DE102022200770A1

DE102022200770A1 - Batteriezellverband für ein Hochvoltbatteriesystem

Info

Publication number: DE102022200770A1
Application number: DE102022200770.0A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2023-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Batteriezellverband eines Hochvoltbatteriesystems eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, mit in einer Stapelrichtung (x) hintereinander gestapelten Batteriezellen (1), die in Stapelquerrichtung (y) ausgerichtete Kathoden-Ableiter (3) und Anoden-Ableiter (5) aufweisen, wobei die Kathoden-Ableiter (3) und die Anoden-Ableiter (5) der Batteriezellen (1) mittels eines Busbarsystems (6) nach einem vorgegebenen Verschaltungsschema miteinander in Parallelschaltung und/oder in Reihenschaltung elektrisch verschaltet sind. Erfindungsgemäß ist dem Busbarsystem (6) ein Aktivierungsgerät (37) zugeordnet, mit dem während des Fahrbetriebs in Abhängigkeit von Fahrbetriebsparametern (FB) das Verschaltungsschema änderbar ist, so dass das Verschaltungsschema dem aktuellen Fahrzustand anpassbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Batteriezellverband für ein Hochvoltbatteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Batteriezellverbands nach dem Anspruch 10.
Unter einer Busbar wird in gängiger Praxis ein Bauteil verstanden, das an die Ableiter einer Batteriezelle geschweißt wird. Mit Hilfe von Busbars werden die Batteriezellen in einem Batteriezellverband in einem bestimmten Verschaltungsschema in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander elektrisch verschaltet. Die Busbar ist meist als ein Hybridbauteil, bestehend aus Kunststoff und zumindest einem Metallteil, ausgebildet. Je nach gewünschter Parallel- und Reihenschaltung wird das Metallteil (hauptsächlich eine Nickel-Zinn-Legierung) der Busbar auf einen Kunststoffkörper aufgesetzt. Nach dem Verschweißen des Metallteils mit dem jeweiligen Ableiter der Batteriezellen ergibt sich ein Batteriezellverband, etwa ein Batteriemodul, bei dem die Zellen in der gewünschten Parallel- und Reihenschaltung angeschlossen sind.
Ein gattungsgemäßer Batteriezellverband besteht aus in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelten Batteriezellen. Diese weisen quer zur Stapelrichtung Kathoden-Ableiter sowie Anoden-Ableiter auf. Die Kathoden-Ableiter und die Anoden-Ableiter der Batteriezellen sind mittels eines Busbarsystems nach einem vorbestimmten Verschaltungsschema miteinander elektrisch verschaltet.
Im Stand der Technik ist der Batteriezellenstapel nicht flexibel genug, um sich leicht an neue Parallel- und Reihenschaltungen anzupassen. Wenn zum Beispiel zwölf Pouch- oder prismatische Zellen vorhanden sind und das Modul von einem Verschaltungsschema (zum Beispiel 3P4S) auf ein anderes Verschaltungsschema (zum Beispiel 2P6S) umgestellt werden soll, müssen die nachfolgend beschriebenen, umfangreichen Änderungen vorgenommen werden. Dies ist zeitaufwendig, teuer und fehleranfällig.
So sind die Zellen bei unterschiedlichen Verschaltungsschemata (zum Beispiel 3P und 2P) unterschiedlich gruppiert. Bei einem 3P-Verschaltungsschema sind auf einer Seite des Batteriezellenstapels beispielhaft drei Aluminium-Ableiter (positiv), dann drei Kupfer-Ableiter (negativ), dann drei Aluminium-Ableiter und dann drei Kupferkollektoren angeordnet. Bei einem 2P-Verschaltungsschema kann dagegen die Reihenfolge wie folgt sein: zwei Aluminium-Ableiter - zwei Kupfer-Ableiter, zwei Aluminium-Ableiter - zwei Kupfer-Ableiter - zwei Aluminium-Ableiter - zwei Kupfer-Ableiter. Wenn die Zellen nicht korrekt übereinander angeordnet sind, muss das Modul verschrottet werden. Bei der obigen Umstellung von 3P nach 2P sind umfangreiche Softwareeingriffe erforderlich, muss die Sichtprüfung geändert werden und muss schließlich auch die Hardware angepasst werden. Daher besteht ein Batteriezellenstapel meist aus einer festen Parallel- und Reihenkombination, die nicht veränderbar ist. Das bedeutet, dass jedes Mal, wenn eine neue Parallel- und Reihenkombination benötigt wird, eine separate Modullinie benötigt wird. Dies erhöht die Kosten der Modulentwicklungslinie immens.
Bei Elektrofahrzeugen ist zudem eine Schnell-Aufladung sowie eine hohe Kilometerleistung von Relevanz. Eine Schnell-Aufladung ist möglich, wenn die Batteriespannung erhöht wird. Je höher die Spannung, desto schneller bewegen sich die geladenen Teilchen, was zu einer schnelleren Aufladung führt. Gegenwärtig ist eine höhere Spannung bis maximal 400 V verfügbar. Dadurch verkürzt sich die Ladezeit. Es ist jedoch in gängigen Hochvoltbatteriesystemen nicht möglich, die Spannung des Batteriezellverbands (das heißt des Batteriemoduls) während der Ladephase vorübergehend zu ändern.
Zudem besteht der Sachverhalt, dass die Spannung der Batterie sinkt, wenn sie entladen wird. Wenn die Batteriespannung geringer ist als die erforderliche Spannung der Last, kann die Last (zum Beispiel ein Elektromotor) nicht betrieben werden. Auch wenn die Batterie noch Energie hat, kann sie die Last nicht betreiben, wenn die Batteriespannung niedriger ist. Es gibt keine Möglichkeit, die Spannung des Batteriemoduls vorübergehend zu erhöhen, um die Last (den Elektromotor) auch bei niedriger Drehzahl zu betreiben.
Bei einer Bergauffahrt, bei Sportwagen (Booster) und/oder bei einer Rekuperationsphase muss der Elektromotor manchmal ein hohes Drehmoment abgeben. Unter solchen Umständen benötigt man einen hohen Strom vom Batteriemodul. Normalerweise liegt der optimale Strom, der dem Batteriemodul entnommen werden kann, beim Fünf- bis Sechsfachen seiner Nennkapazität. Wird mehr Strom aus dem Batteriemodul entnommen, wird die Batterie irreversibel beschädigt. Es ist nicht möglich, die vorübergehende Nennkapazität des Batteriemoduls zu erhöhen. Das bedeutet, dass der Elektromotor und die Batteriemodule für diese hohen Stromspitzen ausgelegt sind, auch wenn der hohe Strom nur für kurze Zeit benötigt wird. Dies erhöht das Gewicht der Batterie und des Antriebsstrangs. Ein erstes Problem ist also folgendes: Die Energie im Modul ist festgelegt. Sie ist die Summe der Energie aller Zellen, die das Modul bilden. Die Ladung des Moduls ergibt sich aus dem Produkt der Spannung und der Kapazität. Wenn mehr Zellen in Reihe geschaltet sind, ist die Spannung höher. Wenn die Zellen mehr parallel angeordnet sind, ist die Kapazität höher. Gegenwärtig gibt es keine Möglichkeit, die Reihen- und Parallelschaltung von Zellen vorübergehend zu ändern. Das bedeutet, dass Spannung und Kapazität im Modul feststehen und nicht geändert werden können. Es ist wünschenswert, dass die Energie im Modul einmal als hohe Spannung und einmal als hohe Kapazität vorliegt. Dies ist bei den derzeitigen Modulen nicht möglich. Dies ist ein Nachteil im Hinblick auf hohe Ladegeschwindigkeiten und eine hohe Kilometerleistung.
