DE102021200308A1 - Elektrische Batterie sowie Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen Batterie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Batterie (10), aufweisend: einen Zellenstapel (12) aus mehreren in einer Stapelrichtung (y) aneinander gereihten Batteriezellen (14), wobei die Batteriezellen (14) an einer sich in Stapelrichtung (y) und orthogonal (x) dazu erstreckenden Außenfläche des Zellenstapels (12) hervorstehende Zellenpole (16, 18) aufweisen; und mehrere Zellverbinder (20) zum elektrisch miteinander Verbinden von Zellenpolen (16, 18) von im Zellenstapel (12) einander benachbarten der Batteriezellen (14). Um insbesondere auch im Falle einer Anordnung mehrerer Temperatursensoren (41) in der Batterie (10) eine einfache Herstellbarkeit der Batterie (10) zu ermöglichen, weist die Batterie (10) erfindungsgemäß ferner auf: eine erste Leiterplatte (30), die an der Außenfläche des Zellenstapels (12) und parallel zu dieser Außenfläche sich erstreckend angeordnet ist und eine Leiterbahnanordnung (32) mit zu jeweiligen Anschlussflächen (34) der ersten Leiterplatte (30) führenden Leiterbahnen aufweist; wenigstens eine zweite Leiterplatte (40), die an einem der Zellverbinder (20) befestigt ist, mit einem Temperatursensor (41) bestückt ist, und eine Leiterbahnanordnung (42) mit von dem Temperatursensor (41) zu Anschlussflächen (44) der zweiten Leiterplatte (40) führenden Leiterbahnen aufweist; und eine elektrische Drahtanschlussverbindung (50) zwischen den Anschlussflächen (44) der zweiten Leiterplatte (40) und zugeordneten der Anschlussflächen (34) der ersten Leiterplatte (30). Die Erfindung schlägt ferner ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batterie (10) vor.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen Batterie, sowie deren Verwendung.
  • Eine Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus dem Stand der Technik betreffend Traktionsbatterien für Elektro- oder Hybridfahrzeuge bekannt und weist auf:
    • - einen Zellenstapel aus mehreren in einer Stapelrichtung aneinander gereihten Batteriezellen, wobei die Batteriezellen an einer sich in Stapelrichtung und orthogonal dazu erstreckenden Außenfläche des Zellenstapels hervorstehende Zellenpole aufweisen, und
    • - mehrere Zellverbinder zum elektrisch miteinander Verbinden von Zellenpolen von im Zellenstapel einander benachbarten der Batteriezellen.
  • Darüber hinaus sind für derartige Batterien aus dem Stand der Technik auch verschiedene Konzepte bekannt, um unter Verwendung eines oder mehrerer in der Batterie angeordneter Temperatursensoren eine Temperaturüberwachung durchzuführen. Abgesehen von einer gewissen Verkomplizierung des Aufbaus der Batterie erhöhen die bekannten Konzepte jedoch nachteiliger Weise den Aufwand zur Herstellung der Batterie, insbesondere wenn mehrere Temperatursensoren, z. B. ein Temperatursensor pro Batteriezelle, zu verbauen sind.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Batterie der eingangs genannten Art ein neuartiges Konzept zur Realisierung einer Temperaturüberwachung aufzuzeigen, bei welchem insbesondere auch im Falle der Anordnung mehrerer Temperatursensoren in der Batterie eine einfache Herstellbarkeit der Batterie ermöglicht sein soll.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine elektrische Batterie nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Batterie nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die erfindungsgemäße elektrische Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner aufweist:
    • - eine erste Leiterplatte, die an der Außenfläche des Zellenstapels und parallel zu dieser Außenfläche sich erstreckend angeordnet ist und eine Leiterbahnanordnung mit zu jeweiligen Anschlussflächen der ersten Leiterplatte führenden Leiterbahnen aufweist,
    • - wenigstens eine zweite Leiterplatte, die an einem der Zellverbinder befestigt ist, mit einem Temperatursensor bestückt ist, und eine Leiterbahnanordnung mit von dem Temperatursensor zu Anschlussflächen der zweiten Leiterplatte führenden Leiterbahnen aufweist, und
    • - eine elektrische Drahtanschlussverbindung zwischen den Anschlussflächen der zweiten Leiterplatte und zugeordneten der Anschlussflächen der ersten Leiterplatte.
  • Mit der Erfindung ergibt sich vorteilhaft eine einfache Herstellbarkeit der Batterie, insbesondere da der Aufbau der Batterie in einfacher Weise eine zumindest teilautomatisierte oder sogar vollautomatisierte Herstellung ermöglicht.
