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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mehreren Batterieeinzelzellen, welche über wenigstens einen Zellverbinder elektrisch kontaktiert sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines derartigen Batteriemoduls.
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Das Verbinden von mehreren Batterieeinzelzellen zu einem Batteriemodul und das elektrische Kontaktieren der Batterieeinzelzellen untereinander erfolgt gemäß dem allgemeinen Stand der Technik sehr häufig über Schweißnähte, welche die entsprechende Verbindung schaffen. Dies kann je nach elektrischer Verschaltung der Batterieeinzelzellen jedoch dahingehend kritisch sein, dass unterschiedliche Materialien für die unterschiedlichen Batteriepole der Batterieeinzelzellen eingesetzt werden müssen, beispielsweise ein kupferhaltiges Material einerseits und ein aluminiumhaltiges Material andererseits. Diese Materialien können beim Verschweißen untereinander zu entsprechenden Problemen führen.
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Neben dem Verschweißen hat sich außerdem ein mechanisches Kontaktieren der Batterieeinzelzellen untereinander etabliert. Ein hierfür geeigneter Zellverbinder ist beispielsweise aus dem Gebrauchsmuster
DE 20 2018 106 375 U1 bekannt. Problematisch bei den dort beschriebenen mechanischen Steckverbindungen zwischen den Batterieeinzelzellen und den Bauteilen des Zellverbinders sind dabei auftretende Fertigungstoleranzen, welche nicht kompensiert werden können und zu partiell undefinierten und inhomogenen Kontaktwiderständen in der elektrischen Verbindung führen. Bei einem zusätzlichen Auftragen von Verguss- und/oder Klebestoffmassen kann es außerdem passieren, dass selbige in den Bereich der Kontaktierung eindringen und die Steckverbindung elektrisch eventuell sogar unterbrechen oder zumindest für einen undefinierten und inhomogenen Übergangswiderstand sorgen.
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Ein weiteres Problem aktueller mechanischer Steckverbindungen liegt in ihrer relativ niedrigen mechanischen Eigenfestigkeit, sodass diese sich nur bei relativ geringen Durchmessern der Batterieeinzelzellen bzw. relativ geringen Zellgrößen bei von der zylindrischen Form abweichenden Batterieeinzelzellen überhaupt einsetzen lassen.
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Die
DE 10 2019 210 766 A1 zeigt eine Kontaktfeder, bei welcher durch einen zusätzlichen Federring der Andruck verstärkt wird. Ein ähnliches Konzept zeigt auch die
CN 110 707 276 A . Darin wird ein Kontaktelement beschreiben, bei dem anstelle des Federrings eine zusätzliche Ringhülse zum Einsatz kommt.
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Die
DE 10 2020 203 873 A1 zeigt ein Batteriemodul sowie ein Herstellungsverfahren hierfür. Darin wird eine wärmeleitfähige Vergussmasse als alternative Befestigungsoption zu der Klemmbefestigung beschrieben.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Batteriemodul mit mehreren Batterieeinzelzellen anzugeben, welche über wenigstens einen Zellverbinder elektrisch kontaktiert sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 8 ein Verfahren zur Montage eines derartigen Batteriemoduls angegeben. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul ist es vorgesehen, dass der Zellverbinder in Richtung der zu kontaktierenden Batterieeinzelzelle überstehende Laschen aufweist, wobei eine Fixiereinheit die mit einer der Batterieeinzelzellen in Kontakt stehenden Laschen sowie das Gehäuse der Batterieeinzelzelle an ihrem den Laschen zugewandten Ende umgibt. Die Fixiereinheit ist dazu eingerichtet, in einem ersten losen Zustand die Laschen und das Gehäuse locker zu umfassen und in einem zweiten fixierten Zustand die Laschen und das Gehäuse fest zu umschließen.
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Die Laschen in dem Zellverbinder, in welche bei der Montage, insbesondere unter Zuhilfenahme der Schwerkraft, die Batterieeinzelzellen eingesetzt werden, sind durch ihre Elastizität in der Lage Fertigungstoleranzen bis zu einem gewissen Grad auszugleichen. Eine Fixiereinheit lässt sich dabei um einige der Laschen herum positionieren und umfasst diese in einem losen Zustand. Die Batterieeinzelzelle kann dann darin eingesetzt werden und die Fixiereinheit wird in ihren zweiten fixierten Zustand verbracht und fixiert somit einerseits das Gehäuse der Batterieeinzelzelle in seiner Position und andererseits die Laschen. Die Fixiereinheit kann beispielsweise aus einem Band oder dergleichen bestehen, welches locker in seinem ersten Zustand um das Gehäuse der Batterieeinzelzelle und die Laschen herumgelegt und in seinem zweiten Zustand dann angespannt wird, um die entsprechenden Bauteile aneinander zu fixieren.
