DE202012012655U1

DE202012012655U1 - Gehäuse für eine Batteriezelle mit einem Gehäusedeckel eine Überwachungselektronik aufweisend, Batteriezelle, Batteriemodul sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE202012012655U1
Application number: DE202012012655U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2013-12-03
Anticipated expiration: 2022-08-10

Abstract

Gehäuse für eine Batteriezelle (10) mit einem Gehäusedeckel (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (12) ein elektronisches Bauteil (14) auf einer Metallkernleiterplatte aufweist, dass der Gehäusedeckel (12) in zwei Teilbereiche (15, 16) untergliedert ist, die elektrisch jeweils einer Elektrode (17) einer Batteriezelle zugeordnet sind und dass das elektronische Bauteil (14) mit beiden Teilbereichen (15, 15) kontaktiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Batteriezelle mit einem Gehäusedeckel, eine Batteriezelle, ein Batteriemodul sowie ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen, beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe Batterie und Batteriesystem synonym für Akkumulator bzw. Akkumulatorsystem gebraucht.
Für genannte Anwendungen werden derzeit Lithium-Ionen-Batterien bevorzugt eingesetzt. Lithium-Ionen-Batteriezellen sind jedoch sehr empfindlich gegenüber einem Eindringen von Feuchtigkeit, da durch Hydrolyse Fluorwasserstoff gebildet werden kann.
Aufgrund der geforderten hohen Lebensdauern von über 10 Jahren und mehr werden daher für den Einsatz in Fahrzeugen Zellen mit einem festen Gehäuse, sogenannte Hardcase-Zellen favorisiert. Diese bestehen aus einem Gehäuse zur Aufnahme der elektrochemischen Elemente (Cell Can) und einem das Gehäuse abdichtenden Gehäusedeckel (Cap Plate). Die beiden Bauteile werden beispielsweise durch Schweißung miteinander verbunden. Das Batteriegehäuse basiert in der Regel auf einem metallischen Werkstoff, beispielsweise kann es aus Aluminium bestehen. Der Gehäusedeckel besteht zumeist aus einer metallischen Platte, auf deren Oberseite sich die beiden Polanschlüsse befinden. Einer der Polanschlüsse ist dabei vom Gehäuse elektrisch isoliert.
Um Lithium-Ionen-Batteriezellen sicher betreiben zu können, ist gemäß dem Stand der Technik ein Batteriemanagementsystem (BMS) erforderlich. Das Batteriemanagementsystem verhindert unter anderem ein Überladen oder Tiefentladen der Zellen und eine Belastung der Zellen mit unzulässig hohen Lade- oder Entladeströmen. Für Batteriesysteme, die in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, sind aufgrund der großen Anzahl an Batteriezellen, die in derartigen Batterien verbaut werden, komplexe Elektroniken für das Batteriemanagement erforderlich.
Für die Überwachung der Batteriezellen werden sogenannte CSC (Cell Supervision Circuit) Elektronikmodule eingesetzt, welche mehrere Batteriezellen überwachen. Diese Elektronikmodule werden entweder in der Nähe der zugehörigen Batteriezellen als ”dezentraler Satellit” platziert, oder die gesamte Elektronik wird in einer ”Zentralelektronik” realisiert.
In der DE 202 07 721 U1 wird eine Fahrzeugbatterie offenbart, die ein Gehäuse mit einem Gehäusedeckel aufweist, auf dem Bauteile für eine Steuerung angeordnet sind.
Die DE 198 10 746 B4 offenbart eine Platine zum gleichzeitigen Aufstecken auf mehrere prismatische Batteriezellen eines Batteriemoduls, wobei die Platine auf der Seite der Oberseite der Batteriezellen angeordnet ist. Die Platine dient zur Spannungs- und Temperaturmessung der Batteriezellen, wobei die Platine direkt mit den Polanschlüssen der zu überwachenden Zellen verbunden ist.
