EP4169102A1 - Batteriemodul, verfahren zur herstellung eines solchen und verwendung eines solchen - Google Patents

Batteriemodul, verfahren zur herstellung eines solchen und verwendung eines solchen

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EP4169102A1
EP4169102A1 EP21733897.9A EP21733897A EP4169102A1 EP 4169102 A1 EP4169102 A1 EP 4169102A1 EP 21733897 A EP21733897 A EP 21733897A EP 4169102 A1 EP4169102 A1 EP 4169102A1
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EP
European Patent Office
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battery module
battery cells
base body
battery
parallel
Prior art date
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Pending
Application number
EP21733897.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Manka
Andy Tiefenbach
Andreas Gleiter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention is based on a battery module with a plurality of cylindrically designed battery cells according to the preamble of the independent claim.
  • the present invention also relates to a method for producing such a battery module and the use of such a battery module.
  • battery modules can consist of a plurality of individual battery cells, which can be connected to one another in series and / or parallel in an electrically conductive manner, so that the individual battery cells are interconnected to form the battery module.
  • battery modules are interconnected to form batteries or entire battery systems.
  • comparably light and preferably scalable battery systems are to be designed.
  • a large number of comparably small and usually cylindrical battery cells can be interconnected to form the battery module or the battery.
  • Control units which are also known as battery management systems (BMS), are usually used to monitor the battery cells of a battery module. These are used, for example, for a voltage measurement or temperature measurement with sensors arranged on the battery cells connected. Such control units usually have many connections and are complex to wire.
  • BMS battery management systems
  • a battery module with a plurality of cylindrically designed battery cells with the features of the independent claim offers the advantage that an existing installation space can be used efficiently.
  • a control unit in a third receptacle, the height of the battery module can be reduced.
  • a battery module with a plurality of cylindrically shaped battery cells is made available.
  • the battery cells are designed as lithium-ion battery cells.
  • the battery module comprises a first housing element which has a plurality of cylindrical first receptacles. A first plurality of battery cells is received in the first recording, which are electrically conductively connected in series and / or in parallel with one another.
  • the battery module comprises a second housing element which has a plurality of cylindrically designed second receptacles.
  • a second plurality of battery cells is included, which are electrically conductively connected in series and / or in parallel with one another.
  • the first housing element comprises a first base body on which the first receptacles are arranged
  • the second housing element comprises a second base body on which the second receptacles are arranged.
  • the first base body and the second base body are connected to one another to form a receiving space.
  • cell connectors are arranged to form an electrically conductive serial and / or parallel interconnection of the first plurality of battery cells and the second plurality of battery cells.
  • the first housing element also has a third receptacle which is arranged on the first base body. A control unit of the battery module is received in the third receptacle.
  • An embodiment of the battery module according to the invention offers the particular advantage that the cylindrical battery cells can be received directly by the first housing element or the second housing element and thus, for example, additional cell holder elements can be dispensed with.
  • the first housing element and the second housing element can in particular also be referred to as half-shells of a housing of the battery module, which together form the housing.
  • cylindrical battery cells can also be referred to as round cells.
  • Cylindrical battery cells essentially have a cylindrical jacket surface with a circular cross-sectional area, which is closed off on its two opposite sides by a circular base or cover surface.
  • the cylindrical battery cells which, for example, do not have a casing made of plastic and which, for example, comprise an electrically conductive housing made of a metallic material, each round cells of type 18650 or type 21700, which have a diameter of approx mm and a height of approx. 65 mm or a diameter of approx. 21 mm and a height of approx. 70 mm.
  • the housing of the cylindrically designed battery cells is usually negatively charged and forms the negative voltage from the respective battery cell.
  • the positive voltage tap of the battery cell is arranged on a cover surface, which is electrically isolated from the housing and thus the negative voltage tap.
  • an electrical interconnection of the first plurality of battery cells and the second plurality of battery cells can be formed, where- in which the cell connectors can be arranged within the first base body or the second base body. Furthermore, the cell connectors are arranged between the first plurality of battery cells and the second plurality of battery cells. Furthermore, a control unit of the battery module is included in the receptacle. The control unit of the battery module is in particular a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • Cylindrical recordings are at this point each hollow body, which are at least partially limited by a cylindrical outer surface with a circular cross-sectional area. Furthermore, the cylindrical receptacles have a bottom surface which also limits the cylindrical receptacle on a bottom side if. On the side opposite the bottom side, the cylindrical hollow body has an opening through which a battery cell can be inserted into the receptacle. At this point it should be noted that the battery cells can be accommodated directly in the respective receptacle, for example without the arrangement of an insulating layer, such as air.
  • An arrangement of a receptacle on a base body of a housing element should be understood to mean that the receptacle is, for example, integrally connected to the base body, the base body having an opening which corresponds to the opening of the cylindrical hollow body of the receptacle.
  • a battery cell can thus be inserted into the respective receptacle through the opening in the base body or the opening in the receptacle.
  • The, for example, circular cross-sectional area of a battery cell is preferably arranged in direct contact with the respective circular cross-sectional area of the cylindrical hollow body of the receptacle.
  • a material connection between the housing of the respective battery cell and the receptacle is particularly advantageous.
  • This material connection of this type can be implemented, for example, by adhesives or pastes and can form an optimal thermal connection between the respective battery cell and the respective receptacle.
  • the first base body and the second base body are positively connected to one another.
  • Such connec tions can be formed in a particularly simple manner.
  • the first base body and the second base body can be non-positively and in particular non-positively and positively connected to one another.
  • such a connection can also be formed by means of screwing.
  • Such a cohesive connection can be formed, for example, by means of plastic welding of the polymeric materials.
  • the first base body and the second base body are particularly preferably connected to one another by means of a folded joint. It is particularly preferred here if the folded seam connection is formed circumferentially over the entire connection between the first base body and the second base body.
  • the first base body can have a first rebate element and the second base body can have a second rebate element, which can be connected positively or positively and non-positively by means of a corresponding fold connection.
  • the first folding element can be inserted into the second folding element to form a Falzver connection. To form a particularly reliable connection, the first folding element and / or the second folding element can still be deformed after the insertion.
  • first rebate element and / or the second rebate element could for this purpose comprise a corresponding sealing element in order to be able to increase the tightness even further.
  • the sealing element can be integrated into the folding element.
  • such a rabbet connection can also form at least one guide rail at the same time, which is designed to hold the battery to include the belt module in a vehicle.
  • a handle or a handle can be integrated into the folded joint.
  • the handle or the handle can also be designed as a holding band or a carrying strap.
  • the rabbet connection can also be designed, for example, in such a way that a handle or a handle can be plugged in in a simple manner or that a retaining strap or a carrying strap can be arranged in a simple manner. In particular, the tightness is not impaired.
  • the battery module advantageously comprises an electronic connection integrated into the first base body and / or the second base body.
  • the electronic connection is designed to contact the control unit of the battery module.
  • the electronic connection is technically connected to the control unit of the battery module. This offers the advantage that electrical or electronic lines can be reduced in such a way that, for example, only the electronic connection has to be connected to the control unit of the battery module.
  • the electronic connection is designed as a plug connection.
  • the battery module comprises an electrical connection.
  • the electrical connection is integrated in the first base body and / or in the second base body.
  • the electrical connection is designed to tap a voltage from the battery module or to be able to electrically charge the plurality of battery cells.
  • the battery module particularly preferably comprises two electrical connections, such as, for example, a positive electrical connection and a negative electrical connection.
  • the electrical connection or the electrical connections are each designed as a plug connection.
  • the advantage of a plug connection is one particularly easy connection.
  • the electrical connection can preferably be integrated into the folded seam connection in such a way that the folded seam connection is designed with a greater width at the point of the electrical connection.
  • the insertion direction of a battery module in a vehicle preferably also determines the insertion direction.
  • a training is advantageous in which the final arrangement of the electronic connection does not have to be determined until the end of the assembly process.
  • the design of the battery module can be better adapted to a wide variety of vehicle types without changing the design, since different insertion directions are possible with one design.
  • the electrical connection and / or the electronic connection is arranged on one side of the first base body and / or the second base body, which is disposed perpendicular to a folded joint formed as a guide rail. In this way, a particularly reliable connection to a vehicle or a charger can be established.
  • the first plurality of battery cells is interconnected in parallel with one another in parallel first strings in the direction of a longest extension of the first base body and the second plurality of battery cells is interconnected in parallel with one another in parallel second strings in the direction of a longest extension of the second base body.