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Erfindungsgemäß sind die Fixiereinheiten als ein Wärmeschrumpfschlauch ausgebildet. Insbesondere kann der Wärmeschrumpfschlauch auch als sogenannter Niedertemperaturwärmeschrumpfschlauch realisiert werden, welcher bereits bei Temperaturen in der Größenordnung von 60 bis 70°C entsprechend schrumpft, sodass die thermische Belastung der Batterieeinzelzellen bei der Montage gering gehalten werden kann.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ist es dabei vorgesehen, dass zwischen den benachbarten Fixiereinheiten mehrerer Batterieeinzelzellen eine Vergussmasse oder ein Klebstoff auf dem Zellverbinder angeordnet ist. Eine solche Vergussmasse kann beispielsweise zur zusätzlichen Fixierung des Aufbaus dienen. Sie kann wie ein Klebstoff zwischen die einzelnen Fixiereinheiten aufgebracht werden. Im Fall der Verwendung einer Vergussmasse oder eines Klebstoffs kann diese bzw. dieser insbesondere mit wärmeleitenden Partikeln, Fasern oder dergleichen versehen sein, um so eine gute thermische Anbindung der Batterieeinzelzellen an dem Zellverbinder zu schaffen, welcher gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung in wärmeleitendem Kontakt mit einem Kühlmedium stehen kann, beispielsweise auf einer seiner Seiten direkt von dem Kühlmedium angeströmt werden kann.
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Die Fixiereinheit selbst, welche das den Laschen zugewandte Ende des Batteriegehäuses sowie die Laschen selbst umgibt, hat dabei den Vorteil, dass sie den Bereich zwischen dem Batteriegehäuse und den Laschen nach außen hin abdichtet, sodass der Klebstoff oder die Vergussmasse nicht zwischen die die Batterieeinzelzelle kontaktierenden Laschen und die Batterieeinzelzelle gelangen kann. Hierdurch ist eine sichere und zuverlässige Kontaktierung der Batterieeinzelzelle gewährleistet. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn verschiedene Materialien zum Einsatz kommen, beispielsweise Aluminium oder Hilumin einerseits und Kupfer andererseits. Das mechanische Verbinden des Zellverbinders mit dem Gehäuse der Batterieeinzelzelle durch das Einpressen der Batterieeinzelzelle in die Laschen kann auch bei unterschiedlichen Materialkombinationen problemlos realisiert werden. Das Fixieren erfolgt dann durch die Fixiereinheit sowie gegebenenfalls durch die nachträglich aufgebrachte Vergussmasse bzw. den nachträglich aufgebrachten Klebstoff, welcher durch die Fixiereinheit daran gehindert wird, in den Bereich der elektrischen Kontaktierung zu gelangen.
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Entsprechende zylindrische Abschnitte eines Wärmeschrumpfschlauchs können dann beispielsweise beim Einsatz von zylindrischen Batterieeinzelzellen um jeweils einen Laschenkranz gelegt werden, in welchen die Batterieeinzelzelle dann eingesetzt wird. Anschließend wird die Temperatur beispielsweise auf 65°C erhöht, um den Niedertemperaturwärmeschrumpfschlauch als Fixiereinheit entsprechend zu aktivieren, sodass dieser sich fest um das den Laschen zugewandte Ende der Batterieeinzelzelle bzw. ihres Gehäuses einerseits und den Laschenkranz andererseits legt und die Bauteile mechanisch miteinander fixiert.
