EP4244926A1 - Vorrichtung zur messung von zellspannungen in einem modul - Google Patents

Vorrichtung zur messung von zellspannungen in einem modul

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EP4244926A1
EP4244926A1 EP21805951.7A EP21805951A EP4244926A1 EP 4244926 A1 EP4244926 A1 EP 4244926A1 EP 21805951 A EP21805951 A EP 21805951A EP 4244926 A1 EP4244926 A1 EP 4244926A1
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EP
European Patent Office
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cell
busbar
cells
module
connection
Prior art date
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Pending
Application number
EP21805951.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich Rot
Florian Schwarz
Thomas Straeussl
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.)
ElringKlinger AG
Original Assignee
ElringKlinger AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements
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Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring cell voltages in a module of a battery device.
  • a module within a rechargeable battery consists of a large number of individual cells.
  • Various approaches to constructing devices for voltage measurement on cells of such a module are known.
  • these devices provide for a voltage measurement, which is carried out regularly on the upper side of the cells, which is freely accessible to the extent that this is the case.
  • This measuring principle thus establishes an electrical connection between the cell poles and - i . i.e. R. in the case of round cells - a busbar or so-called .
  • Busbar ahead whose main function is power transmission. This is used at the same time as a voltage measurement.
  • This structure usually requires at least one additional component in each case in the form of a contacting system.
  • the busbar is integrated in the contacting system in order to connect the individual cells for voltage measurement.
  • This approach shows u. a. disadvantages in that additional components and installation space are required. Additional assembly steps result in increased process costs overall with longer process times. This results in an overall high partial price for a module in question.
  • the object of the present invention is to create a device of the type mentioned above with a reduction in production costs.
  • this object is achieved by the features of claim 1 in that the device for voltage measurement is electrically connected to a busbar via a housing of a respective cell.
  • a housing of a relevant cell is itself used as a second connection for voltage measurement, which is implemented via a busbar. Electrically, the busbar only has to be designed for the requirements of the respective measuring device, since only low currents must be able to flow here.
  • the cell housing has an electrical connection to a respective busbar, with each busbar forming a logic cell by connecting a specific number of elementary cells in parallel, and the busbar being connected to a means for measuring potential differences between adjacent logic cells.
  • a logical cell consisting of a large number of individual elementary cells takes a voltage measurement with minimal Effort and comparatively little space required together.
  • the busbar is with a means for measuring potential differences z. B. connected between adjacent rows of cells or consecutive logical cells. At the same time, each measurement is electrically and thermally decoupled from larger current flows as far as possible.
  • each cell in a lower array is mechanically fixed in a through-opening.
  • a reliable and easily producible electrical connection of a busbar to a respective cell housing is implemented on a respective cell base of the cell housing via an electrically conductive connection.
  • This electrically conductive connection is advantageously implemented in the form of an electrically conductive adhesive or conductive adhesive together with the mechanical fixation of the cell housing and preferably also the busbar in the array.
  • An area around the busbar and its connection to the cell housing is surrounded by a thermally conductive adhesive.
  • the thermally conductive adhesive is designed for additional cooling of the cell by being coupled to a heat sink of the battery module.
  • an electrically conductive connection is alternatively or additionally implemented via an elastic mechanical connection, such as, for example, B. by a spring contact.
  • the cell housings thus have electrical connections with mechanical tolerance compensation to a respective common busbar for voltage measurement.
  • a cell in an upper array opposite the lower array is held in a conically tapering recess.
  • the recess has a shoulder on which the cell housing is clamped.
  • a logical cell is formed by connecting elementary cells in parallel and comprises more or fewer elementary cells than are arranged in a row or a column of a respective module.
  • a busbar is advantageously designed as a flat stamped or stamped and bent part made from sheet metal.
  • the busbar thus represents an individual part that is easy to produce and flexibly adaptable and formable.