  • Insbesondere kann hierfür beispielsweise die (wenigstens eine) zweite Leiterplatte mitsamt bereits daran angeordnetem Temperatursensor mittels eines Automaten an dem betreffenden der Zellverbinder positioniert und befestigt (z. B. angeklebt) werden und dann die Drahtanschlussverbindung zwischen den Anschlussflächen der zweiten Leiterplatte und zugeordneten der Anschlussflächen der ersten Leiterplatte mittels eines Automaten gebildet werden („Drahtbonden“).
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Zellenstapel wenigstens annähernd quaderförmig ist. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Zellenstapel ein Volumen im Bereich von 1 × 10-4 bis 1 × 10-1 m3 besitzt.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Zellenstapel aus einer Aneinanderreihung von (bevorzugt identisch ausgebildeten) Batteriezellen einer Anzahl im Bereich von 5 bis 100 gebildet ist.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die einzelnen Batteriezellen jeweils wenigstens annähernd quaderförmig sind. In diesem Fall sind die Batteriezellen bevorzugt so gestapelt, dass die Stapelrichtung in der Richtung einer bzw. der kürzesten Seite der Quaderform verläuft. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Batteriezellen jeweils ein Volumen im Bereich von 1 × 10-5 bis 1 × 10-3 m3 besitzen.
  • In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen jeweils als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet.
  • Die Batteriezellen weisen die elektrisch leitfähigen, z. B. aus einem metallischen Material gebildeten Zellenpole (Plus- und Minuspole) auf, die an der sich in Stapelrichtung und orthogonal dazu erstreckenden Außenfläche des Zellenstapels hervorstehen. Die Zellenpole können hierbei z. B. einen streifenförmigen oder quaderförmigen Abschnitt aufweisen, der aus einem Korpus (Ummantelung) der betreffenden Batteriezelle herausragt.
  • Die Zellverbinder sind ebenfalls elektrisch leitfähig und dienen dazu, die aneinander gereihten Batteriezellen gemäß eines gewünschten Schemas elektrisch miteinander zu verbinden (z. B. Reihenschaltung, oder z. B. Parallelschaltung, oder Kombination davon). Die Zellverbinder können z. B. an den distalen Enden der betreffenden vom Zellenstapel hervorstehenden Zellenpole angebunden (z. B. verschweißt) sein. Die Zellverbinder, wie auch die Zellenpole der Batteriezellen, sind bevorzugt z. B. aus einem metallischen Material gebildet.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zellverbinder plattenförmig oder streifenförmig ausgebildet sind, und z. B. aus einem metallischen Material gebildet und mit den betreffenden der Zellenpole verlötet oder verschweißt sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform erstrecken sich die Zellverbinder hierbei jeweils in einer Ebene, die wenigstens annähernd parallel zu der besagten Außenfläche des Zellenstapels orientiert ist.
  • In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen des Zellenstapels mittels der Zellverbinder in elektrischer Reihenschaltung miteinander verbunden. In diesem Fall kann bei in Stapelrichtung betrachtet paarweise einander benachbarten Batteriezellen jeweils ein Pluspol einer der beiden Batteriezellen mit dem Minuspol der anderen der beiden Batteriezellen verbunden sein.
  • Die erste Leiterplatte ist an der Außenfläche des Zellenstapels (an welcher die Zellenpole der Batteriezellen hervorstehen) und parallel zu dieser Außenfläche sich erstreckend angeordnet und weist gemäß einer einfachen Ausführungsform nur die Leiterbahnanordnung mit den zu den jeweiligen Anschlussflächen der ersten Leiterplatte führenden Leiterbahnen sowie eine Anschlusseinrichtung auf, um von dem oder den Temperatursensoren gelieferte Sensorsignale an eine extern von der ersten Leiterplatte implementierte Einrichtung weiterzuleiten (z. B. weitere elektrisch kontaktierte Anschlussflächen, oder z. B. eine elektrische Steckverbindereinrichtung, etc.).
  • Die bzw. jede zweite Leiterplatte ist mit (wenigstens) einem Temperatursensor bestückt und an einem der Zellverbinder befestigt (z. B. angeklebt oder angelötet) und weist gemäß einer einfachen Ausführungsform nur die Leiterbahnanordnung mit den von dem (wenigstens einen) Temperatursensor zu den Anschlussflächen der zweiten Leiterplatte führenden Leiterbahnen auf, um von dem Temperatursensor gelieferte Sensorsignale über eine zugeordnete elektrische Drahtanschlussverbindung von der zweiten Leiterplatte (bzw. deren Anschlussflächen) an die erste Leiterplatte (bzw. deren zugeordnete der Anschlussflächen) weiterzuleiten.
