-
Die
Erfindung betrifft ein Akkumodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
-
Derartige
Akkumodule mit Akkuzellen z. B. auf Lithiumbasis sind an sich bekannt
und werden als Energiequelle z. B. in handgetragenen Werkzeugen wie
Schraubern, Bohrmaschinen oder dgl. eingesetzt. Die verwendeten
Akkuzellen werden elektrisch leitend miteinander verbunden, wozu
Verbindungskontakte an die Pole der miteinander verschalteten Akkus
angeschweißt
werden. Bei Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Zellen ist es darüber hinaus notwendig,
eine Überwachungsschaltung
zur Überwachung
des Akkupacks vorzusehen, damit ein zu hoher Entlade- oder Ladestrom über den
von außen zugänglichen
elektrischen Leistungsanschluss vermieden ist.
-
Handelsübliche Akkuzellen,
insbesondere auf Lithiumbasis werden in unterschiedlichen Zellgrößen dem
Anwender zur Verfügung
gestellt. Dieser muss für
den Anwendungsfall geeignete Akkupacks entsprechend konfigurieren,
wobei aufgrund der hohen Ströme
ein Verbinden der Zellen untereinander mittels Schweißverbindern
bevorzugt ist.
-
Für spezielle
Anwendungsbereiche, z. B. für den
Einsatz in Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder dgl. sind spezielle
Zellen geschaffen worden, die das Ergebnis umfangreicher Entwicklungsbemühungen sind,
jedoch in der Herstellung technisch aufwendig und daher sehr teuer
sind.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Akkumodul bereitzustellen,
das bei kleiner Baugröße und hoher
Energiedichte wirtschaftlich günstig
zu fertigen ist.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Zur
Bildung einer Zellenreihe werden mindestens zwei Akkuzellen stirnseitig
aneinander gelegt, wobei im Anlagebereich eine elektrisch leitende Verbindung über eine
Kontaktbrücke
hergestellt ist, die zwischen den einander zugewandten Stirnseiten aufeinanderfolgender
Akkuzellen einer Zellenreihe eingelegt ist. Eine mechanisch feste
Verbindung zwischen der Kontaktbrücke und den Polen der Stirnseiten
ist nicht vorgesehen. Die Kontaktbrücke wird beim Pakettieren der
Zellen zwischen die Pole lose eingelegt. Über eine in Längsrichtung
einer Zellenreihe wirkende Spannvorrichtung werden die in einer Zellenreihe
liegenden Akkuzellen unter elastischer Verformung der Kontaktbrücken miteinander
verspannt, wodurch ohne mechanische Verbindung wie eine Schweißverbindung
oder dgl. eine sichere, mechanisch belastbare Kontaktierung der Akkuzellen untereinander
gewährleistet
ist. Die Kontaktbrücke bildet
ferner einen Potenzialpunkt der Zellenreihe, der über einen
Potenzialleiter mit der Überwachungsschaltung
verbunden ist.
-
Bei
einfachem Aufbau ist ein Akkumodul geschaffen, in dem vorzugsweise
Akkuzellen auf Lithiumbasis verwendet sind, wobei jede Kontaktbrücke als
Potenzialpunkt mit der Überwachungsschaltung verbunden
ist, so dass die Überwachungsschaltung die
Zellenspannung von jedem einzelnen in dem Akkumodul verbauten Zellabschnitt
erfassen und überwachen
kann. Damit ist eine große Überwachungstiefe
möglich,
die eine verlässliche
Aussage über den
elektrischen Zustand eines Zellabschnitts ermöglicht.
-
Zweckmäßig wird
das Potenzial einer Kontaktbrücke über einen
getrennten Potenzialleiter der Überwachungsschaltung
zugeführt,
wobei der Potentialleiter vorteilhaft einteilig mit der Kontaktbrücke als Stanzbiegeteil
ausgeführt
ist.
-
Das
Modulgehäuse
ist zweckmäßig als
becherförmiges
Gehäuse
mit einem das offene Ende des Gehäuses verschließenden Gehäusedeckel
ausgeführt,
wobei der Querschnitt des Modulgehäuses aus mehreren, vorzugsweise
vier ineinandergreifenden Zylinderröhren zusammengesetzt sein kann.
Zur elektrischen Sicherheit ist es vorteilhaft, das Modulgehäuse aus
einem elektrisch isolierenden Material zu bilden, wobei für eine gute
Wärmeabfuhr
ein zugleich wärmeableitendes
Material zweckmäßig ist.
-
Jede
Zellenreihe des Akkumoduls wird zwischen dem Boden des Modulgehäuses und
einer am Modulgehäuse
gehaltenen Druckplatte verspannt. Die Druckplatte ist dabei vorteilhaft
am offenen Ende des Modulgehäuses
mittels Spannschrauben gehalten, wobei die Spannschrauben zweckmäßig in Schraubdome
des Modulgehäuses
eingreifen, so dass das Modulgehäuse
selbst die Spannkräfte
aufnehmen kann. Das Modulgehäuse
ist daher im Wesentlichen in Längsrichtung
belastet, weshalb eine geringe Wandstärke des Modulgehäuses ausreichend
ist.
-
Zweckmäßig liegt
die Überwachungsschaltung
im Bereich des offenen Endes des Modulgehäuses, vorzugsweise auf der
den Akkuzellen abgewandten Seite der Druckplatte. Auf dieser Seite
ist insbesondere auch der Leistungsanschluss der Zellanordnung vorgesehen
sowie ergänzend
ein Kommunikationsanschluss für
die Überwachungsschaltung
selbst. Dabei werden der Leistungsanschluss und/oder der Kommunikationsanschluss
als Teil einer Steckverbindung ausgeführt, wobei vorzugsweise der
Leistungsanschluss und der Kommunikationsanschluss gemeinsam einen
Teil der Steckverbindung bilden. Zweckmäßig ist die am Akkumodul vorteilhafte
Ausführung
der Steckverbindung ein Stecker.
