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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieanordnung, wie ein Batteriemodul, ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung sowie ein Kraftfahrzeug.
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Batterieanordnungen der in Rede stehenden Art umfassen eine Vielzahl von elektrischen Energiespeicherzellen, wie Rundzellen oder prismatische Zellen, welche zum Formen eines Energiespeichers, wie eines Hochvoltspeichers, miteinander elektrisch verschaltet sind. Die Energiespeicherzellen müssen im Betrieb überwacht werden, indem beispielsweise die elektrische Spannung und die Temperatur der Zellen erfasst werden. Hierzu kann ein Kabelbaum verwendet werden, der mit den Energiespeicherzellen verbunden ist. Oftmals wird ein Trägerplatte verwendet, welche auf den Energiespeicherzellen angeordnet wird. In derartigen Trägerplatten ist der Kabelbaum integriert. Daneben sind in der Trägerplatte die Zellverbinder angeordnet, die der Verbindung mit den Anschlussterminals/Polen der Energiespeicherzellen dienen. Die Anordnung bzw. Befestigung der verschiedenen Komponenten/Elemente aneinander ist nicht unproblematisch, da unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden und es zu Korrosionsproblemen kommen kann. Die Zellverbinder sind beispielsweise aus Aluminium, während die vorgenannten Signalleitungen aus Kupfer sind. Dieses Problem wird auch in der
DE 10 2018 298 340 A1 adressiert. Die Offenlegungsschrift betrifft eine Zellkontaktierung für ein Energiespeichermodul, das mindestens eine Energiespeicherzelle umfasst, wobei jede Speicherzelle mindestens zwei Anschlussterminals aufweist, wobei die Zellkontaktierung eine auf dem Energiespeichermodul anordenbare Trägerplatte, einen von der Trägerplatte getragenen Kabelbaum mit mehreren Signalleitungen, und mehrere in die Trägerplatte eingesetzte oder in die Trägerplatte integrierte Zellverbinder aufweist, die dazu ausgelegt sind, ein Anschlussterminal der Speicherzelle und eine Signalleitung des Kabelbaums zu verbinden, wobei ein Verbindungselement vorgesehen ist, das ein erstes Ende aufweist, das mittels Signalleitern verbindbar ist, und ein zweites Ende aufweist, das mit dem Zellverbinder verbindbar ist, wobei die Trägerplatte und/oder die Zellverbinder mindestens ein räumliches Orientierungselement aufweist, das die räumliche Orientierung zwischen Verbindungselement und Zellverbinder und/oder Trägerplatte festlegt. Durch das zusätzliche Verbindungselement und das Orientierungselement kann eine schnelle, einfache und ortsgenaue Anordnung zwischen Signalleitung und Zellverbinder erreicht werden. Allerdings erhöht sich dabei auch der Bau- und Montageaufwand.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterieanordnung, ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung sowie ein Kraftfahrzeug anzugeben, welche einfach und kostengünstig aufgebaut sind und dabei höchste Anforderungen hinsichtlich des Korrosionsschutzes erfüllen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterieanordnung gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 sowie durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Batterieanordnung eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, wobei die Energiespeicherzellen Anschlusspole aufweisen, an welchen zur Verschaltung der Energiespeicherzellen Zellverbinder befestigt, insbesondere stoffschlüssig, wie bevorzugt geschweißt, sind, wodurch Befestigungsstellen/Schweißstellen gebildet sind und wobei die Energiespeicherzellen mit einem Kontaktierungssystem verbunden sind, welches durch eine beidseitig eine Deckschicht aufweisende Leiterplatte gebildet ist, wobei die Leiterplatte derart zwischen den Anschlusspolen und den Zellverbindern angeordnet ist, dass die Befestigungsstellen, insbesondere die Schweißstellen, über welche die Zellverbinder mittelbar über die Leiterplatte mit den Anschlusspolen verbunden sind, durch die Deckschichten vor äußeren Einflüssen geschützt sind. Die Energiespeicherzellen umfassen jeweils zwei Anschlusspole, einen Pluspol und einen Minuspol. Die Energiespeicherzellen sind nicht auf eine bestimmte Bauform beschränkt. Typische Bauformen sind beispielsweise Rundzellen oder prismatische Zellen. Über die Anschlusspole und die Zellverbinder werden die Energiespeicherzellen elektrisch verschaltet, beispielsweise in Reihe. Das Kontaktierungssystem ist dazu vorgesehen und ausgelegt, unter anderem die Spannung der Zellen zu erfassen, mit anderen Worten ausgelegt, eine Überwachung der Energiespeicherzellen zu ermöglichen. Das Kontaktierungssystem ist insbesondere zweckmäßigerweise ausgelegt, die Temperaturen der einzelnen Energiespeicherzellen zu erfassen. Vorliegend sind die vorgenannten Spannungsabgriffe sowie die Mittel, welche zur Temperaturerfassung vorgesehen sind, zweckmäßigerweise in die Leiterplatte integriert.