  • the busbar has at least one branch. This simple feature makes it possible in particular to create a logical cell in a parallel circuit, which in this case comprises more or fewer elementary cells than are arranged in a row or a column of a respective module. Further features and advantages of embodiments according to the invention are explained in more detail below with reference to exemplary embodiments based on the drawing. It shows in a schematic representation:
  • FIG. 1 a side view of a detail from a battery module according to a first exemplary embodiment
  • FIGS. 2a and 2b enlarged details of FIG. 1;
  • FIG. 3 a side view of a detail from a battery module according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 4 a plan view of the exemplary embodiment according to FIG. 3;
  • FIG. 5 a side view of a detail from a battery module known from the prior art
  • FIG. 6 a plan view of the detail from FIG. 5;
  • FIG. 7 a module according to the prior art with a series connection of three logic cells formed by parallel connection of 6 elementary cells each and
  • FIG. 8 shows a detail from a module which also has a monitoring of the voltages of each of the logic cells with an interconnection of the elementary cells according to an embodiment of the present invention, three logic cells each consisting of eight elementary cells in four rows.
  • FIG. 5 shows a side view of a detail from a battery module 1 known from the prior art, which has a number of cylindrical cells 2 .
  • these cells 2 are arranged as a matrix in a lower area in recesses isolated from one another and held in a lower array 3 made of an insulating plastic, and fixed to an upper area in an upper array 4 made of an electrically non-conductive plastic.
  • the cells 2 have the two electrical poles in their upper region.
  • a voltage and a maximum current of the battery module 1 are set by a corresponding electrical interconnection of the poles of the cells 2 .
  • Bus bars 5 are arranged between the columns of cells 2 on the upper array 4 .
  • the busbars 5 electrically connect the cells 2 in series for power transmission through bond connectors 6 in the direction of a row Z of cells 2 . Furthermore, the busbars 5 are used on the one hand to connect the cells 2 in a parallel circuit by forming common connection surfaces for bond connectors 6 in a column of cells 2 as a logical cell, on the other hand the busbars 5 create measuring taps or Connections for measuring device 7 for measuring the respective potential differences or Voltages dVi, dV2, dVs etc. between the columns of cells 2 of the battery module 1 .
  • the voltage measurement and the connection take place at the poles on the upper side of the cells 2 .
  • This measuring principle ip sets an electrical connection between the cell poles and - at least in the case of round cells - a busbar 5 or Bus bar ahead.
  • a main function of the busbar 5 is the voltage measurement.
  • at least the busbar 5 is therefore required as an additional component, which is required for the respective contacting of the poles of each cell 2 as part of the overall system for interconnection and for voltage measurement.
  • FIG. 6 shows a plan view of the detail from FIG. This illustration shows how the cells 2 arranged in rows are connected in parallel and electrically in series with cells 2 from other rows via an adjacent bus bar 5 .
  • the busbars 5 are also connected in pairs to measuring devices 7 for measuring partial voltages dV ⁇ between adjacent busbars 5, as already indicated in FIG.
  • the voltage is measured on the top of a cell. This establishes an electrical connection between the cell poles and, in the case considered here of using round cells, a busbar 5 or Busbar ahead, whose additional function is the voltage measurement.
  • this requires an additional component, the cell contacting system, in which the busbar 5 is integrated, in order to realize the connection of the individual cells 2 on the one hand and a respective voltage measurement on the other. Disadvantages occur so u. a. on that additional components and space in the area of the upper array 4 are required, resulting in additional assembly steps and increased process times and other process costs incurred. This results in a high partial price for the module in question. Furthermore, this approach is very inflexible with regard to a free arrangement of elementary cells, as will be illustrated below using an example with improved space utilization.
  • FIG. 1 shows a side view of a detail from a battery module according to a first exemplary embodiment analogous to the illustration in FIG.
  • Means 7 for measuring potential differences dV ⁇ between adjacent cell rows or. for voltage measurement are now - in contrast to the current concept described above as an example in Figure 5 - connected directly via a respective cell housing 8, which is realized here, for example, via a cell floor or here sides of the relevant housing 8 of a cell 2 by busbars 5a .