Die WO2006/036369 A2 zeigt eine Batteriezelle mit einer Sicherheitsschaltung. Die Batteriezelle umfasst ein metallisches Batteriezellengehäuse (Cell Can) und einen Batteriezellendeckel (Cap Plate), wobei die Sicherheitsschaltung auf der Cap Plate angeordnet ist. Die Elektronik wird über die beiden Pole der Batteriezelle direkt mit elektrischer Energie versorgt.
Die EP 1 204 154 A2 offenbart eine zylindrische Batteriezelle mit einer Schutzschaltung, welche im Deckel der Batteriezelle angeordnet ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Gehäuse (Hardcase) für eine Batteriezelle mit einem metallischen Gehäusedeckel (Cap Plate) bereitgestellt, wobei der Gehäusedeckel ein auf einer Metallkernleiterplatte angeordnetes elektronisches Bauteil aufweist, wobei der Gehäusedeckel in zwei Teilbereiche untergliedert ist, die elektrisch jeweils einer der beiden Elektroden eine Batteriezelle zugeordnet sind, und wobei das elektronische Bauteil mit beiden Teilbereichen kontaktiert ist.
Über die Kontaktierung des elektronischen Bauteils mit beiden auf unterschiedlichem Potential liegenden Teilbereichen wird dieses mit elektrischer Energie versorgt.
Zur Ausbildung von zwei Teilbereichen müssen diese elektrisch nicht leitend miteinander verbunden werden. Verfahren zur dauerhaften, nicht leitenden Verbindung von metallischen Bauteilen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Im Rahmen dieser Erfindung ist eine über einen Nano-Formprozess (Nano Molding) hergestellte Verbindung bevorzugt.
Zur Anordnung des elektronischen Bauteils auf dem Gehäusedeckel sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. So kann das elektronische Bauteil auf der Außenseite des Gehäusedeckels, auf der Innenseite oder auf Außen- und Innenseite angeordnet sein.
Bei der Ausführungsform der Erfindung, bei der das elektronische Bauteil auf Außen- und Innenseite angeordnet ist, sind beide Teile des Bauteils miteinander kontaktiert.
Dabei kann das elektronische Bauteil auf der Metallkernleiterplatte auf den Gehäusedeckel aufgeklebt sein oder der metallische Gehäusedeckel ist Teil der Metallkernleiterplatte.
Vorzugsweise sind auf der Oberfläche des Gehäusedeckels zwei Polanschlüsse ausgebildet, wobei das elektronische Bauteil zwischen den beiden Polanschlüssen angeordnet ist.
Das elektronische Bauteil ist vorzugsweise eine Schaltung zur Überwachung einer Batteriezelle, ein sogenannter CSC (Cell Supervision Circuit), beispielsweise zur Spannungs- und Temperaturerfassung.
Dieses Bauteil ist vorzugsweise Teil eines Batteriemanagementsystems, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug.
Die Auswahl der Materialen und die Herstellung von Leiterplatten auf einem Metallsubstrat, sogenannte Metall Core Printed Circuit Boards (MCPCB), sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
Üblicherweise werden dabei Epoxyd-Glasfasergewebe(FR4)-Leiterplatten über eine dielektrische Schicht, meist ein elektrisch isolierender, aber thermisch gut leitfähiger Kleber, auf ein Metallsubstrat aus Aluminium oder Kupfer aufgebracht.
Diese Leiterplattentechnologie hat den Vorteil, dass im Vergleich zu Standardleiterplatten sehr geringe thermische Übergangswiderstände realisiert werden können. Daher wird diese Technik bei Anwendungen eingesetzt, bei denen die elektronischen Bauelemente mit größeren Verlustleistungen betrieben werden, oder bei Anwendungen, bei denen die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Bauelemente mit zunehmender Temperatur zurückgeht.
Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus Metall, besonders bevorzugt aus Aluminium oder Edelstahl.
Erfindungsgemäß beansprucht werden auch Batteriezellen, vorzugsweise Lithium-Ionen-Zellen, die ein vorbeschriebenes Gehäuse aufweisen, sowie ein aus diesen Batteriezellen aufgebautes Batteriemodul.
Eine direkte Aufbringung einer Überwachungselektronik für eine Batteriezelle am Gehäusedeckel hat folgende Vorteile:

