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Die Erfindung betrifft ein Rundzellenbatteriemodul, das Rundzellenbatterieeinheiten und eine Zellverbindungseinrichtung aufweist, ein Fahrzeug, das ein Rundzellenbatteriemodul aufweist und eine Zellverbindungseinrichtung für ein Rundzellenbatteriemodul.
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Batteriemodule, wie sie beispielsweise in elektrisch betriebenen Fahrzeugen verwendet werden, weisen eine Vielzahl an einzelnen Batteriezellen auf. Die einzelnen Batteriezellen sind dabei in einem Muster angeordnet. Es ist üblich, mehrere der Batteriezellen miteinander parallel zu schalten. Die parallel geschalteten Batteriezellen bilden dadurch eine logische Zelle. Mehrere dieser logischen Zellen können miteinander in Reihe geschaltet werden.
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Zur Verbindung der einzelnen Batteriezellen kommen Zellverbindungseinrichtungen zum Einsatz, welche auch als Busbars bezeichnet werden. Für Rundzellen werden diese gewöhnlicherweise mittels Bondingverfahren an Plus- oder Minuspolen der Batteriezellen angeordnet. Zellverbindungseinrichtungen umfassen in der Regel Kupfer und/oder Aluminium. Das Batteriemodul ist dabei derart zu gestalten, dass im Fall eines Kurzschlusses in einer der Batteriezellen der Stromfluss zu der kurzgeschlossenen Zelle unterbrochen wird, um sicherheitskritische Events wie thermisches Durchgehen zu minimieren bzw. zu verhindern. Hierbei ist sowohl die Überhitzung durch Joulschen Wärmeeintrag der kurzgeschlossenen Zelle durch parallel verbundene Zellen zu minimieren, als auch das Überhitzen der benachbarten Zellen durch schnelle Entladung an der kurzgeschlossenen Zelle, mit dem Ziel, eine Zerstörung des Batteriezellenmoduls durch thermische Propagation zu verhindern. Das kann entweder über interne Zellsicherungen oder externe Sicherungen im Zellkontaktiersystem geschehen. Bei externen Sicherungen werden Batteriezellen jeweils so kontaktiert sind, dass sie im Fall eines Kurzschlusses von den anderen Batteriezellen abgetrennt werden. Diese Abtrennung wird gewöhnlicherweise mittels eines beabsichtigten Durchglühens einer Anbindung der jeweiligen Batteriezelle an einer vorbestimmten Stelle im Fall eines Kurzschlusses erreicht. Hierfür sind die jeweiligen Zellanbindungen der einzelnen Batteriezellen so ausgelegt, dass sie bei einer Überschreitung einer vorbestimmten Stromstärke über einen vorbestimmten Zeitraum aufgrund der sich entwickelnden thermischen Wärme durchglühen. Dadurch kann ein thermisches Durchgehen der jeweiligen Batteriezelle verhindert werden.
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Die Verwendung einer externen Zellanbindungs-Sicherung sowohl am positiven als auch am negativen Terminal erweist sich im gewöhnlichen Batteriebetrieb als nachteilig. Dadurch, dass diese Zellanbindungen so ausgelegt sind, dass sie im Fall eines Kurzschlusses beabsichtigt durchglühen, sind diese dünner ausgelegt sind als andere Bereiche der Zellverbindungseinrichtung. Dadurch ist zwar sichergestellt, dass im Falle eines Kurzschlusses das Durchglühen an den Zellanbindungen erfolgt und nicht an anderen Stellen der Zellverbindungseinrichtung, jedoch weist diese Ausführung in einem Normalbetrieb der Batteriezelle, wenn kein Kurzschluss vorliegt, Nachteile auf. Um ein beabsichtigtes Durchglühen an der Zellanbindung zu ermöglichen, ist diese entsprechend auszulegen. Zwangläufig ist es hierbei erforderlich, dass es in der Zellanbindung zu erhöhten Wärmeverlusten kommt. Diese Wärmeverluste treten auch während eines Normalbetriebs auf, weil der Strom der einzelnen Batteriezelle in diesem durch die Zellanbindung fließt. Folglich kommt es zu ungewollten Verlusten im Normalbetrieb.
