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Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Batterieanordnung und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen der Batterieanordnung.
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Stand der Technik
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Batterien, insbesondere Traktionsbatterien von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, bestehen aus mehreren Batteriemodulen die wiederum aus einer Vielzahl Batteriezellen aufgebaut sind. In der Regel werden Batterien für Fahrzeuge aus mehreren Batteriemodulen so zusammengebaut, dass jedes Batteriemodul eine Spannung kleiner 60Volt aufweist, sodass für Arbeiten an einem Batteriemodul die vereinfachten Niedervolt (NV)-Richtlinien zu beachten sind. Für ein Batteriemodul bedeutet dies, dass maximal 14 Batteriezellen pro Batteriemodul verbaut sind, also seriell miteinander verschaltet werden können.
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Die Spannung eines Batteriemoduls ergibt sich aus der Summe der Spannungen aller seriell geschalteten bzw. gekoppelten Batteriezellen. Der Energieinhalt eines Batteriemoduls ergibt durch die Summe der Kapazitäten jeweiliger parallel gekoppelter Batteriezellen.
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Systeme mit nur seriell verschalteten Batteriezellen werden 1p-Systeme genannt. Wird ein höherer Energieinhalt benötigt, werden mehrere Batteriezellen parallel gekoppelt, was als sog. xp-System bekannt ist.
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Eine mögliche Schaltungsart von xp-Systemen beruht auf Strängen, in denen Batteriezellen jeweils seriell gekoppelt sind und mehrere Stränge miteinander parallel gekoppelt sind. Im Fehlerfall einer Batteriezelle ist es bei derartigen Systemen erforderlich, ein Batteriemodul, das die fehlerhafte Batteriezelle umfasst, komplett zu tauschen, wodurch auch sämtliche nicht fehlerhaften Batteriezellen des Batteriemoduls verloren gehen.
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Die einzelnen Batteriezellen in einem Batteriemodul sind über Polverbinder miteinander verbunden bzw. elektrisch gekoppelt und in einem Modulrahmen verpresst. Ein typisches Batteriemodul beinhaltet ca. 10 bis 12 Batteriezellen, sodass sich eine Modulspannung des Batteriemoduls von max. 50,4V ergibt. Ein Tausch einer einzelnen Batteriezelle aus einem Batteriemodul ist nur mit großem, tlw. zerstörerischem Einsatz von Stemmkräften möglich, sodass ein Fehler in einer einzelnen Batteriezelle in der Regel zu einem Austausch des gesamten Batteriemoduls führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden eine Batterieanordnung und ein Herstellungsverfahren zur Herstellung der Batterieanordnung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterieanordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, eine Anzahl von im Fehlerfall einer Batteriezelle zu tauschender Batteriezellen einer Batterieanordnung zu minimieren. Ferner dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine einfache und schnelle Möglichkeit zum Tauschen einer fehlerhaften Batteriezelle einer Batterieanordnung zu ermöglichen.
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In einem ersten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Batterieanordnung mit einer Vielzahl von Batteriemodulen zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie. Jedes Batteriemodul umfasst einen Rahmen zum Aufnehmen einer Vielzahl von Batteriezellen und eine Vielzahl von Batteriezellen, die in den Rahmen eingelassen bzw. an dem Rahmen angeordnet werden. Die Batteriezellen eines Batteriemoduls sind in mehrere Teilmodule unterteilt, wobei sämtliche Batteriezellen eines Teilmoduls untereinander elektrisch parallel gekoppelt sind. Der Rahmen umfasst mindestens eine Wartungsklappe, die zwischen einer Freigabestellung zur Entnahme jeweiliger Batteriezellen eines Teilmoduls aus dem Rahmen und einer Schutzstellung zum Schützen der angeordneten Batteriezellen gegenüber Umgebungseinflüssen, schwenkbar ist.
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Unter einer Wartungsklappe ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein zwischen einer Freigabestellung und einer Schutzstellung schwenkbares Element, insbesondere ein flächiges Stützelement aus üblicherweise demselben Material wie das Gehäuse, insbesondere Aluminium, zu verstehen.
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In der Freigabestellung der Wartungsklappe kann ein Nutzer durch eine von der Wartungsklappe freigegebene Öffnung in ein jeweiliges Batteriemodul eingreifen, um bspw. Batteriezellen und/oder weitere Bauteile aus dem Batteriemodul zu entnehmen bzw. in das Batteriemodul einzubringen.
