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FELD DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung von Batteriezellen in einem Gehäuse, wobei die Batteriezellen ein Batteriezellenpaket bilden und durch eine isolierende Schicht umhüllt und mindestens gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert sind, wobei die Batteriezellen mit Hilfe von Sensoren überwacht werden, insbesondere mit Sensoren zur Spannungsüberwachung und/oder Temperaturüberwachung versehen sind, wobei die Sensoren mittels aus mehreren Schichten aufgebauten Flachleitern mit einer Steuerungseinrichtung, einem Batterieüberwachungssystem oder einem Steckerteil am Gehäuse verbunden sind, wobei der Flachleiter mit den Sensoren der Batteriezellen verbundene elektrisch leitende Schichten oder Leiterbahnen und mindestens eine diese leitenden Schichten oder Leiterbahnen elektrisch isolierende Schicht aufweist.
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Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Montageverfahren für eine solche Anordnung von Batteriezellen, eine Traktionsbatterie mit einer solchen Anordnung sowie ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer solchen Traktionsbatterie.
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Traktions- oder Antriebsbatterien in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind üblicherweise aus einer Vielzahl von Batteriezellen aufgebaut, die als Zellpakete oder Zellstacks oft in modular aufgebauten Gehäusen, so genannten Batteriemodulen angeordnet sind, von denen wiederum eine Anzahl in stabilen Batteriegehäusen angeordnet sein können. Der Begriff und Gegenstand „Batteriemodul“ wird im Stand der Technik gegenüber der Antriebsbatterie bzw. dem Stromspeicher, der Batterie als Ganzes oft unterschiedlich abgegrenzt, beinhaltet aber immer eine Zusammenstellung bzw. eine Anzahl von miteinander verbundenen einzelnen Batteriezellen, wobei die einzelnen Batteriezellen oder Zellpakete in jedem Fall in einem wie auch immer gearteten Gehäuse angeordnet sind.
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STAND DER TECHNIK
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Um Kurzschlüsse und Kontakte zwischen einzelnen Batteriezellen oder Zellpaketen und dem Gehäuse zu vermeiden, sind bestimmte Mindestanforderungen an die Luft- und Kriechstrecken zu beachten. Damit müssen die Batteriezellen entweder einen Mindestabstand zum Gehäuse halten oder aber gegenüber dem Gehäuse isoliert werden. Die Isolation erfolgt z.B. durch separat in das Gehäuse einzubringende elektrisch isolierende Folien oder Trennschichten, die die Batteriezellen oder Zellpakete umgeben.
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Weiterhin ist es erforderlich, die einzelnen Batteriezellen zu überwachen, insbesondere im Hinblick auf ihre Temperatur und auf ihre Spannung. Hierzu werden Sensoren eingesetzt, etwa Temperatursensoren an den einzelnen Zellen oder es wird ein Abgriff der Spannungen an den einzelnen Kontaktblechen, -folien oder -streifen, den so genannten Zell-Tabs durchgeführt. Die Kontaktierung sowohl der Sensoren als auch der Kontakt zu den Zell-Tabs erfolgt üblicherweise mithilfe von Flachleitern. Ein solcher Flachleiter umfasst ein oder mehrere leitende Schichten oder Leiterbahnen, die durch ein in der Regel ebenfalls schichtförmiges Isolationsmaterial voneinander getrennt sind. Die Flachleiter sind zudem so ausgelegt, dass jeweils mehrere ein Zellpaket bildende Batteriezellen überwacht werden können.
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Zum Einbau der genannten Isolationsschichten und der Flachleiter für die Überwachungssysteme für eine Anordnung von Batteriezellen ist es bisher erforderlich, mehrere nacheinander erfolgende Montageschritte einerseits für das Anbringen der Flachleiter und andererseits für das Umhüllen der Batteriezellen mit einer isolierenden Schicht durchzuführen und aufeinander anzupassen.