Kurz gesagt, der derzeitige Stand der Batterietechnologie hat folgende Probleme: Spannung und Kapazität sind zwei unterschiedliche Parameter eines Moduls. Unter bestimmten Umständen ist eine hohe Modulspannung und unter anderen Umständen eine hohe Kapazität wünschenswert. Es ist nicht möglich, Spannung und Kapazität des Batteriemoduls während des Batteriebetriebs zu ändern. Da die Energie des Moduls gleich ist und wir wissen, dass Energie Spannung x Kapazität ist. Es ist derzeit nicht möglich, die gleiche Energie eines Moduls entweder mit hoher Spannung und niedriger Kapazität oder mit niedriger Spannung und hoher Kapazität zu haben. Sobald das Modul hergestellt ist, sind Spannung und Kapazität festgelegt. Das Modul ist nicht flexibel genug, um die Parallel- und Reihenschaltung zu ändern.
Aus der WO 2019/060047 A1 und aus der WO 2016/053415 A1 sind unterschiedliche Busbarsysteme für einen Batteriezellenverband bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Batteriezellverband für ein Hochvoltbatteriesystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs bereitzustellen, der im Vergleich zum Stand der Technik mit einer größeren Anzahl von Freiheitsgraden betreibbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 und des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Der erfindungsgemäße Batteriezellverband besteht aus einer Anzahl von in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelten Batteriezellen. Diese weisen quer zur Stapelrichtung Kathoden-Ableiter und Anoden-Ableiter auf. Die Kathoden-Ableiter und die Anoden-Ableiter der Batteriezellen sind nach einem vordefinierten Verschaltungsschema miteinander elektrisch verschaltet und mit einem positiven Zellverband-Terminal sowie einem negativen Zellverband-Terminal verbunden. In dem Batteriezellverband können sämtliche Kathoden-Ableiter auf einer Kathoden-Seite des Batteriezellverbands gruppiert sein, während sämtliche Anoden-Ableiter auf einer Anoden-Seite des Batteriezellverbands gruppiert sein können, die der Kathoden-Seite quer zur Stapelrichtung gegenüberliegt. Auf diese Weise kann ein Stapelfehler beim Zusammenbau des Batteriezellverbands vermieden werden, bei dem aufgrund einer fehlerhaft gestapelten Batteriezelle die Ausrichtung der Kathoden- und Anoden-Ableiter nicht in Übereinstimmung mit dem Verschaltungsschema im Batteriezellverband in Übereinstimmung bringbar ist. Erfindungsgemäß werden dagegen die Batteriezellen unabhängig vom angestrebten Verschaltungsschema im Batteriezellverband stets in gleicher Ausrichtung gestapelt, so dass Stapelfehler aufgrund fehlerhaft gestapelter Batteriezellen vermieden werden können.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist dem Busbarsystem ein Aktivierungsgerät zugeordnet, mit dem während des Fahrbetriebs in Abhängigkeit von Fahrbetriebsparametern das Verschaltungsschema änderbar ist, so dass das Verschaltungsschema dem aktuellen Fahrzustand anpassbar ist. Mit dem Aktivierungsgerät sind daher in Abhängigkeit vom aktuellen Fahrbetrieb Schalteinheiten des Busbarsystems aktivierbar/deaktivierbar, um das Verschaltungsschema im Batteriezellverband dem aktuellen Fahrbetriebszustand anzupassen.
Die Aktivierung der Schalteinheiten erfolgt somit erfindungsgemäß durch das Aktivierungsgerät, das fester Bestandteil des Busbarsystems ist. Wenn das Aktivierungsgerät ein Signal von einem Mikroprozessor (das heißt allgemein Steuereinheit des Aktivierungsgeräts) erhält, werden einige Schalteinheiten aktiviert, um eine bestimmte Parallel- und Serienkombination zu erzielen. Wenn ein anderes Mikroprozessorsignal eintrifft, wird ein anderer Satz von Schalteinheiten aktiviert und wird eine andere Parallel- und Reihenschaltung realisiert. Das bedeutet, dass dasselbe Modul verschiedene Parallel- und Reihenkombinationen erhalten kann, indem einfach die Mikroprozessorsignale geändert werden. Das Aktivierungsgerät kann beispielhaft ein überlagertes Magnetfeld anwenden. Alternativ kann das Aktivierungsgerät auch in beliebig anderer Weise arbeiten. Wichtig ist, dass es mit dem erfindungsgemäßen Busbarsystem und dem darin integrierten Aktivierungsgerät einfach möglich ist, Parallel- und Reihenkombinationen im Modul zu ändern. Auf diese Weise kann man unterschiedliche Spannungen aus demselben Modul gewinnen. Kurz gesagt, das Modul hat keine feste Parallel- und Reihenschaltung. Diese sind durch Mikroprozessorsignale des Aktivierungsgeräts veränderbar.
Durch Änderung der Mikroprozessorsignale kann man daher verschiedene Schalteinheit-Aktivierungen und damit verschiedene Parallel- und Reihenkombinationen erreichen. Das bedeutet, dass die Modulspannung (das heißt allgemein die Spannung des Batteriezellverbands) durch Ändern des Mikroprozessorsignals leicht geändert werden kann.
Mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit des Aktivierungsgeräts sind sämtliche Schalteinheiten des Busbarsystems ansteuerbar. Der Mikroprozessor (das heißt die Steuereinheit) verfügt über verschiedene Programme, so dass jedes weitere Programm ein anderes Verschaltungsschema ergeben kann.