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Die Leiterplatte, auch Platine oder gedruckte Schaltung genannt, ist ein Träger für elektronische Bauteile. Sie dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung. Zweckmäßigerweise umfasst die Leiterplatte einen Träger oder ein Trägermaterial, welches Leiterbahnen umfasst zur Kontaktierung und Anbindung der Energiespeicherzellen, Sensoren etc. Zur Isolierung der Leiterplatte sind zweckmäßigerweise jeweils ober- und unterseitig Deckschichten vorgesehen oder unmittelbar durch das Trägermaterial ausgebildet. Diese Isolierungs- oder Deckschichten dienen vorliegend zweckmäßigerweise dazu bzw. werden dazu verwendet, die Befestigungsstellen bzw. insbesondere die Schweißstellen, vor Korrosion zu schützen. Die Anordnung erfolgt zweckmäßigerweise derart, dass auf einem Anschlusspol eine Leiterplatte aufliegt und der jeweilige Zellverbinder mittelbar über die Leiterplatte an dem entsprechenden Anschlusspol befestigt wird, insbesondere mittels Schweißen. Durch diese Anordnung ist die Befestigungsstelle/Schweißstelle automatisch über die Deckschichten isoliert. Mit anderen Worten ist die Befestigungsstelle in die Deckschichten eingebettet bzw. von diesen umrandet oder umringt.
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Zweckmäßigerweise sind die Deckschichten aus einem Kunststoff gebildet, welcher als Isolationsschicht wirkt. Vorteilhafterweise sind diese Deckschichten ohnehin Bestandteil der Leiterplatte, sodass auf einen gesonderten Korrosionsschutz verzichtet werden kann. Durch die Anordnung der Leiterplatte zwischen den Anschlusspolen und den Zellverbindern ist automatisch eine Isolation der Befestigungsstellen erreicht bzw. bewirkt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Leiterplatte einen Träger aus einem elektrisch isolierenden Material mit daran haftenden leitenden Verbindungen (Leiterbahnen) auf. Das elektrisch isolierende Material kann ein Kunststoff sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterplatte vorliegend eine flexible Leiterplatte (FPC - Flexible Printed Circuit Board). Es hat sich herausgestellt, dass sich mit flexiblen, gedruckten Schaltungen sehr schnell und wirtschaftlich komplexe Zellverbindungssysteme realisieren lassen. Hierbei werden beispielsweise geätzte kupferbeschichtete Folien, beispielsweise Polyimid-Folien, verwendet, welche das vorgenannte Trägermaterial darstellen. Vorliegend können einseitige FPC, doppelseitige FPC oder mehrlagige FPC zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die flexible Leiterplatte außenseitig Polyimidschichten auf, welche jeweils über Klebstoffschichten mit einer dazwischen oder mittig ausgebildeten Leiterbahn oder Leiterbahnen verbunden sind. Die äußere Polyimidschichten, ggf. auch zusammen mit den jeweiligen Klebstoffschichten, werden vorliegend als die Deckschichten bezeichnet. Je nach Ausgestaltung können einseitige oder mehrlagige flexible Leiterplatten mit Vorteil zum Einsatz kommen.
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Zweckmäßigerweise weisen die Anschlusspole erste Kontaktflächen auf, welche mittelbar über die Leiterplatte zweite Kontaktflächen der Zellverbinder kontaktieren. Die mittelbare Kontaktierung erfolgt dabei zweckmäßigerweise über die Leiterbahnen bzw. über die dort angeordnete Leiterbahn der Leiterplatte.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Deckschichten oder ist zumindest eine Deckschicht im Bereich der Kontaktfläche/Kontaktflächen oder zumindest im Bereich der Befestigungsstelle/Befestigungsstellen entfernt oder nicht vorhanden. Mit anderen Worten ist die Leiterplatte im Bereich der Kontaktflächen entsprechend „freigestellt“, um keine negativen Auswirkungen durch Aufschmelzen der Deckschichten auf das Schweißergebnis zu verursachen.