  • the first plurality of battery cells or the second plurality of battery cells is arranged, for example, in such a way that the battery cells of a parallel first strand or a parallel second strand are immediately adjacent in the direction of a longest extension of the first base body or the second base body zueinan which are arranged, wherein the longitudinal directions of the battery cells are all arranged in the same plane.
  • the plurality of parallel first strands or the plurality of parallel second strands are arranged next to one another in a shortest extent of the first base body or the second base body arranged perpendicular to the longest extent of the first base body or the longest extent of the second base body.
  • the control unit is designed to monitor the parallel first strands and the parallel second strands.
  • the number of parallel second strands can be at least one greater than the number of parallel first strands.
  • the third receptacle, in which the control unit is received can be arranged instead of at least one parallel first strand.
  • the number of parallel second strands is preferably one higher than the number of parallel first strands.
  • the number of battery cells in a second parallel string can be at least one greater than the number of battery cells in a first parallel string.
  • the third receptacle, in which the control unit is accommodated can be arranged instead of at least one battery cell connected in parallel in each parallel first strand.
  • the number of battery cells of a second parallel string is preferably one higher than the number of battery cells of a first parallel string.
  • first plurality of battery cells and the second plurality of battery cells can in particular also be interconnected electrically in series and / or in parallel.
  • the battery module comprises at least one first sensor element which is designed to detect a state variable of a battery cell of the first plurality of battery cells and / or the battery module comprises at least a second sensor element which is designed to have a To detect the state variable of a battery cell of the second plurality of battery cells.
  • a state variable of a battery cell can be, for example, a temperature, a voltage or an aging state.
  • the first sensor element and / or the second sensor element can be electrically and mechanically connected to a first clamp connection or a second clamp connection, which are connected to the first housing element and / or the second housing element. This also makes it possible borrowed to mechanically fix the control unit of the battery module in the battery module.
  • the at least one first sensor element or the at least one second sensor element is connected in terms of control technology to the control unit of the battery module.
  • a further control unit of the battery module is arranged in the receiving space.
  • the control unit and the further control unit are connected to one another in terms of control technology. This makes it possible to separate functions for monitoring the battery module and, in other words, to provide a two-part design of the control unit.
  • the further control unit can be designed to detect the voltage and the temperature of the battery cells of the first plurality of battery cells and the second plurality of battery cells.
  • the arrangement of the further control unit of the battery module can in particular be based on the first housing element and / or the second housing element.
  • the further control unit of the battery module extends essentially over the entire length of the shortest extent of the first base body or the shortest extent of the second base body. This makes it possible to monitor all parallel first strings and all parallel second strings.
  • extension of the further control unit of the battery module over the longest extension of the first base body or the longest extension of the second base body can be adapted to the monitoring requirements in accordance with the requirements.
  • the size of the further control unit of the battery module can be selected as a function of the desired functions.
  • the front-end chip (ASIC), for example, can be arranged on the further control unit. Recorded measured values can be transmitted to the pC via a signal line.
  • a solid state relay (SSR) can be formed on the control unit.
  • the first sensor element prefferably be arranged on the further control unit and to be connected to a cell connector that electrically connects two battery cells of the first plurality of battery cells.
  • the second sensor element is particularly expediently arranged on the further control unit and connected to a cell connector that electrically connects two battery cells of the second plurality of battery cells.
  • the first sensor element is therefore preferably connected to a cell connector which electrically conductively connects two battery cells of the first plurality of battery cells
  • the second sensor element is therefore connected to a cell connector which electrically conductively connects two battery cells of the second plurality of battery cells.
  • the first sensor element and / or the second sensor element can preferably be soldered as a spring contact pin on a circuit board of the further control unit of the battery module and form direct mechanical and electrical contacting of the cell connectors.
  • the voltages of a first parallel strand or a second parallel strand can thereby be detected.
  • the cell connectors could each also include at least one shaft which is arranged between the respective connection areas.
  • the first sensor element or the second sensor element could mechanically and electrically contact the at least one shaft of the respective cell connector.
  • the shaft of the cell connector could also be designed as a spring element which presses against the first sensor element or the second sensor element.
  • the temperature control fluid is preferably a temperature control gas, such as air.
  • each battery cell can be passively cooled overall, since the first housing element and the second housing element have a comparably large surface area.
  • centrally arranged battery cells can also be reliably temperature-controlled in this way.
  • a further compensating material can advantageously be arranged between a cylindrical outer surface of a first receptacle of the first housing element and a cylindrical outer surface of a second receptacle of the second housing element.
  • the battery cells could therefore only be placed over the circular floor area of the respective location temperature can be controlled.
  • the temperature control could be over the circular bottom surface of the respective receptacle instead of, for example, additional temperature control over the respective cylindrical jacket.
  • the first housing element and the second housing element are formed from a polymer material.
  • the polymer material can be selected as a polyamide (PA), such as PA 66.
  • PA polyamide
  • the first housing element and the second housing element can comprise glass fibers, which can for example be embedded in the polymeric material.
  • the first housing element and the second housing element, in particular the plurality of first receptacles and the plurality of second receptacles preferably have a wall thickness less than 2 mm and in particular 1 mm. The weight of the battery module can thus be reduced with sufficient mechanical strength at the same time in such a way that reliable temperature control of the plurality of cylindrically designed battery cells is also possible.
  • the first housing element and the second housing element can be formed inexpensively by un ferent manufacturing technologies, such as deep drawing.
  • first plurality of battery cells and the second plurality of battery cells are arranged directly opposite one another.
  • the cylindrical battery cells each have a longitudinal direction, the longitudinal directions of the first plurality of battery cells and the longitudinal direction of the second plurality of battery cells being arranged parallel to one another.
  • the longitudinal direction of the first plurality of battery cells and the longitudinal direction of the second plurality of battery cells are also arranged parallel to one another.
  • the first housing element and the second housing element are also arranged directly opposite one another.
  • the present invention also relates to the use of a battery module according to the invention just described in a light electric vehicle (light electric vehicle; LEV).
  • LEV light electric vehicle
  • a method for producing a battery module just described with a plurality of cylindrically shaped battery cells, in particular special lithium-ion battery cells is the subject of the present invention.
  • a plurality of battery cells electrically connected in series and / or parallel to one another is accommodated and with a third receptacle in which a control unit of the battery module is accommodated, and a second base body of a second housing element with a plurality of cylindrically designed second receptacles in which a second plurality of electrically seri ell and / or parallel interconnected battery cells is added to form a receiving space in which cell connectors for an electrically conductive serial and / or parallel interconnection of the first plurality of battery cells and the second plurality of battery cells are accommodated with each other get connected.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a battery module according to the invention in an exploded view
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a battery module according to the invention in an exploded view
  • Figure 3 is a plan view of a further control unit of the battery module.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a battery module 1 according to the invention in an exploded view.
  • the battery module 1 comprises a plurality of the cylindrically designed battery cells 2, which cannot be seen in FIG. 1, which are designed in particular as lithium-ion battery cells 20.
  • the battery module 1 has a first housing element 31 and a second housing element 32.
  • the first housing element 31 and the second housing element 32 are made of a polymer material, such as a polyamide.
  • the first housing element 31 has a plurality of cylindrically formed first receptacles 41 and the second housing element 32 has a plurality of cylindrically formed second receptacles 42.
  • Each first receptacle 41 of the first housing element 31 comprises a cylindrically designed jacket surface 91, all of which are arranged so that temperature control fluid can flow around them.
  • Each second receptacle 42 of the second housing element 32 comprises a cylindrically shaped outer surface 92 which are all arranged so that the temperature control fluid can flow around them.
  • cylindrical outer surfaces 91 of the first receptacles 41 and the cylindrically shaped outer surfaces 92 of the second receptacles 42 are preferably arranged so that temperature control fluid can flow around them completely, but at least partially.
  • cylindrical outer surfaces 91 or cylindrical outer surfaces 92 can touch one another.
  • the first housing element 31 has a third receptacle 43.
  • the first receptacles 41 take a first plurality 21 of Batteriezel len 2, which are electrically connected in series and / or in parallel with one another.
  • the second receptacles 42 hold a second plurality 22 of battery cells 2, which are electrically connected in series and / or in parallel with one another.
  • the battery cells 2 can be connected in parallel to one another along the longer sides.