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Im Stand der Technik sind dazu Zellkontaktierungssysteme bekannt, bei denen bereits vorhandene isolierende Schichten vorgesehen sind. Die
DE 10 2013 220 044 B4 offenbart zum Beispiel ein Zellkontaktierungssystem für Batteriezellen, bei der ein Schichtsystem oder Laminat vorgesehen ist, welches aus mehreren leitenden und nichtleitenden Schichten besteht und mindestes zwei Signalleitungsschichten aufweist. Die nichtleitenden Schichten sind hier als Zwischenlagen zur Isolierung nur innerhalb des Zellkontaktierungssystems vorgesehen. Eine Isolierung von Batteriezellen gegenüber dem Gehäuse im oben angesprochenen Sinne ist nicht offenbart.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Hier setzt die Aufgabe der Erfindung ein, die darin besteht, eine Anordnung von Batteriezellen in einem Gehäuse bereitzustellen, bei der die Überwachung und Isolierung der Batteriezellen oder -stacks vereinfacht ist, bei der der Aufwand für die Montage von Flachleitersystemen einerseits und Isolationsfolien andererseits so gering wie möglich ist, und bei der vorhandene Montagehilfen und Systeme zur Positionierung weiter nutzbar sind.
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Gelöst wird diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben. Ebenfalls beansprucht ist ein Verfahren zur Montage einer Anordnung von Batteriezellen, eine Traktionsbatterie für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer solchen Anordnung von Batteriezellen sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Traktionsbatterie.
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Dabei weist die erfindungsgemäße Anordnung von Batteriezellen in einem Gehäuse einen Flachleiter bzw. eine flexible Leiterplatte (FPC, engl.: flexible printed circuit) mit elektrisch leitenden Schichten oder Leiterbahnen und mindestens eine diese leitenden Schichten oder Leiterbahnen elektrisch isolierende Schicht auf, wobei mindestens eine der elektrisch isolierenden Schichten des Flachleiters so ausgebildet und bemessen ist, dass jeweils eine Anzahl von Batteriezellen von der isolierenden Schicht des Flachleiters umhüllt und dadurch elektrisch isoliert ist.
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In einer solchen Anordnung von Batteriezellen ist also mindestens eine elektrisch isolierende Schicht des Flachleiters so ausgebildet, dass sie gleichzeitig als Isolierschicht für eine Anzahl von Batteriezellen dient, diese Anzahl von Zellen umhüllt und ein solches Batteriezellpaket gegenüber dem Gehäuse isoliert. Der Flachleiter wird also so vergrößert bzw. erweitert, dass das ein Teil seines Isolationsmaterials komplett um ein Zellpaket gelegt werden kann oder zumindest für die Bereiche genutzt werden kann, die eine Isolierung erfordern. Das Anbringen der Flachleiter und die notwendige Isolierung können somit in einem einzigen Montageschritt erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind alle Batteriezellen eines Batteriezellenpakets durch mindestens eine der elektrisch isolierenden Schichten des Flachleiters mindestens gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert, also z.B. gegenüber dem Gehäuse und/oder gegenüber anderen Zellpaketen. Flachleiter und notwendige Isolierung können auch hier in einem einzigen Montageschritt am Zellpaket und im Gehäuse befestigt werden.
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So können alle sinnvoll zu Zellpaketen zusammengefassten Batteriezellen im Gehäuse durch mindestens eine der elektrisch isolierenden Schichten des Flachleiters gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Eine solche Ausbildung bietet sich insbesondere dann an, wenn Batteriemodule mit einem oder mehreren Zellpaketen in jeweils einem Gehäuse zu einer großen Traktionsbatterie zusammengebaut werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Flachleiter eine elektrisch isolierende Deckschicht, eine elektrisch isolierende Grundschicht und mindestens eine zwischen Deckschicht und Grundschicht angeordnete Leiterbahn auf, wobei die Deckschicht des Flachleiters so ausgebildet und bemessen ist, dass eine Anzahl von Batteriezellen umhüllt und dadurch elektrisch isoliert ist. Dadurch, dass nur eine der Schichten des Flachleiters in ihrer Flächenausdehnung vergrößert wird, also der Flachleiter nur in Bezug auf seine Deckschicht erweitert und für das Umhüllen des Batteriezellenpaketes bemessen wird, reduziert man eingesetztes Material soweit wie möglich erreicht damit ein möglichst geringes Gewicht.