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In der Schutzstellung der Wartungsklappe schirmt die Wartungsklappe einen Innenbereich eines Batteriemoduls bzw. jeweilige Bauteile eines Batteriemoduls, insbesondere jeweilige Batteriezellen, durch Verschließen der Öffnung gegenüber Umgebungseinflüssen ab. Entsprechend bietet die Wartungsklappe einen mechanischen Schutz für das Batteriemodul.
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Bspw. kann die Wartungsklappe als klappbare Wand des Rahmens der vorgestellten Batterieanordnung ausgestaltet sein.
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Die vorgestellte Batterieanordnung basiert auf Batteriemodulen, die wiederum Batteriezellen umfassen, die in mehrere Teilmodule unterteilt sind, sodass in jedem Batteriemodul Batteriezellen verschiedener Teilmodule angeordnet sind.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau jeweiliger Batteriemodule durch Batteriezellen mehrerer Teilmodule, d.h. verschiedener Gruppen von Batteriezellen, wobei die Batteriezellen jeweiliger Teilmodule bzw. Gruppen untereinander parallel gekoppelt sind, kann ein einzelnes Teilmodul unabhängig von anderen Teilmodulen aus einem Batteriemodul entnommen bzw. ausgetauscht werden. Dies bedeutet, dass ein Fehler in einer Batteriezelle höchstens zum Austausch der Batteriezellen eines Teilmoduls führt und nicht zum Austausch sämtlicher Batteriezellen des Batteriemoduls.
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Die vorgestellte Batterieanordnung kann eine konventionelle Batterieanordnung ersetzen, ohne dass Peripheriegeräte, wie bspw. Steuergeräte zum Überwachen von Einzelzellspannungen oder Modultemperaturen ersetzt werden müssen. Entsprechend kann die vorgestellte Batterieanordnung „plug and play“ eine konventionelle Batterieanordnung ersetzen.
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Der Aufbau und die Verschaltung der vorgestellten Batterieanordnung sind entsprechend für Systeme mit 4, 6 oder mehreren parallel verschalteten Strängen duplizierbar. Dadurch bedingt, dass von jedem Teilmodul jeweils nur bspw. sechs Batteriezellen in einem Batteriemodul verbaut sind, lässt sich neben der Kapazität des Batteriemoduls auch dessen Spannung einfach skalieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass an Stellen, an denen in einem jeweiligen Batteriemodul Batteriezellen verschiedener Teilmodule direkt nebeneinander positioniert sind, Kühlplatten angeordnet sind, die in thermischem Kontakt mit den Batteriezellen stehen und die die Batteriezellen des Batteriemoduls in dem Rahmen verspannen.
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Durch Kühlplatten, die zwischen jeweiligen Batteriezellen verschiedener Teilmodule in einem Batteriemodul angeordnet sind, kann eine Erwärmung bzw. eine Abkühlung des Batteriemoduls bspw. durch Zirkulieren von Kühlmedium in den Kühlplatten erfolgen.
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Weiterhin erzeugen in ein Batteriemodul eingebrachte Kühlplatten eine Spannkraft, die sämtliche Bauteile eines Batteriemoduls in dem Rahmen des Batteriemoduls verspannt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Kühlplatten eines Batteriemoduls reversibel in dem Batteriemodul angeordnet bzw. verspannt sind, sodass die Spannkraft bei Bedarf aufgebaut und abgebaut werden kann, um bspw. ein einfaches Entnehmen von Batteriezellen zu ermöglichen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der Rahmen, die Kühlplatten und die Batteriezellen eines Batteriemoduls in ihren Abmaßen derart aufeinander abgestimmt sind, dass diese zusammen eine vorgegebene Spannkraft aufbauen, die die Kühlplatten und die Batteriezellen sowie ggf. weitere Bauteile des Batteriemoduls in dem Rahmen sichert bzw. verklemmt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweilige Batteriezellen eines Teilmoduls untereinander durch Polverbinder elektrisch gekoppelt sind, und die Kühlplatten eine Kühlplattenbreite aufweisen, die um eine Polverbinderbreite der Polverbinder geringer ist als eine Batteriezellenbreite jeweiliger Batteriezellen.
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Durch Kühlplatten, die um eine Breite der Polverbinder geringer als die der Batteriemodule sind, können die Kühlplatten unabhängig von den Batteriezellen und den Polverbindern aus einem jeweiligen Batteriemodul entnommen werden, da die Polverbinder sich nicht über die Kühlplatten erstrecken bzw. die Kühlplatten zwischen den Polverbindern hindurch entnommen werden können.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Batteriezellen eines ersten Teilmoduls einem ersten Strang zugeordnet sind und Batteriezellen eines zweiten Teilmoduls einem zweiten Strang zugeordnet sind.