-
Da
das Akkumodul mehrere Zellenreihen nebeneinander hat, im Ausführungsbeispiel
sind es vier Zellenreihen, können
die auf gleicher Höhe
nebeneinanderliegenden Kontaktbrücken
eines gemeinsamen Zellabschnittes unterschiedlicher Zellenreihen ein
einteiliges Bauteil bilden. Dieses Bauteil ist vorteilhaft als einteiliges
Stanzteil ausgeführt,
das mit Biegelaschen ausgestanzt ist. Die Biegelaschen werden zum
Stanzteil zurückgebogen
und bilden zusammen mit dem Steg des Grundkörpers des Stanzteils eine zumindest
teilelastische Kontaktbrücke.
Diese hat etwa U-förmige
Gestalt, wobei die Schenkel des U jeweils an einer Stirnseite einer
Akkuzelle anliegen und die Öffnung
des U vorzugsweise dem Zentrum des Stanzteils zugewandt liegen kann.
Der zugeordnete Potenzialleiter ist vorteilhaft einteilig mit dem Stanzteil
ausgebildet und wird dem geforderten Leistungsverlauf entsprechend
gebogen.
-
Die
an dem Modulgehäuse
abgestützte Druckplatte
ist über
den Umfang des Modulgehäuses an
mehreren, insbesondere einander gegenüberliegenden Befestigungspunkten
gehalten. Die Druckplatte hat etwa rechteckige bzw. quadratische
Form, so dass auf jeder Seite der Druckplatte ein Befestigungspunkt
in Form einer Befestigungsschraube vorgesehen sein kann.
-
Das
Modulgehäuse
des Akkumoduls wird vorzugsweise durch einen dicht schließenden Gehäusedeckel
verschlossen, wobei die Steckverbindung des Leistungsanschlusses
und/oder des Kommunikationsanschlusses von außen zugänglich im Gehäusedeckel
liegt. Dabei kann es zweckmäßig sein,
dass der Gehäusedeckel
einen die Steckverbindung umgebenden Dichtrand aufweist. Ein derartiger Dichtrand
ist vorzugsweise im Bereich der äußeren Kante
der Stirnseite des Gehäusedeckels
vorgesehen und bildet insbesondere die äußere Kante des Gehäusedeckels.
-
In
Weiterbildung der Erfindung ist an einem Ende des Akkumoduls, vorzugsweise
an dem Ende des Gehäusedeckels,
eine Haltevorrichtung ausgebildet. Mittels dieser Haltevorrichtung
kann das Akkumodul stabförmig
an einem Ende festgelegt werden, wozu zweckmäßig im Gehäusedeckel Einpressmuttern zum
Einschrauben von Haltebolzen eingelassen sind. Da die Haltevorrichtung
auf der Seite der Steckverbindung angreift, kann mittels der Haltevorrichtung
die Steckverbindung mechanisch gesichert werden.
-
Das
Schutzrecht betrifft ferner eine Anordnung aus mehreren Akkumodulen,
die entsprechend dem erfindungsgemäßen Akkumodul ausgebildet sein
können.
Eine erste Anzahl von vorzugsweise gleichen Akkumodulen bildet eine
erste Reihe, wobei die Leistungsanschlüsse und/oder die Kommunikationsanschlüsse der
Akkumodule einer Reihe an einer insbesondere gemeinsamen Verbindungsleiste
angeschlossen sind. Mehrere Reihen von gleichen Akkumodulen werden
nebeneinander in einem gemeinsamen Aufnahmegehäuse angeordnet, wobei die Verbindungsleisten
der einzelnen Reihen über
Anschlussbrücken
miteinander verbunden sind und die Anschlussbrücken die äußeren Leistungsanschlüsse und/oder
den äußeren Kommunikationsanschluss der
Anordnung des Leistungspacks bilden.
-
Um
die Anordnung zu einem Leistungspack mechanisch zusammenzufügen, ist
jedes Akkumodul mit einer an einem Ende des Modulgehäuses vorgesehenen
Haltevorrichtung an einer Trägerplatte
gehalten, die als Deckel das Aufnahmegehäuse verschließt. Dadurch
ist es möglich,
ein einzelnes Akkumodul unabhängig
von anderen Akkumodulen mechanisch von der Trägerplatte und elektrisch von
der zugeordneten Verbindungsleiste der Reihe zu trennen, womit das
Akkumodul austauschbar ist. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung
ist es möglich,
in einem Leistungspack mit wenigen Handgriffen ein defektes Akkumodul
auszutauschen, um den Leistungspack selbst wieder betriebsbereit
zu stellen.
-
Da
alle Kommunikationsanschlüsse
aller Akkumodule über
die Verbindungsleiste und die die Verbindungsleisten miteinander
elektrisch verbindende Anschlussbrücke mit einem äußeren Kommunikationsanschluss
kommunizieren, ist ein Modulmanagement über eine äußere Steuereinheit möglich.
-
Das
erfindungsgemäße Leistungspack
aus mehreren Reihen einzelner Akkumodule gibt dem Anwender die Möglichkeit,
einzelne Reihen als Reserve zu schalten, was über die einzelnen Überwachungsschaltungen
jedes Akkumoduls ausgeführt wird.
Fällt ein
Akkumodul aus, kann die äußere Steuereinheit
die Reihe mit dem defekten Modul abschalten, so dass die Spannung
des Leistungspacks unverändert
zur Verfügung
steht und nur die Kapazität eingeschränkt ist.