  • Die Drahtanschlussverbindung kann aus mehreren elektrisch leitfähigen (z. B. metallischen) Drähten gebildet sein, deren jeweilige Enden einerseits an einer Anschlussfläche der ersten Leiterplatte und andererseits an einer zugeordneten Anschlussfläche der betreffenden zweiten Leiterplatte angeschweißt sind (z. B. in automatisierter Weise mittels eines Automaten zum „Drahtbonden“).
  • Im Hinblick auf das bei der Erfindung bevorzugt automatisierte Drahtbonden ist es von Vorteil, wenn die Drähte („Bonddrähte“, z. B. aus Aluminium- oder Kupfermaterial) jeder Drahtanschlussverbindung eine Länge im Bereich von 5 bis 50 mm, insbesondere 10 mm bis 40 mm, besitzen.
  • In einer Ausführungsform besitzen die Bonddrähte einen kreisförmigen Querschnitt. In diesem Fall kann ein Durchmesser der Bonddrähte z. B. im Bereich von 0,1 bis 1 mm liegen.
  • In einer Ausführungsform besitzen die Bonddrähte einen nicht kreisförmigen Querschnitt. Damit kann vorteilhaft z. B. die mechanische Stabilität der Drahtanschlussverbindungen vergrößert werden. In diesem Fall (z. B. bei einem rechteckigen Querschnitt) kann eine kürzere Querschnittsausdehnung (Dicke) z. B. im Bereich von 0,05 bis 0,5 mm liegen und kann eine längere Querschnittsausdehnung (Breite) z. B. im Bereich von 0,5 bis 2 mm liegen.
  • Die zweite Leiterplatte bzw. (im Falle der Verwendung mehrerer zweiter Leiterplatten) jede der zweiten Leiterplatten kann im Rahmen der Erfindung jeweils entweder mit nur einem einzigen Temperatursensor (z. B. NTC-Baustein) bestückt sein oder aber mit mehreren Temperatursensoren bestückt sein.
  • Insbesondere falls eine zweite Leiterplatte mit nur einem einzigen Temperatursensor bestückt ist, so kann diese Leiterplatte z. B. zwei Leiterbahnen und zwei Anschlussflächen aufweisen, um das Sensorsignal des Temperatursensors darüber an eine z. B. zweipolige Drahtanschlussverbindung weiterzuleiten.
  • Wie bereits erwähnt soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass die bzw. wenigstens eine (oder mehrere oder alle) der zweiten Leiterplatten mit mehreren Temperatursensoren bestückt ist, z. B. zur Realisierung einer redundanten Temperaturerfassung und/oder einer ortsaufgelösten Temperaturerfassung, und/oder dass eine betreffende zweite Leiterplatte mit weiteren elektronischen Bauelementen bestückt ist. Mit solchen weiteren Bauelementen kann z. B. eine Verarbeitung (z. B. eine Vorverarbeitung wie z. B. Verstärkung) des oder der Sensorsignale realisiert werden, die von dem oder den Temperatursensoren der betreffenden zweiten Leiterplatte geliefert werden. Falls der Temperatursensor (oder ggf. vorgesehene weitere Komponenten) eine Energieversorgung erfordern, so kann hierfür in analoger Weise (wie für das Sensorsignal) eine Drahtanschlussverbindung zwischen erster und zweiter Leiterplatte vorgesehen sein.
  • Falls eine zweite Leiterplatte mit mehreren Temperatursensoren und/oder weiteren elektronischen Bauelementen bestückt ist, so kann diese Leiterplatte demgegenüber entsprechend mehr Leiterbahnen und mehr Anschlussflächen aufweisen, z. B. um mehrere (Sensor)signale separat voneinander an eine mehr Drähte aufweisende Drahtanschlussverbindung weiterzuleiten.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich die bzw. jede zweite Leiterplatte jeweils in einer Ebene, die wenigstens annähernd parallel zu der Außenfläche des Zellenstapels orientiert ist.
  • In einer Ausführungsform befinden sich die Anschlussflächen der ersten Leiterplatte und die Anschlussflächen der zweiten Leiterplatte(n) in Richtung orthogonal zur besagten Außenfläche des Zellenstapels betrachtet wenigstens annähernd an der gleichen Stelle. Damit können z. B. vorteilhaft die mittels der elektrischen Drahtanschlussverbindung(en) zu überbrückenden Distanzen zwischen einerseits den Anschlussflächen der ersten Leiterplatte und andererseits den jeweils zugeordneten Anschlussflächen der zweiten Leiterplatte(n) vorteilhaft verringert werden. Beispielsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass sämtliche Anschlussflächen in Richtung orthogonal zur Außenfläche des Zellenstapels betrachtet sich innerhalb eines Bereiches befinden, der kleiner ist als 10%, insbesondere kleiner ist als 5%, der in dieser Richtung betrachteten Gesamtausdehnung des Zellenstapels (einschließlich Zellpolen).