Während des Batterie-Betriebs können verschiedene Batteriezellverbände (das heißt Module) parallel und in Reihe geschaltet sein. Während der Ladephase hat die Batterie zum Beispiel eine hohe Spannung. In der Fahrphase hat sie dagegen eine hohe Kapazität. Es ist wichtig, dass bei einer Änderung der Architektur des Batteriemoduls auch das Batteriemanagementsystem (BMS) angepasst wird. Das BMS sollte ein anderes Programm haben, das auf der Architektur des jeweiligen Moduls basiert, und sobald das Modul seine Architektur ändert, sollte auch das BMS sein Programm ändern. Die Modulreihe bietet eine große Flexibilität in Bezug auf verschiedene Parallel- und Reihenkombinationen, so dass jederzeit unterschiedliche Spannungen und Kapazitäten erreicht werden können. Das Modul wird durch die Integration des mikroprozessorgesteuerten Steuereinheit-Aktivierungsgeräts in ein universelles Busbarsystem flexibel gemacht. Mit der Erfindung ist eine einfache Auswahl verschiedener Modularchitekturen durch Auswahl verschiedener Mikroprozessorprogramme für die Pinaktivierung möglich. Das erfindungsgemäße Busbarsystem ist unabhängig von der Modularchitektur einsetzbar. Sie kann verschiedene Modularchitekturen durch Aktivierung verschiedener Schalteinheiten erzeugen. Zudem erlaubt die Erfindung eine Großserienfertigung von Modulen mit hoher Flexibilität sowie geringer Produktionszeit für die Herstellung von Module mit unterschiedlicher Architektur.
Mit der Erfindung ist außerdem ein schnelles Aufladen des Fahrzeugs durch Erhöhung der Modulspannung (die Zellen werden mehr in Reihe als parallel geschaltet), während des Ladevorgangs. Außerdem kann eine höhere Fahrzeugleistung bereitgestellt werden, da der Batteriezellverband auf eine höhere Kapazität umgestellt werden kann (mehr Parallelkombinationen als Serien).
Beispielhaft können während eines Batteriezellverband-Fertigungsprozesses die im Batteriezellverband befindlichen Schalteinheiten in ihrer Sperrposition, das heißt deaktiviert bleiben, so dass noch kein Verschaltungsschema festgelegt ist. Erst am Ende des Fertigungsprozesses kann ein Aktivierungsschritt erfolgen, bei dem mittels des Aktivierungsgeräts ein Verschaltungsschema einstellbar ist. Erfindungsgemäß kann daher unabhängig vom Verschaltungsschema ein Busbarsystem bereitgestellt werden, mit dem der Fertigungsprozess des Batteriezellverbands flexibler gestaltet werden kann. Zusätzlich ist das Verschaltungsschema auch während des Fahrbetriebs mit Hilfe des Aktivierungsgeräts änderbar, und zwar in Abhängigkeit von Fahrbetriebsparametern, so dass das Verschaltungsschema dem aktuellen Fahrzustand anpassbar ist.
Erfindungsgemäß können unabhängig von der beabsichtigten Parallel- und Reihenschaltung alle Zellen so angeordnet sein, dass sämtliche Anoden-Stromableiter übereinander liegen. Ebenso liegen sämtliche Kathoden-Stromableiter übereinander. Dagegen gibt es keine Aluminium- und Kupfer-Stromableiter, die im Wechsel übereinander liegen. Dadurch werden Fehler beim Zusammenbau der Zellen übereinander vermieden. Dies erleichtert auch den Zusammenbau der Zellen im Modul. Nach jeweils drei Zellen kann ein Kompressionspad folgen. Es ist auch möglich, nach jeder Zelle ein Kompressionspad anzubringen. Das bedeutet, dass die Anodenseite des Zellstapels nur negative Stromableiter (Kupfer) und die Kathodenseite des Zellstapels nur positive Stromableiter (Aluminium) aufweist.
Ferner können erfindungsgemäß die anodenseitige Busbar und die kathodenseitige Busbar identisch ausgeführt sein und Nuten bzw. Schlitze aufweisen, in die jeweils die Stromableiter geschweißt werden. Nur die Schlitze bestehen aus Metall und sind in eine Kunststoffabdeckung eingebettet. Es ist wichtig, dass jeder Schlitz elektrisch von den anderen isoliert ist. Daher weisen die erfindungsgemäßen Kathoden- und Anoden-Busbars keine Metallplatte wie bei herkömmlichen Busbars auf, sondern nur metallische Einlegeteile mit Schlitzen, während der Rest des Busbarsystems ein Kunststoffkörper ist. Die einzelnen Schlitze sind von den anderen Schlitzen elektrisch getrennt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht das Busbarsystem aus einem Kunststoffteil mit metallischen Einsätzen, in denen die Schlitze vorgesehen sind. In diese Schlitze wird der Stromableiter eingeschweißt. Zwischen den Schlitzen befindet sich ein metallischer Anschluss, der ebenfalls in die Kunststoffmatrix integriert ist. Zwischen den Schlitzen und einer später beschriebenen Quer-Stromschiene (auch als Kupferstreifen bezeichnet) sind Schalteinheiten integriert. Diese Schalteinheiten können auf der Grundlage von Signalen eines Mikroprozessors des Aktivierungsgeräts ein- und ausgeschaltet werden. Die Schalteinheiten verbinden die einzelnen Steckplätze miteinander und mit den Kupferstreifen dazwischen. Auf diese Weise sind verschiedene parallele Kombinationen möglich. Die Anoden-Busbar, die mit dem Kupfer-Stromableiter (mit Lasche) verbunden ist, hat metallische Einsätze aus einer Nickel-Zinn-Legierung. Die Kathoden-Busbar, auf der der Aluminium-Stromableiter aufgeschweißt ist, hat metallische Einsätze aus einer Aluminiumlegierung.
In der Kathoden-Busbar kann der jeweilige metallische Einsatz aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Da sowohl der positive Aluminium-Stromableiter als auch der metallische Einsatz aus dem gleichen Material bestehen, wird es keine Spannungskorrosion geben. Die Schalteinheiten in der Anoden- und Kathoden-Busbar werden durch ein Aktivierungsgerät aktiviert. In diesem Fall kann die aktivierte Schalteinheit den metallischen Einsatz mit einer Quer-Stromschiene (nachfolgend auch als Kupferband bezeichnet) elektrisch verbinden, so dass der Strom vom Stromableiter zum Kupferband fließen kann. Die Schaltelemente der Schalteinheiten können aus einer Nickel-Zinn-Legierung oder aus Messing gefertigt sein. Nun sind alle parallelen Kombinationen möglich. Durch ein entsprechendes Mikroprozessorsignal des Aktivierungsgeräts kann die Verschaltung des Batteriezellenstapels einfach geändert werden.
Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass das Busbarsystem nicht nur eine Kathoden-Busbar und eine Anoden-Busbar aufweist, sondern zusätzlich auch eine Mittel-Busbar, die die Kathoden-Busbar und die Anoden-Busbar miteinander verbindet. Die Mittel-Busbar besteht ebenfalls aus einem Kunststoffkörper. Sie weist horizontale und vertikale Kupferstreifen (das heißt Querstromschienen) auf, die in den Kunststoff eingebettet sind. Zwischen den horizontalen und vertikalen Kupferstreifen befinden sich Schalteinheiten. Diese Schalteinheiten können auf der Grundlage eines Mikroprozessorsignals des Aktivierungssignals ein- oder ausgeschaltet werden. Die Schalteinheiten, die horizontale und vertikale Kupferstreifen verbinden, ergeben verschiedene Reihenkombinationen im Batteriezellverband (das heißt im Batteriemodul). Die Mittel-Busbar, die Kathoden-Busbar und die Anoden-Busbar sind bevorzugt nicht drei separate Bauteile. Vielmehr sind die drei Busbars bevorzugt zu einem gemeinsamen, U-förmigen Bauteil aus Kunststoffmaterial zusammengefasst, in dem Kupferstreifen, Schalteinheiten und Metalleinsätzen (mit Schlitzen) eingebettet sind.
Erfindungsgemäß können sich die positiven und negative Terminals jeweils in der Kathoden-Busbar und in der Anoden-Busbar befinden. Alternativ dazu ist es auch möglich, die beiden Terminals in dem Kathoden-Busbar anzuordnen. Hier wird ein zusätzlicher Kupferstreifen benötigt, damit der negative Terminal zur Kathoden-Busbar verlegt werden kann.
Die im Busbarsystem integrierten Schalteinheiten können durch ein externes Aktivierungsgerät aktiviert werden, das ein lokales Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld aktiviert einige Schalteinheiten, die die gewünschte Parallel- und/oder Reihenschaltung realisieren sollen. Das Aktivierungsgerät kann von einem Mikroprozessor gesteuert werden. Zudem wird das Gerät von oben über das Busbarsystem gelegt. Basierend auf der gewünschten Parallel- und/oder Reihenschaltung wird ein Magnetfeld um einen bestimmten Schalter erzeugt. Dieses Magnetfeld löst eine Haltefeder der Verriegelung. Die Schalteinheiten werden auf die Feder gesetzt, die sich nach oben bewegt. Die Schalteinheiten schließen den Stromkreis und verbinden die Zellen in der gewünschten Parallel- oder Reihenschaltung. Diese Aktivierung der Schalteinheiten erfolgt erst, nachdem die Busbar mit dem Stromableiter verschweißt wurde. Normalerweise wird der Stromableiter (mit der Lasche) durch Laserschweißen mit den Metallschlitzen im Kunststoffteil verbunden. Sobald die Busbar verschweißt und die Schalteinheit aktiviert ist, verfügt das Modul über die entsprechende Parallel- und Serienkombination.
Das Schalteinheit-Aktivierungsgerät kann beispielhaft ein lokales Magnetfeld erzeugen. Dadurch wird die Verriegelung, die die Schalteinheit hält, gelöst. Die Schalteinheit wird durch eine Feder gedrückt. Sobald die Schalteinheit nach unten gedrückt wird, berührt er den Kupferstreifen und erzeugt eine Serien- und Parallelkombination. Der Mikroprozessor bestromt nur die Schalteinheiten, die aktiviert werden müssen. Andere Schalteinheiten erhalten kein Magnetfeld und bleiben daher verriegelt und deaktiviert.
Weitere Unterschiede zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik sind die folgenden: So werden die Zellen im Batteriezellenstapel so angeordnet, dass sich alle Kupfer-Stromableiter (negative Anschlüsse) auf einer Seite und alle Aluminium-Stromableiter (positive Anschlüsse) auf der anderen Seite befinden. Die Anoden-Busbar hat Schlitze in metallischen Einsätzen aus einer Nickel-Zinn-Legierung. Kupfer-Stromableiter mit Lasche sind in diesen Schlitzen lasergeschweißt. Jeder Schlitz ist von anderen Schlitzen isoliert. Es gibt keine Metallplatte wie bei derzeitigen Busbars. Die Kathoden-Busbar hat ähnliche Schlitze wie die Anoden-Busbar. Hier sind die Schlitze in einem Aluminium-Verbundeinsatz untergebracht. Hier wird ein Aluminium-Stromableiter mit einer Lasche mit den Schlitzen lasergeschweißt. Jeder Schlitz ist von den anderen Schlitzen isoliert. Es gibt Quer-Stromschienen (das heißt Kupferstreifen), die zwischen den Schlitzen platziert und in den Kunststoffkörper eingebettet sind. Die Kupferstreifen befinden sich in der Anoden- und Kathoden-Busbar. Die Kupferstreifen haben Lücken. In diesen Lücken sind Schalteinheiten positioniert. Wenn die Schalteinheiten aktiviert werden, wird über den Kupferstreifen Strom geführt. Andernfalls bewirkt der Kupferstreifen einen offenen Stromkreis. Kupferstreifen mit Schalteinheiten in den Kathoden- und Anoden-Busbars ergeben eine parallele Kombination.
Die Schalteinheiten sind aus einer Nickel-Zinn-Legierung oder aus Messing gefertigt. Zwischen den Kathoden- und Anoden-Busbars befindet sich eine Mittel-Busbar. Auch hier sind Kupferstreifen in den Kunststoffkörper eingebettet. Außerdem sind Schalteinheiten in den Kunststoffkörper eingebettet. Wenn die Schalteinheiten aktiviert werden, schließen die Kupferstreifen einen Stromkreis. Kupferstreifen und Schalteinheiten in der Mittel-Busbar bilden eine Reihenschaltung. Die Kathoden- und Anoden-Busbars sowie die Mittel-Busbar bilden zusammen eine gemeinsames Bauteil. Dieses wird so hergestellt, dass ein Metalleinsatz (mit Schlitzen), Kupferstreifen und Schalteinheiten in eine Halterung eingesetzt werden und dann Kunststoff über diese Metallkörper gespritzt wird. Metallischer Einsatz, Schalteinheit (im eingerasteten Zustand) und Kupferstreifen sind elektrisch verbunden und bilden zusammen einen Stromkreis. Der verwendete Kunststoff besteht aus Acryl, Silikon oder hochtemperaturbeständigen Polymeren, die die Schweißwärme aufnehmen können. Die Schalteinheiten werden durch ein Magnetfeld ein- und ausgeschaltet. Das lokale Magnetfeld wird durch einen kontrollierten Strom im Schalteinheit-Aktivierungsgerät erzeugt. Dieser Strom wird von einem Mikroprozessor gesteuert. Die Aktivierung der Schalteinheiten erfolgt, nachdem die Busbar an den Stromableiter geschweißt wurde.
Das Verschweißen des Stromableiters (mit Lasche) mit dem metallischen Einsatz in der Anoden- und Kathoden-Busbar wird normalerweise durch Laserschweißen durchgeführt. Hier sind auch andere Verfahren wie Löten, Hartlöten, Ultraschallschweißen und Druckguss möglich. Der positive Terminal wird an die Kathoden-Busbar und der negative Terminal an die Anoden-Busbar angeschlossen. Wenn sowohl der positive Terminal als auch der negative Terminal an einer gemeinsamen Busbar angeschlossen werden sollen, ist dies ebenfalls möglich. Hierfür gibt es einen zusätzlichen Kupferstreifen, der von der Anoden-Busbar zur Kathoden-Busbar verlegt ist. Dieser Kupferstreifen leitet den Strom vom negative Terminal zur Anoden-Busbar.