Damit ist auch die Möglichkeit
geschaffen, eine Modulreihe als Reserve vorzuhalten. Werden z. B.
nur neun von zehn Reihen eines Leistungspacks im normalen Betrieb
zugeschaltet, kann eine letzte Reihe eine Art Energiereserve darstellen, um
z. B. in Fahrzeugen mit Elektro- bzw. Hybridantrieb eine ”Fahrreserve” bereitzustellen.
Die Überwachungsschaltung
ist vorzugsweise so ausgelegt, dass der Ladestrom und der Entladestrom
getrennt geschaltet werden können.
So kann über
die Überwachungsschaltung
die in Reserve befindliche Reihe bei Bedarf geladen werden, aber
ein Entladestrom bis zum Einsatz der Reservereihe gesperrt werden.
-
Die
in Reserve gehaltene Reihe kann auch aktiv geschaltet werden, wenn
eine andere Reihe des Leistungspacks defekt ist und aus dem Leistungsverbund
elektrisch herausgenommen werden muss. Die äußere Steuereinheit kann in
diesem Betriebsfall veranlassen, dass die Überwachungsschaltungen die defekte
Reihe aus- und die Reservereihe einschalten, so dass der Benutzer
keinerlei Leistungseinbußen
hinnehmen muss. Über
eine Fehlermeldung kann der Benutzer eine Meldung erhalten, dass
das verwendete Leistungspack gewartet werden muss.
-
Es
kann zweckmäßig sein,
ein Akkumodul an dem der Haltevorrichtung gegenüberliegenden Ende im Aufnahmegehäuse abzustützen. Zweckmäßig sind
hierzu am Boden des Aufnahmegehäuses
ein oder mehrere Haltefinger bzw. Halterippen angeordnet, die am
geschlossenen Ende des Modulgehäuses
eines Akkumoduls angreifen. Insbesondere ist das geschlossene Ende
des Modulgehäuses über eine
Feder am Boden des Aufnahmegehäuses
abgestützt.
-
Die
Trägerplatte
für die
Akkumodule verschließt
das Aufnahmegehäuse
flüssigkeitsdicht,
so dass der Innenraum des Aufnahmegehäuses mit einem wärmeleitenden
Medium aufgefüllt
werden kann. Vorzugsweise entspricht die Füllhöhe des Mediums im Aufnahmegehäuse etwa
der Länge
eines Akkumoduls. Dadurch sind die im Aufnahmegehäuse aufgenommenen
Akkumodule von dem wärmeleitenden
Medium, vorzugsweise einer Flüssigkeit,
vollständig
umgeben, so dass ein guter Wärmetransport innerhalb
des Aufnahmegehäuses
gewährleistet
ist.
-
Um
eventuell anfallende Wärme
abzuführen oder
dem Leistungspack zum Erreichen der Betriebstemperatur Wärme zuzuführen, ist
vorgesehen, am Boden des Aufnahmegehäuses einen Wärmetauscher
anzuordnen, der von einem Wärmeträger durchströmt wird.
Hierzu weist der Wärmetauscher einen
Zulaufanschluss und einen Ablaufanschluss auf, die durch einen schleifenförmigen Kanal
im Wärmetauscher
miteinander verbunden sind. Der schleifenförmige Kanal ist vorzugsweise
im Deckel des Wärmetauschers
ausgebildet, wobei am Boden des Aufnahmegehäuses vorzugsweise einteilig
angeformte Einstellwände
etwa parallel zu den Kanalwänden
in den Kanal einragen und mehrere zueinander parallele Strömungspfade
schaffen, die einen guten Wärmeübergang
sicherstellen. Damit eine gute Wärmeübertragung
in den Wärmetauscher
möglich
ist, wird das Aufnahmegehäuse
aus einem gut wärmeleitenden
Material gebildet, vorzugsweise aus Aluminium gefertigt, während der
Deckel des Wärmetauschers
aus einem Material wie Magnesium oder Kunststoff gebildet sein kann.
-
Zum
Temperaturmanagement kann es vorteilhaft sein, im Boden des Aufnahmegehäuses oder im
Wärmetauscher
selbst Kühl-
bzw. Heizquellen vorzusehen. Vorteilhaft werden hierzu Peltier-Elemente verwendet,
die elektrisch z. B. von einer vorhandenen Autobatterie eines Hybridfahrzeugs
oder auch dem Leistungspack selbst gespeist werden können. Je
nach elektrischer Beschaltung wird über die Peltier-Elemente das
Leistungspack gekühlt
oder beheizt, bis die erforderliche Betriebstemperatur erreicht
ist.
-
Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und der Zeichnung, in der nachfolgend im Einzelnen
beschriebene Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:
-
1 in
schematischer perspektivischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Akkumodul,
-
2 einen
schematischen Querschnitt durch das Modulgehäuse nach 1,
-
3 eine
schematische, perspektivische Explosionsdarstellung des Akkumoduls
nach 1,
-
4 eine
schematische Draufsicht auf ein Bauteil mit mehreren Kontaktbrücken,
-
5 eine
schematische Darstellung einer einzelnen Kontaktbrücke,
-
6 in
schematischer Darstellung die Ansicht des Kopfes eines Akkumoduls,
-
7 eine
schematisch perspektivische Darstellung einer Anordnung von Akkumodulen
in einem Aufnahmebehälter,
-
8 in
schematischer perspektivischer Darstellung die in einem Aufnahmebehälter nach 7 angeordneten
Akkumodule,
-
9 einen
Schnitt durch die Anordnung von Akkumodulen in einem Aufnahmebehälter nach 7,
-
10 eine
schematische Darstellung einer Temperaturmatte aus Peltier-Elementen,
-
11 eine
Darstellung der Anordnung von Akkumodulen eines Aufnahmebehälters nach 7 und
geöffnetem
Wärmetauscher
im Bodenbereich,
-
12 eine
perspektivische, schematische Darstellung auf den Boden des Aufnahmebehälters bei
geöffnetem
Wärmetauscher.
