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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von zylindrischen Speicherelementen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batterie aus wenigstens zwei derartigen Batteriemodulen sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie.
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Batteriemodule aus zylindrischen Speicherelementen, insbesondere elektrochemischen Batteriezellen bzw. Batterieeinzelzellen, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden runde Batterieeinzelzellen innerhalb eines Moduls so angeordnet, dass eine möglichst dichte Packung entsteht. Hierfür werden einzelne Reihen der identisch aufgebauten auch als Rundzellen bezeichneten Speicherelemente typischerweise um den halben Durchmesser einer der Rundzellen versetzt zueinander angeordnet und die einzelnen Reihen entsprechend aufgestapelt. Die deutsche Patentschrift
DE 10 2014 002 165 B3 zeigt rein beispielhaft einen solchen Aufbau und beschäftigt sich mit der Fixierung der Batterieeinzelzellen in dieser eben angesprochenen Anordnung.
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Neben der reinen Energiedichte je Speicherelement spielt bei Batteriemodulen auch die sogenannte volumetrische Energiedichte oder das Energievolumen eine Rolle. Dieser Wert bezeichnet die Menge an Energie, welche innerhalb des Batteriemoduls in einem bestimmten vorgegebenen Volumen gespeichert werden kann. Wie oben bereits beschrieben wird dies bei Rundzellen typischerweise durch eine Anordnung mit um einen halben Durchmesser versetzten Reihen realisiert. Wünschenswert wäre eine noch bessere Raumausnutzung, da auch bei dieser Anordnung noch relativ große Bereiche zwischen den Einzelzellen leer bleiben, insbesondere wenn die Durchmesser der Rundzellen immer größer werden, was aktuell im Trend der allgemeinen Entwicklung liegt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin ein verbessertes Batteriemodul anzugeben, welches insbesondere eine bessere volumetrische Energiedichte zu erzielen vermag. Außerdem ist es die Aufgabe eine Batterie und ein Fahrzeug mit einer Batterie anzugeben, dessen Batterie die Aufgabe ebenfalls löst.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst eine Batterie mit wenigstens zwei derartigen Batteriemodulen gemäß Anspruch 8 die Aufgabe. Die Aufgabe wird außerdem durch ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul ist es abweichend von der allgemein gängigen Praxis vorgesehen, dass wenigstens zwei Gruppen von zylindrischen Speicherelementen eingesetzt werden, welche unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Diese Gruppen unterschiedlicher Durchmesser können prinzipiell gleichartige Speicherelemente umfassen, welche sich lediglich hinsichtlich ihres Durchmessers unterscheiden. Die unterschiedlichen Durchmesser bieten die Möglichkeit die einzelnen Speicherelemente entsprechend dicht zu packen. So können beispielsweise Speicherelemente mit relativ großem Durchmesser in Reihen versetzt oder vorzugsweise nicht versetzt zueinander angeordnet werden. Die dabei zwischen den einzelnen Speicherelementen dieser ersten Gruppe entstehenden Hohlräume lassen sich dann mit Speicherelementen einer zweiten Gruppe mit geringerem Durchmesser auffüllen. Wenn die Durchmesser der einzelnen Speicherelemente der beiden Gruppen aufeinander abgestimmt werden, lässt sich so eine außerordentlich hohe volumetrische Energiedichte erzielen.
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Wenigstens eine der Gruppen von zylindrischen Speicherelementen kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit elektrochemischen Speicherelementen ausgebildet sein. Diese elektrochemischen Speicherelemente können beispielsweise Lithium-lonen-Zellen sein. Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sieht es vor, dass in wenigstens einer der Gruppen die Speicherelemente als Kondensatoren ausgebildet sind. Hierdurch wird eine Kombination beispielsweise von Batterieeinzelzellen und Supercaps möglich, um so Energie mit hoher Leistung schnell kurzzeitig zwischenspeichern zu können, um sie dann direkt aus den Kondensatoren wiederzuverwenden oder in die Batteriezellen zu verschieben.