  • In einer Ausführungsform ist hierfür z. B. vorgesehen, dass sich sowohl die erste Leiterplatte als auch die bzw. jede zweite Leiterplatte jeweils in einer Ebene erstrecken, die wenigstens annähernd parallel zu der Außenfläche des Zellenstapels orientiert ist, wobei ein etwaiger Abstand der Ebenen von einerseits der ersten Leiterplatte und andererseits der bzw. jeder der zweiten Leiterplatten kleiner ist als 10%, insbesondere kleiner ist als 5%, der in dieser Richtung betrachteten Gesamtausdehnung des Zellenstapels.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anschlussflächen der ersten Leiterplatte in einer in Stapelrichtung des Zellenstapels verlaufenden Reihe in einem Randbereich der ersten Leiterplatte angeordnet sind. Damit können z. B. die mittels der elektrischen Drahtanschlussverbindung zu überbrückenden Distanzen zwischen einerseits den Anschlussflächen der ersten Leiterplatte und andererseits der jeweils zugeordneten Anschlussfläche der zweiten Leiterplatte vorteilhaft verringert werden.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Leiterplatte und/oder die zweite Leiterplatte ein wenigstens annähernd rechteckiges Format besitzt.
  • Abweichend davon können vor allem für die erste Leiterplatte auch andere Formgestaltungen vorteilhaft sein, z. B. ein kammartiges oder sternartiges Format, bei welchem sich ausgehend von einem zentralen Bereich kamm- oder sternartige Vorsprünge (mit daran ausgebildeten Leiterbahnen) zu einzelnen Anschlussflächen bzw. Gruppen von zusammengehörigen Anschlussflächen (an Endbereichen der Vorsprünge) erstrecken, die jeweils über eine zugeordnete von mehreren Drahtanschlussverbindungen elektrisch weiterverbunden sind (zu einer zugeordneten von mehreren zweiten Leiterplatten).
  • In einer Ausführungsform besitzt die erste Leiterplatte und/oder die zweite Leiterplatte eine Dicke im Bereich von 1 bis 3 mm.
  • Hinsichtlich der Gestaltung der ersten Leiterplatte, wie auch der zweiten Leiterplatte, kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft auf Technologien zurückgegriffen werden, die für als Schaltungsträgerplatten vorgesehene Leiterplatten im Stand der Technik gut etabliert sind. Aus diesem Stand der Technik sind in großer Vielfalt Leiterplatten bekannt, die eine oder mehrere (in verschiedenen Ebenen angeordnete) strukturierte Leiterlagen aufweisen, wobei an einzelnen Stellen außerdem z. B. elektrische Durchkontaktierungen vorgesehen seien können, um an dort eine Verbindung zwischen verschiedenen Leiterlagen bzw. Leiterlagenebenen zu implementieren. Derartige Leiterplatten können zur Herstellung der erfindungsgemäßen Batterie eingesetzt werden (als „erste Leiterplatte“ und/oder als „zweite Leiterplatte“). Leiterplatten mit mehreren strukturierten Leiterlagen können im Rahmen der Erfindung besonders vorteilhaft z. B. dann eingesetzt werden, wenn die erste Leiterplatte außer der Leiterbahnanordnung mit den Anschlussflächen noch weitere elektronische Komponenten bzw. eine elektronische Einrichtung (z. B. Batteriemanagementsystem) aufweisen soll, bzw. wenn die zweite Leiterplatte außer dem (wenigstens einen) Temperatursensor und der Leiterbahnanordnung mit den Anschlussflächen noch weitere elektronische Komponenten bzw. eine elektronische Einrichtung aufweisen soll.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite Leiterplatte an dem betreffenden Zellverbinder angeklebt ist (bevorzugt mit einem wärmeleitenden Klebstoff). Alternativ kann z. B. vorgesehen sein, dass die zweite Leiterplatte an dem betreffenden Zellverbinder angelötet ist.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Leiterplatte mit elektronischen Bauelementen bestückt ist, insbesondere zur Realisierung einer elektronischen Einrichtung zur Verarbeitung und/oder Auswertung eines von dem Temperatursensor gelieferten Sensorsignals.
  • Die Verarbeitung kann z. B. eine Verstärkung eines (analogen) Sensorsignals und/oder Analog/Digital-Wandlung eines solchen Sensorsignals beinhalten.