Erfindungsgemäß können die in Kontakt mit Anoden-Ableiter befindlichen Metalleinsätze im Busbarsystem aus einer Kupfer-Nickel-Zinn Legierung hergestellt sein. Demgegenüber können die mit den Kathoden-Ableitern in Kontakt befindlichen Metalleinsätze aus einer Aluminium Legierung hergestellt sein. Die Schaltelemente können auch aus Kupfer-Nickel-Zinn oder aus Messing hergestellt sein.
Die Erfindung ist insbesondere auf Pouch-Zellen oder auf prismatische Zellen anwendbar.
Nachfolgend werden wesentliche Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So können die Kathoden-Ableiter und die Anoden-Ableiter der Batteriezellen mittels eines erfindungsgemäßen Busbarsystems miteinander elektrisch verschaltet werden. Das Busbarsystem weist Schalteinheiten auf, mit deren Hilfe unterschiedliche Stromwege zwischen den Batteriezellen freigebbar oder sperrbar sind. Auf diese Weise können die Batteriezellen in unterschiedliche Verschaltungsschemata in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet werden.
In einer technischen Umsetzung kann das Busbarsystem Quer-Stromschienen aufweisen. Diese erstrecken sich zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite des Batteriezellverbands. Dabei ist zwischen benachbarten Batteriezellen jeweils eine Quer-Stromschiene angeordnet. Jede der Quer-Stromschienen ist an einer Kathoden-Schaltstelle mittels Schalteinheiten mit einem oder mit beiden Kathoden-Ableitern der benachbarten Batteriezellen koppelbar oder entkoppelbar. Alternativ und/oder zusätzlich ist die jeweilige Quer-Stromschiene an einer Anoden-Schaltstelle mittels Schalteinheiten mit einem oder beiden Anoden-Ableitern der benachbarten Batteriezellen koppelbar oder entkoppelbar. Zudem kann die Quer-Stromschiene quer zur Stapelrichtung in Schienensegmente unterteilt sein. Diese sind mit Hilfe zumindest einer Schalteinheit elektrisch koppelbar oder entkoppelbar. Eine an der Batteriezellverband-Stirnseite angeordnete Batteriezelle kann mit ihrem Kathoden-Ableiter mit dem positiven Zellverband-Terminal verbunden sein. Demgegenüber kann die auf der anderen Batteriezellverband-Stirnseite angeordnete Batteriezelle mit ihrem Anoden-Ableiter mit dem negativen Zellverband-Terminal verbunden sein.
Für eine einfache Handhabung, zum Beispiel einem Verbau des Busbarsystems, ist es bevorzugt, wenn die Quer-Stromschienen sowie die Schalteinheiten in einem einteiligen U-förmigen Kunststoffbauteil eingebettet sind. Das U-förmige Kunststoffbauteil kann den Batteriezellverband von oben umgreifen. Zudem kann das U-förmige Kunststoffbauteil aus einer auf der Kathodenseite des Batteriezellverbands angeordneten Kathoden-Busbar, aus einer, auf der Anodenseite des Batteriezellverbands angeordneten Anoden-Busbar sowie aus einer Mittel-Busbar ausgebildet sein, die die Kathoden-Busbar und die Anoden-Busbar miteinander verbinden. Die Mittel-Busbar erstreckt sich bevorzugt auf der Oberseite des Batteriezellverbands.
In der Kathoden-Busbar können voneinander elektrisch isolierte Metall-Einlegerteile eingebettet sein. Jedes der Metall-Einlegerteile kann einen Aufnahmeschlitz aufweisen, in den jeweils ein Kathoden-Ableiter der Batteriezellen einsteckbar ist und damit elektrisch verbindbar ist. In gleicher Weise können in die Anoden-Busbar voneinander elektrisch isolierte Metall-Einlegerteile eingebettet sein. Diese können jeweils einen Aufnahmeschlitz aufweisen, den jeweils ein Anoden-Ableiter der Batteriezellen einsteckbar ist und damit elektrisch verbindbar ist.
In Stapelrichtung zwischen benachbarten Einlegerteilen der Kathoden-Busbar und der Anoden-Busbar kann jeweils eine Quer-Stromschiene positioniert sein. In diesem Fall können die Einlegerteile elektrische Kontakte bilden, die über die Schalteinheiten mit der angeordneten Quer-Stromschiene elektrisch koppelbar sind.
Die Schalteinheiten können jeweils ein, in einem Schaltgehäuse hubverstellbares Schaltelement aufweisen, das zwischen der Entkoppelstellung und der Koppelstellung hubverstellbar ist. Die Schalteinheit kann einen zum Beispiel elektromagnetischen Schaltelement-Aktor aufweisen, mit dem das Schaltelement antreibbar ist. Der Schaltelement-Aktor ist in Signalverbindung mit dem Aktivierungsgerät, das in Abhängigkeit von einem angestrebten Verschaltungsschema dem Schaltelement-Aktor mit einem Koppelsignal oder einem Entkoppelsignal ansteuert.
Zudem kann jede der Schalteinheiten einen zwischen einer Sperrposition und einer Freigabeposition verstellbaren Riegel aufweisen. In seiner Sperrposition blockiert der Riegel eine Stellbewegung des Schaltelements. Demgegenüber gibt der Riegel in seiner Freigabeposition eine Stellbewegung des Schaltelements frei. Der Riegel kann ebenfalls mit Hilfe eines zum Beispiel elektromagnetischen Riegelaktors angetrieben werden. Dieser ist ebenfalls in Signalverbindung mit dem Aktivierungsgerät. Entsprechend kann das Aktivierungsgerät den Riegel mit einem Sperrsignal oder mit einem Freigabesignal ansteuern. In der Sperrposition kann der Riegel das Schaltelement entweder in seiner Entkoppelstellung oder in seiner Koppelstellung durch einen Formschlusseingriff sichern. Bevorzugt kann der Riegel mittels einer Druckfeder vorgespannt sein. Bei stromlosem Riegel-Aktor kann daher der Riegel in Richtung Sperrposition bewegen.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 3 jeweils Ansichten eines Batteriezellverbands mit zugeordnetem Busbarsystem;
4 das Busbarsystem mit weggelassenem Batteriezellverband;
5 bis 7 jeweils Ansichten, anhand derer der Aufbau und die Funktionsweise einer Schalteinheit veranschaulicht ist;
8 eine Schaltmatrix zur Einstellung unterschiedlicher Verschaltungsschemata im Batteriezellverband;
9 eine Tabelle, die die Batteriespannung und die Batterieladung bei unterschiedlichen Verschaltungsschemata darstellt;
10a in einer Ansicht entsprechend der 4 den Stromweg bei einem ersten Verschaltungsschema;
10b ein vereinfachtes Schaltbild, das sich beim ersten Verschaltungsschema ergibt; und
11 a und 11b jeweils Ansichten entsprechend der 10a und 10b, die ein zweites Verschaltungsschema betreffen.