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Die vorgestellte Batterieanordnung kann mehrere Stränge von Batteriezellen in mehreren Batteriemodulen umfassen, wobei die Batteriezellen eines Strangs untereinander bspw. parallel gekoppelt sind. Durch die Zuordnung bzw. die Aufteilung von Batteriezellen eines Batteriemoduls zu mehreren Strängen kann die Spannung des Batteriemoduls gegenüber einer Zuordnung sämtlicher Batteriezellen des Batteriemoduls zu lediglich einem Strang reduziert und eine Kapazität des Batteriemoduls erhöht werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass in einem Batteriemodul sechs Batteriezellen eines ersten Strangs und sechs Batteriezellen eines zweiten Strangs derart elektrisch gekoppelt sind, dass sich eine Gesamtspannung des Batteriemoduls von 25 Volt ergibt.
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Bspw. kann ein Batteriemodul sechs Batteriezellen, die einem ersten Strang zugeordnet sind und sechs Batteriezellen umfassen, die einem zweiten Strang zugeordnet sind, wobei die dem ersten Strang zugeordneten Batteriezellen untereinander parallel gekoppelt und die dem zweiten Strang zugeordneten Batteriezellen untereinander so gekoppelt sind.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Rahmen eines Batteriemoduls zwei Teilrahmen umfasst, an denen jeweils zur Hälfte Batteriezellen des ersten Teilmoduls und Batteriezellen des zweiten Teilmoduls angeordnet sind.
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Durch zwei Teilrahmen, die bspw. jeweils zur Aufnahme von sechs Batteriezellen konfiguriert sind, können insgesamt zwölf Batteriezellen einem Batteriemodul zugeordnet werden. Dabei ermöglichen die Teilrahmen einen einfachen Zugriff auf sämtliche Batteriezellen des Batteriemoduls, indem jeder Teilrahmen mindestens eine Wartungsklappe bereitstellt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass in einem Teilrahmen die Batteriezellen gemäß dem Schema A,B,B,A,A,B angeordnet sind.
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Durch eine Anordnung von Batteriezellen gemäß dem Schema A,B,B,A,A,B, wobei A einer Batteriezelle eines ersten Teilmoduls und B einer Batteriezelle eines zweiten Teilmoduls entspricht, ist eine schnelle und einfache Anordnung der Batteriezellen in einem Rahmen möglich. Bspw. können jeweilige Teilmodule als Doppelzellen oder als komplettes Teilmodul vormontiert in den Rahmen eingesetzt werden.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Batterieanordnung. Das Herstellungsverfahren umfasst:
- a) Anordnen von Batteriezellen an einem Rahmen eines Batteriemoduls, wobei eine erste Anzahl der Batteriezellen durch Polverbinder zumindest tlw. zu einem ersten Teilmodul elektrisch parallel gekoppelt sind und eine zweite Anzahl der Batteriezellen zumindest tlw. zu einem zweiten Teilmodul elektrisch parallel gekoppelt sind, und
- b) Einbringen von Kühlplatten an Stellen, an denen sich eine Batteriezelle des ersten Teilmoduls und eine Batteriezelle des zweiten Teilmoduls direkt gegenüberliegen.
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Das vorgestellte Herstellungsverfahren basiert auf dem Rahmen der vorgestellten Batterieanordnung, der ein einfaches Anordnen von Batteriezellen an dem Rahmen, bspw. durch Einlassen bzw. Positionieren in den Rahmen, - insbesondere durch ein Schwenken der Wartungsklappe in die Freigabestellung, ermöglicht. Dabei können bspw. vormontierte Batteriezellensysteme, wie bspw. Doppelzellen oder komplette Teilmodule an dem Rahmen angeordnet werden.
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Durch das Einbringen von Kühlplatten werden jeweilige an dem Rahmen angeordnete Batteriezellen in dem Rahmen verspannt bzw. gesichert. Entsprechend kann durch Entnahme der Kühlplatten eine Spannkraft in dem Rahmen abgebaut und eine Entnahme bzw. ein Austausch von Batteriezellen aus dem Rahmen ermöglicht werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Herstellungsverfahren umfasst:
- c) Anordnen von äußeren Batteriezellen an jeweiligen Rändern des Batteriemoduls derart, dass sich zwischen den Batteriezellen und den Kühlplatten in dem Batteriemodul eine mechanische Spannkraft aufbaut, die die Batteriezellen und die Kühlplatten in dem Rahmen verklemmt.