  • Die Auswertung kann z. B. zum Zwecke einer Auswertung der (wenigstens einen) mittels des (wenigstens einen) Temperatursensor erfassten Temperatur im Rahmen eines so genannten Batteriemanagementsystems beinhalten.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer Verarbeitung und/oder Auswertung des oder der betreffenden Sensorsignale durch eine an der ersten Leiterplatte ausgebildete elektronischen Einrichtung kann vorgesehen sein, dass eine Verarbeitung und/oder Auswertung wenigstens zum Teil außerhalb der elektrischen Batterie durchgeführt wird. Hierfür kann z. B. eine an der ersten Leiterplatte ausgebildete elektronische Einrichtung in Kommunikationverbindung mit einer separat davon implementierten weiteren Einrichtung stehen (etwa über eine Kabelverbindung).
  • Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Batterie der hier beschriebenen Art vorgeschlagen, aufweisend folgende Schritte:
    • - Bilden eines Zellenstapels durch Aneinanderreihen von mehreren Batteriezellen in einer Stapelrichtung, wobei die Batteriezellen an einer sich in Stapelrichtung und orthogonal dazu erstreckenden Außenfläche des so gebildeten Zellenstapels hervorstehende Zellenpole aufweisen. Dieser Schritt kann z. B. automatisiert durchgeführt werden. Die Batteriezellen können hierbei z. B. automatisiert zugeführt und in eine (z. B. ebenfalls automatisiert zugeführte) gehäuse- oder rahmenartige Struktur verbracht werden, in welcher der Zellstapel in der fertigen Batterie gehalten (und ggf. z. B. mechanisch verspannt) wird.
    • - elektrisch miteinander Verbinden von Zellenpolen von im Zellenstapel einander benachbarten der Batteriezellen durch Anlöten oder Anschweißen von Zellverbindern an den betreffenden Zellenpolen. Dieser Schritt kann z. B. automatisiert durchgeführt werden. Die Zellverbinder können hierbei z. B. automatisiert zugeführt, positioniert und befestigt werden.
    • - Anordnen einer ersten Leiterplatte an der Außenfläche des Zellenstapels und parallel zu dieser Außenfläche sich erstreckend, wobei die erste Leiterplatte eine Leiterbahnanordnung mit zu jeweiligen Anschlussflächen der ersten Leiterplatte führenden Leiterbahnen aufweist. Dieser Schritt kann z. B. automatisiert durchgeführt werden. Die Leiterplatte kann hierbei z. B. automatisiert zugeführt, positioniert und befestigt, z. B. verklebt und/oder verschraubt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Befestigung durch eine Verrastung der Leiterplatte realisiert sein, etwa der vorerwähnten gehäuse- oder rahmenartigen Struktur (oder einem starr damit verbundenen Teil).
    • - Befestigen (z. B. Ankleben oder z. B. Anlöten) wenigstens einer zweiten Leiterplatte an einem der Zellverbinder, wobei die zweite Leiterplatte mit einem Temperatursensor bestückt ist und eine Leiterbahnanordnung mit von dem Temperatursensor zu Anschlussflächen der zweiten Leiterplatte führenden Leiterbahnen aufweist. Dieser Schritt kann z. B. automatisiert durchgeführt werden. Die Leiterplatte kann hierbei z. B. automatisiert zugeführt, positioniert und befestigt, z. B. verklebt oder verlötet werden.
    • - Drahtbonden zum Bilden einer elektrischen Drahtanschlussverbindung zwischen den Anschlussflächen der zweiten Leiterplatte und zugeordneten der Anschlussflächen der ersten Leiterplatte. Dieser Schritt wird besonders vorteilhaft automatisiert durchgeführt.
  • Besonders bevorzugt wird zumindest das Befestigen der wenigstens einen zweiten Leiterplatte an einem der Zellverbinder und/oder das Drahtbonden zum Bilden der elektrischen Drahtanschlussverbindung automatisiert durchgeführt.
  • Die für die erfindungsgemäße elektrische Batterie hier beschriebenen Ausführungsformen und besonderen Ausgestaltungen können, einzeln oder in beliebiger Kombination, in analoger Weise auch als Ausführungsformen bzw. besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens vorgesehen sein, und umgekehrt.
  • Gemäß eines noch weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung einer elektrischen Batterie der hier beschriebenen Art bzw. einer mittels des hier beschriebenen Verfahrens hergestellten elektrischen Batterie als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug (z. B. Elektro- oder Hybridfahrzeug) vorgeschlagen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
    • 1 eine schematische perspektivische Teilansicht einer elektrischen Batterie gemäß eines Ausführungsbeispiels, und
    • 2 eine perspektivische Ansicht eines Details von 1.
  • 1 zeigt eine elektrischen Batterie 10, aufweisend einen Zellenstapel 12 aus im Beispiel insgesamt zwölf aneinander gereihten Batteriezellen 14.
  • Im dargestellten Beispiel sind die Batteriezellen 14 z. B. als Lithium-Ionen-Zellen mit einer Zellenspannung von z. B. 3,6 V implementiert und jeweils identisch quaderförmig ausgebildet, wobei die Batteriezellen 14 wie in 1 ersichtlich in einer der kürzesten Kante der Quaderform entsprechenden Stapelrichtung y gestapelt sind.