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Gemäß einer Ausführungsform kontaktieren die Kontaktflächen die Deckschichten zumindest bereichsweise. Die Deckschichten sind also zwischen den Kontaktflächen, zumindest teilweise, angeordnet. Die Befestigungsstelle bzw. Schweißstelle selbst weist zweckmäßigerweise, aus den vorgenannten Gründen, keine Deckschichten auf. Alternativ können die Deckschichten im Bereich der Befestigungsstellen aber auch zunächst durchgängig ausgebildet sein, wenn sichergestellt ist, dass die Deckschichten das Schweißergebnis nicht beeinflussen. Mit anderen Worten wird dann über die Deckschichten verschweißt. Dies kann ggf. vorteilhaft sein, da die Deckschichten nicht entfernt werden bzw. die entsprechenden Stellen nicht freigelassen werden müssen. Außerdem ist damit auch ein sicheres Einbetten der Befestigungsstellen gewährleitstet.
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Gemäß einer Ausführungsform grenzen die Deckschichten an die Kontaktflächen an oder zumindest an. Das Angrenzen ist dahingehend zu verstehen, dass sichergestellt ist, dass die Befestigungsstellen sicher vor äußeren Einflüssen geschützt sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zellverbinder an den Anschlusspolen mittels Schmelz- oder Pressschweißen befestigt. Bevorzugte Schweißverfahren sind vorliegend Laserschweißen oder Ultraschallschweißen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anschlusspole und die Zellverbinder aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet. Die Leiterbahnen der Leiterplatte sind typischerweise aus einem Kupfermaterial. Etwaige Korrosionsprobleme an den Befestigungsstellen können mit Vorteil über die Isolation der Deckschichten bzw. über die Einbettung der Befestigungsstellen in die Deckschichten vermieden werden. Darüber hinaus zeichnet sich die Batterieanordnung durch ihren einfachen Aufbau aus, da über die Leiterplatte auch komplizierte Verschaltungsstrukturen maschinell gut realisierbar sind. Die Zellverbinder, welche der Verschaltung der Zellen dienen, werden an den gewünschten Stellen auf die Leiterplatte gelegt und dann mittelbar über die Leiterplatte mit den Anschlusspolen verschweißt.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung, umfassend die Schritte:
- - Anordnen einer Vielzahl von Energiespeicherzellen zum Formen einer Batterieanordnung;
- - Anordnen einer Leiterplatte auf der Batterieanordnung, welche ausgelegt ist, das Kontaktierungssystem der Batterieanordnung zu formen oder zu bilden, wobei die Leiterbahnen der Leiterplatte entsprechende Anschlusspole der Energiespeicherzellen kontaktieren und wobei die Leiterplatte beidseitig Deckschichten aufweist;
- - Verschalten der Energiespeicherzellen durch das Befestigen von Zellverbindern an den Anschlusspolen, wobei die Zellverbinder mittelbar über die Leiterplatte an den Anschlusspolen befestigt werden, wodurch die Befestigungsstellen über die Deckschichten vor äußeren Einflüssen geschützt sind.
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Die im Zusammenhang mit der Batterieanordnung erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für das Verfahren wie auch umgekehrt.
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Mit Vorteil werden vorliegend die Zellverbinder nicht unmittelbar an den Anschlusspolen befestigt, sondern mittelbar über die Leiterplatte. Damit können die äußeren Schichten der Leiterplatte, welche auch als Deckschichten oder Isolationsschichten bezeichnet werden können, zur Isolierung bzw. Einbettung der Befestigungsstellen verwendet werden. Die Deckschichten oder Isolationsschichten sind bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial gebildet. Im Falle der Verwendung einer flexiblen Leiterplatte handelt es sich typischerweise um einen Polyimidwerkstoff. Der gesamte Aufbau sowie das Verfahren zeichnet sich durch seine Einfachheit aus. Zudem können geringe Gewichte realisiert werden. Trotz des einfachen Aufbaus ist eine sehr hohe Lebensdauer gewährleistet, da der Aufbau implizit einen hervorragenden Korrosionsschutz mit sich bringt.
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Weiter richtet sich die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Batterieanordnung. Bevorzugte Kraftfahrzeuge sind insbesondere Landfahrzeuge, wie Personenkraftwagen, Krafträder und Nutzfahrzeuge. Batterieanordnungen der in Rede stehenden Art sind zweckmäßigerweise in einem Energiespeichergehäuse angeordnet bzw. untergebracht. Derartige Energiespeichergehäuse weisen gemäß einer Ausführungsform ein Gehäuseunterteil und ein Gehäuseoberteil auf, wobei eine oder mehrere Batterieanordnungen in dem Gehäuseunterteil angeordnet sein können.
