteriemodulsteuerung 24 verbunden sein. Diese Batteriemodulsteuerung 24 dient zum Beispiel dem Durchführen von Ladeprozessen, Balancing der Spannungen und der Ladezustände, Temperierprozessen wie insbesondere Kühlprozessen, etc., wobei diese Prozesse zumindest teilweise abhängig von den durch die Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung 20 erhaltenen Messsignalen bzw. deren Signalmanagementschaltung 22 erhaltenen Messwerten durchgeführt werden.
  • Das Ausführungsbeispiel von 1B unterscheidet sich von jenem von 1A dadurch, dass in der Leiterplatte 21 keine Signalmanagementschaltung 20 integriert ist, sondern dass an der Leiterplatte 21 eine Verbindungsschnittstelle 25 zu einer externen Signalmanagementschaltung 22' vorgesehen ist. Die externe Signalmanagementschaltung 22` ist ebenfalls über eine Verbindungsschnittstelle 23 mit einer Batteriemodulsteuerung 24 verbunden.
  • Wie in 1A und 1B dargestellt, hat die Leiterplatte 21 in diesen Ausführungsbeispielen jeweils mehrere Löcher als Lüftungsöffnungen 26 zum Unterstützen eines Kühlprozesses der darunter befindlichen Batteriezellen 12. Alternativ oder zusätzlich kann die Leiterplatte 21 auch wenigstens einen sich über einen Großteil der Länge der starren Leiterplatte erstreckenden Lüftungsspalt als Lüftungsöffnung 26 aufweisen. Diese Lüftungsöffnungen 26 dienen dem Unterstützen eines Kühlprozesses des Batteriemoduls 10.
  • Nachfolgend werden nun beispielhaft verschiedene konkrete Ausführungsformen der Kontaktelemente 30 der Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung 20 in mehr Einzelheiten beschrieben.
  • 5 bis 8 zeigen jeweils eine Ausführungsform, bei der der Draht 32 am ersten Endabschnitt 31a des Kontaktelements 30 in eine Durchkontaktierung 36 in der Leiterplatte 21 eingeführt ist und in dieser Durchkontaktierung 36 zum Beispiel durch Anlöten mit der Leiterplatte 21 bzw. der jeweiligen Signalleitung elektrisch leitend verbunden ist. Am zweiten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 wird der Draht 32 jeweils mit einer Oberfläche eines Kontaktbereichs des jeweiligen Zellverbinders 16 elektrisch leitend verbunden, zum Beispiel verschweißt (vorzugsweise mittels eines Ultraschallschweißverfahrens).
  • Der Draht 32 des Kontaktelements 30 kann wahlweise an der den Batteriezellen 12 abgewandten oberen Seite der Leiterplatte 21 in die Durchkontaktierung 36 eingeführt sein (siehe z.B. 5, 7, 8) oder an der den Batteriezellen 12 zugewandten unteren Seite der Leiterplatte 21 in die Durchkontaktierung 36 eingeführt sein (siehe z.B. 6).
  • Der Draht 32 kann einphasig zwischen den beiden Endabschnitten 31a, 31b des Kontaktelements 30 verlaufen (siehe z.B. 8), d.h. eine im Wesentlichen I-Form mit einer einzigen Verbindungsleitung haben. In diesem Fall ist das eine Ende des Drahtes 32 am ersten Endabschnitt 31a des Kontaktelements 30 an der oberen Seite der Leiterplatte 21 in eine Durchkontaktierung 36 in der Leiterplatte 21 eingeführt und angelötet und wird das andere Ende des Drahtes 32 am zweiten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 mit dem jeweiligen Zellverbinder 16 verschweißt. Wahlweise kann der Draht 32 auch in der Ausführungsvariante von 8 am ersten Endabschnitt 31a an der den Batteriezellen 12 zugewandten unteren Seite der Leiterplatte 21 in die Durchkontaktierung 36 eingeführt sein.