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Bei einer in der Zelle befindlichen Schmelzsicherung zur Trennung von übermäßigen Strömen gibt es auch verschiedenste Nachteile. Aufgrund der lokalen Querschnittsverjüngung der Stromleiters (Schmelzsicherung) entsteht dort ein Hot-Spot mit erhöhter Temperatur sowohl im normalen Betrieb, als auch in Extremzuständen wie bei einem externen Kurzschluss. Im normalen Betrieb kann dieser Hot-Spot zu einer Schädigung/Denaturierung des Zell-Elektrolyts führen, der die Alterung der Zelle im schlimmsten Fall beschleunigt. Für den Extremfall eines externen Kurzschlusses wird die Schmelzsicherung deutlich heißer, bis es zum Aufschmelzen der Sicherung an der Querschnittverjüngung kommt. Meist handelt es sich hier um Schmelztemperaturen von 600°C (Aluminium) oder oberhalb, je nach verwendetem Material der Schmelzsicherung. Diese hohen Temperaturen können die empfindlichen Zellmaterialien in der direkten Umgebung innerhalb der Zelle schädigen. Insbesondere sind die polymerbasierten Separatoren empfindlich oberhalb von Temperaturen von typischerweise 120°C. Ebenso ist eine mögliche lokale Überhitzung der Elektroden und/oder des Elektrolyts möglich, die eine exotherme Reaktion der Zelle (Thermal Runaway) im schlimmsten Fall zur Folge haben kann. Ein weiterer möglicher Fehler basierend auf einer in der Zelle verbauten Schmelzsicherung liegt in der möglichen Entstehung eines Lichtbogens. Beim Schmelzen der Sicherung kann dieser unter Umständen entstehen und das umgebende Gasgemisch und somit die Zelle entzünden. Schließlich kann bei einer in der Zelle verbauten Schmelzsicherung auch noch das Risiko der Potentialumkehr der Zelle bestehen. Bei einem externen Kurzschluss innerhalb eines Moduls und anschließender Auslösung einer Zellschmelzsicherung liegt die komplette Modulspannung an der neuen Öffnung des Stromkreises und somit an der offenen Schmelzsicherung in umgekehrter Polarität an.
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Dies kann im schlimmsten Fall zum Abscheiden von Lithium auf dem Zellgehäuse führen und zu folgenschweren zellinternen Kurzschlüssen. Alle diese oben genannten Fehler treten für eine Auftrennung des Stromkreises an einer Schmelzsicherung außerhalb der Zelle nicht auf. Aufgrund der Sicherheitserfordernisse ist es erforderlich, einen Sicherungsmechanismus für den Fall eines Kurzschlusses in einer Batteriezelle bereitzustellen.
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Eine Aufgabe gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht darin, ein Rundzellenbatteriemodul mit einer Sicherung für den Fall eines Kurzschlusses bereitzustellen, welches in einem Normalbetrieb geringere Wärmeverluste aufweist, als ein Rundzellenbatteriemodul mit Sicherungen nach dem Stand der Technik.
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Durch die Erfindung wird ein Rundzellenbatteriemodul bereitgestellt. Das Rundzellenbatteriemodul weist Rundzellenbatterieeinheiten und eine Zellverbindungseinrichtung auf. Mit anderen Worten umfasst das Rundzellenbatteriemodul mehrere Batteriezellen, wobei es sich um Rundzellenbatterieeinheiten handelt. Diese weisen eine zylindrische Form auf. Um die einzelnen Rundzellenbatterieeinheiten elektrisch leitend miteinander verbinden zu können, weist das Rundzellenbatteriemodul die Zellverbindungseinrichtung auf, welche in der Fachsprache auch als Busbar bezeichnet wird. Die Rundzellenbatterieeinheiten sind parallel zueinander angeordnet und weisen runde Stirnseiten auf, die in einem ebenen Muster angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die einzelnen Rundzellenbatterieeinheiten bezüglich ihrer Längsrichtung zueinander parallel angeordnet. Die Rundzellenbatterieeinheiten weisen an ihren jeweiligen Stirnseiten runde Stirnflächen auf. Die einzelnen Rundzellenbatterieeinheiten sind insbesondere derart zueinander angeordnet, dass durch die runden Stirnseiten in einer Ebene ein zweidimensionales ebenes Muster in dem Rundzellenbatteriemodul gebildet wird.