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Sobald sämtliche Bauteile eines Batteriemoduls an dem Rahmen angeordnet sind, baut sich eine Spannkraft auf, die die Bauteile an dem Rahmen sichert. Entsprechend kann die Spannkraft durch Einbringen von Kühlplatten oder von Batteriezellen erfolgen. Durch Einbringen von Batteriezellen an jeweiligen Rändern des Batteriemoduls kann ein Druck auf mittig zwischen den Rändern angeordnete Bauteile ausgeübt werden, sodass eine kompakte Anordnung der Bauteile erreicht wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Herstellungsverfahren umfasst:
- d) Öffnen einer Wartungsklappe des Rahmens,
- e) Entnehmen mindestens einer Kühlplatte, um die Spannkraft in dem Batteriemodul abzubauen,
- f) Entnehmen eines Teilmoduls, das eine fehlerhafte Batteriezelle umfasst,
- g) Einsetzen eines Austauschteilmoduls in das Batteriemodul,
- h) Einsetzen der mindestens einen Kühlplatte in das Batteriemodul, um die Spannkraft in dem Batteriemodul wieder aufzubauen.
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Durch die Schritte d) bis h) kann auf einfache und schnelle Weise ein Austausch von fehlerhaften Batteriezellen erfolgen, ohne dass sämtliche Batteriezellen eines Batteriemoduls ausgetauscht werden müssen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieanordnung,
- 3 eine Detaildarstellung eines Rahmens der Batterieanordnung gemäß 2,
- 4 eine Detaildarstellung einer Kühlplatte,
- 5 eine Detaildarstellung eines Teilmoduls,
- 6 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens.
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In 1 ist eine Batterieanordnung 100 dargestellt. Die Batterieanordnung 100 umfasst eine Anzahl Batteriemodule 101, die einem ersten Strang zugeordnet sind und eine Anzahl Batteriemodule 103, die einem zweiten Strang zugeordnet sind.
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Sämtliche Batteriezellen 105 der Batteriemodule 101 sind dem ersten Strang zugeordnet und entsprechend untereinander parallel gekoppelt. Sämtliche Batteriezellen 107 der Batteriemodule 103 sind dem zweiten Strang zugeordnet und entsprechend untereinander parallel gekoppelt. Entsprechend muss bei einem Fehler in einem Batteriemodul 101 bzw. 103 das komplette Batteriemodul ausgetauscht werden.
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Ein Kontrollgerät 107 dient zum Überwachen eines Betriebszustands der Batterieanordnung 100, wie bspw. von Zellspannungen der Batteriezellen 105.
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In 2 ist eine Batterieanordnung 200 dargestellt. Die Batterieanordnung 200 umfasst eine Vielzahl Batteriemodule 201, die jeweils eine Anzahl erster Batteriezellen 203, die einem ersten Strang zugeordnet und entsprechend untereinander parallel gekoppelt sind, und eine Anzahl zweiter Batteriezellen 205, die einem zweiten Stang zugeordnet und entsprechend untereinander parallel gekoppelt sind, umfassen. Entsprechend bilden die Batteriezellen 203 eines Batteriemoduls 201 ein erstes Teilmodul 207 und die Batteriezellen 205 eines Batteriemoduls 201 ein zweites Teilmodul 209.
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Durch die Aufteilung der Batteriezellen 203, 205 eines Batteriemoduls 201 in zwei unabhängige Teilmodule 207, 209 kann im Fehlerfall bspw. einer Batteriezelle 203 lediglich ein Teilmodul, bspw. das erste Teilmodul 207 aus dem Batteriemodul 201 entnommen und gegen ein Austauschmodul ausgetauscht werden.
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Ein Kontrollgerät 211 dient zum Überwachen eines Betriebszustands der Batterieanordnung 200, wie bspw. von Zellspannungen der Batteriezellen 203, 205. Dabei kann das Kontrollgerät 211 bspw. dem Kontrollgerät 107 gemäß 1 entsprechen.
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In 3 ist ein Rahmen 300 eines Batteriemoduls dargestellt. Der Rahmen 300 umfasst eine erste Wartungsklappe 301 in Form einer Gehäuserückwand und eine zweite Wartungsklappe 303 in Form einer Gehäusevorderwand. Die Wartungsklappen 301 und 303 sind jeweils zwischen einer Freigabestellung und einer Sicherungsstellung schwenkbar.