  • the cell housing 8 has an electrical connection to a busbar 5a, which in turn is connected to the means 7 for measuring potential differences between adjacent rows of cells.
  • All elementary cells 2 connected to a common busbar 5a for voltage measurement form a so-called logical cell L .
  • This electrical connection of the means 7 for voltage measurement to a busbar 5a thus directly saves components, development effort, production steps and installation space.
  • FIGS. 2a and 2b represent enlarged details A, B of FIG.
  • FIG. 2a shows an enlarged section of how a cell 2 is now held in the upper array 4 .
  • the upper array 4 now has a conically tapering recess 9 with a shoulder 10 to which the cell housing 8 is clamped.
  • the busbar 5 now only serves to connect the cells 2 by means of bond connectors 6 and can therefore be dimensioned smaller.
  • the detail B of FIG. 2b shows the cell 2 being fixed in the lower array 3.
  • FIG. In contrast to the prior art according to FIG. 5, the cell 2 is now also fixed in the lower array 3 in a through-opening 11 .
  • a reliable and easy-to-manufacture electrical connection of the busbar 5a to a respective cell housing 8 is provided in the present exemplary embodiment on a respective cell bottom of the cell housing 8 via an electrically conductive connection 12 in the form of an electrically conductive adhesive or Conductive adhesive realized. Alternatively or additionally, this connection is realized via an elastic mechanical connection, such as a spring contact.
  • the area around the busbar 5a and its connection to the cell housing 8 is surrounded by a thermally conductive adhesive 13 .
  • This adhesive 13 also fixes the cell 2 to the through-opening 11 of the lower array 3 .
  • the adhesive 13 provides additional cooling of the cell 2 by coupling it to a heat sink 14 of the battery module 1 .
  • FIGS. 1 and 2a on an upper array 4 can be omitted by suitably adapted bond connectors 6, since the busbars 5a are used to measure the voltage at each logical cell L.
  • FIG. 3 shows a side view of a detail from a battery module 1 according to a corresponding second exemplary embodiment.
  • the busbars 5a are also used here to electrically connect the cells 2 in parallel to form logic cells L and at the same time to connect the measuring devices 7 to measure partial voltages dV ⁇ .
  • a fixing effected by the lower plastic array 3 as described above is sufficient in this structure.
  • the upper array 4 can thus also be saved.
  • Bond connectors 6 are now in arcs to compensate Tolerances and thermal expansions between a positive pole of a cell 2 are guided directly to a cell housing 8 of a respective adjacent cell 2 and fixed in an electrically conductive manner, which considerably simplifies the structure and saves components, space requirements and weight.
  • FIG. 4 shows a plan view of the exemplary embodiment according to FIG. Viewed from above, one can see the series connection of the cells 2 realized by bond connectors 6, while a parallel connection is effected below the lower plastic array 3 by the busbars 5a.
  • the busbars 5a in turn serve as feeders to the measuring devices 7 for measuring partial voltages dV ⁇ between adjacent rows of cells 2 and define logic cells L as rows R .
  • FIG. 7 shows a section of a module that is made up of 18 cells 2 according to the prior art, which is formed from a series connection of three logical cells L formed by parallel connection of six elementary cells 2 each, as in FIGS 6 and 6 and described above.
  • An interconnection of the elementary cells 2 thus provides for an arrangement between and connection to busbars 5 .
  • the taps for the voltage monitoring of each logical cell L are on the busbars 5 .
  • FIG. 8 shows a module 1 with two external connections A, which has an interconnection of the elementary cells 2 according to the embodiment of the present invention outlined in FIGS. 3 and 4.
  • three logical cells L are formed from eight elementary cells 2 each. However, these elementary cells 2 are arranged in four rows inside this module 1 .