-
Im
Ausführungsbeispiel
ist sowohl der Aufbau eines einzelnen Akkumoduls als auch die Anordnung
von Akkumodulen zu einem größeren Leistungspack
als selbstständige
Erfindung dargestellt und nachfolgend im Einzelnen beschrieben.
-
Das
im 1 gezeigte Akkumodul 1 besteht aus einem
Modulgehäuse 2,
welches im Ausführungsbeispiel
als becherförmiges
Gehäuse 3 gestaltet
ist, dessen offenes Ende 4 durch einen Gehäusedeckel 5 verschlossen
ist. Wie aus dem schematischen Querschnitt nach 2 zu
ersehen, ist das Modulgehäuse 2 aus
mehreren Zylinderröhren 6, 7, 8 und 9 zusammengesetzt.
Im Ausführungsbeispiel sind
vier Zylinderröhren 6 bis 9 vorgesehen,
die jeweils in den Ecken eines Quadrates liegen. Die Zylinderröhren 6, 7, 8 und 9 sind
so angeordnet, dass zylinderförmige
Akkuzellen 10 senkrecht eingeschoben werden können. Dabei
ist der Durchmesser der Zylinderröhren 6 bis 9 und
deren Überschneidung
derart aufeinander abgestimmt, dass die vorzugsweise gleich aufgebauten
Akkuzellen 10 weitgehend spielfrei im Modulgehäuse 2 gehalten
sind.
-
3 offenbart
den grundsätzlichen
Aufbau des Akkumoduls 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel. Das an einem
Ende 4 offene, becherförmige
Modulgehäuse 2 hat
eine Länge
L, die derart bemessen ist, dass vier insbesondere gleiche, zweckmäßig zylindrische
Akkuzellen 10 in einer Reihe 20 übereinander im
Modulgehäuse 2 aufgenommen
werden können. Im
Ausführungsbeispiel
sind vier derartiger Reihen 20 entsprechend dem schematischen
Querschnitt in 2 im Modulgehäuse 2 aufgenommen.
Zur elektrischen Kontaktierung liegen zwei Akkuzellen stirnseitig
aneinander an, wodurch im Anlagebereich 80 eine elektrisch
leitende Verbindung zwischen dem Pluspol der einen Zelle 10 und
dem Minuspol der anstoßenden
Zelle 10 besteht. Um die elektrisch leitende Verbindung
sicher herzustellen, ist zwischen den Stirnseiten 11 und 12 aneinanderstoßender Zellen 10 eine Kontaktbrücke 13 eingelegt,
wie sie in 5 schematisch dargestellt ist.
Die Kontaktbrücke
hat die Form eines geöffneten
U, wobei die Schenkel 14, 15 des U über einen
Biegebereich 16 aneinander anschließen, der den Steg des U bildet.
Die beiden Schenkel 14, 15 sind elastisch federnd
ausgeführt; bevorzugt
besteht die Kontaktbrücke
aus einem elektrisch gut leitenden Federstahl oder dgl..
-
Werden
die an den Schenkeln 14 und 15 anliegenden Zellen 10 aufeinandergedrückt, verformt sich
die Kontaktbrücke 13 bis
die freien Enden der Schenkel 14, 15 den zwischen
ihnen liegenden Spalt 17 schließen und sich aneinander abstützen. Mit
Anlage der Schenkel 14, 15 aneinander steigt die
Federkraft zur Verformung der Kontaktbrücke 13 progressiv
an, wodurch beim Verspannen einer Zellreihe 20 ohne weitere
mechanische Verbindungsmittel eine sichere, mechanisch belastbare
elektrische Kontaktierung erzielt ist. Beim Verspannen einer Zellreihe 20 werden
die Schenkel 14, 15 einer Kontaktbrücke 13 elastisch
verformt; liegen die Schenkel 14, 15 an ihren
freien Enden aneinander an, wird die Kontaktbrücke härter, und zur weiteren elastischen Verformung
ist eine höhere
Kraft notwendig.
-
Wie
im Ausführungsbeispiel
nach 3 gezeigt, liegen vier Reihen von vier Einzelzellen 10 nebeneinander
im Modulgehäuse 2;
die etwa in einer Ebene liegenden Einzelzellen 10 benachbarter
Reihen 20 bilden einen Zellabschnitt 45, dessen
an den Stirnseiten angeordneten Kontaktbrücken 13 an einem gemeinsamen,
einteiligen Bauteil 18 vorgesehen sind. Vorteilhaft ist
das einteilige Bauteil 18 als Stanzteil 19 ausgeführt und
hat – wie 4 zeigt – etwa die
Form eines X. Die einzelnen Stege 21 des Stanzteils 19 sind
mit einteilig angeformten Biegelaschen 22 verlängert, wobei
zur Bildung einer Kontaktbrücke 13 an
den Stegenden die Biegelasche 22 um eine Biegelinie 23 zurückgebogen
wird. Die zum Stanzteil 21 zurückgebogene Biegelasche 22 bildet zusammen
mit dem Grundkörper
des Steges 21 die Kontaktbrücke 13. In 5 ist
eine derartige Kontaktbrücke 13 in
Seitenansicht dargestellt.
-
Wie 3 zeigt,
sind an den Stanzteilen 19 der Kontaktbrücken 13 auch
die Potenzialleiter 30 einteilig angeformt und entsprechend
dem Leitungsverlauf gebogen. Eine entsprechende Ausbildung ist auch
für die
Kontaktplatten 24 an den Enden der Zellreihen 20 vorteilhaft,
wobei wiederum die Potenzialleiter 30 und auch die Stromleiter 32 einteilig
angeformt und entsprechend dem Leitungsverlauf gebogen sind. Durch
die Fertigung als Stanzbiegeteile entfallen sonst notwendige Verbindungsmaßnahmen zum
elektrischen Anschluss der Leiter an den Kontaktbrücken 13 bzw.
an den Kontaktplatten 24.