  • Alternativ kann der Draht 32 mehrphasig zwischen den beiden Endabschnitten 31a, 31b des Kontaktelements 30 verlaufen (siehe z.B. 5, 6, 7), d.h. zum Beispiel eine im Wesentlichen U-Form mit zwei Verbindungsleitungen haben. In diesem Fall sind die beiden Enden des Drahtes 32 am ersten Endabschnitt 31a des Kontaktelements 30 in zwei Durchkontaktierungen 36 in der Leiterplatte 21 eingeführt und angelötet und wird der gekrümmte Bogen (5, 6) bzw. der im Wesentlichen geradlinige Bogen (7) des Drahtes 32 am zweiten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 mit dem jeweiligen Zellverbinder 16 verschweißt. Durch diesen mehrphasigen Verlauf kann eine redundante Spannungsmessung über das Kontaktelement 30 erzielt werden.
  • Für die in 5 bis 7 veranschaulichten Kontaktelemente 30 kann vorzugsweise ein Jumper Wire verwendet werden, wie er beispielhaft in 9 veranschaulicht ist.
  • 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der der mehrphasig verlaufende Draht 32 am ersten Endabschnitt 31a des Kontaktelements 30 in Durchkontaktierungen 36 in der Leiterplatte 21 eingeführt ist und in diesen Durchkontaktierungen 36 zum Beispiel durch Anlöten mit der Leiterplatte 21 bzw. der jeweiligen Signalleitung elektrisch leitend verbunden ist, und am zweiten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 an ein Sensorelement 34 (zum Beispiel einen Temperatursensor) angekoppelt ist. Das Sensorelement 34 wird mit der Oberfläche des jeweiligen Zellverbinders 16 in Kontakt gebracht (zum Beispiel durch Ankleben), um beispielsweise die Temperatur der jeweiligen Batteriezelle zu erfassen. Wahlweise kann der Draht 32 auch in der Ausführungsvariante von 10 einphasig zwischen den beiden Endabschnitten des Kontaktelements 30 verlaufen und/oder am ersten Endabschnitt 31a an der den Batteriezellen 12 zugewandten unteren Seite der Leiterplatte 21 in die Durchkontaktierung 36 eingeführt sein.
  • 11 bis 13 zeigen jeweils eine Ausführungsform, bei der der Draht 32 am ersten Endabschnitt 31a des Kontaktelements 30 anstatt in wenigstens einer Durchkontaktierung 36 an einem Kontaktfeld 38 auf einer Oberfläche der Leiterplatte 21 angelötet ist. Am zweiten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 wird auch dieser Draht 32 jeweils mit einer Oberfläche eines Kontaktbereichs des jeweiligen Zellverbinders 16 elektrisch leitend verbunden, zum Beispiel verschweißt (vorzugsweise mittels eines Ultraschallschweißverfahrens). In den Ausführungsformen von 11 bis 13 ist das Kontaktfeld 38, an dem der Draht 32 angelötet ist, an der oberen Seite der Leiterplatte 21 vorgesehen; alternativ wäre es auch möglich, das Kontaktfeld 38 zum Anlöten des Drahtes 32 an der unteren Seite der Leiterplatte 21 vorzusehen.
  • In der Ausführungsform von 11 verläuft der Draht 32 mehrphasig zwischen den beiden Endabschnitten 31a, 31b des Kontaktelements 30, wobei die beiden Enden des Drahtes 32 am zweiten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 mit dem jeweiligen Zellverbinder 16 verschweißt werden und der im Wesentlichen geradlinige Bogen (alternativ der gekrümmte Bogen) des Drahtes 32 am ersten Endabschnitt 31a des Kontaktelements 30 am Kontaktfeld 38 an der Leiterplatte 21 angelötet ist.
  • In der Ausführungsform von 12 verläuft der Draht 32 ebenfalls mehrphasig zwischen den beiden Endabschnitten 31a, 31b des Kontaktelements 30. Hier sind aber die beiden Enden des Drahtes 32 am ersten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 an zwei Kontaktfeldern 38 (alternativ an einem gemeinsamen Kontaktfeld) an der Leiterplatte 21 angelötet und ist der im Wesentlichen geradlinige Bogen (alternativ der gekrümmte Bogen) des Drahtes 32 am zweiten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 mit dem jeweiligen Zellverbinder 16 verschweißt.