In den 1 bis 3 ist ein Batteriezellverband gezeigt, der aus in Stapelrichtung x hintereinander gestapelten Batteriezellen 1 besteht. Die Batteriezellen 1 können beispielhaft Pouchzellen sein, die in Stapelquerrichtung y beidseitig Kathoden-Ableiter 3 und Anoden-Ableiter 5 aufweisen. Erfindungsgemäß sind in den 1 bis 3 sämtliche Kathoden-Ableiter 3 auf der (in den 1 bis 3 rechten) Kathodenseite des Batteriezellverbands gruppiert, während sämtliche Anoden-Ableiter 5 auf der (in den 1 bis 3 linken) Anodenseite des Batteriezellverbands gruppiert sind, die der Kathodenseite in Stapelquerrichtung y gegenüberliegt.
In der 3 ist der Batteriezellverband in einer Explosionsdarstellung gezeigt, in der eine, auf der rechten Kathodenseite angeordnete Kathoden-Busbar 7 und eine, auf der linken Anodenseite angeordnete Anoden-Busbar 9 von dem Batteriezellenstapel gelöst dargestellt sind sowie um 90° geschwenkt dargestellt sind, so dass deren Innenseiten zu sehen sind, die im Zusammenbauzustand dem Batteriezellenstapel zugewandt sind. Die Kathoden-Busbar 7 sowie die Anoden-Busbar 9 sind in der 2 über eine Mittel-Busbar 11 miteinander verbunden, die sich über die Oberseite des Batteriezellverbands erstreckt. Die Kathoden-Busbar 7, die Anoden-Busbar 9 sowie die Mittel-Busbar 11 sind Bestandteile eines erfindungsgemäßen Busbarsystems 6 (2), das später beschriebene Schalteinheiten Pin aufweist, mit deren Hilfe unterschiedliche Stromwege I (10a oder 11a) zwischen den Batteriezellen 1 freigebbar oder sperrbar sind, so dass die Batteriezellen 1 in unterschiedliche Verschaltungsschemata in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltbar sind. In der 2 ist das erfindungsgemäße Busbarsystem 6 als ein U-förmiges Kunststoffbauteil realisiert, das den Batteriezellverband von oben umgreift.
Wie aus der 4 hervorgeht, weist die Kathoden-Busbar 7 voneinander elektrisch isolierte Metall-Einlegerteile 13 mit Aufnahmeschlitzen 15 (in der 3 gezeigt) auf. In die Aufnahmeschlitze 15 der Einlegerteile 13 ist jeweils ein korrespondierender Kathoden-Ableiter 3 der Batteriezellen 1 einsteckbar und damit verschweißbar, das heißt damit elektrisch verbindbar. In gleicher Weise sind auch in der Anoden-Busbar 9 voneinander elektrisch isolierte Einlegerteile 17 (4) mit Aufnahmeschlitzen 15 (3) eingebettet, in die die Anoden-Ableiter 5 der Batteriezellen 1 einsteckbar sowie verschweißbar sind, um eine elektrische Verbindung herzustellen.
In der 4 ist das Busbarsystem 6 mit weggelassenem Batteriezellenstapel gezeigt. Die Kathoden-Busbar 7, die Mittel-Busbar 11 und die Anoden-Busbar 9 sind in der 4 nicht zueinander U-förmig ausgerichtet dargestellt, sondern vielmehr nach Art einer Abwicklung allesamt in einer gemeinsamen Zeichenebene gezeigt. Demzufolge weist das Busbarsystem 6 Quer-Stromschienen 19 auf, die sich in der Stapel-Querrichtung y zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite des Batteriezellverbands erstrecken. Zwischen benachbarten Batteriezellen 1 ist jeweils eine der Quer-Stromschienen 19 angeordnet. In der Stapelrichtung x betrachtet sind die Quer-Stromschienen 19 jeweils zwischen benachbarten Einlegerteilen 13, 17 in der Anoden-Busbar 9 sowie in der Kathoden-Busbar 7 positioniert. Die Quer-Stromschienen 19 erstrecken sich dabei in Stapel-Querrichtung y über den Mittel-Busbar 11 hinaus bis in den Kathoden-Busbar 7 sowie in den Anoden-Busbar 9.
Die Einlegerteile 13, 17 bilden elektrische Kontakte, die über die Schalteinheiten Pin mit der jeweiligen Quer-Stromschiene 19 elektrisch koppelbar sind. Die Schalteinheiten Pin sind in der 4 durch Kreisflächen jeweils nur grob schematisch angedeutet. Wie aus der 4 weiter hervorgeht, weist der Kathoden-Busbar 7 einen positiven Zellverband-Terminal 21 auf, während der Anoden-Busbar 9 einen negativen Zellverband-Terminal 23 aufweist. Die beiden Terminals 21, 23 sind jeweils mit einem Kathoden-Ableiter 3 bzw. Anoden-Ableiter 5 einer jeweiligen stirnseitigen Batteriezelle 1 elektrisch verbunden.
Wie aus der 4 weiter hervorgeht, ist jede der Quer-Stromschienen 19 in der Stapel-Querrichtung y jeweils in vier Einzel-Schienensegmente unterteilt, die an insgesamt drei Mittel-Schaltstellen mit Hilfe von Schalteinheiten Pin elektrisch koppelbar oder entkoppelbar sind.
Nachfolgend werden anhand der 5 bis 7 der Aufbau sowie die Funktionsweise des Aktivierungsgeräts 37 im Zusammenspiel mit einer Schalteinheit Pin beschrieben. So ist die in der 5 gezeigte Schalteinheit Pin in dem Busbarsystem 6 eingebettet, und zwar insbesondere in dem Kunststoffmaterial des U-förmigen Kunststoffbauteils. Die in der 5 gezeigte Schalteinheit Pin weist ein in dem Kunststoffmaterial des U-förmigen Kunststoffbauteils integriertes Schaltgehäuse 25 auf, in dem ein hubverstellbares Schaltelement 27 geführt ist. Gemäß der 5 ist das Schaltelement 27 mit einem elektromagnetischen Schaltelement-Aktor 29 antreibbar. Dieser ist über eine Signalleitung 31 mit einer Steuereinheit 33 des Antriebsgeräts 37 in Verbindung. Zudem weist die Schalteinheit Pin einen zwischen einer Sperrposition und einer Freigabeposition verstellbaren Riegel 39 auf, der mit einem elektromagnetischen Riegel-Aktor 41 antreibbar ist. Der Riegel-Aktor 41 ist über eine Signalleitung 43 mit der Steuereinheit 33 des Aktivierungsgeräts 37 in Verbindung.