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Zum Schwenken der Wartungsklappen 301 und 303 von der Sicherungsstellung in die Freigabestellung, wie durch Pfeile 309 angedeutet, kann bspw. eine Klemmverbindung an einer Befestigungsschiene 305, die die Wartungsklappen 301 und 303 in der Sicherungsstellung hält, gelöst werden.
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Durch Schwenken der Wartungsklappen 301 und 303 können bspw. Kühlplatten 307 aus dem Rahmen 300 entnommen bzw. an dem Rahmen 300 angeordnet werden.
In 4 ist eine Kühlplatte 307 dargestellt. Die Kühlplatte kann bspw. Kühlkanäle zum Zirkulieren von Kühlmedium umfassen.
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Vorliegend ist erkennbar, dass eine Breite der Kühlplatte 307, wie durch Pfeil 401 angedeutet, geringer ist, als eine Breite einer Batteriezelle, wie durch Pfeil 403 angedeutet. Dabei die Kühlplatte insbesondere auf jeder Seite um die Breite eines Polverbinders geringer als die der Batteriezelle, sodass die Kühlplatte an dem Polverbinder vorbei aus einem Batteriemodul gezogen werden kann.
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Zum einfachen Ziehen der Kühlplatte 307 umfasst diese Laschen 405, in die ein Monteur eingreifen oder in die ein Werkzeug eingebracht werden kann.
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Zwischen den Laschen 405 ist ein Bereich 407 vorgesehen, an dem bspw. Entgasungskanäle angeordnet werden können.
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In 5 ist ein Batteriemodul 201 dargestellt. Das Batteriemodul 201 umfasst einen Rahmen 300. In dem Rahmen sind ein erstes Teilmodul 207 und ein zweites Teilmodul 209 angeordnet.
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Das erste Teilmodul 207 umfasst Batteriezellen 203 und das zweite Teilmodul 209 umfasst Batteriezellen 205. Die Batteriezellen 203 sind untereinander über Polverbinder 501 parallel gekoppelt und die Batteriezellen 205 sind untereinander über Polverbinder 503 parallel gekoppelt.
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Mittels Anschlüssen 505 und 507 sind das erste Teilmodul 207 und das zweite Teilmodul 209 elektrische gekoppelt, sodass das Batteriemodul 201 über die Anschlüsse 505 und 507 mit weiteren Batteriemodulen zu einer Batterieanordnung gekoppelt werden kann.
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In 6 ist ein Herstellungsverfahren 600 dargestellt. Das Herstellungsverfahren 600 umfasst, einen ersten Anordnungsschritt 601 zum Anordnen von Batteriezellen an einem Rahmen eines Batteriemoduls, wobei eine erste Anzahl der Batteriezellen durch Polverbinder zumindest tlw. zu einem ersten Teilmodul elektrisch parallel gekoppelt sind und eine zweite Anzahl der Batteriezellen zumindest tlw. zu einem zweiten Teilmodul elektrisch parallel gekoppelt sind, und einen Einbringschritt 603 zum Einbringen von Kühlplatten an Stellen, an denen sich eine Batteriezelle des ersten Teilmoduls und eine Batteriezelle des zweiten Teilmoduls direkt gegenüber liegen.
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Optional umfasst das Herstellungsverfahren einen zweiten Anordnungsschritt 605 zum Anordnen von äußeren Batteriezellen an jeweiligen Rändern des Batteriemoduls derart, dass sich zwischen den Batteriezellen und den Kühlplatten in dem Batteriemodul eine mechanische Spannkraft aufbaut, die die Batteriezellen und die Kühlplatten in dem Rahmen verklemmt, einen Öffnungsschritt 607 zum Öffnen einer Wartungsklappe des Rahmens, einen Entnahmeschritt 609 zum Entnehmen mindestens einer Kühlplatte, um die Spannkraft in dem Batteriemodul abzubauen, einen Entnahmeschritt 611 zum Entnehmen eines Teilmoduls, das eine fehlerhafte Batteriezelle umfasst, einen ersten Einsetzungsschritt 613 zum Einsetzen eines Austauschteilmoduls in das Batteriemodul und einen zweiten Einsetzungsschritt 615 zum Einsetzen der mindestens einen Kühlplatte in das Batteriemodul, um die Spannkraft in dem Batteriemodul wieder aufzubauen.