  • the serial connection can be made along a shorter side.
  • the third receptacle 43 accommodates a control unit 10 of the battery module 1.
  • the first housing element 31 furthermore comprises a first base body
  • the second housing element 32 furthermore comprises a second base body
  • first base body 31 and / or the second base body 32 essentially have a cuboid basic shape.
  • the first base body 51 and the second base body 52 are involved in the formation of a receiving space 6, which cannot be seen in FIG. connected.
  • the first base body 31 and the second base body 32 are positively connected to one another by means of a folded joint 8.
  • the folded joint 8 is arranged circumferentially on the connection between the first base body 31 and the second base body 32 and seals the battery module 1 from the surroundings of the battery module 1.
  • Cell connectors 7, which also cannot be seen in FIG. 1, can be arranged in the receiving space 6.
  • the cell connectors 7 connect the first plurality 21 of battery cells 2 and the second plurality 22 of battery cells 22 electrically in series and / or in parallel with one another.
  • first plurality 21 of battery cells 2 are interconnected in parallel with one another in parallel first strings 171 in the direction of a longest extension 161 of the first base body 31.
  • the second plurality 22 of battery cells 2 is interconnected in parallel with one another in parallel second strings 172 in the direction of a longest extension 162 of the second base body 32.
  • the control unit 10 of the battery module 1 is designed to monitor the parallel first strings 171 and / or the parallel second strings 172.
  • the number of parallel second strands 172 is one higher than the number of parallel first strands 171.
  • the third receptacle 43 is therefore arranged instead of a parallel first strand 171.
  • the number of battery cells 2 of a second parallel string 172 could instead be one higher than the number of battery cells 2 of a first parallel string 171.
  • the third receptacle 43 would therefore be arranged instead of a parallel battery cell 2 of each parallel first string 171.
  • the first plurality 21 of battery cells 2 and the second plurality 22 of battery cells 2 are arranged directly opposite one another.
  • the battery module 1 has one in the first base body 31 and / or Electronic connection 13 integrated in the second base body 32, which is designed to contact the control unit 10 of the battery module 1.
  • the electronic connection 13 is integrated in the first base body 31 and / or in the second base body 32.
  • the electronic connection 13 can be designed as a plug.
  • a plug can, for example, enable the high-current path to be contacted to the vehicle or charger and can, for example, forward control signals to a control device (not shown).
  • the battery module 1 comprises an electrical connection 14.
  • the electrical connection 14 is designed to discharge or charge the battery cells 2 of the battery module 1.
  • the battery module 1 has a first electrical connection 141 and a second electrical connection 142.
  • the first electrical connection 141 can in particular be a positive electrical connection and the second electrical connection 142 can in particular be a negative electrical connection.
  • first electrical connection 141 for example, an electrical connection to the battery cells 2 of the first base body 31 can be established, and by means of the second electrical connection 142, for example, an electrical connection to the battery cells 2 of the second base body 32 can be established.
  • the control device 10 enables the connection between the electronic connection 13 and the battery cells 2 of the first base body 31 or the connection between the electronic connection 13 and the second base body 32 to be separated. A shutdown path is thereby formed.
  • control unit 10 For this purpose, a plurality of several semiconductors, which cannot be seen in the figures, is preferably arranged on the control unit 10.
  • Figure 2 shows another embodiment of the invention of a Batteriemo module 1 in an exploded view.
  • another control unit 100 of the battery module 1 is taken.
  • the control unit 10 and the further control unit 100 are connected to one another in terms of control technology.
  • FIG. 3 shows a plan view of a further control unit 10 of the battery module 1.
  • the battery module 1 comprises first sensor elements 151 which are designed to each detect a state variable of a battery cell 2 of the first plurality 21 of battery cells 2 and comprises second sensor elements 152 which are designed to each have a state variable of a battery cell 2 of the second plurality 22 to detect battery cells 2.
  • the first sensor elements 151 and the second sensor elements 152 are connected to the control unit 10 of the battery module 1 in terms of regulation.
  • the first sensor elements 151 are arranged on the further control unit 100 and are connected to a cell connector 7 that electrically connects two battery cells 2 of the first plurality 21 of battery cells 2.
  • the second sensor elements 152 are arranged on the further control unit 100 and are connected to a cell connector 7 that electrically connects two battery cells 2 of the second plurality 22 of battery cells 2.
  • the front-end chip (ASIC) 17, for example, can be arranged on the further control unit 100.
  • the further control unit 100 has a connection 18 which is designed to connect the further control unit 100 to the control unit 100 in terms of control technology.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen (2) und einem ersten Gehäuseelement (31) mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten ersten Aufnahmen (41), in welchen eine erste Mehrzahl (21) an elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen (2) aufgenommen ist, und einem zweiten Gehäuseelement (32) mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten zweiten Aufnahmen (42), in welchen eine zweite Mehrzahl (22) an elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen (2) aufgenommen ist, wobei das erste Gehäuseelement (31) einen ersten Grundkörper (51) aufweist, an welchem die ersten Auf-15 nahmen (41) angeordnet sind, und das zweite Gehäuseelement (32) einen zweiten Grundkörper (52) aufweist, an welchem die zweiten Aufnahmen (42) angeordnet sind, wobei der erste Grundkörper (51) und der zweite Grundkörper (52) unter Ausbildung eines Aufnahmeraumes (6), in welchem Zellverbinder (7) zu einer elektrisch seriellen und/oder parallelen Verschaltung der ersten Mehrzahl 20 (21) an Batteriezellen (2) und der zweiten Mehrzahl (22) an Batteriezellen (2) aufgenommen sind, miteinander verbunden sind, wobei das erste Gehäuseelement (31) eine dritte Aufnahme (43) aufweist, welche an dem ersten Grundkörper (51) angeordnet ist und in welcher eine Steuerungseinheit (10) des Batteriemoduls (1) aufgenommen ist.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriemodul, Verfahren zur Herstellung eines solchen und Verwendung eines solchen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul mit einer Mehrzahl an zylind risch ausgebildeten Batteriezellen nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Batteriemoduls und die Verwendung eines solchen Batteriemo duls.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batteriemodule aus einer Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen bestehen können, welche seriell und/oder parallel elektrisch leitend miteinander verschaltet sein können, so dass die einzelnen Bat teriezellen zu dem Batteriemodul zusammengeschaltet sind.
Weiterhin werden solche Batteriemodule zu Batterien bzw. zu gesamten Batte riesystemen zusammengeschaltet.
Insbesondere für leichte elektrisch angetriebene Fahrzeuge, zu Englisch auch als light electric vehicle (LEV) bekannt, sind vergleichbar leichte und bevorzugt ska lierbare Batteriesysteme auszubilden. Dabei kann eine Vielzahl an vergleichbar kleinen und üblicherweise zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen zu dem Batte riemodul bzw. auch zu der Batterie zusammengeschaltet werden.
Zu einer Überwachung der Batteriezellen eines Batteriemoduls werden üblicher weise Steuerungseinheiten, welche auch als Batteriemanagementsysteme (BMS) bekannt sind, genutzt. Diese werden bspw. für eine Spannungsmessung oder Temperaturmessung mit an den Batteriezellen angeordneten Sensoren ver bunden. Solche Steuerungseinheiten haben üblicherweise viele Anschlüsse und sind aufwändig zu verkabeln. Beispielsweise die Druckschriften EP 3472877 Al und US 2014/0234668 offen baren jeweils ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen.
Offenbarung der Erfindung
Ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass ein vorhandener Bauraum effizient ausgenutzt werden kann. Insbesondere kann durch die Anordnung einer Steuerungseinheit in einer dritten Aufnahme die Höhe des Batteriemoduls reduziert werden. Ferner kann auf eine aufwendige Verkabe lung beispielsweise mittels Kabelbäumen verzichtet werden.
Dazu wird ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten Bat teriezellen zur Verfügung gestellt. Insbesondere sind die Batteriezellen dabei als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet.
Das Batteriemodul umfasst ein erstes Gehäuseelement, welches eine Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten ersten Aufnahmen aufweist. In den ersten Aufnah men ist dabei eine erste Mehrzahl an Batteriezellen aufgenommen, welche elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
Das Batteriemodul umfasst ein zweites Gehäuseelement, welches eine Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten zweiten Aufnahmen aufweist. In den zweiten Auf nahmen ist dabei eine zweite Mehrzahl an Batteriezellen aufgenommen, welche elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
Weiterhin umfasst das erste Gehäuseelement einen ersten Grundkörper, an wel chem die ersten Aufnahmen angeordnet sind und umfasst das zweite Gehäusee lement einen zweiten Grundkörper, an welchem die zweiten Aufnahmen ange ordnet sind.