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Besonders bevorzugt sind jedoch alle Speicherelemente der unterschiedlichen Gruppen als Batterieeinzelzellen ausgebildet. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung hiervon kann es entsprechend vorgesehen sein, dass die Gruppen eine unterschiedliche Zellchemie und/oder ein unterschiedliches Zelldesign aufweisen. Die Zellen können also auf verschiedene Anwendungen hin optimiert ausgeführt werden. Insbesondere bei derartigen unterschiedlichen Speicherelementen in jeder der Gruppen kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung ferner vorgesehen sein, dass die Speicherelemente innerhalb einer Gruppe und getrennt von der oder den anderen Gruppen elektrisch kontaktiert sind. Die Speicherelemente jeder Gruppe sind also jeweils für sich elektrisch kontaktiert und bilden quasi ein Submodul aus, wobei die beiden oder mehrere Submodule in demselben Volumen angeordnet sind. Elektrisch können sie über ein Batteriemanagementsystem bzw. eine Leistungselektronik in Verbindung stehen, um so je nach Bedarf die eine oder die andere Gruppe der Speicherelemente nutzen zu können, beispielsweise wenn diese unterschiedliche Anforderungen bezüglich der Leistungsaufnahme und/oder -abgabe erfüllen.
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Wie oben bereits erwähnt können dabei gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls die Speicherelemente einer ersten Gruppe mit größerem Durchmesser und die Speicherelemente einer zweiten Gruppe mit kleinerem Durchmesser ausgebildet sein, wobei die erste Gruppe in nicht versetzten Reihen angeordnet ist, sodass die Speicherelemente der zweiten Gruppe in den Zwischenräumen angeordnet werden können. Hierdurch lässt sich bei abgestimmten Durchmessern eine ideale Packungsdichte erreichen.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Variante des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Speicherelemente mit dem größeren Durchmesser auf einen hohen Energieinhalt hin optimiert sind und die Speicherelemente mit dem kleineren Durchmesser auf eine hohe Leistung hinausgelegt sind. Eine solche Auslegung der einen Gruppe von Speicherelementen in Richtung einer hohen Energiedichte ermöglicht insbesondere bei einem Fahrzeugeinsatz eine hohe Reichweite bei einer längeren Fahrt mit vergleichsweise konstanter Leistung. Die Speicherelemente, welche sich hierfür eignen, haben vergleichsweise große Durchmesser und werden auch als High Energy-Zellen bezeichnet. Die Speicherelemente mit dem kleineren Durchmesser eignen sich dann besonders gut, um Spitzenlasten abzufedern. Derartige Rundzellen werden typischerweise als High Power-Zellen bezeichnet und können sich mit den High Energy-Zellen ideal zu dem Batteriemodul ergänzen, insbesondere wenn dieses Batteriemodul Teil einer Batterie ist, welche in einem Fahrzeug zu dessen Antrieb dient. Das Fahrzeug selbst kann dabei ausschließlich elektrisch oder teilweise elektrisch angetrieben sein, also beispielsweise als batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder als Hybridfahrzeug mit einer Batterie als Speichersystem und einer weiteren Energiequelle, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, einer Brennstoffzelle oder dergleichen ausgebildet sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Batteriemodul gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht; und
- 2 ein Batteriemodul gemäß der Erfindung in einer Draufsicht.
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In der Darstellung der 1 ist ein Batteriemodul 1 zu erkennen, wie es grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Batteriemodul 1 aus vier Reihen 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4 von jeweils fünf Batterieeinzelzellen 3, welche hier als zylindrische Speicherelemente in dem Batteriemodul 1 dienen. Die einzelnen Reihen sind um den halben Durchmesser einer zylindrischen Batterieeinzelzelle 3, welche auch als Rundzelle bezeichnet wird, zueinander versetzt, sodass eine relativ dichte Packung der Batterieeinzelzellen 3 entsteht. Diese sind über angedeutete Stromabnehmer 4 elektrisch miteinander verbunden und mit einem Stromsammler 5 versehen. Dieser kann beispielsweise mit weiteren Batteriemodulen kontaktiert sein und kann mit einem Batteriemanagementsystem bzw. einer Leistungselektronik in Verbindung stehen. Leistung kann dabei aus dem Batteriemodul 1 entnommen oder in dieses eingespeichert werden, wie es durch den Doppelpfeil im Bereich des Stromsammlers 5 angedeutet ist. Die elektrische Anbindung zeigt dabei lediglich einen der Pole, hier beispielsweise den Pluspol, der Minuspol ist entsprechend kontaktiert, bei Rundzellen typischerweise über die Bechergehäuse, welche den Minuspol ausbilden und beispielsweise eine analoge elektrische Verschaltung im hier nicht erkennbaren Bodenbereich ermöglichen.