  • An einer sich in der Stapelrichtung y und in einer dazu orthogonalen Richtung x erstreckenden Außenfläche des Zellenstapels 12 weisen die Batteriezellen 14 jeweils zwei hervorstehende Zellenpole 16 (Minuspol) und 18 (Pluspol) auf.
  • Im Beispiel entspricht die Richtung x der Richtung der längsten Kante der Quaderform und sind die Zellenpole 16, 18 jeder Batteriezelle 14 in Richtung x betrachtet jeweils in einander entgegengesetzten Endbereichen der jeweiligen Batteriezelle 14 vorgesehen. Eine Richtung z (in 1 nach oben) entspricht der dritten Kantenrichtung der Quaderform der Batteriezellen 14 und verläuft orthogonal zu den Richtungen x und y.
  • Die von der besagten Außenfläche (in einer x-y-Ebene) in Richtung z abstehenden Zellenpole 16, 18 von im Zellenstapel 12 einander benachbarten der Batteriezellen 14 sind mittels mehrerer Zellverbinder 20 elektrisch miteinander verbunden.
  • Im Beispiel sind die zwölf Batteriezellen 14 mit elf Zellverbindern 20 in elektrischer Reihenschaltung miteinander verbunden, wobei bei im Zellenstapel 12 paarweise einander benachbarten Batteriezellen 14 jeweils ein Pluspol 18 einer der beiden Batteriezellen 14 mit dem Minuspol 16 der anderen der beiden Batteriezellen 14 verbunden ist.
  • Ein Minuspol der Batterie 10 wird durch den Minuspol 16 einer im Stapel 12 ersten Zelle (in 1 links unten) gebildet, und ein Pluspol der Batterie 10 wird durch den (in 1 nicht dargestellten) Pluspol 18 einer im Stapel 12 letzten Zelle (in 1 rechts oben) gebildet.
  • Die elektrische Batterie 10 weist ferner eine Leiterplatte 30 auf, nachfolgend auch als „erste Leiterplatte“ bezeichnet, die an der Außenfläche des Stapels 12 und parallel zu dieser Außenfläche, also in einer x-y-Ebene sich erstreckend angeordnet ist. Die Leiterplatte 30 weist eine Leiterbahnanordnung 32 mit zu jeweiligen Anschlussflächen 34 der Leiterplatte 30 führenden Leiterbahnen auf.
  • Die elektrische Batterie 10 weist ferner wenigstens eine nachfolgend auch als „zweite Leiterplatte“ bezeichnete Leiterplatte 40 auf, die an einem der Zellverbinder 20 mit einem wärmeleitenden Klebstoff 46 (vgl. 2) angeklebt ist, mit einem Temperatursensor 41 (vgl. 2) bestückt ist, und eine Leiterbahnanordnung 42 (vgl. 2) mit von dem Temperatursensor 41 zu Anschlussflächen 44 (vgl. 2) der zweiten Leiterplatte 40 führenden Leiterbahnen aufweist.
  • 2 ist eine Detailansicht eines in 1 unteren Bereiches der elektrischen Batterie 10, aus der für einen der Zellverbinder 20 die Komponenten 40, 41, 42, 44 und 46 ersichtlich sind.
  • Die Anschlussflächen 44 der zweiten Leiterplatte 40 und die zugeordneten Anschlussflächen 34 der ersten Leiterplatte 30 sind durch eine durch Drahtbonden hergestellte elektrische Drahtanschlussverbindung 50 elektrisch miteinander verbunden. Ein von dem Temperatursensor 41 (z. B. aufgelöteter NTC-Baustein) auf der zweiten Leiterplatte 40 geliefertes Sensorsignal kann über die Leiterbahnanordnung 42, die Anschlussflächen 44 und die Drahtanschlussverbindung 50 zu den Anschlussflächen 34 und somit zu der Leiterbahnanordnung 32 der ersten Leiterplatte 30 weitergeleitet werden.
  • Lediglich der Einfachheit der Darstellung halber ist bei der in 1 dargestellten elektrischen Batterie 10 nur eine einzige „zweite Leiterplatte“ 40 eingezeichnet und bei der in 1 dargestellten ersten Leiterplatte 30 nur der dieser einzigen Leiterplatte 40 zugeordnete Teil der Leiterbahnanordnung 42 und der Anschlussflächen 44 eingezeichnet.