Der erste Grundkörper und der zweite Grundkörper sind dabei unter Ausbildung eines Aufnahmeraumes miteinander verbunden. In dem Aufnahmeraum sind Zellverbinder zu einer elektrisch leitenden seriellen und/oder parallelen Verschal tung der ersten Mehrzahl an Batteriezellen und der zweiten Mehrzahl an Batte riezellen angeordnet. Das erste Gehäuseelement weist ferner eine dritte Aufnahme auf, die an dem ersten Grundkörper angeordnet ist. In der dritten Aufnahme ist eine Steuerungs einheit des Batteriemoduls aufgenommen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteil hafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch an gegebenen Vorrichtung möglich.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Batteriemoduls bietet den beson deren Vorteil, dass die zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen unmittelbar durch das erste Gehäuseelement bzw. das zweite Gehäuseelement aufgenommen werden können und dadurch beispielsweise auf zusätzliche Zellhalterelemente verzichtet werden kann. An dieser Stelle sei bemerkt, dass das erste Gehäusee lement und das zweite Gehäuseelement insbesondere auch als Halbschalen ei nes Gehäuses des Batteriemoduls bezeichnet sein können, die gemeinsam das Gehäuse ausbilden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass zylindrische Batteriezellen auch als Rund zellen bezeichnet sein können. Zylindrische Batteriezellen weisen Im Wesentli chen eine zylindrische Mantelfläche mit einer kreisrunden Querschnittsfläche auf, welche an ihren beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils von einer kreisrunden Boden- bzw. Deckelfläche abgeschlossen ist. Besonders bevorzugt sind die zy lindrischen Batteriezellen, welche bspw. keine aus Kunststoff ausgebildete Um mantelung aufweisen und welche bspw. ein elektrisch leitfähig ausgebildetes Gehäuse aus einem metallischen Werkstoff umfassen, jeweils Rundzellen vom Typ 18650 bzw. Typ 21700, welche einen Durchmesser von ca. 18 mm und eine Höhe von ca. 65 mm bzw. einen Durchmesser von ca. 21 mm und eine Höhe von ca. 70 mm aufweisen. Das Gehäuse der zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen ist dabei üblicherweise negativ geladen und bildet den negativen Spannungsab griff der jeweiligen Batteriezelle aus. Weiterhin ist an einer Deckelfläche der posi tive Spannungsabgriff der Batteriezelle angeordnet, welcher gegen das Gehäuse und damit den negativen Spannungsabgriff elektrisch isoliert ist.
Insgesamt kann dabei eine elektrische Verschaltung der ersten Mehrzahl an Bat teriezellen und der zweiten Mehrzahl an Batteriezellen ausgebildet werden, wo- bei die Zellverbinder innerhalb des ersten Grundkörpers bzw. des zweiten Grundkörpers angeordnet sein können. Ferner sind die Zellverbinder zwischen der ersten Mehrzahl an Batteriezellen und der zweiten Mehrzahl an Batteriezel len angeordnet. Weiterhin ist in der Aufnahme eine Steuerungseinheit des Batte riemoduls aufgenommen. Die Steuerungseinheit des Batteriemoduls ist dabei insbesondere ein Batteriemanagementsystem (BMS).
Zylindrische Aufnahmen sind an dieser Stelle jeweils Hohlkörper, welche zumin dest teilweise durch eine zylindrische Mantelfläche mit einer kreisrunden Quer schnittsfläche begrenzt sind. Weiterhin weisen die zylindrischen Aufnahmen eine Bodenfläche auf, welche die zylindrische Aufnahme an einer Bodenseite eben falls begrenzt. An der der Bodenseite gegenüberliegenden Seite weist der zylind rische Hohlkörper eine Öffnung auf, durch welche eine Batteriezelle in die Auf nahme eingesetzt werden kann. An dieser Stelle sei dabei bemerkt, dass die Bat teriezellen unmittelbar, wie beispielsweise ohne die Anordnung einer isolierenden Schicht, wie auch z.B. Luft, in der jeweiligen Aufnahme aufgenommen werden können.
In einer Aufnahme ist dabei insbesondere jeweils genau eine Batteriezelle auf genommen.
Unter einer Anordnung einer Aufnahme an einem Grundkörper eines Gehäusee lements soll verstanden sein, dass die Aufnahme bspw. mit dem Grundkörper einteilig verbunden ausgebildet ist, wobei der Grundkörper eine Öffnung auf weist, welche der Öffnung des zylindrischen Hohlkörpers der Aufnahme ent spricht. Damit kann eine Batteriezelle durch die Öffnung des Grundkörpers bzw. der Öffnung der Aufnahme in die jeweilige Aufnahme eingesetzt werden. Die bspw. kreisrunde Querschnittsfläche einer Batteriezelle ist dabei bevorzugt in di rektem Kontakt mit der jeweiligen kreisrunden Querschnittsfläche des zylindri schen Hohlkörpers der Aufnahme angeordnet. Besonders vorteilhaft ist zudem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Gehäuse der jeweiligen Batterie zelle und der Aufnahme ausgebildet. Diese solche stoffschlüssige Verbindung ist bspw. durch Adhäsive oder Pasten realisierbar und kann eine optimale thermi sche Anbindung zwischen der jeweiligen Batteriezelle und der jeweiligen Auf nahme ausbilden. Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung sind der erste Grundkörper und der zweite Grundkörper formschlüssig miteinander verbunden. Solche Verbin dungen können auf besonders einfache Weise ausgebildet werden. Selbstver ständlich ist es auch möglich, dass der erste Grundkörper und der zweite Grund körper kraftschlüssig und insbesondere kraft- und formschlüssig miteinander ver bunden sind. Beispielsweise kann eine solche Verbindung zusätzlich mittels Schraubens ausgebildet werden. Es ist auch möglich, den ersten Grundkörper und den zweiten Grundkörper stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Eine sol che stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels Kunststoffschwei ßens der polymeren Werkstoffe ausgebildet werden.
Besonders bevorzugt sind erste Grundkörper und der zweite Grundkörper mittels einer Falzverbindung miteinander verbunden. Insbesondere ist dabei bevorzugt, wenn die Falzverbindung umlaufend über die gesamte Verbindung zwischen dem ersten Grundkörper und dem zweiten Grundkörper ausgebildet ist. Dazu kann beispielsweise der erste Grundkörper ein erstes Falzelement aufweisen und der zweite Grundkörper kann ein zweites Falzelement aufweisen, welche mittels einer entsprechenden Falzverbindung formschlüssig oder form- und kraft schlüssig verbunden werden können. Dazu kann zur Ausbildung einer Falzver bindung beispielsweise das erste Falzelement in das zweite Falzelement einge steckt werden. Zur Ausbildung einer besonders zuverlässigen Verbindung kann weiterhin das erste Falzelement und/oder das zweite Falzelement nach dem Ein stecken verformt werden.
Insgesamt ist es dadurch möglich, eine dicht ausgebildete Verbindung zwischen dem ersten Gehäuseelement und dem zweiten Gehäuseelement auszubilden, welche zum Beispiel auch entsprechende Normen hinsichtlich einer Dichtheit er füllen kann. Insbesondere könnten dazu das erste Falzelement und/oder das zweite Falzelement ein entsprechendes Dichtelement umfassen, um die Dichtheit noch weiter erhöhen zu können. Bspw. kann das Dichtelement in das Falzele ment integriert sein.
Besonders bevorzugt kann eine solche Falzverbindung gleichzeitig auch zumin dest eine Führungsschiene ausbilden, welche dazu ausgebildet ist, das Batte- riemodul in einem Fahrzeug aufzunehmen. Dadurch kann eine vergleichbar ein fache Einführung der Batterie in ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden, wobei die Falzverbindung weiterhin eine zuverlässige Fixierung der Batterie in dem Fahrzeug zur Verfügung stellen kann. Insgesamt kann die Batterie eines Fahrzeuges somit auf einfache Weise gewechselt werden.