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In einer anderen Ausbildung der Erfindung enthält der Flachleiter innerhalb oder zwischen den elektrisch isolierenden Schichten weitere, nicht mit Sensoren verbundene elektrisch leitfähige Schichten. In einer solche Ausbildung stellen die mit leitfähigen Schichten versehenen isolierenden Schichten des Flachleiters gleichzeitig eine Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung bereit, so dass beispielsweise eine Anpassung an EMV-Richtlinien kein Problem darstellt (EMV Richtlinie = Richtlinie zur elektromagnetischen Verträglichkeit).
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage einer erfindungsgemäßen Anordnung von Batteriezellen, bei dem zunächst die Flachleiter so ausgerichtet werden, dass eine Verbindung der Flachleiter einerseits mit den Sensoren und andererseits mit einer Steuerungseinrichtung, einem Batterieüberwachungssystem oder einem Steckerteil am Gehäuse hergestellt und der oder die Flachleiter fixiert ist, wonach eine Anzahl von Batteriezellen mit einer elektrisch isolierenden Schicht des Flachleiters umhüllt wird. Durch eine solche Montage können im Wesentlichen dieselben Montageeinrichtungen zur Positionierung der Flachleiter genutzt werden, die bisher bei der separaten Montage von Flachleitern ohne zellenumhüllende Isolierung vorhanden waren. Es sind also keine oder nur wenig neue Werkzeuge erforderlich.
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Gemäß einem anderen Aspekt weist eine Traktionsbatterie eines elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugs die erfindungsgemäße Anordnung von Batteriezellen auf, was nicht nur zu einer preiswerteren Herstellung solcher relativ leistungsstarken Batterien führt, sondern auch deren Sicherheit erhöht. Dasselbe gilt für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die in den Figuren gezeigte beispielhafte Ausführung beschrieben. Es zeigen
- 1 die prinzipielle Ausbildung einer Anordnung von Batteriezellen, die ein Batteriezellenpaket bilden, jedoch noch nicht mit einer isolierenden Schicht umgeben sind,
- 2 eine prinzipielle Darstellung einer Anordnung von Batteriezellen, die ein Batteriezellenpaket bilden und erfindungsgemäß mit einer isolierenden Schicht umgeben sind,
- 3 eine prinzipielle Darstellung des Aufbaus eines Flachleiters für eine erfindungsgemäße Anordnung,
- 4 zur Übersicht und in einer vereinfachten Schnittdarstellung ein Batteriezellenpaket in einer erfindungsgemäßen Anordnung in einem Gehäuse,
- 5 zum Vergleich eine Ausführung aus dem Stand der Technik.
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In den Figuren können gleiche oder ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen referenziert sein. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Anordnung von Batteriezellen erschließt sich am Besten in der Zusammenschau der Figuren.
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Um die Flachleiter 3, 5 für die Sensoren an den einzelnen Batteriezellen 1 und für den sensorischen Abgriff der Spannungen an den einzelnen Kontaktblechen bzw. Kontaktfahnen 4, den so genannten Zell-Tabs, besser darzustellen, zeigt 1 eine Anordnung von Batteriezellen 1, die ein Batteriezellenpaket 2 bilden, wobei die die Zellen umgebende isolierende Schicht jedoch nicht dargestellt ist. Man erkennt hier die bzw. den Flachleiter 3 für den Spannungsabgriff sowie die Flachleiter 5 für die an deren Ende angeordneten, aber hier nicht näher dargestellten Temperatursensoren. Die Flachleiter 3 sind mit den Kontaktfahnen bzw. Zelltabs 4 verbunden.