– Da die Überwachungselektronik sehr gut thermisch an den Gehäusedeckel gekoppelt ist, kann die Temperatur der Batterie sehr genau und kostengünstig erfasst werden.
– Bei Anordnung der Überwachungselektronik ganz oder teilweise direkt im Gehäuse bzw. der Batteriezelle kann vorteilhafterweise z. B. die Temperatur unmittelbar gemessen werden. Dadurch kann zusätzliche Information bzw. gegebenenfalls auch genauere Information über den Zustand der Batteriezelle gewonnen werden.
– Die Überwachungselektronik kann direkt aus der Batteriezelle mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei durch die Ausbildung von zwei Teilbereichen auf unterschiedlichem Potential, die elektrisch voneinander isoliert sind, eine direkte Kontaktierung vorteilhafterweise direkt mit den beiden Elektrodenpotentialen erfolgen kann.
– Die Überwachungselektronik muss nicht separat mechanisch fixiert werden, da diese mit dem Gehäusedeckel mechanisch robust verbunden ist.
– Die Überwachungselektronik ist mit einer spezifischen Batteriezelle dauerhaft verbunden, so dass relevante Betriebsdaten, welche die Alterung einer Batteriezelle maßgeblich beeinflussen, aufgezeichnet werden können. Dies ist zum einen von Vorteil für die Gewährleistung, zum anderen können diese Informationen auch für ein sogenanntes ”Second Life”, das heißt eine Wiederverwendung in einem anderen Bereich dienen. Dies ist ein entscheidender Vorteil insbesondere vor dem Hintergrund, dass Fahrzeughersteller heute schon Gewährleistungszeiträume von 10 Jahren und mehr von den Batteriezellherstellern fordern.

Die Aufbringung der Elektronik am Gehäusedeckel eignet sich für den Einsatz der Batteriezellen in Batteriemodulen, bei denen die Zellen über die großflächige Stirnseite miteinander in einem Pressverband verbaut werden. Derartige Batteriemodule werden insbesondere dann eingesetzt, wenn die Batteriezellen zur Erhöhung ihrer Lebensdauer durch mechanische Verspannung daran gehindert werden, sich mechanisch bei Lade- und Entladevorgängen auszudehnen, der dadurch generierte mechanische Stress würde eine schnellere Alterung der Zellen bewirken.
Die Aufbringung der Elektronik auf den Gehäusedeckel eignet sich auch für ein Batteriesystem, bei dem die Zellen über einen Luftstrom gekühlt werden. In diesem Fall werden die Zellen nicht direkt gegeneinander gepresst, sondern mittels Abstandhalter verbaut, damit der Luftstrom zwischen den Zellen durchströmen kann.
Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriemodul, das voranstehend beschrieben ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit einem elektronischen Bauteil am Gehäusedeckel,
2 in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit einem elektronischen Bauteil am Gehäusedeckel nach einer zweiten Ausführungsform,
3 in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit einem elektronischen Bauteil am Gehäusedeckel nach einer dritten Ausführungsform,
4 in einer geschnittenen Ansicht ein Gehäusedeckel eines erfindungsgemäßen Gehäuses für eine Batteriezelle,
5 in einer geschnittenen Ansicht ein Gehäusedeckel eines erfindungsgemäßen Gehäuses für eine Batteriezelle nach einer zweiten Ausführungsform,
6 in einer geschnittenen Ansicht ein Gehäusedeckel eines erfindungsgemäßen Gehäuses für eine Batteriezelle nach einer dritten Ausführungsform, und
7 in einer geschnittenen Ansicht ein Gehäusedeckel eines erfindungsgemäßen Gehäuses für eine Batteriezelle nach einer vierten Ausführungsform.
Die in den 1, 2 und 3 dargestellte prismatische Batteriezelle 10 weist ein Gehäuse 11 mit einem Gehäusedeckel 12 auf. Auf der Oberseite der Batteriezelle 10 sind zwei Polanschlüsse 13 ausgebildet, zwischen denen ein elektronisches Bauteil 14 zur Überwachung der Batteriezelle 10 angeordnet ist. Der Gehäusedeckel 12 besitzt zwei Teilbereiche 15 und 16, die jeweils das gleiche Potential wie der darin befindliche Polanschluss 13 aufweisen. Die beiden Teilbereiche 15 und 16 sind gegeneinander elektrisch isoliert, wobei ein Teilbereich 15 das gleiche Potential wie auch das Gehäuse 11 aufweist. Das elektronische Bauteil 14 ist derart zwischen den beiden Polanschlüssen angeordnet, dass entweder beide Teilbereiche 15 und 16 kontaktiert werden oder das elektronische Bauteil 14 ist mit dem Teilbereich 16, den es nicht überdeckt, mittels einer hier nicht dargestellten Verdrahtung kontaktiert. Zudem kann das elektronische Bauteil 14, obwohl in den 1 bis 3 nicht detailliert dargestellt, auf der Außenseite, auf der Innenseite oder auf Außenseite und Innenseite des Gehäusedeckels 12 angeordnet sein.
In den 4 bis 7 wird jeweils ein Gehäusedeckel 12 nach verschiedenen Ausführungsformen gezeigt. Die Teilbereiche 15, 16 des Gehäusedeckels 12 sind mittels einer Naht aus einem geeigneten Material 22 elektrisch gegeneinander bzw. ein hier nicht gezeigtes Gehäuse isoliert. Der Gehäusedeckel 12 ist auf der Seite, die der Seite mit den Polanschlüssen 13 entgegengesetzt ist, mit Elektroden 17 einer Batteriezelle 10 versehen. Bei 4 und 5 ist das elektronische Bauteil 14 auf der Außenseite des Gehäusedeckels 12 auf einer dielektrischen Schicht 18 angeordnet, wobei die Kontaktierung des Bauteils 14 mit den Teilbereichen 15, 16 des Gehäusedeckels 12 in 4 mittels einer Verdrahtung 19 gegeben ist. In 5 ist weist die dielektrische Schicht 18 Kontakte 20 zum Gehäusedeckel 12 bzw. den entsprechenden Teilbereichen 15 und 16 auf.
Der Gehäusedeckel 12 nach 6 entspricht im Prinzip dem Gehäusedeckel 12 nach 5, jedoch ist in 6 das elektronische Bauteil 14 auf der Innenseite des Gehäusedeckels 12 angeordnet. Bei der Ausführungsform des Gehäusedeckels 12 nach 7 ist das elektronische Bauteil 14 zweiteilig ausgestaltet und befindet sich sowohl auf der Außen- als auch auf der Innenseite des Gehäusedeckels 12. Zur Verbindung der beiden Teile des elektronischen Bauteils 14 sind diese mittels einer Verdrahtung 21 verbunden.
Die Bezugszeichen sind in allen Figuren analog verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20207721 U1 [0007]
DE 19810746 B4 [0008]
WO 2006/036369 A2 [0009]
EP 1204154 A2 [0010]