Ferner ist es auch möglich, dass in die Falzverbindung ein Haltegriff bzw. ein Tragegriff integriert ist. Der Haltegriff bzw. der Tragegriff kann auch als ein Halte band bzw. ein Trageband ausgebildet sein. Auch kann die Falzverbindung bei spielsweise so ausgebildet werden, dass auf einfache Weise ein Haltegriff bzw. ein Tragegriff angesteckt werden kann oder dass auf einfache Weise ein Halte band bzw. ein Trageband angeordnet werden kann. Insbesondere wird dabei die Dichtheit nicht beeinträchtigt.
Vorteilhafterweise umfasst das Batteriemodul einen in den ersten Grundkörper und/oder den zweiten Grundkörper integrierten elektronischen Anschluss. Der elektronische Anschluss ist dabei dazu ausgebildet, die Steuerungseinheit des Batteriemoduls zu kontaktieren. Der elektronische Anschluss ist dabei regelungs technisch mit der Steuerungseinheit des Batteriemoduls verbunden. Dies bietet den Vorteil, dass elektrische bzw. elektronische Leitungen in der Art reduziert werden können, dass beispielsweise nur der elektronische Anschluss mit der Steuerungseinheit des Batteriemoduls zu verbinden ist. Insbesondere ist der elektronische Anschluss als Steckverbindung ausgebildet.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung, umfasst das Batteriemodul ei nen elektrischen Anschluss. Der elektrische Anschluss ist dabei in den ersten Grundkörper und/oder in den zweiten Grundkörper integriert. Insbesondere ist der elektrische Anschluss dazu ausgebildet, eine Spannung von dem Batte riemodul abzugreifen oder die Mehrzahl an Batteriezellen elektrisch laden zu können. Besonders bevorzugt umfasst das Batteriemodul zwei elektrische An schlüsse, wie beispielsweise einen positiven elektrischen Anschluss und einen negativen elektrischen Anschluss. Insbesondere ist der elektrische Anschluss bzw. sind die elektrischen Anschlüsse jeweils als Steckverbindung ausgebildet. Dadurch ist es insgesamt möglich, das Batteriemodul elektrisch beispielsweise an ein Fahrzeug anzubinden. Der Vorteil einer Steckverbindung besteht in einer besonders einfachen Anbindung. An dieser Stelle sei weiterhin angemerkt, dass der elektrische Anschluss bevorzugt in der Art in die Falzverbindung integriert sein kann, dass die Falzverbindung an der Stelle des elektrischen Anschlusses mit einer größeren Breite ausgeführt ist.
Es sei angemerkt, dass die Einführungsrichtung eines Batteriemoduls in ein Fahrzeug bevorzugt auch die Steckrichtung bestimmt. Vorteilhaft ist eine Ausbil dung, bei welcher erst am Ende des Montageprozesses die endgültige Anord nung des elektronischen Anschlusses festzulegen ist. Hierdurch kann die Ausle gung des Batteriemoduls ohne Designänderung besser auf unterschiedlichste Fahrzeugtypen angepasst werden, da verschiedene Einführungsrichtungen mit einem Design möglich sind.
Besonders bevorzugt ist der elektrische Anschluss und/oder der elektronische Anschluss an einer Seite des ersten Grundkörpers und/oder des zweiten Grund körpers angeordnet, welche senkrecht zu einer als Führungsschiene ausgebilde ten Falzverbindung angeordnet ist. Dadurch kann eine besonders zuverlässige Anbindung an ein Fahrzeug bzw. ein Ladegerät ausgebildet werden.
Vorteilhafterweise ist die erste Mehrzahl an Batteriezellen in Richtung einer längsten Ausdehnung des ersten Grundkörpers parallel miteinander in parallelen ersten Strängen verschaltet und ist die zweite Mehrzahl an Batteriezellen in Rich tung einer längsten Ausdehnung des zweiten Grundkörpers parallel miteinander in parallelen zweiten Strängen verschaltet. Dazu ist die erste Mehrzahl an Batte riezellen bzw. die zweite Mehrzahl an Batteriezellen beispielsweise derart ange ordnet, dass die Batteriezellen eines parallelen ersten Strangs bzw. eines paral lelen zweiten Strangs jeweils in Richtung einer längsten Ausdehnung des ersten Grundkörpers bzw. des zweiten Grundkörpers unmittelbar benachbart zueinan der angeordnet sind, wobei die Längsrichtungen der Batteriezellen alle in einer selben Ebene angeordnet sind. Die Mehrzahl an parallelen ersten Strängen bzw. die Mehrzahl an parallelen zweiten Strängen ist dabei in einer senkrecht zu der längsten Ausdehnung des ersten Grundkörpers bzw. der längsten Ausdehnung des zweiten Grundkörpers angeordneten kürzesten Ausdehnung des ersten Grundkörpers bzw. des zweiten Grundkörpers nebeneinander angeordnet. Dabei ist die Steuerungseinheit dazu ausgebildet, die parallelen ersten Stränge und die parallelen zweiten Stränge zu überwachen.
Die Anzahl an parallelen zweiten Strängen kann zumindest um eins höher sein als die Anzahl an parallelen ersten Strängen. Dadurch kann die dritte Aufnahme, in welcher die Steuerungseinheit aufgenommen ist, anstelle zumindest eines pa rallelen ersten Strangs angeordnet sein. Bevorzugt ist die Anzahl an parallelen zweiten Strängen um eins höher als die Anzahl an parallelen ersten Strängen.
Die Anzahl an Batteriezellen eines zweiten parallelen Strangs kann zumindest um eins höher sein als die Anzahl an Batteriezellen eines ersten parallelen Strangs. Dadurch kann die dritte Aufnahme, in welcher die Steuerungseinheit aufgenommen ist, anstelle zumindest einer parallel verschalteten Batteriezelle eines jeden parallelen ersten Strangs angeordnet sein. Bevorzugt ist die Anzahl an Batteriezellen eines zweiten parallelen Strangs um eins höher als die Anzahl an Batteriezellen eines ersten parallelen Strangs.
Bspw. können sieben zweite parallele Stränge und sechs erste parallel Stränge ausgebildet sein Dadurch kann ein sogenannte 13s Verschaltung ausgebildet sein. Die erste Mehrzahl an Batteriezellen und die zweite Mehrzahl an Batterie zellen können insbesondere auch elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Batteriemodul zumindest ein erstes Sen sorelement umfasst, das dazu ausgebildet ist, eine Zustandsgröße einer Batte riezelle der ersten Mehrzahl an Batteriezellen zu erfassen und/oder das Batte riemodul zumindest ein zweites Sensorelement umfasst, das dazu ausgebildet ist, eine Zustandsgröße einer Batteriezelle der zweiten Mehrzahl an Batteriezel len zu erfassen. Eine Zustandsgröße einer Batteriezelle kann dabei beispielswei se eine Temperatur, eine Spannung oder ein Alterungszustand sein.
Dabei können das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement mit einer ersten Klemmverbindung bzw. einer zweiten Klemmverbindung, welche mit dem ersten Gehäuseelement und/oder dem zweiten Gehäuseelement verbunden sind, elektrisch und mechanisch verbunden werden. Dadurch ist es auch mög- lieh, die Steuerungseinheit des Batteriemoduls mechanisch in dem Batteriemodul zu fixieren.
Weiterhin ist das zumindest eine erste Sensorelement bzw. das zumindest eine zweite Sensorelement regelungstechnisch mit der Steuerungseinheit des Batte riemoduls verbunden.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist in dem Aufnahmeraum eine weitere Steuerungseinheit des Batteriemoduls angeordnet. Dabei sind die Steue rungseinheit und die weitere Steuerungseinheit regelungstechnisch miteinander verbunden. Dadurch ist möglich, Funktionen bei der Überwachung des Batte riemoduls zu trennen und mit anderen Worten ausgedrückt eine zweiteilige Aus bildung der Steuerungseinheit zur Verfügung zu stellen. Bspw. kann die weitere Steuerungseinheit dazu ausgebildet sein, die Spannung und die Temperatur der Batteriezellen der ersten Mehrzahl an Batteriezellen und der zweiten Mehrzahl an Batteriezellen zu erfassen.
Die Anordnung der weiteren Steuerungseinheit des Batteriemoduls kann dabei insbesondere an dem ersten Gehäuseelement und/oder dem zweiten Gehäusee lement orientiert werden. Insbesondere erstreckt sich die weitere Steuerungsein heit des Batteriemoduls im Wesentlichen über die gesamte Länge der kürzesten Ausdehnung des ersten Grundkörpers bzw. der kürzesten Ausdehnung des zwei ten Grundkörpers. Dadurch ist es möglich, alle parallelen ersten Stränge und alle parallelen zweiten Stränge zu überwachen.