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Ein solcher Laschenkranz oder auch eine zu jeder anderen Grundform der Batterieeinzelzelle passende Laschenanordnung kann dabei in der Art ausgebildet sein, dass jede der Laschen einen Abschnitt aufweist, welcher schräg zur Kraftrichtung beim Aufsetzen der Batterieeinzelzellen auf die Laschen ausgebildet ist. Die Laschen können also beispielsweise Abschnitte aufweisen, welche in einem Winkel von 30 bis 60° schräg zur Richtung, in welcher die Batterieeinzelzelle auf die Laschen eingesetzt wird, stehen. Hierdurch wird eine relativ hohe Elastizität der Laschen erreicht, um so einen idealen Toleranzausgleich bei zuverlässiger und reproduzierbarer elektrischer Kontaktierung zu gewährleisten.
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Die Montage erfolgt dabei wie oben bereits erwähnt in der Art, dass die Fixiereinheiten um die Laschen positioniert, die Batterieeinzelzellen eingesetzt und die Fixiereinheiten in ihren zweiten fixierten Zustand verbracht werden. Anschließend kann optional über einen Klebstoff oder eine Vergussmasse der Aufbau weiter stabilisiert werden und insbesondere kann auf diese Art auch eine wärmeleitende Verbindung zwischen den Batterieeinzelzellen und dem Zellverbinder realisiert werden, sodass dieser als Teil eines Kühlkreislaufs beispielsweise von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium direkt angeströmt werden kann, um die Batterieeinzelzellen entsprechend zu kühlen.
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Grundlegend eignet sich dieser Aufbau eines Batteriemoduls für jede Art von Batteriemodul. Insbesondere eignet er sich für leistungsstarke Batteriemodule, wie sie beispielsweise als Traktionsbatterien zum Antreiben von zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen ausgebildet sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sowie des Verfahrens zur Montage eines solchen Batteriemoduls ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 das Aufsetzen von zwei Fixiereinheiten auf einen beispielhaften Zellverbinder eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls;
- 2 das Einsetzen einer Batterieeinzelzelle in den gemäß 1 geschaffenen Aufbau;
- 3 das Verbringen der Fixiereinheiten in ihren fixierten Zustand am Beispiel von zwei in den Aufbau des Zellverbinders eingesetzten Batterieeinzelzellen;
- 4 das Aufbringen einer zusätzlichen wärmeleitenden Vergussmasse; und
- 5 eine alternative Form von Laschen auf dem Ausschnitt eines Zellverbinders.
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In der Darstellung der 1 ist ein Zellverbinder 1 in einem schematischen Querschnitt zu erkennen. Er besteht im Wesentlichen aus einer Grundplatte 2 sowie darauf angeordneten Laschen 3, welche hier zwei benachbarte Laschenkränze ausbilden, wobei nur bei einem dieser Laschenkränze, hier dem links dargestellten Laschenkranz, die Laschen mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet sind. Jeder dieser beiden nebeneinanderliegenden Laschenkränze dient später zum Einsetzen einer Batterieeinzelzelle 4, wie es in den 2 ff. angedeutet ist. In einem ersten Verfahrensschritt der Montage werden dazu auf jeden der beiden Laschenkränze jeweils eine Fixiereinheit 5 aufgesetzt. Die Fixiereinheit 5 kann beispielsweise aus einem Niedertemperatur-Wärmeschrumpfschlauch bestehen. Er wird in seinem losen, also nicht geschrumpften Zustand auf die Laschen 3 des jeweiligen Laschenkranzes aufgesetzt, wie es in den 1 und 2 entsprechend angedeutet ist. In der Darstellung der 2 verdecken die beiden Fixiereinheiten 5 die direkte Sicht auf die Laschen 3 der beiden Laschenkränze, sodass diese nur noch gestrichelt dargestellt sind. In jeden der Laschenkränze, in der Darstellung der 2 rein beispielhaft beginnend mit dem links dargestellten Laschenkranz, wird nun die Batterieeinzelzelle 4 entsprechend eingesetzt. Ihr Gehäuse 6 kommt mit einem Gehäuseboden 7 am Ende dieses Einsetzens in den entsprechenden Laschen 3 zu liegen. Durch die Elastizität der Laschen 3 und ihr in diesem Fall leicht abgekröpftes Ende lassen sich Fertigungstoleranzen ausgleichen und es kann, unabhängig vom Material der Laschen 3 und dem Gehäuse 6 eine gute Kontaktierung zwischen den Laschen 3 und dem Gehäuseboden 7 realisiert werden. Beispielsweise können die Laschen aus einer kupferhaltigen Legierung hergestellt sein, während das Gehäuse 6 beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist. Auch ein Gehäuse 6 aus Hilumin und die Ausgestaltung des Zellverbinders 1 beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium wären denkbar, ebenso die Ausgestaltung aus einem identischen Werkstoff.