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In 1 blickt man auf die nicht elektrisch leitende, isolierenden Grundschicht 6 der Flachleiter 3 und 5, wobei die innen liegenden, also auf der den Batteriezellen 1 zugewandten Seite der Flachleiter 3, 5 angeordneten elektrisch leitenden Schichten bzw. Leiterbahnen 7 der Flachleiter 3 und 5, welche die Signale der Sensorik zu einer ebenfalls hier nicht näher dargestellten Steuerungseinrichtung in einem Batterieüberwachungssystem leiten, nicht sichtbar sind. Die Leiterbahnen 7 erkennt man jedoch deutlich in der 3.
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In 2 erkannt man nun die Anordnung von Batteriezellen 1, die ein Batteriezellenpaket 2 bilden, die mit einer isolierenden Schicht 8 umgeben sind. Bei dieser isolierenden Schicht handelt es sich eine elektrisch isolierende Deckschicht 8 des Flachleiters, wie in der 3 zu erkennen. Die Umrisse der Batteriezellen sind hier als gestrichelte Linien gezeichnet, um hier die isolierende Deckschicht 8 deutlicher darzustellen. Zusammen stellen die 1 und 2 also die erfindungsgemäße Anordnung von Batteriezellen mit Flachleitern und isolierender Umhüllung dar.
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In der Zusammenschau mit der 3, in der der Aufbau des Flachleiters 3, 5 separat dargestellt ist, erschließt sich nun der Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung noch deutlicher. Der Flachleiter 3,5 weist eine elektrisch isolierende Grundschicht 6 und eine zwischen Deckschicht 8 und Grundschicht 6 angeordnete Leiterbahn 7 auf, wobei die Deckschicht 8 so ausgebildet und bemessen ist, dass eine Anzahl von Batteriezellen 1 umhüllt und dadurch elektrisch isoliert ist, in dieser Ausführung das gesamte Batteriezellenpaket 2.
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4 zeigt zur Übersicht noch einmal eine Prinzipskizze, in der ein Batteriezellenpaket 2 in einem Gehäuse 9 und in einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt ist. Die Batteriezellen 1 des Batteriezellenpakets 2 sind mit einer isolierenden Schicht 8 umgeben, die zum Schichtverbund mindestens eines der Flachleiter 3, 5 gehört, und sind durch diese Schicht 8 gegenüber dem Gehäuse 9 elektrisch isoliert.
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Im Vergleich dazu zeigt 5 zum Schluss eine Ausführung aus dem Stand der Technik, bei der eine isolierende Schicht zwischen einem aus einzelnen Batteriezellen 13 bestehenden Batteriezellenpaket 12 und einem Gehäuse 11 nicht vorgesehen ist. Der hier zum Anschluss der Kontaktfahnen 14 genutzte Flachleiter 15 weist keine erfindungsgemäße Ausbildung aus. Demzufolge muss ein entsprechender Abstand 10 zwischen Batteriezellenpaket 12 und Gehäuse 11 eingehalten werden, um durch vorgegebene Mindestmaße für Luft- und Kriechstrecken Kontakte oder Kurzschlüsse zu vermeiden. Dementsprechend sind die Einbaumaße für das Gehäuse größer bzw. die Baumaße für das Batteriezellenpaket kleiner.
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Liste der Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Batteriezellenpaket
- 3
- Flachleiter
- 4
- Kontaktfahne / Zelltab
- 5
- Flachleiter
- 6
- isolierende Grundschicht des Flachleiters
- 7
- Leiterbahn, elektrisch leitfähige Schicht
- 8
- isolierende Deckschicht
- 9
- Gehäuse
- 10
- Abstand zwischen Batteriezellenpaket und Gehäuse
- 11
- Gehäuse (StdT)
- 12
- Batteriezellenpaket (StdT)
- 13
- Batteriezellen (StdT)
- 14
- Kontaktfahne (StdT)
- 15
- Flachleiter (StdT)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013220044 B4 [0007]