-
An
den Enden der Zellreihen 20 sind zweckmäßig einfache Kontaktplatten 24 vorgesehen;
zwischen je zwei in Längsrichtung
benachbarten Zellen 10 sind federnde Kontaktbrücken 13 entsprechend der
Ausbildung nach den 4 und 5 angeordnet.
-
Zur
Erzielung eines festen, einheitlichen Verbundes aus Akkuzellen 10 ist
vorgesehen, diese über eine
Spannvorrichtung in Längsrichtung
der Zellreihen 20 im Modulgehäuse 2 zu verspannen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die vier parallel nebeneinander liegenden Zellreihen 20 zwischen
dem Boden 25 des Modulgehäuses 2 und einer am
Modulgehäuse 2 festzulegenden
Druckplatte 26 verspannt. Wie 6 zeigt,
ist die Druckplatte 26 am offenen Ende 4 des Modulgehäuses 2 mittels
Spannschrauben 27 am Modulgehäuse 2 gehalten. Die
Spannschrauben 27 greifen in Schraubdome 28 ein,
die einteilig mit dem Modulgehäuse 2 ausgebildet
sind. Das Modulgehäuse 2 selbst
besteht aus einem vorzugsweise schlagfesten, insbesondere elektrisch
isolierenden Material wie z. B. ein entsprechendes Kunststoffmaterial.
Bevorzugt ist das Material des Modulgehäuses 2 derart ausgewählt, dass
es auch gut wärmeleitend
ist, um die beim Laden und Entladen in den Akkuzellen 10 entstehende
Wärme nach
außen
abzugeben.
-
Die
Länge einer
Zellreihe 20 mit zwischen den Zellen 10 angeordneten
Kontaktbrücken 13 hat ein
Maß A,
welches größer als die
Länge L
des Gehäuses 3 zwischen
der Stützschulter 29 für die Druckplatte 26 und
dem Boden 25 des Modulgehäuses 2 ist. Damit
ist sichergestellt, dass beim Aufschrauben der Druckplatte 26 die
Kontaktbrücken 13 zwischen
den Stirnseiten 11, 12 der Zellen 10 elastisch
so weit verformt werden, dass die freien Enden der Schenkel 14 und 15 der
Kontaktbrücken 13 aneinander
anliegen und eine erhöhte
Federkraft wirkt. Nach Festschrauben der Druckplatte 26,
die über den
Umfang des Modulgehäuses 2 an
mehreren, insbesondere einander gegenüberliegenden Befestigungspunkten
an dem Modulgehäuse 2 gehalten
ist, wird ein fester Verbund von Akkuzellen 10 erreicht, der
auch mechanischen Querbeschleunigungen ohne Beeinträchtigung
der elektrischen Kontaktierung widersteht.
-
Die
in 3 gezeigten Zellreihen 20 werden an ihren
Enden über
Kontaktplatten 24 kontaktiert, während zwischen den einander
zugewandten Stirnseiten 11, 12 der Zellen 10 jeweils
als gemeinsames Bauteil 18 ein Stanzteil 19 mit
Kontaktbrücken 13 angeordnet
ist. Jede Kontaktplatte 24 und jedes Stanzteil 19 mit
mehreren Kontaktbrücken 13 bildet
einen Potenzialpunkt, dessen Potenzial über einen Potenzialleiter 30 einer Überwachungsschaltung 31 zugeführt ist.
Die Potenzialleiter 30 sind dabei vorzugsweise einteilig
mit dem Stanzteil 19 bzw. der Kontaktplatte 24 gefertigt
und anschließend
in ihre Lage gebogen. Die untere Kontaktplatte 24 ist ferner
mit einem getrennt vom Potenzialleiter 30 insbesondere
einteilig angeformten Stromleiter 32 versehen, der parallel und
getrennt von Potenzialleiter 30 geführt ist, damit ein Spannungsabfall über den
Stromleiter 32 aufgrund eines fließenden Stromes nicht das an
der Kontaktbrücke 13 abgegriffene
Spannungs potenzial verfälschen
kann. Die obere Kontaktplatte 24 weist einen nur kurzen
Stromleiter 32 auf, der im Wesentlichen als gebogener Anschlusskontakt
ausgeführt
ist und zugleich den Potenzialleiter 30 bildet. Aufgrund der
nur geringen Länge
fällt über die
Länge des Stromleiters 32 eine
nur geringe Spannung ab, die gegenüber dem Potenzial an der oberen
Kontaktplatte vernachlässigt
werden kann.
-
Die Überwachungsschaltung 26 ist
im Bereich des offenen Endes 4 des Modulgehäuses 2 angeordnet,
und zwar – wie
im Ausführungsbeispiel
gezeigt – zweckmäßig auf
der den Akkuzellen 10 abgewandten Seite 32 der
Druckplatte 26.
-
Auf
der den Akkuzellen 10 abgewandten Seite der Druckplatte 26 ist
auch der Leistungsanschluss 35 vorgesehen, über den
die Akkuzellen 10 ihren Leistungsstrom abgeben bzw. geladen
werden.
-
Auf
der den Akkuzellen 10 abgewandten Seite 32 der
Druckplatte 26 ist ferner ein Kommunikationsanschluss 34 angeordnet,
der vorteilhaft als Busanschluss gestaltet sein kann. Dieser Kommunikationsanschluss
ist zur Kommunikation der Überwachungsschaltung
mit einer äußeren Steuereinheit vorgesehen.