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Die Rundzellenbatterieeinheiten weisen einen jeweiligen stirnseitigen Pluspol und einen jeweiligen stirnseitigen Minuspol auf. Mit anderen Worten umfasst jede der Rundzellenbatterieeinheiten den jeweiligen Pluspol und den jeweiligen Minuspol. Diese sind zusammen auf einer der Stirnseiten der Rundzellenbatterieeinheiten angeordnet. Die Pole können beispielsweise als Cap- oder Can-Pol ausgeführt sein. Die Zellverbindungseinrichtung des Rundzellenbatteriemoduls weist Reihenverbindungseinheiten auf, die jeweils den Pluspol einer der Rundzellenbatterieeinheiten und den Minuspol einer der weiteren der Rundzellenbatterieeinheiten kontaktieren. Mit anderen Worten umfasst die Zellverbindungseinrichtung eine Vielzahl von Reihenverbindungseinheiten, die jeweils zwei der Rundzellenbatterieeinheiten elektrisch leitend miteinander kontaktieren, um diese in Reihe zu schalten. Zu diesem Zweck ist eine jeweilige der Reihenverbindungseinheiten an dem Pluspol einer der Rundzellenbatterieeinheiten und dem Minuspol einer der weiteren der Rundzellenbatterieeinheiten angeschlossen.
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Die Zellverbindungseinrichtung weist Parallelverbindungseinheiten auf, die jeweils zwei der Reihenverbindungseinheiten kontaktieren. Mit anderen Worten umfasst die Zellverbindungseinrichtung mehrere Reihenverbindungseinheiten, durch die jeweils zwei der Reihenverbindungseinheiten elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Dadurch werden die beiden Reihenverbindungseinheiten miteinander parallel geschaltet. Es ist vorgesehen, dass eine minimale Reihenquerschnittsfläche der jeweiligen Reihenverbindungseinheiten um einen mindestens einen Faktor 5, vorzugsweise um mindestens eine Faktor 10, größer ist als eine minimale Parallelquerschnittsfläche der jeweiligen Parallelverbindungseinheiten. Die Reihenverbindungseinheiten weisen beispielsweise entlang einer Hauptstromrichtung eine Reihenquerschnittsfläche auf, welche quer zu der Hauptstromrichtung verlaufen kann. Ein Querschnitt weist dabei eine minimale Querschnittsfläche auf. Weiterhin weisen die Parallelverbindungseinheiten Parallelquerschnittsflächen auf, wobei die minimale Parallelquerschnittsfläche einen minimalen Wert der Parallelquerschnittsfläche der Parallelverbindungseinheit aufweisen kann. Die jeweiligen minimalen Querschnittsflächen können beispielsweise an Verjüngungen der jeweiligen Verbindungseinheiten vorliegen.
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Es ist vorgesehen, dass die minimale Reihenquerschnittsfläche der jeweiligen Reihenverbindungseinheiten um mindestens einen Faktor 5, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10, größer ist als die minimale Parallelquerschnittsfläche der jeweiligen Parallelverbindungseinheiten. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Reihenverbindungseinheiten einen höheren Leitwert aufweisen als die Parallelverbindungseinheiten. Die Funktion der Parallelverbindung besteht darin, ein Balancing der einzelnen Rundzellenbatterieeinheiten zu erlauben: die Rundzellenbatterieeinheiten gleichen über die Parallelverbindung ihre Spannung an, was vorteilhaft für die Lebensdauer der Rundzellenbatterieeinheiten ist. Hier entlädt sich die Rundzellenbatterieeinheit mit höchster Spannung im Parallelverbund und lädt dabei die Rundzellenbatterieeinheit mit geringster Spannung. Zudem kann über Parallelverbindung die Spannung der Rundzellenbatterieeinheiten für das Batteriemanagement gemessen werden. Da sowohl beim Balancing (Spannungsausgleich) der Rundzellenbatterieeinheiten als auch bei der Spannungsmessung nur geringe Ströme fließen, ist ein kleiner Querschnitt der Parallelverbindung nicht nachteilhaft. Die Parallelverbindungseinheiten können somit als Sicherungen fungieren, ohne im Normalbetrieb zu signifikanten Wärmeverlusten zu führen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweiligen Parallelverbindungseinheiten als Bonddraht ausgeführt sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass jeweils zwei der Reihenverbindungseinheiten über Bonddrähte miteinander verbunden sind. Wenn