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In der Darstellung der 2 ist nun ein verbessertes Batteriemodul 10 zu erkennen, welches aus zwei Gruppen von Rundellen 31, 32 besteht. Die erste Gruppe von Rundzellen 31 weist dabei einen vergleichbaren Durchmesser wie die Rundzellen im Stand der Technik gemäß 1 auf. Jeweils fünf der Rundzellen 31 sind in einer Reihe 21.1, 21.2 und 21.3 angeordnet, wobei die einzelnen Reihen 21.1, 21.2 und 21.3 hier anders als bei der Ausführung gemäß dem Stand der Technik nicht um einen halben Durchmesser der Rundzellen 31 versetzt zueinander angeordnet sind. Ansonsten sind die einzelnen Reihen über elektrische Verbinder 41 und einem Stromsammler 51 wie oben beschrieben elektrisch miteinander kontaktiert. Die zweite Gruppe von Rundzellen 32 weist nun einen sehr viel geringeren Durchmesser als die erste Gruppe der Rundzellen 31 auf. Diese in ihrem Durchmesser kleineren Rundzellen 32 lassen sich damit in den Zwischenräumen zwischen den größeren Rundzellen 31 der ersten Gruppe anordnen. Die Rundzellen 32 der zweiten Gruppe sind hier beispielhaft in zwei Reihen 22.1 und 22.2 zu je vier Rundzellen 32 angeordnet und über Zellverbinder 42 mit einem eigenen Stromsammler 52 verbunden. Die Rundzellen 31, 32 der beiden Gruppen sind hier innerhalb der Gruppe jeweils parallel verschaltet, was jedoch rein beispielhaft zu verstehen ist, selbstverständlich wäre hier auch eine Reihenschaltung innerhalb der jeweiligen Gruppe bzw. innerhalb der jeweiligen Reihe 21.1, 21.2, 21.3 sowie 22.1 und 22.2 denkbar. Die beiden Stromsammler 51, 52 sind nun ihrerseits über einen Leitungssatz 60 miteinander verbunden, sodass, wie es wiederum über den Doppelpfeil angedeutet ist, Energie in dem Batteriemodul 1 gespeichert oder diesem entnommen werden kann.
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Vorzugsweise ist es so, dass die Rundzellen 31 der ersten Gruppe mit relativ großem Durchmesser als sogenannte High Energy-Zellen ausgebildet sind. Sie ermöglichen beim Einsatz des Batteriemoduls 10 in einer hier nicht dargestellten Batterie in einem Fahrzeug einen relativ hohen Energieinhalt und damit eine relativ große Reichweite. Derartige High Energy-Zellen sind jedoch wenig geeignet um Spitzenlasten abzufedern, also hohe Leistungen für Beschleunigungsvorgänge zur Verfügung zu stellen oder hohe Leistungen bei einem scharfen Abbremsen über generatorische Rekuperation einzuspeichern. Hierfür wären in dem Beispiel der 2 dann die Rundzellen 32 der zweiten Gruppe mit geringerem Durchmesser vorgesehen. Diese können vorzugsweise als sogenannte High Power-Zellen ausgebildet sein, welche zwar eine geringere Kapazität aufweisen, jedoch aufgrund ihrer Zellchemie und der eingesetzten Aktivmaterialien besser geeignet sind, um sehr dynamisch hohe Leistungen abzugeben und einzuspeichern, sodass diese sich insbesondere für die oben genannten Beschleunigungsvorgänge und Bremsvorgänge in vergleichsweise kurzen Zeitspannen ideal eignen. Über eine Leistungselektronik 61 bzw. ein entsprechendes Batteriemanagementsystem kann nun dafür gesorgt werden, dass die Rundzellen 31 der ersten Gruppe oder die Rundzellen 32 der zweiten Gruppe je nach Bedarf zum Einsatz kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014002165 B3 [0002]