-
Wie
im Ausführungsbeispiel
gezeigt, sind der Leistungsanschluss 35 und der Kommunikationsanschluss 34 als
gemeinsamer Teil einer Steckverbindung 36 ausgeführt. Im
Ausführungsbeispiel
sind der Leistungsanschluss 35 und der Kommunikationsanschluss 34 in
einem gemeinsamen Stecker 37 vorgesehen, wie 6 zeigt.
-
Die Überwachungsschaltung 31 am
offenen Ende 4 des Modulgehäuses 2 überwacht
intern die Zellspannung der einzelnen Zellabschnitte 45,
die jeweils aus den auf einer Höhe
liegenden Akkuzellen 10 benachbarter Zellreihen 20 gebildet
sind. Die Potenziale der Kontaktplatten 24 und der die
Kontaktbrücken 13 tragenden
Bauteile 18 sind über
die Potenzialleiter 30 der Überwachungsschaltung 31 zugeführt. Die Überwachungsschaltung 31 kann
daher bei fehlerhafter Zellspannung eines Zellabschnittes 45 eine
entsprechende Fehlermeldung über
den Kommunikationsanschluss 34 ausgeben und über geeignete
Schaltmittel die Zellreihe 20 elektrisch abschalten.
-
Die Überwachungsschaltung 31 überwacht ferner
sowohl den Ladestrom als auch den Entladestrom, weshalb die Stromleiter 32 ebenfalls über die Überwachungsschaltung 31 mit
dem Leistungsanschluss 35 in Verbindung stehen. Daneben
dient die Überwachungsschaltung 31 der Überwachung
der Temperaturen im Akkumodul 1, wozu im Inneren des Modulgehäuses 2 ein
oder mehrere nicht dargestellte Temperatursensoren angeordnet sind.
Die Überwachungsschaltung 31 umfasst
auch eine Schutzschaltung gegen ein Tiefentladen.
-
Nach
dem Festschrauben der Druckplatte 24 und dem Anschließen der
Potenzialleiter 30 und der Stromleiter 32 mittels
Kontaktschrauben 90 an die Überwachungsschaltung 31 wird
das Modulgehäuse 2 durch
einen Gehäusedeckel 5 dicht
verschlossen. Dabei greift der Stecker 37 in eine zentrale Öffnung 39 des
Gehäusedeckels 5 ein.
Die Oberkante des Steckers 37 liegt mit der Ebene des Gehäusedeckels 5 etwa
in einer Ebene und ist von außerhalb
des Modulgehäuses 2 zugänglich,
um das Akkumodul 1 in einen Leistungsverbund elektrisch
einzubinden.
-
In
weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Akkumoduls ist die Steckverbindung 36 im Gehäuse von
einem Dichtrand 40 umgeben. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
liegt der Dichtrand 40 im Bereich der äußeren Kante 41 des
Gehäusedeckels 5.
Im Ausführungsbeispiel
bildet der Dichtrand 40 unmittelbar die äußere Gehäusekante 41 des
Deckels 5 und steht über
dessen Ebene leicht über.
-
Der
Deckel 5 ist – ebenso
wie die Druckplatte 26 – über den Umfang des Modulgehäuses 2 mit mehreren
Schrauben 27, 38 an diesem festgelegt. Im Ausführungsbeispiel
sind auf jeder Längsseite
des Deckels 5 je eine Schraube 38 vorgesehen,
wobei die Spannschrauben 27 und die Befestigungsschrauben 38 auf
einer Achse liegen und/oder einteilig gestaltet sein können.
-
Um
das Akkumodul 1 als Anbau an einer Tragvorrichtung zu halten,
ist vorgesehen, an einem Ende des Modulgehäuses 2 eine Haltevorrichtung 43 auszubilden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Haltevorrichtung 43 am offenen Ende 4 des
Modulgehäuses 2 bzw.
als Gehäusedeckel 5 ausgebildet.
Wie gezeigt, sind im Gehäusedeckel 5 zwei
Einpressmuttern 42 eingelassen, in die nicht näher dargestellte
Haltebolzen eingeschraubt werden können. Die Einpressmuttern 42 können auch
in entsprechende Aufnahmedome des Modulgehäuses 2 eingelassen
werden, sofern dies für
eine Anwendung zweckmäßig erscheint.
-
Das
erfindungsgemäße Akkumodul 1 ist
bevorzugt geeignet, in einer Anordnung mit mehreren gleichen Akkumodulen
einen Leistungspack 50 zu bilden, wie es in den 7 bis 9 gezeigt
ist. Ein derartiger Leistungspack 50 kann als Energiequelle in
elektrisch anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt werden, z. B.
in elektrischen Fahrzeugen, elektrisch angetriebenen Pkw's, Hybridfahrzeugen
oder dgl..
-
In 8 ist
eine erste Anzahl von Akkumodulen 1 in einer Reihe 51 angeordnet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
bilden zehn stehende Akkumodule 1 eine Reihe, wobei die
Leistungs- und Kommunikationsanschlüsse, also
die Steckverbindung 36 aller Akkumodule 1 auf
der gleichen Seite liegen. Alle Steckverbindungen 36 werden
in eine Verbindungsleiste 42 eingesteckt, so dass alle
Leistungsanschlüsse 35 ebenso
wie alle Kommunikationsanschlüsse 34 miteinander
in Verbindung stehen. Wie 7 zeigt,
erhält
jede Reihe 51 von Akkumodulen 1 eine derartige
vorzugsweise als Platine ausgebildete Verbindungsleiste 52,
wobei die Verbindungsleisten 52 über Anschlussbrücken 53, 54 und 55 miteinander elektrisch
gekoppelt sind. Die Anschlussbrücke 53 verbindet
alle Kommunikationsanschlüsse
der Verbindungsleisten 52 miteinander, so dass am äußeren Kommunikationsanschluss 56 eine äußere Steuereinheit
angeschlossen werden kann, die ein Diagnose- und/oder Leistungsmanagement
der Akkumodule 1 übernehmen
kann. Über
die äußere Steuereinheit kann
der Ist-Zustand
des Leistungspacks 50 als Gesamtheit wiedergegeben werden. Über einen äußeren Leistungsanschluss 49,
der an den Anschlussbrücken 54 und 55 angeschlossen
ist, fließt
der Entlade- und Ladestrom. Dabei ist die Überwachungsschaltung 31 derart
ausgelegt, dass der Entladestrom und der Ladestrom voneinander getrennt
ein- und ausgeschaltet werden können.