Insbesondere kann die Erstreckung der weiteren Steuerungseinheit des Batte riemoduls über der längsten Ausdehnung des ersten Grundkörpers bzw. der längsten Ausdehnung des zweiten Grundkörpers entsprechend den Anforderun gen an die Überwachung angepasst werden.
Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die Größe der weiteren Steuerungseinheit des Batteriemoduls in Abhängigkeit der gewünschten Funktio nen gewählt werden kann. Auf der weiteren Steuerungseinheit kann bspw. der Front-End-Chip (ASIC) an geordnet sein. Erfasste Messwerte können mittels einer Signalleitung an den pC übertragen werden. Die Funktionsgruppen der Stromerfassung, wie z.B. der Shunt-Sensor, und des Abschaltpfads, wie. Z.B. ein Solid State Relay (SSR) können auf der Steuerungseinheit ausgebildet sein.
Besonders zweckmäßig ist das erste Sensorelement an der weiteren Steue rungseinheit angeordnet und mit einem zwei Batteriezellen der ersten Mehrzahl an Batteriezellen elektrisch verbindenden Zellverbinder verbunden.
Besonders zweckmäßig ist das zweite Sensorelement an der weiteren Steue rungseinheit angeordnet und mit einem zwei Batteriezellen der zweiten Mehrzahl an Batteriezellen elektrisch verbindenden Zellverbinder verbunden.
Bevorzugt ist das erste Sensorelement also mit einem Zellverbinder verbunden, welcher zwei Batteriezellen der ersten Mehrzahl an Batteriezellen elektrisch lei tend verbindet und ist das zweite Sensorelement also mit einem Zellverbinder verbunden, welcher zwei Batteriezellen der zweiten Mehrzahl an Batteriezellen elektrisch leitend verbindet. Das erste Sensorelement und/oder das zweite Sen sorelement können dabei bevorzugt als Federkontaktstift auf eine Platine der weiteren Steuerungseinheit des Batteriemoduls gelötet sein und eine unmittelba re mechanische und elektrische Kontaktierung der Zellverbinder ausbilden.
Insbesondere können dadurch die Spannungen eines ersten parallelen Strangs bzw. eines zweiten parallelen Strangs erfasst werden.
Beispielsweise könnten die Zellverbinder jeweils auch zumindest eine Welle um fassen, welche zwischen den jeweiligen Anbindungsbereichen angeordnet ist. Weiterhin könnten das erste Sensorelement bzw. das zweite Sensorelement die zumindest eine Welle des jeweiligen Zellverbinders mechanisch und elektrisch kontaktieren. Insbesondere könnte die Welle des Zellverbinders zusätzlich als Federelement ausgebildet sein, welches gegen das erste Sensorelement bzw. das zweite Sensorelement drückt. An dieser Stelle sei angemerkt, dass vorteilhafterweiße die zylindrisch ausgebil dete Mantelfläche einer jeden ersten Aufnahme des ersten Gehäuseelements und einer jeden zweiten Aufnahme des zweiten Gehäuseelements von Tempe rierfluid umströmbar angeordnet ist. Das Temperierfluid ist dabei bevorzugt ein Temperiergas, wie beispielsweise Luft. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeu tet dies, dass die einem Innenraum der Aufnahme, in welchem die jeweilige Bat teriezelle aufgenommen ist, gegenüberliegend angeordnete Außenseite der Auf nahme unmittelbar benachbart zu einer Umgebung angeordnet ist. Dadurch kann insgesamt jede Batteriezelle passiv gekühlt werden, da das erste Gehäuseele ment und das zweite Gehäuseelement über eine vergleichbar große Oberfläche verfügen. Besonders bevorzugt können dadurch auch mittig angeordnete Batte riezellen zuverlässig temperiert werden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass vorteilhafterweise zwischen einer zylindri schen Mantelfläche einer ersten Aufnahme des ersten Gehäuseelements und ei ner zylindrischen Mantelfläche einer zweiten Aufnahme des zweiten Gehäusee lements eine weiteres Ausgleichsmaterial angeordnet sein kann. Bei Anwen dungsformen mit geringeren thermischen Anforderungen bspw. aufgrund ver gleichbar großer Temperaturgradienten zwischen der Batteriezelle und der Um gebung, aufgrund von geringen elektrischen Strömen oder aufgrund der Verwen dung von Batteriezellen mit geringem Innenwiderstand könnten die Batteriezellen somit auch ausschließlich über die kreisrunde Bodenfläche der jeweiligen Auf nahme temperiert werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, könnte die Tempe rierung also über die kreisrunde Bodenfläche der jeweiligen Aufnahme anstelle einer bspw. zusätzlichen Temperierung über die jeweiligen zylindrischen Mantel flächen. Dazu könnten Freiräume zwischen den zylindrischen Mantelflächen der jeweiligen Aufnahme mit einem weiteren Ausgleichsmaterial Werkstoff aufgefüllt sein. Dadurch ergeben sich Möglichkeiten das Modul mechanisch äußerst robust auszuführen, vereinfacht zu fertigen und den Abstand zwischen zwei Aufnahmen weiter zu reduzieren.
Es ist zweckmäßig, wenn das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäusee lement aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet sind. Beispielsweise kann der polymere Werkstoff ausgewählt sein als ein Polyamid (PA), wie beispielswei se PA 66. Dadurch ist es möglich, das Gewicht des Batteriemoduls zu minimie- ren und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Festigkeit zur Verfügung zu stellen. Weiterhin können das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäusee lement Glasfasern umfassen, welche beispielsweise in den polymeren Werkstoff eingebettet sein können. Bevorzugt weisen das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement, insbesondere die Mehrzahl an ersten Aufnahmen und die Mehrzahl an zweiten Aufnahmen, eine Wandstärke kleiner als 2 mm und ins besondere von 1 mm auf. Somit kann das Gewicht des Batteriemoduls bei einer gleichzeitig ausreichenden mechanischen Festigkeit in der Art reduziert werden, dass weiterhin auch eine zuverlässige Temperierung der Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen möglich ist.
Das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement können durch un terschiedliche Fertigungstechnologien, wie beispielsweise Tiefziehen, kosten günstig ausgebildet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Mehrzahl an Batteriezellen und die zweite Mehrzahl an Batteriezellen unmittelbar gegenüberliegend angeordnet sind. Darunter soll verstanden werden, dass die zylindrisch ausgebildeten Batte riezellen jeweils eine Längsrichtung aufweisen, wobei die Längsrichtungen der ersten Mehrzahl an Batteriezellen und die Längsrichtung der zweiten Mehrzahl an Batteriezellen parallel zueinander angeordnet sind. Weiterhin sind auch die Längsrichtung der ersten Mehrzahl an Batteriezellen und die Längsrichtung der zweiten Mehrzahl an Batteriezellen parallel zueinander angeordnet. Insbesonde re sind dabei auch das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement unmittelbar gegenüberliegend angeordnet. Der besondere Vorteil der Erfindung liegt weiterhin darin, dass dadurch neben einem geringen Bauraum eine elektri sche Verschaltung der einzelnen Batteriezellen mittels vergleichbar kurzen Zell verbindern ausgebildet werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines eben be schriebenen erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einem leicht elektrisch ange triebenen Fahrzeug (light electric vehicle; LEV). Damit kann ein thermisch opti miertes und skalierbares Gesamtkonzept eines Batteriemoduls für ein leicht elektrisch angetriebenes Fahrzeug (LEV) zur Verfügung gestellt werden. Zudem ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines eben beschriebenen Batte riemoduls mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen, insbe sondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Dabei wird ein erster Grundkörper eines ersten Gehäuseelement mit einer Mehr- zahl an zylindrisch ausgebildeten ersten Aufnahmen, in welchen eine erste
Mehrzahl an elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batte riezellen aufgenommen ist sowie mit einer dritten Aufnahme, in welcher eine Steuerungseinheit des Batteriemoduls aufgenommen ist, und ein zweiter Grund körper eines zweiten Gehäuseelement mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausge- bildeten zweiten Aufnahmen, in welchen eine zweite Mehrzahl an elektrisch seri ell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen aufgenommen ist unter Ausbildung eines Aufnahmeraumes, in welchem Zellverbinder zu einer elektrisch leitenden seriellen und/oder parallelen Verschaltung der ersten Mehr zahl an Batteriezellen und der zweiten Mehrzahl an Batteriezellen aufgenommen sind, miteinander verbunden werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Batteriemoduls in einer Explosionsdarstellung,
Figur 2 eine erfindungsgemäße weitere Ausführungsform eines Batte riemoduls in einer Explosionsdarstellung und
Figur 3 eine Draufsicht auf eine weitere Steuerungseinheit des Batte riemoduls.