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Gemäß einer Ausführungsform weist ein Energiespeicher mehrere Batterieanordnungen auf. Derartige Batterieanordnungen können auch als Batteriemodule bezeichnet werden. Alternativ kann auch nur ein, in diesem Fall sehr großes, Batteriemodul vorgesehen sein. Dies ist typischerweise bei Verwendung von Rundzellen als Energiespeicherzellen der Fall.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Batterieanordnungen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Teilansicht einer Ausführungsform einer Batterieanordnung;
- 2: eine weitere schematische Teilansicht einer Ausführungsform einer Batterieanordnung;
- 3: eine weitere schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Batterieanordnung.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Detail einer Batterieanordnung. Zu erkennen ist ein Bereich einer Energiespeicherzelle 10 nebst Anschlusspol 12. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Energiespeicherzelle 10 mit einem prismatischen Gehäuse. Ein zweiter Anschlusspol ist vorliegend nicht dargestellt. Bezugszeichen 40 bezeichnet einen Teil eines Zellverbinders, welcher über zwei Schweißstellen 60, beispielsweise zwei Laserschweißnähte, an den Anschlusspol 12 geschweißt ist. Der Anschlusspol 12 weist eine erste Kontaktfläche 14 auf, der Zellverbinder 40 eine zweite Kontaktfläche 42. Diese liegen nicht unmittelbar aneinander an. Dazwischen ist eine Leiterplatte 20 angeordnet, welche äußere Deckschichten 26 umfasst, welche über Klebeschichten 24 mit einer Leiterbahn 22 verbunden sind. Schematisch dargestellt ist, dass die Kontaktflächen 14 und 42 und insbesondere die Befestigungsstellen 60 vollumfänglich über die Deckschichten 26 isoliert, umhüllt bzw. vor äußeren Einflüssen abgeschirmt sind. Die äußeren Schichten 26, wie in der 1 skizziert, sind insbesondere Kunststoffschichten, beispielsweise Polyimidschichten, wenn es sich um eine flexible Leiterplatte handelt. Anzumerken ist, dass die vorliegende Skizze die Größenverhältnisse nicht real abbildet. So ist zwischen der zweiten Kontaktfläche 42 und der Leiterbahn 22 in der Realität kein Spalt vorhanden.
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In der in der 1 gezeigten Ausführungsform grenzen die Deckschichten 26 an die Kontaktflächen 14 und 42 an. Über diese Anordnung wird ein Einbetten bzw. Umgeben der Kontaktflächen und damit auch der Befestigungsstellen erreicht. Die Leiterplatte ist im Bereich der Kontaktflächen 14 und 42 von der Isolation bzw. von den äußeren Deckschichten befreit, wodurch erreicht werden kann, dass nur Metall auf Metall geschweißt wird. Die etwaigen äußeren Polyimidschichten beeinflussen also das Schweißergebnis nicht.
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In der 2 ist eine Ausführungsform zu sehen, welche im Wesentlichen der aus der 1 bekannten ähnelt. Allerdings reichen dort die äußeren Schichten der Leiterplatte 20 in den Bereich der ersten Kontaktfläche 42 hinein. Im Übrigen sind die Merkmale aus der 1 bekannt.
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3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die äußeren Schichten der Leiterplatte 20 sowohl in den Bereich der ersten Kontaktfläche 42 als auch in den Bereich der zweiten Kontaktfläche 14 hineinragen.
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In beiden Fällen, also sowohl gemäß der Ausführungsform der 2 wie auch der Ausführungsform der 3, kann Metall auf Metall geschweißt werden.
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Weiter alternativ ist es möglich, dass die Deckschichten im Bereich der Kontaktflächen 14 und 42 auch jeweils, also oberseitig und unterseitig, durchgehend ausgebildet sind. Hierbei muss allerdings geprüft werden, ob ggf. das Schweißergebnis negativ beeinflusst wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energiespeicherzelle
- 12
- Anschlusspol
- 14
- erste Kontaktfläche
- 20
- Leiterplatte
- 22
- Leiterbahn
- 24
- Klebeschicht
- 26
- Deckschicht
- 40
- Zellverbinder
- 42
- zweite Kontaktfläche
- 60
- Schweißstelle, Befestigungsstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018298340 A1 [0002]