  • a single logical cell L thus includes more elementary cells 2 than are provided in a row of this module 1 .
  • the busbars 5a are still designed as flat stamped parts made of sheet metal, here made of thin copper sheet.
  • the busbars 5a have u. a. at least one branch Vz on . Only a first logical cell L* can be a certain exception in this example, since an external contact A can be used here in the sense of a busbar 5a.
  • busbars 5a for logical cells L to comprise more or fewer elementary cells 2 than are arranged in a row of a respective module s 1 .
  • An illustrated arrangement of logical cells L can, for. B. be necessary for optimal space utilization in a housing of a battery module 1 in practice.
  • the module 1 has a monitoring of the voltages of each of the logic cells L via busbars 5a by means of devices for measuring 7 partial voltages dVi, which in known arrangements according to the figures

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Zellspannungen (dVi) in einem Modul (1), das innerhalb einer wiederaufladbaren Batterie aus einer Vielzahl einzelner Zellen (2) aufgebaut ist. Um eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art unter Minderung eins Fertigungsaufwandes zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass Messgeräte (7) zur Spannungsmessung über ein Gehäuse (8) einer jeweiligen Zelle (2) elektrisch an einer Sammelschiene (5a) angebunden sind.

Description

Vorrichtung zur Messung von Zell Spannungen in einem Modul
Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Vorrichtung zur Messung von Zellspannungen in einem Modul einer Batterievorrichtung .
Aus dem Stand der Technik ist bekannt , dass ein Modul innerhalb einer wiederaufladbaren Batterie aus einer Viel zahl einzelner Zellen besteht . Es sind diverse Ansätze zum Aufbau von Vorrichtungen zur Spannungsmessung an Zellen eines derartigen Moduls bekannt . Diese Vorrichtungen sehen j edoch eine Spannungsmessung vor, die an einer regelmäßig soweit frei zugänglichen Oberseite der Zellen erfolgt . Dieses Mess-Prinzip setzt damit eine elektrische Verbindung zwischen Zellpolen und - i . d . R . im Fall von Rundzellen - eine Sammelschiene bzw . sog . Busbar voraus , deren Haupt funktion Leistungsübertragung ist . Diese wird gleichzeitig als Spannungsmessung genutzt . Dieser Aufbau erfordert in der Regel j eweils mindestens ein zusätzliches Bauteil in Form eines Kontaktierungssystems . In dem Kontaktierungssystem ist die Sammelschiene integriert , um die Verbindung der einzelnen Zellen für eine Spannungsmessung zu realisieren . Dieser Ansatz weist u . a . dahingehend Nachteile auf , dass zusätzlich Bauteile und Bauraum benötigt wird . Durch zusätzliche Montageschritte fallen bei verlängerten Prozesszeiten auch insgesamt erhöhte Prozesskosten an . Daraus ergibt sich ein insgesamt hoher Teilpreis für ein betref fendes Modul .
Häufig werden j edoch nicht die Spannungen an elementaren Einzelzellen gemessen . Da diese elementaren Einzel zellen j eweils in einer Parallelschaltung zu logischen Zellen verschaltet sind, wird statt einzelner Messungen eine Spannung einer solchen logischen Zelle überwacht . Dadurch wird zwar die Anzahl der Spannungsmessungen innerhalb eines Moduls gesenkt , wobei die vorstehend angedeuteten Probleme j edoch grundsätzlich erhalten bleiben .
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe , eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art unter Minderung eins Fertigungsaufwandes zu schaf fen .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst , dass die Vorrichtung zur Spannungsmessung über ein Gehäuse einer j eweiligen Zelle elektrisch an einer Sammelschiene angebunden ist . Statt zusätzlicher Anschlüsse und/oder Leiter wird damit ein Gehäuse einer betreffenden Zelle selber als zweiter Anschluss zur Spannungsmessung genutzt , die über eine Sammelschiene ausgeführt ist . Die Sammelschiene muss elektrisch nur auf die Anforderungen des j eweiligen Messgerätes hin ausgelegt sein, da hier nur geringe Ströme fließen können müssen .