  • In der Ausführungsform von 13 verläuft der Draht 32 nur einphasig zwischen den beiden Endabschnitten 31a, 31b des Kontaktelements 30, wobei das eine Ende des Drahtes 32 am ersten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 an einem Kontaktfeld 38 an der Leiterplatte 21 angelötet ist und das andere Ende des Drahtes 32 am zweiten Endabschnitt 31b des Kontaktelements 30 mit dem jeweiligen Zellverbinder 16 verschweißt wird.
  • Im Rahmen der Erfindung, der durch die anhängenden Ansprüche definiert ist, sind auch weitere Ausführungsformen der Kontaktelemente 30 denkbar, die zum Beispiel andere Merkmalsvarianten und/oder andere Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen von 5-8 und 10-13 enthalten. Zum Beispiel können auch die Ausführungsformen der 11, 12, 13 analog zur Ausführungsform von 10 mit einem Sensorelement 34 kombiniert sein. Zum Beispiel können die mehrphasig verlaufenden Drähte der Ausführungsformen von 5-7 und 10-12 auch mehr als zwei Verbindungsleitungen enthalten, beispielsweise etwa als W-Form.
  • Die beschriebenen Batteriemodule 10 mit den erfindungsgemäße Batteriezellenkontaktierungsvorrichtungen 20 können zum Beispiel für Fahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge und insbesondere Kraftfahrzeuge und Krafträder, oder für Energiespeichersysteme oder für andere elektrische Geräte (z.B. elektronische Haushaltsgeräte) benutzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Batteriemodul
    11
    Modulgehäuse
    12
    Batteriezellen
    13
    positive Elektrodenanschlüsse
    14
    negative Elektrodenanschlüsse
    16
    Zellverbinder
    16a, 16b
    Kontaktbereiche der Zellverbinder
    16c
    Kompensationsbereiche der Zellverbinder
    20
    Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung
    21
    Leiterplatte
    22
    Signalmanagementschaltung
    22`
    externe Signalmanagementschaltung
    23
    Verbindungsschnittstelle zur Batteriemodulsteuerung
    24
    Batteriemodulsteuerung
    25
    Verbindungsschnittstelle zur externen Signalmanagementschaltung
    26
    Lüftungsöffnungen
    30
    Kontaktelemente
    31a
    erster Endabschnitt in Richtung zur Leiterplatte
    31b
    zweiter Endabschnitt in Richtung zum jeweiligen Zellverbinder
    32
    elektrisch leitfähiger Draht
    34
    Sensorelement
    36
    Durchkontaktierung
    38
    Kontaktfeld

Claims (10)

  1. Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) für ein Batteriemodul (10) mit mehreren Batteriezellen (12) und/oder Batteriezellengruppen, die über mehrere Zellverbinder (16) elektrisch miteinander gekoppelt sind, wobei die Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) eine Leiterplatte (21) aufweist, die im Bereich neben den mehreren Zellverbindern (16) über den Batteriezellen (12) und/oder Batteriezellengruppen angeordnet und über mehrere Kontaktelemente (30) mit den mehreren Zellverbindern (16) verbunden werden kann, wobei die mehreren Kontaktelemente (30) jeweils einen ersten Endabschnitt (31a) in Richtung zur Leiterplatte (21) und einen dem ersten Endabschnitt (31a) entgegengesetzten zweiten Endabschnitt (31b) in Richtung zu einem jeweiligen der mehreren Zellverbinder (16) haben, und wobei die mehreren Kontaktelemente (30) jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Draht (32) gebildet sind, wobei der Draht (32) zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt (31a, 31b) des Kontaktelements (30) verläuft, wobei der Draht (32) am ersten Endabschnitt (31a) des Kontaktelements (30) mit der Leiterplatte (21) elektrisch leitend verbunden ist, und wobei der Draht (32) am zweiten Endabschnitt (31b) des Kontaktelements (30) mit dem jeweiligen Zellverbinder (16) elektrisch leitend verbunden werden kann und/oder an ein mit dem jeweiligen Zellverbinder (16) in Kontakt bringbares Sensorelement (34) angekoppelt ist.