es sich bei den Parallelverbindungseinheiten um Bonddrähte handelt, können diese bei ihrer Funktion als Sicherung vorteilhaft in relativ kurzer Zeit durchglühen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweiligen Parallelverbindungseinheiten als Bondbänder ausgeführt sind. Mit anderen Worten handelt es sich bei den Parallelverbindungseinheiten um Bänder, welche mittels eines Bondingverfahrens an jeweils zwei Reihenverbindungseinheiten angeordnet sind, um diese elektrisch leitend miteinander zu verbinden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweiligen Parallelverbindungseinheiten eine Verjüngung aufweisen, an welcher die Parallelverbindungseinheiten jeweils die minimale Parallelquerschnittsfläche aufweisen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Parallelverbindungseinheiten Verjüngungen aufweisen, um in einem Bereich der Verjüngung die Parallelquerschnittsfläche mit der minimalen Fläche bereitzustellen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Ort der minimalen Parallelquerschnittsfläche durch eine Einbringung der Verjüngung lokalisiert werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Verjüngung einseitig oder beidseitig erfolgt oder es sich um eine Kerbe handelt, wodurch die Parallelquerschnittsfläche in diesem Bereich ein Minimum aufweist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweiligen Parallelverbindungseinheiten ein Loch aufweisen, an welchem die Parallelverbindungseinheiten jeweils die minimale Parallelquerschnittsfläche aufweisen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass Material aus einem Bereich der Parallelverbindungseinheiten entfernt ist, sodass die Parallelverbindungseinheiten ein jeweiliges Loch aufweisen. Dadurch können die jeweiligen Parallelverbindungseinheiten zwei Arme aufweisen, welche um das Loch herum verlaufen. Auf der Höhe der beiden Arme befindet sich die minimale Parallelquerschnittsfläche, an welcher die jeweilige Parallelverbindungseinheit durchglühen kann.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die minimalen Parallelquerschnittsflächen der jeweiligen Parallelverbindungseinheiten ein Flächenverhältnis zu einer Kapazität einer jeweiligen Rundzellenbatterieeinheit von einschließlich 0,01 mm2/Ah bis einschließlich 0,15 mm2/Ah aufweisen. Mit anderen Worten ist das Verhältnis, das die jeweiligen minimalen Parallelquerschnittsflächen zu den jeweiligen Kapazitäten der Rundzellenbatterieeinheiten aufweisen, in einem Bereich von 0,01 mm2/Ah bis 0,15 mm2/Ah, beispielsweise etwa 0,04 mm2/Ah, vorgegeben. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die jeweiligen Parallelverbindungseinheiten im Fall eines Kurzschlusses innerhalb kurzer Zeit durchglühen, so dass die die anderen parallel verschalteten Zellen bei einem Kurzschluss nicht vollständig über die kurzgeschlossene Zelle entladen. Durch die begrenzte Entladedauer kann das durch Joulsche Wärme hervorgerufene Aufheizen in den parallel verschalteten Zellen wie auch in der kurzgeschlossenen Zelle auf ein sicheres Maß begrenzt werden. Die absolut zulässigen Ströme pro Querschnitt beziehungsweise Schmelzdauer hängen stark von der verwendeten Zellchemie, dem Zellaufbau, beispielsweise dem Vorhandensein von lokalen Hotspots in der Zelle, und dem Innenwiderstand der Zellen ab.
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Die Erfindung umfasst auch ein Fahrzeug, das zumindest ein Rundzellenbatteriemodul aufweist. Bei dem Rundzellenbatteriemodul kann es sich insbesondere um eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs handeln.
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Die Erfindung umfasst auch eine Zellverbindungseinrichtung für ein Rundzellenbatteriemodul. Die Zellverbindungseinrichtung kann beispielsweise Aluminium und/oder Kupfer aufweisen und dazu eingerichtet sein, die Rundzellenbatterieeinheiten des Rundzellenbatteriemoduls wie zuvor beschrieben elektrisch leitend miteinander zu verbinden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Rundzellenbatteriemodul;
- 2 eine schematische Darstellung eines Rundzellenbatteriemoduls;
- 3 eine Seitenansicht der in 2 gezeigten Darstellung.