Je nach Ansteuerung kann eine Reihe 51 von Akkumodulen 1 z.
B. nur als Reserve bereitgehalten werden; die Reservereihe wird überwacht
und nur bei Bedarf geladen, wobei ein Entladestrom nur im Reservefall
erlaubt wird. Dadurch ist eine zuverlässige Bereitschaft der Reserve
gewährleistet.
-
Wie
in 8 angedeutet und in 9 gezeigt,
ist jedes Akkumodul 1 über
die Haltevorrichtung an einer Tragplatte 57 mechanisch
festgelegt. Dazu werden durch die Tragplatte 57 zwei Tragbolzen
in die Einpressmuttern 42 eingeschraubt und der Gehäusedeckel 5 fest
gegen die Unterseite 58 der Tragplatte 57 verspannt.
Dabei legt sich der Dichtrand 40 abdichtend an die Unterseite 58 der
Tragplatte 57 an, so dass die Steckverbindung 36 staub-
und flüssigkeitsdicht
gegenüber
dem Innenraum 59 des Aufnahmegehäuses 60 abgedichtet
ist. Mit dem Einschrauben der Haltebolzen in die Haltevorrichtung 43 des
Akkumoduls 1 wird zugleich die Steckverbindung 36 angeschlossen
und mechanisch gesichert; im Ausführungsbeispiel wird der Stecker 37 in
die entsprechende Steckbuchse der Verbindungsleiste 52 eingeschoben.
Mit dem Festschrauben der Haltebolzen in die Einpressmuttern 42 des
Akkumoduls 1 wird somit nicht nur das Akkumodul 1 mechanisch
an der Tragplatte 57 festgelegt, sondern zugleich die Steckverbindung 36 geschlossen
und die elektrische Kontaktierung hergestellt, die mit Anlegen des
Dichtrandes 40 an die Unterseite 58 der Tragplatte 57 gegenüber den
Innenraum 59 des Aufnahmegehäuses 60 abgedichtet
ist.
-
Alle
Akkumodule 1 der Anordnung, im Ausführungsbeispiel 100 Module 1,
werden an der Tragplatte 57 festgelegt und gemeinsam in
das Aufnahmegehäuse 60 abgesenkt.
Die Tragplatte 57 wird dabei als Verschlussdeckel flüssigkeitsdicht
auf dem Gehäuserand
des Aufnahmegehäuses 60 verschraubt.
-
Da
in dem Tragverbund von Akkumodulen jedes einzelne Akkumodul 1 unabhängig von
den anderen Akkumodulen mechanisch von der Trägerplatte 57 zu lösen ist
und dabei die elektrische Verbindung mit der Verbindungsleiste 52 der
Reihe 51 durch Öffnen
der Steckverbindung 36 einfach getrennt werden kann, ist
jedes Akkumodul 1 leicht austauschbar. Somit ist das Leistungspack 50 ohne
großen
Montage- und Demontageaufwand leicht zu warten; über den äußeren Kommunikationsanschluss 56 kann
mittels eines Diagnoseprogramms festgestellt werden kann, ob und
welche Zellabschnitte 45 des Gesamtverbundes defekt sind.
Akkumodule 1 mit defekten Zellabschnitten 45 können einfach
ausgetauscht werden, so dass – nach
Austauschen der defekten Module – das gesamte Leistungspack 50 wieder
einsetzbar ist.
-
Zur
mechanischen Fixierung der hängend
an der Trägerplatte 57 befestigten
Akkumodule 1 kann es zweckmäßig sein, die Akkumodule 1 an
dem der Haltevorrichtung gegenüberliegenden
Ende 44 abzustützen.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, am Boden 61 des Aufnahmegehäuses 60 Haltefinger 62 oder
Halterippen anzuordnen, die sich in Richtung der unteren Enden 44 der
einzelnen Akkumodule 1 erstrecken. Zweckmäßig greift
je ein Haltefinger 62 in eine zentrale Vertiefung am unteren
Ende 44 des Modulgehäuses 2 ein.
Um auch bei geringem Spiel eine in Modullängsrichtung wirkende Spannkraft
aufzubauen, kann zweck mäßig am Haltefinger
eine Druckfeder 63 angeordnet sein, vorzugsweise eine um
den Haltefinger 62 angeordnete Spiralfeder. Ein Akkumodul 1 ist
somit an der Trägerplatte 57 des
Aufnahmegehäuses 60 mechanisch
starr fixiert, während
es an seinem gegenüberliegenden
Ende 44 durch einen Haltefinger 62 gehalten ist.
Bei Anordnung einer Druckfeder 63 kann eine definierte
Haltekraft aufgebaut werden kann.
-
Die
Trägerplatte 57 verschließt den Innenraum 59 des
Aufnahmegehäuses 60 flüssigkeitsdicht,
so dass über
einen Füllstutzen 48 in
den Innenraum 59 ein wärmeleitendes
Medium eingefüllt
werden kann, vorzugsweise eine wärmeleitende
Flüssigkeit.
Die Füllhöhe der Flüssigkeit
im Aufnahmegehäuse
entspricht etwa der Länge
L eines Akkumoduls 1, wie in 9 dargestellt.