  2. Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, bei welcher die Drähte (32) der mehreren Kontaktelemente (30) jeweils am ersten Endabschnitt (31a) des Kontaktelements (30) in wenigstens einer Durchkontaktierung (36) durch die Leiterplatte (21) oder an wenigstens einem Kontaktfeld (38) auf einer Oberfläche der Leiterplatte (21) mit der Leiterplatte (21) elektrisch leitend verbunden sind.
  3. Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Drähte (32) der mehreren Kontaktelemente (30) jeweils ausgestaltet sind, um am zweiten Endabschnitt (31b) des Kontaktelements (30) mit einer Oberfläche des jeweiligen Zellverbinders (16) verschweißt werden zu können.
  4. Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher wenigstens ein Draht (32) der mehreren Kontaktelemente (30) einphasig zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt (31a, 31b) des Kontaktelements (30) verläuft, wobei ein Ende des Drahtes (32) am ersten Endabschnitt (31a) des Kontaktelements (30) mit der Leiterplatte (21) elektrisch leitend verbunden ist und ein anderes Ende des Drahtes (32) am zweiten Endabschnitt (31b) des Kontaktelements (30) mit dem jeweiligen Zellverbinder (16) elektrisch leitend verbunden werden kann.
  5. Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher wenigstens ein Draht (32) der mehreren Kontaktelemente (30) mehrphasig zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt (31a, 31b) des Kontaktelements (30) verläuft, wobei die Enden des Drahtes (32) am ersten Endabschnitt (31a) des Kontaktelements (30) mit der Leiterplatte (21) elektrisch leitend verbunden sind und ein Bogen des Drahtes (32) am zweiten Endabschnitt (31b) des Kontaktelements (30) mit dem jeweiligen Zellverbinder (16) elektrisch leitend verbunden werden kann.
  6. Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher wenigstens ein Draht (32) der mehreren Kontaktelemente (30) mehrphasig zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt (31a, 31b) des Kontaktelements (30) verläuft, wobei ein Bogen des Drahtes (32) am ersten Endabschnitt (31a) des Kontaktelements (30) mit der Leiterplatte (21) elektrisch leitend verbunden ist und die Enden des Drahtes (32) am zweiten Endabschnitt (31b) des Kontaktelements (30) mit dem jeweiligen Zellverbinder (16) elektrisch leitend verbunden werden können.
  7. Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner wenigstens eine Signalmanagementschaltung (22, 22') aufweist, die auf der Leiterplatte (21) montiert ist oder mit der Leiterplatte (21) verbunden ist.
  8. Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Leiterplatte der (21) wenigstens eine Lüftungsöffnung (26) aufweist.
  9. Batteriemodul (10), aufweisend: mehrere Batteriezellen (12) und/oder Batteriezellengruppen, die nebeneinander angeordnet sind und jeweils wenigstens einen positiven Elektrodenanschluss (13) und wenigstens einen negativen Elektrodenanschluss (14) aufweisen; mehrere Zellverbinder (16), welche jeweils die Elektrodenanschlüsse (13, 14) von benachbarten der mehreren Batteriezellen (12) und/oder Batteriezellengruppen elektrisch miteinander verbinden; und eine Batteriezellenkontaktierungsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (21) im Bereich neben den mehreren Zellverbindern (16) über den Batteriezellen (12) und/oder Batteriezellengruppen angeordnet ist und die elektrisch leitfähigen Drähte (32) der mehreren Kontaktelemente (30) jeweils am zweiten Endabschnitt (31b) des Kontaktelements (30) mit dem jeweiligen Zellverbinder (16) elektrisch leitend verbunden sind und/oder an ein Sensorelement (34) in Kontakt mit dem jeweiligen Zellverbinder (16) angekoppelt sind.
  10. Batteriemodul (10) nach Anspruch 9, bei welchem die Drähte (32) der mehreren Kontaktelemente (30) jeweils am zweiten Endabschnitt (31b) des Kontaktelements (30) mit den jeweiligen Zellverbindern (16) durch ein Ultraschallschweißverfahren verschweißt sind.
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