  • Tatsächlich ist bei der Batterie 10 an jedem der elf Zellverbinder 20 jeweils eine solche zweite Leiterplatte 40 (mitsamt einem Temperatursensor 41, einer Leiterbahnanordnung 42 und Anschlussflächen 44) aufgeklebt, und sind sämtliche somit insgesamt elf zweite Leiterplatten 40 über eine jeweils zugeordnete, im Beispiel zweipolige Drahtanschlussverbindung 50 elektrisch mit der ersten Leiterplatte 30 verbunden. Die Anschlussflächen 34 der ersten Leiterplatte 30 sind hierbei in zwei in Stapelrichtung y des Zellenstapels 12 verlaufenden Reihen in einem jeweiligen Randbereich (in 1 links und rechts) der ersten Leiterplatte 30 angeordnet (um möglichst kurze Drahtanschlussverbindungen 50 zu ermöglichen).
  • Unter Verwendung der mehreren in der Batterie 10 angeordneten Temperatursensoren 41 kann im Betrieb der Batterie 10 vorteilhaft eine Temperaturüberwachung durchgeführt werden, beispielsweise durch ein so genanntes „Batteriemanagementsystem“ in Form einer elektronischen Einrichtung 36, die insbesondere z. B. wie in 1 gestrichelt dargestellt an der ersten Leiterplatte 30 ausgebildet sein kann.
  • Die Leiterplatte 30 kann zu diesem Zweck mit weiteren elektronischen Bauelementen bestückt sein, um die elektronische Einrichtung 36 zu implementieren, beispielsweise zur Verarbeitung und/oder Auswertung der von den Temperatursensoren 41 gelieferten Sensorsignale. Die an der ersten Leiterplatte ausgebildete Einrichtung 36 kann ein Batteriemanagementsystem (oder zumindest einen Teil davon) der Batterie 10 darstellen.
  • Die Herstellung der elektrischen Batterie 10 kann vorteilhaft z. B. wie folgt erfolgen:
    • Zunächst wird der Zellenstapel 12 durch Aneinanderreihen der Batteriezellen 14 gebildet.
  • Dann werden die Zellenpole 16, 18 gemäß der gewünschten Verschaltung (hier: Reihenschaltung) durch Anschweißen der Zellverbinder 20 elektrisch miteinander verbunden. Die Zellverbinder 20 werden hierbei in einer Fertigungsstation bevorzugt automatisiert zugeführt, an den betreffenden Zellenpolen 16, 18 positioniert und mit diesen verschweißt.
  • Außerdem wird die bereits vorgefertigte und ggf. mit elektronischen Bauteilen (vgl. Einrichtung 36 in 1) bestückte erste Leiterplatte 30 an der Außenfläche des Zellenstapels und parallel zu dieser Außenfläche sich erstreckend befestigt. Die Leiterplatte 30 wird z. B. automatisiert zugeführt, positioniert und befestigt, z. B. verklebt und/oder verschraubt und/oder verrastet.
  • Dann werden die bereits vorgefertigten und mit den Temperatursensoren 41 bestückten zweiten Leiterplatten 40 an den Zellverbindern 20 befestigt. Die Leiterplatten 40 werden bevorzugt automatisiert zugeführt, positioniert und befestigt. Für die Befestigung durch jeweilige Verklebungen kann z. B. zuvor mit einem automatischen Klebstoffdispenser an den Zellverbindern 20 Klebstoff aufgetragen werden. Alternativ kann mit einem automatischen Klebstoffdispenser der Klebstoff an den Leiterplatten 40 aufgetragen werden (bevor diese an den Zellverbindern 20 positioniert werden).
  • Schließlich erfolgt ein automatisiertes Drahtbonden zur Herstellung der elektrischen Drahtanschlussverbindungen 50 zwischen den zweiten Leiterplatten 40 und der ersten Leiterplatte 30. Dieser Schritt wird automatisiert durch einen Automaten („Drahtbonder“) durchgeführt. Abweichend von der Darstellung im Beispiel der 1 und 2 können die Drahtanschlussverbindungen 50 auch von Bonddrähten mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt, z. B. einem rechteckigen Querschnitt gebildet sein.
  • Insbesondere für ein derart weitgehend automatisiertes Herstellungsverfahren ist es im Rahmen der Erfindung von Vorteil, wenn wie im Beispiel der 1 und 2 dargestellt die Anschlussflächen 34 der ersten Leiterplatte 30 und die Anschlussflächen 44 der zweiten Leiterplatten 40 auf der dem Zellenstapel 12 jeweils abgewandten Flachseite der Leiterplatten 30, 40 angeordnet sind, um eine gute Zugänglichkeit für die Werkzeuge wie den Drahtbonder zu gewährleisten. Außerdem ist es von Vorteil, wenn wie dargestellt die Anschlussflächen 34 der ersten Leiterplatte 30 und die Anschlussflächen 44 der zweiten Leiterplatten 40 sich in Richtung orthogonal zur Außenfläche des Zellenstapels (z-Richtung) betrachtet wenigstens annähernd an der gleichen Stelle befinden, um damit vorteilhaft die mittels der elektrischen Drahtanschlussverbindungen 50 zu überbrückenden Distanzen gering zu halten.