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Unabhängig von den Werkstoffen wird durch die mechanische Kontaktierung des Gehäuses 6 der Batterieeinzelzelle 4 das Gehäuse 6 beim Einsetzen in die Laschen 3 zuverlässig elektrisch kontaktiert. In der Darstellung der 3 sind nun zwei Batterieeinzelzellen 4 zu erkennen, welche mit ihrem jeweiligen hier nicht erneut bezeichneten Boden 7 sowie Gehäuse 6 in die Laschen 3 des jeweiligen Laschenkranzes eingesetzt sind. Das Material der als Fixiereinheiten 5 genutzten Niedertemperatur-Schrumpfschläuche wird nun entsprechend erwärmt, beispielsweise auf eine Temperatur von 65°C, um den Niedertemperatur-Wärmeschrumpfschlauch entsprechend zu schrumpfen. Er legt sich, wie es in der Darstellung der 3 durch die Pfeile angedeutet ist, dabei fest um den Aufbau des jeweiligen Laschenkranzes und das den Laschen 3 zugewandte Ende des Gehäuses 6 der Batterieeinzelzellen 4. Hierdurch erfolgt eine mechanische Fixierung des Zellverbinders 1 und der Batterieeinzelzellen 4 aneinander unter Aufrechterhalten der elektrischen Kontaktierung zwischen den zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen flexiblen Laschen 3 und dem Batteriegehäuse 6.
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An sich ist damit die Fixierung und elektrische Kontaktierung der beiden Batterieeinzelzellen 4 mit dem Zellverbinder 1 abgeschlossen. Optional lässt sich nun außerdem ein Klebstoff oder eine Vergussmasse, bevorzugt eine Wärmeleitvergussmasse applizieren. In der Darstellung der 4 wird der in 3 beschriebene Aufbau nochmals aufgegriffen. Über einen Applikator 8 wird hier zwischen den Fixiereinheiten 5 eine Wärmeleitvergussmasse 9 aufgebracht, welche einerseits zur zusätzlichen Fixierung des Aufbaus dient und entsprechend hoch aufgebracht werden kann, sodass sie sowohl den Zellverbinder 1 als auch die Gehäuse 6 der Batterieeinzelzellen miteinander verbindet.
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Außerdem kann beim Einsatz einer Wärmeleitvergussmasse 9 eine Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Gehäuse 6 der Batterieeinzelzellen 4 und dem Zellverbinder 1 zusätzlich zu der elektrisch leitenden und wärmeleitenden Verbindung über die Laschen 3 hergestellt werden. Der Zellverbinder 1 kann dann unmittelbar gekühlt werden, beispielsweise indem er auf seiner den Laschen 3 abgewandten Seite von einem Kühlmedium angeströmt wird oder auf einem von einem Kühlmedium durchströmten Kühlplatte oder dergleichen montiert wird. Die Wärmeleitvergussmasse 9 unterstützt so die Kühlung. Durch die Fixiereinheit 5 kann sie nicht zwischen die einzelnen Laschen und die entsprechenden Gehäuse 6 der Batterieeinzelzellen 4 eindringen und die elektrische Kontaktierung behindern, da die Fixiereinheiten 5 diesen Bereich ausreichend abdichten und schützen.
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In der Darstellung der 5 ist abschließend ein alternativer Aufbau eines Laschenkranzes mit mehreren Laschen 3 auf der Grundplatte 2 des Zellverbinders 1 zu erkennen. Anders als die bisher gezeigten Laschen 3, welche im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte 2 standen und an ihren Enden leicht abgekröpft sind, werden hier nun sogenannte geschwungene Laschen eingesetzt, welche also über einen größeren Teil ihrer Länge schräg zur Oberfläche der Grundplatte 2 und zu der darauf senkrecht stehenden Aufsetzrichtung der Batterieeinzelzellen 4 auf die Laschen 3 verlaufen. Die Laschen 3 werden dadurch besonders elastisch und können eventuelle Fertigungstoleranzen noch besser ausgleichen sowie eine vergrößerte Kontaktierungsfläche zum Gehäuse 6 der Batteriezelle 4 ausbilden.