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Batteriemoduls 1 in einer Explosionsdarstellung.
Das Batteriemodul 1 umfasst eine Mehrzahl an in der Figur 1 nicht zu erkennen den zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen 2, welche insbesondere als Lithium- lonen-Batteriezellen 20 ausgebildet sind.
Das Batteriemodul 1 weist ein erstes Gehäuseelement 31 und ein zweites Ge häuseelement 32 auf. Das erste Gehäuseelement 31 und das zweite Gehäusee lement 32 sind dabei aus einem polymeren Werkstoff, wie beispielsweise einem Polyamid, ausgebildet.
Das erste Gehäuseelement 31 weist dabei eine Mehrzahl an zylindrisch ausge bildeten ersten Aufnahmen 41 auf und das zweite Gehäuseelement 32 weist da bei eine Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten zweiten Aufnahmen 42 auf. Jede erste Aufnahme 41 des ersten Gehäuseelements 31 umfasst dabei eine zylind risch ausgebildete Mantelfläche 91, welche allesamt von Temperierfluid um- strömbar angeordnet sind. Jede zweite Aufnahme 42 des zweiten Gehäuseele ments 32 umfasst dabei eine zylindrisch ausgebildete Mantelfläche 92, welche allesamt von Temperierfluid umströmbar angeordnet sind. An dieser Stelle sei angemerkt, dass bevorzugt die zylindrisch ausgebildeten Mantelflächen 91 der ersten Aufnahmen 41 und die zylindrisch ausgebildeten Mantelflächen 92 der zweiten Aufnahmen 42 vollständig, zumindest aber teilweise von Temperierfluid umströmbar angeordnet sind. Insbesondere können sich zylindrisch ausgebildete Mantelflächen 91 bzw. zylindrisch ausgebildete Mantelflächen 92 untereinander berühren.
Weiterhin weist das erste Gehäuseelement 31 dabei eine dritte Aufnahme 43 auf.
Die ersten Aufnahmen 41 nehmen dabei eine erste Mehrzahl 21 an Batteriezel len 2 auf, welche elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Die zweiten Aufnahmen 42 nehmen dabei eine zweite Mehrzahl 22 an Batterie zellen 2 auf, welche elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
Beispielsweise können die Batteriezellen 2 dabei jeweils entlang der längeren Seiten parallel miteinander geschaltet sein. Die serielle Verschaltung kann ent lang einer kürzeren Seite erfolgen.
Die dritte Aufnahme 43 nimmt dabei eine Steuerungseinheit 10 des Batteriemo duls 1 auf.
Das erste Gehäuseelement 31 umfasst des Weiteren einen ersten Grundkörper
51, an welchem die ersten Aufnahmen 41 und die dritte Aufnahme 43 angeord net sind.
Das zweite Gehäuseelement 32 umfasst des Weiteren ein zweiten Grundkörper
52, an welchem die zweiten Aufnahmen 52 angeordnet sind.
Insbesondere weisen der erste Grundkörper 31 und/oder der zweite Grundkörper 32 im Wesentlichen eine quaderförmige Grundform auf.
Der erste Grundkörper 51 und der zweite Grundkörper 52 werden dabei unter Ausbildung eines in der Figur 1 nicht zu erkennenden Aufnahmeraums 6 mitei- nander verbunden. Der erste Grundkörper 31 und der zweite Grundkörper 32 werden dabei mittels einer Falzverbindung 8 formschlüssig miteinander verbun den. Die Falzverbindung 8 wird dabei umlaufend an der Verbindung zwischen dem ersten Grundkörper 31 und dem zweiten Grundkörper 32 angeordnet und dichtet das Batteriemodul 1 gegenüber einer Umgebung des Batteriemoduls 1 ab. In dem Aufnahmeraum 6 können dabei Zellverbinder 7, welche in der Figur 1 auch nicht zu erkennen sind, angeordnet sein. Die Zellverbinder 7 verbinden die erste Mehrzahl 21 an Batteriezellen 2 bzw. die zweite Mehrzahl 22 an Batterie zellen 22 elektrisch seriell und/oder parallel miteinander.
Zudem ist aus der Figur 1 zu erkennen, dass die erste Mehrzahl 21 an Batterie zellen 2 in Richtung einer längsten Ausdehnung 161 des ersten Grundkörpers 31 parallel miteinander in parallelen ersten Strängen 171 verschaltet ist.
Zudem ist aus der Figur 1 auch zu erkennen, dass die zweite Mehrzahl 22 an Batteriezellen 2 in Richtung einer längsten Ausdehnung 162 des zweiten Grund körpers 32 parallel miteinander in parallelen zweiten Strängen 172 verschaltet ist. Die Steuerungseinheit 10 des Batteriemoduls 1 ist ausgebildet, die parallelen ersten Strängen 171 und/oder die parallelen zweiten Stränge 172 zu überwa chen.
Die Anzahl an parallelen zweiten Strängen 172 ist dabei um eins höher als die Anzahl an parallelen ersten Strängen 171. Die dritte Aufnahme 43 ist also anstelle eines parallelen ersten Strangs 171 angeordnet.
Weiterhin könnte stattdessen die Anzahl an Batteriezellen 2 eines zweiten paral lelen Strangs 172 um eins höher sein als die Anzahl an Batteriezellen 2 eines ersten parallelen Strangs 171. Die dritte Aufnahme 43 wäre also anstelle einer parallel geschalteten Batteriezelle 2 eines jeden parallelen ersten Strangs 171 angeordnet.
Die erste Mehrzahl 21 an Batteriezellen 2 und die zweite Mehrzahl 22 an Batte riezellen 2 sind unmittelbar gegenüberliegend angeordnet.
Das Batteriemodul 1 weist dabei einen in den ersten Grundkörper 31 und/oder in den zweiten Grundkörper 32 integrierten elektronischen Anschluss 13 auf, welcher ausgebildet, die Steuerungseinheit 10 des Batteriemoduls 1 zu kontak tieren.
Der elektronische Anschluss 13 ist dabei in den ersten Grundkörper 31 und/oder in den zweiten Grundkörper 32 integriert. Insbesondere kann der elektronische Anschluss 13 als Stecker ausgebildet sein. Ein solcher Stecker kann bspw. die Kontaktierung des Hochstrompfads zum Fahrzeug bzw. Ladegerät ermöglichen und kann bspw. Steuerungssignale einer nicht gezeigten Steuerungseinrichtung weiterleiten.
Das Batteriemodul 1 umfasst dabei einen elektrischen Anschluss 14. Der elektri sche Anschluss 14 ist dabei dazu ausgebildet, die Batteriezellen 2 des Batte riemoduls 1 zu entladen bzw. zu laden. Insbesondere weist das Batteriemodul 1 einen ersten elektrischen Anschluss 141 und einen zweiten elektrischen An schluss 142 auf. Der erste elektrische Anschluss 141 kann dabei insbesondere ein positiver elektrischer Anschluss sein und der zweite elektrischen Anschluss 142 kann dabei insbesondere ein negativer elektrischer Anschluss sein.
Mittels des ersten elektrischen Anschlusses 141 kann dabei bspw. eine elektri sche Verbindung zu den Batteriezellen 2 des ersten Grundkörpers 31 und mittels des zweiten elektrischen Anschlusses 142 kann dabei bspw. eine elektrische Verbindung zu den Batteriezellen 2 des zweiten Grundkörpers 32 ausgebildet werden.
Die Steuerungseinrichtung 10 ermöglicht, die Verbindung zwischen dem elektro nischen Anschluss 13 und den Batteriezellen 2 des ersten Grundkörpers 31 bzw. die Verbindung zwischen dem elektronischen Anschluss 13 und dem zweiten Grundkörper 32 zu trennen. Dadurch ist ein Abschaltpfad ausgebildet.