In der 5 weist der Schalteinheit-Aktor 29 einen oberen Elektromagnet 45 und einen unteren Elektromagnet 47 auf, die über eine Isolierung 49 voneinander isoliert sind. Durch die Elektromagnet-Anordnung ist ein hubverstellbarer Aktorstößel 51 geführt, dessen oberes Stößelende 53 und dessen unteres Stößelende 55 magnetisierbar sind. Die beiden Elektromagnete 45, 47 sind in einem Stromkreis geschaltet, in dem der obere Elektromagnet 45 durch Betätigung eines Schalters S1 aktivierbar ist, während der untere Elektromagnet 47 durch Betätigung eines Schalters S2 aktivierbar ist. In der 5 ist das untere Stößelende 55 des Aktorstößels 51 unter Zwischenlage einer Vorspannfeder 57 mit dem Schaltelement 27 verbunden.
In der 5 weist der Riegel-Aktor 41 einen Elektromagnet 59 auf, der mit Betätigung eines Schalters S3 aktivierbar ist. Der Elektromagnet 59 wirkt mit einem magnetischen Bestandteil 61 des Riegels 39 zusammen. Bei aktiviertem Elektromagnet 59 ist der Riegel 39 mittels Magnetkraft in seine Freigabeposition (6) in Richtung des Elektromagneten 59 verstellt, und zwar unter Aufbau einer Rückstellkraft mit der Druckfeder 63.
In der 5 ist die Schalteinheit Pin in ihrer Entkoppelstellung gezeigt. Zur Sicherung der Entkoppelstellung ist der in seiner Sperrposition befindliche Riegel 39 in Formschlusseingriff mit einer Ausnehmung 65 des Schaltelements 27. Die beiden Kontakte K1, K2 des Busbarsystems 6 sind daher in der 5 voneinander elektrisch getrennt.
Zur elektrischen Verbindung der beiden Kontakte K1, K2 steuert die Steuereinheit 33 des Aktivierungsgeräts 37 den Schaltelement-Aktor 29 mit einem Koppelsignal an, während der Riegel-Aktor 41 mit einem Freigabesignal angesteuert wird. Dadurch werden gemäß der 6 der Schalter S1 und der Schalter S3 geschlossen. Somit gibt der Riegel 39 eine Stellbewegung des Schaltelements 27 frei, das mittels des Schaltelement-Aktors 29 bis in seine Koppelstellung angetrieben wird, bei der die beiden Kontaktstellen K1, K2 elektrisch miteinander verbunden sind. Durch Stromlos-Schalten des Elektromagnets 59 verlagert sich der Riegel 39 zurück in seine Sperrposition, in der er in Formschlusseingriff mit einer Aussparung 67 des Schaltelements 27 ist (7).
Um das Schaltelement 27 zurück in seine Entkoppelstellung zu verbringen, steuert die Steuereinheit 33 des Aktivierungsgeräts 37 den Schaltelement-Aktor 29 mit einem Entkoppelsignal an, während der Riegel-Aktor 41 mit einem Freigabesignal angesteuert wird. Dadurch wird der Schalter S2 und der Schalter S3 geschlossen. Somit gibt der Riegel 39 eine Stellbewegung des Schaltelements 27 frei, das mittels des Schaltelement-Aktors 29 bis in seine Entkoppelstellung angetrieben wird, bei der die beiden Kontaktstellen K1, K2 elektrisch voneinander getrennt sind. Durch Stromlos-Schalten des Elektromagnets 59 verlagert sich der Riegel 39 zurück in seine Sperrposition, in der er in Formschlusseingriff mit der Aussparung 65 des Schaltelements 27 bringbar ist.
Unmittelbar bei Fertigstellung des Batteriezellverbands befinden sich sämtliche Schalteinheiten Pin des Busbarsystems 6 in ihrer Entkoppelstellung (5). Nach der Fertigstellung des Batteriezellverbands folgt ein Aktivierungsschritt, bei dem dem Batteriezellverband mit Hilfe des Aktivierungsgeräts 37 ein Verschaltungsschema aufgeprägt wird. Mit Hilfe des Aktivierungsgeräts 37 können in Abhängigkeit von dem einzustellenden Verschaltungsschema am Busbarsystem 6 lokale Magnetfelder erzeugt werden. Mit deren Hilfe können die Riegel 31 ausgewählter Schaltelemente Pin in die Freigabeposition verstellt werden, damit deren Schaltelemente Pin in die Koppelstellung umschalten. Nach Aufhebung der lokalen Magnetfelder wird der Riegel 31 mittels der Druckfeder 63 wieder in seine Sperrposition rückgestellt. In diesem Fall greift der Riegel 31 formschlüssig in eine korrespondierende Aussparung 65, 67 ein, die am Schaltelement 27 ausgebildet ist.
Zusätzlich kann das Aktivierungsgerät 37 auch während des Fahrbetriebs in Abhängigkeit von aktuellen Fahrbetriebsparametern FB (2) das Verschaltungsschema ändern, so dass das Verschaltungsschema stets dem aktuellen Fahrzustand anpassbar ist.
Die im Batteriezellverband realisierbaren Verschaltungsschemata gehen aus der Schaltmatrix der 8 hervor. In der Schaltmatrix sind auf deren oberer Zeile sämtliche Schaltelemente Pin eingetragen. Mit „1“ ist eine Koppelstellung der jeweiligen Schalteinheit Pin symbolisiert, während mit „0“ eine Entkoppelstellung der jeweiligen Schalteinheit Pin symbolisiert ist. Auf der rechten Seite der Schaltmatrix sind zwei Spalten mit „P“ und „S“ bezeichnet, die das jeweils eingestellte Verschaltungsschema betreffen, wobei „P“ die Anzahl von Parallelschaltungen im Batteriezellverband wiedergibt, während „S“ die Anzahl von Reihenschaltungen im Batteriezellverband wiedergibt. Zudem ist in der 9 eine Tabelle gezeigt, die die Batteriespannung und die Batterieladung bei den unterschiedlichen Verschaltungsschemata darstellt.