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche . Demnach weisen die Zellgehäuse eine elektrische Anbindung an eine j eweilige Sammelschiene auf , wobei eine Sammelschiene j eweils eine logische Zelle durch Parallelschaltung einer bestimmten Anzahl elementarer Zellen bildet , und die Sammelschiene mit einem Mittel zur Messung von Potentialunter- schieden zwischen benachbarten logischen Zellen verbunden ist . Im Gegensatz zu den aktuellen Konzepten einer über ein Zellgehäuse angebundenen Spannungsmessung, die beispielsweise über den Zellboden oder Seiten des betref fenden Zellengehäuses realisiert ist , fasst gemäß dieser Aus führungs form der Erfindung eine aus einer Viel zahl einzelner elementarer Zellen bestehende logische Zelle eine Spannungsmessung bei minimalem Aufwand und vergleichsweise geringem Platzbedarf zusammen . Gerade bei einer Anordnung, bei der die einzelnen Zellen einer logischen Zelle nicht länger in einer Reihe linear angeordnet werden können, ist dieser Ansatz sehr vorteilhaft gegenüber bekannten Verschaltungen, wie nachfolgend in der Zeichnung noch anhand eines Beispiels verdeutlicht wird . Die Sammelschiene ist dabei mit einem Mitteln zur Messung von Potential- unterschieden z . B . zwischen benachbarten Zell-Reihen oder aufeinander folgenden logischen Zellen verbunden . Zugleich ist j ede Messung von größeren Stromflüssen elektrisch und thermisch soweit als möglich entkoppelt .
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine j ede Zelle in einem unteren Array in einer Durchgangsöf fnung mechanisch fixiert . Dabei ist eine zuverlässige und einfach herstellbare elektrische Anbindung einer Sammelschiene an ein j eweiliges Zellgehäuse an einem j eweiligen Zellboden des Zellgehäuses über eine elektrisch leitfähige Verbindung realisiert .
Vorteilhafterweise ist diese elektrisch leitfähige Verbindung in Form eines elektrisch leitfähigen Klebstof fs oder Leitklebers zusammen mit der mechanischen Fixierung des Zellgehäuses und vorzugsweise auch der Sammelschiene in dem Array realisiert . Ein Bereich um die Sammelschiene und deren Anbindung an das Zellengehäuse ist von einem wärmeleitfähigen Klebstof f umgeben . Vorteilhafterweise ist der wärmeleitfähige Klebstof f zur zusätzlichen Entwärmung der Zelle durch Kopplung an einen Kühlkörper des Batterie-Moduls ausgebildet .
In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung i st eine elektrisch leitfähige Verbindung alternativ oder zusätzlich über eine elastische mechanische Anbindung realisiert , wie z . B . durch einen Federkontakt . Damit weisen die Zel lgehäuse elektrische Anbindungen mit mechanischem Toleranzausgleich an eine j eweilige gemeinsame Sammelschiene zur Spannungsmessung auf . Vorteilhafterweise ist eine Zelle in einem dem unteren Array gegenüberliegenden oberen Array in einer sich konisch verj üngenden Ausnehmung gehalten . Dabei weist die Ausnehmung eine Schulter auf , an der das Zellengehäuse klemmend fixiert ist . Nach einem Zusammenbau des betref fenden Moduls sind die beiden Arrays gegeneinander mechanisch fixiert , so dass die darin gehaltenen einzelnen Zellen in ihrer Lage relativ zueinander gesichert sind .
In einer besonders bevorzugten Aus führungs form der Erfindung ist eine logische Zelle durch Parallelschaltung elementarer Zellen gebildet und umfasst dabei mehr oder weniger elementare Zellen, als in einer Reihe oder aber einer Spalte eines j eweiligen Moduls angeordnet sind . Hierdurch wird bei geringem Schaltungsaufwand eine optimale Platzausnutzung innerhalb eines Gehäuses eines j eweiligen Moduls deutlich vereinfacht . Unter Nutzung weiterer vorstehend aufgeführter techni scher Merkmale ist damit eine Spannungsüberwachung bei minimiertem Aufwand realisierbar .