Vorzugsweise ist hierfür eine Mehrzahl mehrerer in den Figuren nicht zu erken nender Halbleiter auf der Steuerungseinheit 10 angeordnet.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße weitere Ausführungsform eines Batteriemo duls 1 in einer Explosionsdarstellung. Dabei ist im Unterschied zu Figur 1 in dem Aufnahmeraum 6 eine weitere Steuerungseinheit 100 des Batteriemoduls 1 auf genommen. Die Steuerungseinheit 10 und die weitere Steuerungseinheit 100 sind regelungstechnisch miteinander verbunden.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Steuerungseinheit 10 des Batte riemoduls 1.
Das Batteriemodul 1 umfasst erste Sensorelemente 151 umfasst, welche ausge bildet sind, jeweils eine Zustandsgröße einer Batteriezelle 2 der ersten Mehrzahl 21 an Batteriezellen 2 zu erfassen und umfasst zweite Sensorelemente 152, wel che ausgebildet sind, jeweils eine Zustandsgröße einer Batteriezelle 2 der zwei ten Mehrzahl 22 an Batteriezellen 2 zu erfassen.
Die ersten Sensorelemente 151 bzw. die zweiten Sensorelemente 152 sind rege lungstechnisch mit der Steuerungseinheit 10 des Batteriemoduls 1 verbunden.
Die ersten Sensorelemente 151 sind an der weiteren Steuerungseinheit 100 an geordnet und mit einem zwei Batteriezellen 2 der ersten Mehrzahl 21 an Batte riezellen 2 elektrisch verbindenden Zellverbinder 7 verbunden. Die zweiten Sen sorelemente 152 sind an der weiteren Steuerungseinheit 100 angeordnet und mit einem zwei Batteriezellen 2 der zweiten Mehrzahl 22 an Batteriezellen 2 elektrisch verbindenden Zellverbinder 7 verbunden. Auf der weiteren Steue rungseinheit 100 ist bspw. der Front-End-Chip (ASIC) 17 angeordnet sein. Ferner weist die weitere Steuerungseinheit 100 ein Anschluss 18 auf, der ausgebildet ist, die weitere Steuerungseinheit 100 regelungstechnisch mit der Steuerungs einheit 100 zu verbinden.

Claims

Ansprüche
1. Batteriemodul mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen (20), und einem ersten Gehäuseelement (31) mit einer Mehrzahl an zylindrisch aus gebildeten ersten Aufnahmen (41), in welchen eine erste Mehrzahl (21) an elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen (2) aufgenommen ist, und einem zweiten Gehäuseelement (32) mit einer Mehrzahl an zylindrisch aus gebildeten zweiten Aufnahmen (42), in welchen eine zweite Mehrzahl (22) an elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen (2) aufgenommen ist, wobei das erste Gehäuseelement (31) einen ersten Grundkörper (51) aufweist, an welchem die ersten Aufnahmen (41) angeordnet sind, und das zweite Gehäuseelement (32) einen zweiten Grundkörper (52) aufweist, an welchem die zweiten Aufnahmen (42) angeordnet sind, wobei der erste Grundkörper (51) und der zweite Grundkörper (52) unter Ausbil dung eines Aufnahmeraumes (6), in welchem
Zellverbinder (7) zu einer elektrisch seriellen und/oder parallelen Verschal tung der ersten Mehrzahl (21) an Batteriezellen (2) und der zweiten Mehr zahl (22) an Batteriezellen (2) aufgenommen sind, miteinander verbunden sind, wobei das erste Gehäuseelement (31) eine dritte Aufnahme (43) aufweist, welche an dem ersten Grundkörper (51) angeordnet ist und in welcher eine Steuerungseinheit (10) des Batteriemoduls (1) aufgenommen ist.
2. Batteriemodul nach dem vorhergehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grundkörper (31) und der zweite Grundkörper (32) formschlüssig miteinander verbunden sind.
3. Batteriemodul nach dem vorherigen Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grundkörper (31) und der zweite Grundkörper (32) mittels einer Falzverbindung (8) miteinander verbunden sind.
4. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1) einen in den ersten Grundkörper (31) und/oder in den zweiten Grundkörper (32) integrierten elektronischen Anschluss (13) umfasst, welcher ausgebildet ist, die Steuerungseinheit (10) des Batteriemoduls (1) zu kontaktieren.
5. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1) einen in den ersten Grundkörper (31) und/oder in den zweiten Grundkörper (32) integrierten elektrischen Anschluss (14, 141, 142) umfasst.
6. Batteriemodul nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mehrzahl (21) an Batteriezellen (2) in Richtung einer längsten Aus dehnung (161) des ersten Grundkörpers (31) parallel miteinander in parallelen ersten Strängen (171) verschaltet ist und die zweite Mehrzahl (22) an Batteriezellen (2) in Richtung einer längsten Ausdehnung (162) des zweiten Grundkörpers (32) parallel miteinander in parallelen zweiten Strängen (172) verschaltet ist, wobei die Steuerungseinheit (10) des Batteriemoduls (1) ausgebildet ist, die parallelen ersten Stränge (171) und/oder die parallelen zweiten Stränge (172) zu überwachen, wobei die Anzahl an parallelen zweiten Strängen (172) zumindest um eins höher ist als die Anzahl an parallelen ersten Strängen (171) oder wobei die Anzahl an Batteriezellen (2) eines zweiten parallelen Strangs (172) zu- mindest um eins höher ist als die Anzahl an Batteriezellen (2) eines ersten parallelen Strangs (171).
7. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1) zumindest ein erstes Sensorelement (151) umfasst, welches ausgebildet ist, eine Zustandsgröße einer Batteriezelle (2) der ersten Mehrzahl (21) an Batteriezellen (2) zu erfassen, und/oder das Batteriemodul (1) zumindest ein zweites Sensorelement (152) umfasst, welches ausgebildet ist, eine Zustandsgröße einer Batteriezelle (2) der zweiten Mehrzahl (22) an Batteriezellen (2) zu erfassen, wobei das zumindest eine erste Sensorelement (151) bzw. das zumindest eine zweite Sensorelement (152) regelungstechnisch mit der Steuerungseinheit (10) des Batteriemoduls (1) verbunden ist.
8. Batteriemodul nach dem vorhergehenden Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das eine weitere Steuerungseinheit (100) in dem Aufnahmeraum (6) des Batteriemoduls (1) angeordnet ist, wobei die Steuerungseinheit (10) und die weitere Steuerungseinheit (100) rege lungstechnisch miteinander verbunden sind.
9. Batteriemodul nach den vorhergehenden Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensorelement (151) an der weiteren Steuerungseinheit (100) an geordnet ist und mit einem zwei Batteriezellen (2) der ersten Mehrzahl (21) an Batteriezellen (2) elektrisch verbindenden Zell verbinder (7) verbunden ist und/oder das zweite Sensorelement (152) an der weiteren Steuerungseinheit (100) angeordnet ist und mit einem zwei Batteriezellen (2) der zweiten Mehrzahl (22) an Batteriezellen (2) elektrisch verbindenden Zell verbinder (7) verbunden ist.
10. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 das erste Gehäuseelement (31) und das zweite Gehäuseelement (32) aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet sind.
11. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mehrzahl (21) an Batteriezellen (2) und die zweite Mehrzahl (22) an Batteriezellen (2) unmittelbar gegenüberliegend angeordnet sind.
12. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) eine Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Anschluss (141) bzw. dem zweiten elektrischen Anschluss (142) und dem elektronischen Anschluss (13) trennen kann.
13. Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (1) nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 11 mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen (20), wobei ein erster Grundkörper (51) eines ersten Gehäuseelement (31) mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten ersten Aufnahmen (41), in wel chen eine erste Mehrzahl (21) an elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen (2) aufgenommen ist, sowie mit einer dritten Aufnahme, in welcher eine Steuerungseinheit (10) des Bat teriemoduls (1) aufgenommen ist und ein zweiter Grundkörper (52) eines zweiten Gehäuseelement (32) mit einer Mehrzahl an zylindrisch ausgebildeten zweiten Aufnahmen (42), in welchen eine zweite Mehrzahl (22) an elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen (2) aufgenommen ist, unter Ausbildung eines Aufnahmeraumes (6), in welchem eine Steuerungseinheit (10) des Batteriemoduls (1) aufgenommen ist, miteinander verbunden werden.
14. Verwendung eines Batteriemoduls (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem leichten elektrisch angetriebenen Fahrzeug (light electric vehicle).
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