-
Die
wärmeleitende
Flüssigkeit
stellt sicher, dass das gesamte Leistungspack 50 eine im
Wesentlichen gleichmäßige Temperatur
hat; eventuelle erhöhte
Temperaturen einer einzelnen Zelle 10 oder Akkumoduls 1 können so
abgebaut werden.
-
Lithium-Zellen
müssen
in einem begrenzten Temperaturbereich von z. B. –20° bis +40° betrieben werden. Dadurch kann
bei Leistungspacks 50 aus Lithium-Zellen der Bedarf einer
Kühlung
oder Heizung gegeben sein. Nach einer Weiterbildung der Erfindung
ist am Boden 61 oder im bevorzugt doppelwandig ausgebildeten
Boden 61 des Aufnahmegehäuses 60 oder einem
angebauten Wärmetauscher 64 eine Temperaturmatte 99 angeordnet,
wie sie in 10 dargestellt ist. Die Matte 99 besteht
aus Peltier-Elementen 77 und 88, die jeweils so
gepolt sind, dass die Elemente 77 als Heizquellen und die
Elemente 88 als Kälte quellen
wirken. Muss das Leistungspack 50 zum Erreichen seiner
Betriebstemperatur geheizt werden, z. B. im Winter, werden die Peltier-Elemente 77 mit
Strom gespeist. Muss zum Erreichen der Betriebstemperatur gekühlt werden,
z. B. im Sommer, werden die elektrisch in Gegenrichtung geschalteten Peltier-Elemente 88 elektrisch
in Betrieb genommen. Die Energie für die Peltier-Elemente kann aus
dem Leistungspack selbst entnommen werden oder – z. B. in Hybridfahrzeugen – aus einer
konventionellen Autobatterie (Bleibatterie).
-
Wie
im Ausführungsbeispiel
nach den 11 und 12 gezeigt,
kann am Boden 61 des Aufnahmegehäuses 60 ein Wärmetauscher 64 angeordnet
sein, der von einem Wärmeträger durchströmt ist.
Hierzu weist der Wärmetauscher 64 einen
Zulaufanschluss 65 und – im Ausführungsbeispiel zweckmäßig auf
der gegenüberliegenden
Seite des Leistungspacks 50 – einen Ablaufanschluss 66 auf.
Im Wärmetauscher 64 ist
ein schleifenartiger Kanal 67 ausgebildet, der den Zulaufanschluss 65 mit
dem Ablaufanschluss 66 verbindet. Im Ausführungsbeispiel ist
der schleifenartige Kanal 67 im Deckel 70 des Wärmetauschers 64 vorgesehen
(11). Die Wände 68 des
Kanals 67 erstrecken sich über die gesamte Höhe des Wärmetauschers 64;
zwischen die Wände 68 des
Kanals 67 greifen Einstellwände 69, die am Boden 61 des
Aufnahmegehäuses 60 etwa
senkrecht angeformt sind. Die Einstellwände 69 verlaufen etwa
parallel zu den Kanalwänden 68 und
teilen den schleifenförmigen
Kanal 67 in mehrere parallele Strömungspfade auf, so dass ein
guter Wärmeübergang zwischen
den Einstellwänden 69 und
dem strömenden
Wärmeträger gegeben
ist. Der getrennt vom Aufnahmegehäuse 60 gefertigte
Deckel 70 des Wärmetauschers 64 wird
flüssigkeitsdicht
auf den Boden des Aufnahmegehäuses 60 aufgesetzt.
Um eine gute Wärmeabfuhr
aus dem Leistungspack 50 zu gewährleisten – oder aber eine gute Wärmeübertragung
in den Leistungspack zu ermöglichen – ist das
Aufnahmegehäuse 60 aus
einem gut wärmeleitenden
Material, wie z. B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet.
Die Einstellwände 69 am
Boden 61 sind einteilig mit dem Aufnahmegehäuse 60 ausgeführt und
bestehen daher aus dem gleichen, gut wärmeleitenden Material.
-
Der
getrennt gefertigte Deckel 70 des Wärmetauschers 64 kann
aus einem Kunststoff oder einem Metall wie z. B. Magnesium gefertigt
sein, so dass bei leichtem Gewicht eine ausreichende mechanische
Festigkeit gegeben ist. Der Deckel 70 wird flüssigkeitsdicht
auf den Boden 61 des Aufnahmegehäuses 60 aufgesetzt
und der Zuflussstutzen 65 sowie der Abflussstutzen 66 in
einen geeigneten Wärmekreislauf
eingebunden. Die Abwärme
kann z. B. zur Beheizung der Fahrgastzelle eines Fahrzeugs verwendet
werden; im Winter kann über
den angeformten Wärmetauscher 64 das
Leistungspack 50 von einer externen Wärmequelle auf die erforderliche Betriebstemperatur
aufgeheizt werden. Es kann vorteilhaft sein, im Kreislauf des Wärmetauschers 64 eine
Wärmepumpe
vorzusehen.
-
Die
im Ausführungsbeispiel
verwendeten Akkuzellen 10 können Akkuzellen beliebiger
Bauart sein. Z. B. können
Polymerzellen, Metallhydridzellen oder andere Zellen verwendet werden.
Vorzugsweise sind handelsübliche
Lithium-Zellen (Lithium-Ionen/Lithium-Polymer)
mit einer Zellspannung von 3,6 bis 4,2 Volt und einer Kapazität von ca.
1800 mAh bis 3000 mAh eingesetzt. Die handelsüblichen Einzelzellen sind vorteilhaft mit
einem Sicherheitsventil versehen, das einem Explosionsschutz dient.
-
Vorteilhaft
kann die weitere Entwicklung von Zellen bei der beschriebenen Erfindung
ohne größere technische
Probleme eingesetzt werden, unabhängig von höheren Kapazitäten, Spannungen
oder Baugrößen. Auch
fortschrittliche Materialkombinationen sind verwendbar.