Claims

Gehäuse für eine Batteriezelle (10) mit einem Gehäusedeckel (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (12) ein elektronisches Bauteil (14) auf einer Metallkernleiterplatte aufweist, dass der Gehäusedeckel (12) in zwei Teilbereiche (15, 16) untergliedert ist, die elektrisch jeweils einer Elektrode (17) einer Batteriezelle zugeordnet sind und dass das elektronische Bauteil (14) mit beiden Teilbereichen (15, 15) kontaktiert ist.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei der Gehäusedeckel (12) den Metallkern der Metallkernleiterplatte ausbildet.
Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektronische Bauteil (14) auf der Außenseite, auf der Innenseite oder auf der Außen- und Innenseite des Gehäusedeckels (12) angeordnet ist.
Gehäuse nach Anspruch 3, wobei das elektronische Bauteil (14), das auf der Außen- und Innenseite des Gehäusedeckels (12) angeordnet ist, zweiteilig ist und miteinander kontaktiert ist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das elektronische Bauteil (14) eine Schaltung zur Überwachung einer im Gehäuse (11) angeordneten Batteriezelle (10) ist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das elektronische Bauteil (14) Teil eines Batteriemanagementsystems ist.
Batteriezelle ein Gehäuse (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweisend.
Batteriezelle nach Anspruch 7, wobei die Batteriezelle (10) eine Lithium-Ionen-Zelle ist.
Batteriemodul zumindest eine Batteriezelle (10) nach Anspruch 7 oder 8 aufweisend.
Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriemodul nach Anspruch 9.