Beispielhaft ist in der 10a und 10b der Stromweg I gezeigt, der sich beim ersten Verschaltungsschema 1 P6S ergibt. Alternativ dazu ist in den 11 a und 11b der Stromweg I gezeigt, der sich bei einem zweiten Verschaltungsschema 2P3S ergibt. In gleicher Weise ergeben sich auch die weiteren Verschaltungsschemata 3P2S, 2P2S, 4P1S und 6P1S.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezellen
3: Kathoden-Ableiter
5: Anoden-Ableiter
6: Busbarsystem
7: Kathoden-Busbar
9: Anoden-Busbar
11: Mittel-Busbar
13: kathodenseitige Einlegerteile
15: Aufnahmeschlitze
17: anodenseitige Einlegerteile
19: Quer-Stromschienen
21: positiver Zellverband-Terminal
23: negativer Zellverband-Terminal
25: Schaltgehäuse
27: Schaltelement
29: elektromagnetischer Schaltelement-Aktor
31: Signalleitung
33: Steuereinheit
39: Riegel
41: elektromagnetischer Riegel-Aktor
43: Signalleitung
45: oberer Elektromagnet
47: unterer Elektromagnet
49: Isolierung
51: Aktorstößel
53: oberes Stößelende
55: unteres Stößelende
57: Vorspannfeder
59: Elektromagnet
61: magnetischer Riegel-Bestandteil
63: Druckfeder
65, 67: Ausnehmungen
K1, K2: Kontakte im Busbarsystem
x: Stapelrichtung
y: Stapelquerrichtung
z: Hochrichtung
I: Stromweg
FB: Fahrbetriebsparameter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2019/060047 A1 [0010]
WO 2016/053415 A1 [0010]

Claims

Batteriezellverband eines Hochvoltbatteriesystems eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, mit in einer Stapelrichtung (x) hintereinander gestapelten Batteriezellen (1), die in Stapelquerrichtung (y) ausgerichtete Kathoden-Ableiter (3) und Anoden-Ableiter (5) aufweisen, wobei die Kathoden-Ableiter (3) und die Anoden-Ableiter (5) der Batteriezellen (1) mittels eines Busbarsystems (6) nach einem vorgegebenen Verschaltungsschema miteinander in Parallelschaltung und/oder in Reihenschaltung elektrisch verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass dem Busbarsystem (6) ein Aktivierungsgerät (37) zugeordnet ist, mit dem während des Fahrbetriebs in Abhängigkeit von Fahrbetriebsparametern (FB) das Verschaltungsschema änderbar ist, so dass das Verschaltungsschema dem aktuellen Fahrzustand anpassbar ist.
Batteriezellverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Busbarsystem (6) Schalteinheiten (Pin) aufweist, mittels denen unterschiedliche Stromwege (I) zwischen den Batteriezellen (1) freigebbar oder sperrbar sind, so dass die Batteriezellen (1) in unterschiedliche Verschaltungsschemata in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltbar sind, und/oder dass in dem Batteriezellverband sämtliche Kathoden-Ableiter (3) auf einer Kathoden-Seite des Batteriezellverbands und sämtliche Anoden-Ableiter (5) auf einer Anoden-Seite des Batteriezellverbands angeordnet sind, die der Kathoden-Seite quer zur Stapelrichtung (x) gegenüberliegt.
Batteriezellverband nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Busbarsystem (6) Quer-Stromschienen (19) aufweist, die sich zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite des Batteriezellverbands erstrecken, und dass in Stapelrichtung (x) betrachtet zwischen benachbarten Batteriezellen (1) jeweils eine Quer-Stromschiene (19) angeordnet ist, und dass die Quer-Stromschiene (19) an einer Kathoden-Schaltstelle mittels Schalteinheiten (Pin) mit einem oder beiden Kathoden-Ableitern (3) der beiden benachbarten Batteriezellen (1) koppelbar oder entkoppelbar ist, und/oder dass die Quer-Stromschiene (19) an einer Anoden-Schaltstelle mittels Schalteinheiten (Pin) mit einem oder beiden Anoden-Ableitern (5) der beiden benachbarten Batteriezellen (1) koppelbar oder entkoppelbar ist.
Batteriezellverband nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Quer-Stromschiene (19) quer zur Stapelrichtung (x) in Schienensegmente unterteilt ist, die mit Hilfe zumindest einer Schalteinheit (Pin) elektrisch koppelbar oder entkoppelbar sind, und/oder dass eine an der Batteriezellverband-Stirnseite angeordnete Batteriezelle (1) mit ihrem Kathoden-Ableiter (3) mit einem positiven Zellverband-Terminal (21) verbunden ist, und dass die auf der anderen Batteriezellverband-Stirnseite angeordnete Batteriezelle (1) mit ihrem Anoden-Ableiter (5) mit einem negativen Zellverband-Terminal (23) verbunden ist.
Batteriezellverband nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quer-Stromschienen (19) und die Schalteinheiten (Pin) in einem U-förmigen Kunststoffbauteil eingebettet sind, das den Batteriezellverband von oben umgreift, und dass insbesondere das U-förmige Kunststoffbauteil aus einer Kathoden-Busbar (7), einer Anoden-Busbar (9) sowie einer die Kathoden-Busbar (7) und die Anoden-Busbar (9) miteinander verbindende Mittel-Busbar (11) ausgebildet ist, und dass insbesondere die Kathoden-Busbar (7) voneinander elektrisch isolierte Einlegerteile (13) aufweist, die jeweils mit einem korrespondierenden Kathoden-Ableiter (3) elektrisch verbindbar sind, und/oder dass die Anoden-Busbar (9) voneinander elektrisch isolierte Einlegerteile (17) aufweist, die jeweils mit einem korrespondierenden Anoden-Ableiter (5) elektrisch verbindbar sind.
Batteriezellverband nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Stapelrichtung (x) zwischen benachbarten Einlegerteilen (17) der Anoden-Busbar (9) und zwischen benachbarten Einlegerteilen (13) der Kathoden-Busbar (7) jeweils eine Quer-Stromschiene (19) angeordnet ist, und dass die Einlegerteile (13, 17) elektrische Kontakte bilden, die über die Schalteinheiten (Pin) mit der Quer-Stromschiene (19) elektrisch koppelbar sind.
Batteriezellverband nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schalteinheiten (Pin) ein verstellbares Schaltelement (27) aufweist, das zwischen der Entkoppelstellung und der Koppelstellung verstellbar ist, und dass das Schaltelement (27) mittels eines Schaltelement-Aktors (29) antreibbar ist, der von einer elektronischen Steuereinheit (33) des Aktivierungsgeräts (37) mit einem Koppelsignal oder einem Entkoppelsignal ansteuerbar ist.
Batteriezellverband nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schalteinheiten (Pin) einen zwischen einer Sperrposition und einer Freigabeposition verstellbaren Riegel (39) aufweist, der in der Sperrposition eine Stellbewegung des Schaltelements (27) blockiert, und in der Freigabeposition eine Stellbewegung des Schaltelements (27) freigibt, und dass insbesondere der Riegel (39) mittels eines RiegelAktors (41) antreibbar ist, der von der Steuereinheit (33) des Aktivierungsgeräts (37) mit einem Sperrsignal oder einem Freigabesignal ansteuerbar ist.
Batteriezellverband nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sperrposition der Riegel (39) das Schaltelement (27) entweder in seiner Entkoppelstellung oder in seiner Koppelstellung mittels Formschlusseingriff sichert.
Verfahren zum Betrieb eines Batteriezellverbands nach einem der vorhergehenden Ansprüche.