Vorteilhafterweise ist eine Sammelschiene als ebenes Stanz- o- der Stanz-Biegeteil aus metallischem Blech ausgeführt . Damit stellt die Sammelschiene ein einfach herstellbares und flexibel anpassbar sowie formbares Einzelteil dar . In einer Weiterbildung weist die Sammelschiene mindestens eine Verzweigung auf . Durch dieses einfache Merkmal ist insbesondere die Schaffung einer logischen Zelle in einer Parallelschaltung realisierbar, die dabei mehr oder weniger elementare Zel len umfasst , als in einer Reihe oder aber einer Spalte eines j eweiligen Moduls angeordnet sind . Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Aus führungs formen unter Bezugnahme auf Aus führungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert . Darin zeigen in schematischer Darstellung :
Figur 1 : eine Seitenansicht eines Ausschnitts aus einem Batterie-Modul gemäß eines ersten Aus führungsbeispiels ;
Figuren 2a und 2b : vergrößerte Einzelheiten von Figur 1 ;
Figur 3 : eine Seitenansicht eines Ausschnitts aus einem Batterie-Modul gemäß eines zweiten Aus führungsbeispiels ;
Figur 4 : eine Draufsicht auf das Aus führungsbeispiel nach Figur 3 ;
Figur 5 : eine Seitenansicht eines Ausschnitts aus einem aus dem Stand der Technik bekannten Batterie-Modul ;
Figur 6 : eine Draufsicht auf den Ausschnitt von Figur 5 ;
Figur 7 : ein Modul gemäß dem Stand der Technik mit einer Serienschaltung von drei durch Parallelschaltung von j eweils 6 elementaren Zellen gebildeten logischen Zellen und
Figur 8 : einen Ausschnitt aus einem Modul , das ebenfalls mit einer Verschaltung der elementaren Zellen gemäß einer Aus führungs form der vorliegenden Erfindung drei logischen Zellen aus j e acht elementaren Zellen in vier Reihen eine Überwachung der Spannungen j eder der logischen Zellen aufweist .
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugs zeichen verwendet . Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz von Aus führungsbeispielen der Erfindung unter Verwendung zylindrischer Zellen in einem Batteriemodul für elektrisch angetriebene Fahrzeuge dargestellt und beschrieben . Es ist aber für den Fachmann of fensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung auf stationäre Einsätze in elektrischen Energiespeichern für erneuerbare Energieerzeuger einerseits , wie auch auf tragbare Batteriemodule z . B . für elektrisch angetriebene Werkzeuge andererseits mögl ich ist . Eine erfindungsgemäße Lehre ist auch auf andere Zel l-Bauformen übertragbar .
Figur 5 stellt eine Seitenansicht eines Ausschnitts aus einem aus dem Stand der Technik bekannten Batterie-Modul 1 dar, das eine Anzahl zylindrischer Zellen 2 aufweist . Diese Zellen 2 sind in der dargestellten Einbaulage als Matrix angeordnet in einem unteren Bereich in Ausnehmungen gegeneinander isoliert in einem unteren Array 3 aus einem isolierenden Kunststof f gehalten, sowie an einem oberen Bereich in einem oberen Array 4 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststof f f ixiert . An ihrem oberen Bereich weisen die Zellen 2 die beiden elektrischen Pole auf . Durch eine entsprechende elektrische Verschaltung der Pole der Zellen 2 sind eine Spannung sowie ein maximaler Strom des Batterie-Moduls 1 eingestellt . Zwischen den Spalten der Zellen 2 sind auf dem oberen Array 4 Sammelschienen 5 angeordnet . Die Sammelschienen 5 schalten die Zellen 2 zur Leistungsübertragung durch Bond-Verbinder 6 in Richtung einer Zeile Z von Zellen 2 elektrisch in Serie . Weiter dienen die Sammelschienen 5 einerseits dadurch einer Verschaltung der Zellen 2 in einer Parallelschaltung, dass sie gemeinsame Anschluss flächen für Bond-Verbinder 6 einer Spalte von Zellen 2 als logischer Zelle bilden, andererseits schaf fen die Sammelschienen 5 Messabgri f fe bzw . Anschlüsse für Messgerät 7 für die Messung der j eweiligen Potentialdi f f erenzen bzw . Spannungen dVi, dV2 , dVs etc . zwischen den Spalten von Zellen 2 des Batterie-Moduls 1 .