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1 zeigt ein Rundzellenbatteriemodul 1 in einer Draufsicht. Das Rundzellenbatteriemodul 1 kann eine Vielzahl von Rundzellenbatterieeinheiten 2 aufweisen, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sein können. Die Rundzellenbatterieeinheiten 2 können parallel zueinander angeordnet sein. Bei den Rundzellenbatterieeinheiten 2 kann es sich beispielsweise um Lithium-Ionen-Zellen handeln. Es ist vorgesehen, dass die Rundzellenbatterieeinheiten 2 durch die Zellverbindungseinrichtung 3 miteinander verbunden sind. Hierbei ist es vorgesehen, dass mehrere der Rundzellenbatterieeinheiten 2 durch Reihenverbindungseinheiten 4 miteinander elektrisch leitend verbunden werden, so dass es eine Reihenschaltung mehrerer der Rundzellenbatterieeinheiten 2 gibt. Die Verbindung zweier der Rundzellenbatterieeinheiten 2 durch eine jeweilige Reihenverbindungseinheit 4 erfolgt durch eine elektrische Verbindung zwischen einem jeweiligen Pluspol 5 mit einem jeweiligen Minuspol 6 unterschiedlicher Batteriezelleneinheiten 2 mittels einer jeweiligen Reihenverbindungseinheit. Der Minuspol 6 kann beispielsweise am Batteriezellgehäuse (cell can) der Rundzellenbatterieeinheit 2 ausgebildet sein, und der Pluspol 5 kann beispielsweise an dem Deckel des Batteriezellgehäuses (cell cap) der Rundzellenbatterieeinheit 2 sein. Durch die Reihenverbindungseinheiten 4 werden somit zwei Rundzellenbatterieeinheiten 2 paarweise miteinander verbunden. Umgekehrt ist jeder Rundzellenbatterieeinheiten 2 durch jeweils zwei Reihenverbindungseinheiten 4 mit zwei Rundzellenbatterieeinheiten 2 in Reihe geschaltet. Das Rundzellenbatteriemodul 1 umfasst somit mehrere Reihen von ineinander in Reihe geschalteten Rundzellenbatterieeinheiten 2. Um ein sogenanntes Balancing zwischen einzelnen Reihen zu ermöglichen, ist es vorgesehen, mehrere der Rundzellenbatterieeinheiten 2 parallel zu schalten. Hierfür kann es vorgesehen sein, dass die Zellverbindungseinrichtung 3 Parallelverbindungseinheiten 8 aufweist, welche jeweils zwei der Reihenverbindungseinheiten 4 elektrisch leitend miteinander verbinden können. Durch mehrere Parallelverbindungseinheiten 8 werden somit mehrere der Reihenverbindungseinheiten 4 parallel geschaltet. Dadurch ist es möglich, dass mehrere Rundzellenbatterieeinheiten 2 auf ein gleiches Potential gesetzt werden.