Claims (8)

  1. Elektrische Batterie (10), aufweisend - einen Zellenstapel (12) aus mehreren in einer Stapelrichtung (y) aneinander gereihten Batteriezellen (14), wobei die Batteriezellen (14) an einer sich in Stapelrichtung (y) und orthogonal (x) dazu erstreckenden Außenfläche des Zellenstapels (12) hervorstehende Zellenpole (16, 18) aufweisen, - mehrere Zellverbinder (20) zum elektrisch miteinander Verbinden von Zellenpolen (16, 18) von im Zellenstapel (12) einander benachbarten der Batteriezellen (14), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Batterie (10) ferner aufweist: - eine erste Leiterplatte (30), die an der Außenfläche des Zellenstapels (12) und parallel zu dieser Außenfläche sich erstreckend angeordnet ist und eine Leiterbahnanordnung (32) mit zu jeweiligen Anschlussflächen (34) der ersten Leiterplatte (30) führenden Leiterbahnen aufweist, - wenigstens eine zweite Leiterplatte (40), die an einem der Zellverbinder (20) befestigt ist, mit einem Temperatursensor (41) bestückt ist, und eine Leiterbahnanordnung (42) mit von dem Temperatursensor (41) zu Anschlussflächen (44) der zweiten Leiterplatte (40) führenden Leiterbahnen aufweist, und - eine elektrische Drahtanschlussverbindung (50) zwischen den Anschlussflächen (44) der zweiten Leiterplatte (40) und zugeordneten der Anschlussflächen (34) der ersten Leiterplatte (30).
  2. Elektrische Batterie (10) nach Anspruch 1, wobei die Zellverbinder (20) plattenförmig oder streifenförmig ausgebildet sind.
  3. Elektrische Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anschlussflächen (34) der ersten Leiterplatte (30) in einer in Stapelrichtung (y) des Zellenstapels (12) verlaufenden Reihe in einem Randbereich der ersten Leiterplatte (30) angeordnet sind.
  4. Elektrische Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Leiterplatte (30) ein wenigstens annähernd rechteckiges Format besitzt.
  5. Elektrische Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Leiterplatte (40) an dem betreffenden Zellverbinder (20) angeklebt ist.
  6. Elektrische Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Leiterplatte (30) mit elektronischen Bauelementen bestückt ist, insbesondere zur Realisierung einer elektronischen Einrichtung zur Verarbeitung und/oder Auswertung eines von dem Temperatursensor (41) gelieferten Sensorsignals.
  7. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte: - Bilden eines Zellenstapels (12) durch Aneinanderreihen von mehreren Batteriezellen (14) in einer Stapelrichtung (y), wobei die Batteriezellen (14) an einer sich in Stapelrichtung (y) und orthogonal (x) dazu erstreckenden Außenfläche des so gebildeten Zellenstapels (12) hervorstehende Zellenpole (16, 18) aufweisen, - elektrisch miteinander Verbinden von Zellenpolen (16, 18) von im Zellenstapel (12) einander benachbarten der Batteriezellen (14) durch Anlöten oder Anschweißen von Zellverbindern (20) an den betreffenden Zellenpolen (16, 18), - Anordnen einer ersten Leiterplatte (30) an der Außenfläche des Zellenstapels (12) und parallel zu dieser Außenfläche sich erstreckend, wobei die erste Leiterplatte (30) eine Leiterbahnanordnung (32) mit zu jeweiligen Anschlussflächen (34) der ersten Leiterplatte (30) führenden Leiterbahnen aufweist, - Befestigen wenigstens einer zweiten Leiterplatte (40) an einem der Zellverbinder (20), wobei die zweite Leiterplatte (40) mit einem Temperatursensor (41) bestückt ist und eine Leiterbahnanordnung (42) mit von dem Temperatursensor (41) zu Anschlussflächen (44) der zweiten Leiterplatte (40) führenden Leiterbahnen aufweist, - Drahtbonden zum Bilden einer elektrischen Drahtanschlussverbindung (50) zwischen den Anschlussflächen (44) der zweiten Leiterplatte (40) und zugeordneten der Anschlussflächen (34) der ersten Leiterplatte (30).
  8. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Batterie (10) nach Anspruch 7, wobei zumindest das Befestigen der wenigstens einer zweiten Leiterplatte (40) an einem der Zellverbinder (20) und/oder das Drahtbonden zum Bilden der elektrischen Drahtanschlussverbindung (50) automatisiert durchgeführt wird.
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