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Ein Hauptstrompfad 7 fließt in der Zellverbindungseinrichtung 3 entlang der jeweiligen Reihenverbindungseinheiten 4. Um das Rundzellenbatteriemodul 1 gegen ein Durchbrennen einer einzelnen Rundzellenbatterieeinheit 2 absichern zu können, kann es vorgesehen sein, dass die Zellverbindungseinrichtung 3 so ausgelegt ist, dass im Fall eines Kurzschlusses in einer der Rundzellenbatterieeinheiten 2 die angeschlossenen Parallelverbindungseinheiten 8 durchglühen, wodurch die Parallelverbindungen zu der jeweiligen Rundzellenbatterieeinheit 2 gekappt werden. Zu diesem Zweck kann es vorgesehen sein, dass die Parallelverbindungseinheiten 8 eine minimale Parallelquerschnittsfläche 9 aufweisen, die um einen Faktor 10 kleiner sind als die minimalen Reihenquerschnittsflächen 10 der Reihenverbindungseinheiten 4. Dadurch weisen die Reihenverbindungseinheiten 4 einen signifikant höheren Leitwert auf als die Parallelverbindungseinheiten 8. Mit anderen Worten weisen die Parallelverbindungseinheiten 8 einen höheren elektrischen Widerstand auf als die Reihenverbindungseinheiten 4. Bei den Parallelverbindungseinheiten 8 kann es sich insbesondere um sogenannte Bondbänder oder Bonddrähte handeln, welche mittels eines Bondingverfahrens an den Reihenverbindungseinheiten 4 angefügt wurden. Die Parallelverbindungseinheiten 8 können auch Abschnitte eines entlang einer Reihe durchgehenden Parallelverbindungsbandes oder Parallelverbindungsdrahtes sein. Die Parallelverbindungseinheiten 8 können beispielsweise Löcher 11 oder Verjüngungen 12 aufweisen, um die Parallelquerschnittsfläche in einem vorbestimmten Bereich zu verringern, um in dem vorbestimmten Bereich die minimale Parallelquerschnittsfläche 9, in welcher ein Durchbrennen der Parallelverbindungseinheit 8 im Fall eines Kurzschlusses erfolgt, bereitzustellen. Die minimalen Parallelquerschnittsflächen 9 der Parallelverbindungseinheiten 8 können dabei so bemessen sein, dass sie im Verhältnis zu einer Kapazität der Rundzellenbatterieeinheiten 2 eine Größe von 0,01 mm2/Ah - 0.15 mm2/Ah (beispielsweise 0,04 mm2/Ah als Richtgröße) aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass die Rundzellenbatterieeinheiten 2 sogenannte Lithium-Ionen-Batterien sind. Das Rundzellenbatteriemodul 1 kann beispielsweise eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug 13 sein und in diesem verbaut sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Rundzellenbatteriemoduls. In der schematischen Darstellung ist ein durch die Rundzellenbatterieeinheiten 2 gebildetes Muster zu erkennen und die Verbindung der Rundzellenbatterieeinheiten 2 durch die Zellverbindungseinrichtung 3. Die Zellverbindungseinrichtung 3 kann entlang einer Zeile des Musters eine Parallelverbindung aufweisen, die selbst mehrere Parallelverbindungseinheiten 8 umfasst, um die Rundzellenbatterieeinheiten 2 entlang der jeweiligen Zeile des Musters über die Reihenverbindungseinheiten 4 miteinander parallel zu schalten. Die Rundzellenbatterieeinheiten 2 können durch die Reihenverbindungseinheiten 4 miteinander in Reihe geschaltet sein, wobei die Reihen entlang einer Spalte des Musters verlaufen können.
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In einer dargestellten Nahansicht des Musters sind die Hauptstrompfade 7 zu erkennen. Diese verlaufen entlang der Reihenverbindungseinheiten 4, welche eine minimale Reihenquerschnittsfläche aufweisen, die größer ist als die minimale Parallelquerschnittsfläche 9 der Parallelverbindungseinheiten 8. Dadurch, dass die Hauptstrompfade 7 in einem Normalbetrieb entlang der Reihenverbindungseinheiten 4 verlaufen, treten hierbei relativ geringe Wärmeverluste auf.
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3 zeigt eine Seitenansicht der in der 2 gezeigten Darstellung.
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Die Erfindung basiert auf Versuchen für neuartige Zellkontaktiersysteme (Zellverbindungseinrichtungen 3), die besser für Anforderungen bzgl. Leistung und Schnellladen geeignet sind als derzeit übliche Zellverbindungseinrichtungen.
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Die derzeit üblichen Zellverbindungseinrichtungen 3 umfassen, mittels Wire Bonding an Zell-Cap (Kathode) und Zell-Can (Anode) der Rundzellenbatterieeinheiten 2 bereitgestellte, Bonddrähte zur Zellenanbindung. Alternativ ist auch ein direktes Laserschweißen an die Cap (oben) und Can (von unten) zur Anbindung bekannt.
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Bei Wire bonding fungiert der Bonddraht als Zellkontakt zwischen Busbar und Zelle. Durch den geringen Querschnitt des Bonddrahtes treten an ihm aber bei hohen Strömen relativ hohe Ohm'sche Verluste auf, wobei eine Verlustleistung gemäß I2R erfolgt. Diese Verlustleistung reduziert die Leistungsfähigkeit des Batteriezellenmoduls, und erzeugt zusätzliche Abwärme, die die Batteriezellen zusätzlich aufwärmt. Das kann die Lebensdauer der Batteriezellen und des Batteriezellenmoduls reduzieren. Bei manchen Zellkontaktiersystemen wird der Strom über viele Aluminium-Busbars zusammengeführt. Da oft mehrere Batteriezellen parallel verschaltet sind, addiert sich der Strom.
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Das hier vorgeschlagene Zellkontaktiersystem erlaubt es, die Rundzellenbatterieeinheiten 2 in einem Rundzellenbatteriemodul 1 so zu verbinden, dass möglichst wenig Verlustleistung entsteht und trotzdem Zellkurzschlüsse über eine Sicherung abgefangen werden können. Dabei wird der Strom hauptsächlich von einer der Rundzellenbatterieeinheiten 2 über eine der Reihenverbindungseinheiten 4 zu einer der anderen Rundzellenbatterieeinheiten 2 transportiert. In der Parallelverbindung der Rundzellenbatterieeinheiten 2, die durch die Parallelverbindungseinheiten 8 erfolgen kann, können Sicherungselemente, beispielsweise Verjüngungen 12, bereitgestellt sein, die bei einem Kurzschluss den Strom zur kurzgeschlossenen Rundzellenbatterieeinheit 2 begrenzen können. Die Parallelverbindung der Rundzellenbatterieeinheiten 2 kann über die Parallelverbindungseinheiten 8 erfolgen, die den Strom im Fall eines Kurzschlusses begrenzen und/oder durchglühen. Das erlaubt eine homogene Stromverteilung auf der Busbar, mit geringen Stromstärken.
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Die Hauptwärmequelle bei der Zellkontaktierung ist der Bonddraht, beziehungsweise das Bondband. Durch den geringen Querschnitt entsteht eine Abwärme an den Bonddrähten, beziehungsweise den Bondbändern. Das hat den Vorteil, dass die Drähte gleichzeitig als Sicherungselement dienen, die bei hohen Belastungen durchschmelzen. In herkömmlichen Busbardesigns gibt es Kollektor-Finger, die den Strom einer Gruppe von parallelverschalteten Batteriezellen sammeln und auf die nächste Gruppe von parallelverschalteten Batteriezellen verteilen. Dabei kann es je nach Design passieren, dass der Strom mehrerer Batteriezellen auf den Kollektor-Fingern addiert wird. Da die Verlustleistung mit I2R eingeht, entsteht dadurch eine relativ hohe Joule-Wärme an den Kollektor-Fingern.
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Im Gegensatz dazu fließt in der vorgeschlagenen Zellverbindungseinrichtung im Durchschnitt nur der Strom einer der Rundzellenbatterieeinheiten 2 pro Reihenverbindungseinheit 4 als Kollektor. Als Sicherungsfunktion kann in der Parallelverbindung eine Verjüngung 12 verwendet werden, oder es können im Vergleich zu den Reihenverbindungseinheiten relativ dünne Parallelverbindungseinheiten 8 verwendet werden. Da die Parallelverbindungseinheiten 8 nicht im Hauptstrompfad 7 liegen, begrenzen sie den Strom nur bei möglichen Kurzschlüssen im Rundzellenbatteriemodul 1. Da die Parallelverbindungseinheiten 8 im normalen Betrieb hauptsächlich für das Balancing verwendet werden, bei dem nur geringe Ströme fließen, wirkt sich die relativ kleine minimale Parallelquerschnittflächen 9 nicht negativ auf die Modulperformance aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rundzellenbatteriemodul
- 2
- Rundzellenbatterieeinheit
- 3
- Zellverbindungseinrichtung
- 4
- Reihenverbindungseinheit
- 5
- Pluspol
- 6
- Minuspol
- 7
- Hauptstrompfad
- 8
- Parallelverbindungseinheit
- 9
- Minimale Parallelquerschnittsfläche
- 10
- Minimale Reihenquerschnittsflächen
- 11
- Loch
- 12
- Verjüngung
- 13
- Fahrzeug