Die Spannungsmessung und die Verschaltung erfolgen an den Polen an der Oberseite der Zellen 2 . Dieses Messprinz ip setzt eine elektrische Verbindung zwischen den Zellpolen und - zumindest im Fall von Rundzellen - eine Sammelschiene 5 bzw . Busbar voraus . Eine Haupt funktion der Sammelschiene 5 ist dabei die Spannungsmessung . Damit ist in der Regel zumindest die Sammelschiene 5 als zusätzliches Bauteil erforderlich, das zur j eweiligen Kontaktierung der Pole j eder Zelle 2 als Teil des Gesamtsystems für eine Verschaltung sowie zur Spannungsmessung benötigt wird .
Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf den Ausschnitt von Figur 5 . Aus dieser Darstellung geht hervor, wie die Zellen 2 in Reihen angeordnet parallel und mit Zellen 2 aus anderen Reihen über eine angrenzende Sammelschiene 5 elektrisch in Serie geschaltet sind . Die Sammelschienen 5 sind zudem paarweise mit Messgeräten 7 zur Messung von Teil-Spannungen dV± zwischen benachbarten Sammelschienen 5 verschaltet , wie bereits in Figur 5 angedeutet . Die Spannungsmessung erfolgt also in aktuellen Konzepten an einer Zelloberseite . Dies setzt eine elektrische Verbindung zwischen Zellpolen und in dem hier betrachteten Fall einer Verwendung von Rundzellen eine Sammelschiene 5 bzw . Busbar voraus , deren zusätzliche Funktion die Spannungsmessung ist . Dies erfordert in der Regel ein zusätzliches Bauteil , das Zellkontaktierungssystem, in dem die Sammelschiene 5 integriert ist , um einerseits die Verbindung der einzelnen Zellen 2 und andererseits eine j eweilige Spannungsmessung zu realisieren . Als Nachteile treten damit u . a . auf , dass zusätzliche Bauteile und Bauräume im Bereich des oberen Arrays 4 benötigt werden, wodurch zusätzliche Montageschritte und erhöhte Prozess zeiten sowie weitere Prozesskosten anfallen . Daraus ergibt sich ein hoher Teilpreis für das betref fende Modul . Ferner ist dieser Ansatz hinsichtlich einer freien Anordnung elementarer Zellen sehr unflexibel , wie nachstehend noch anhand eines Beispiels mit verbesserter Platzausnutzung veranschaul icht wird .
Eine Messung der Teilspannungen dV± erfolgt an von teilweise sehr hohen Strömen durchflossenen Leitern, die durch eigene ohmsche Verluste stark erwärmt sind . Damit werden Messergebnisse verfälscht .
Die Abbildung von Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts aus einem Batterie-Modul gemäß eines ersten Aus führungsbeispiels analog der Darstellung von Figur 5 . Mittel 7 zur Messung von Potentialunterschieden dV± zwischen benachbarten Zell-Reihen bzw . zur Spannungsmessung sind hier nun - im Gegensatz zu dem vorstehend zu Figur 5 exemplarisch beschriebenen aktuellen Konzept - direkt über ein j eweiliges Zellgehäuse 8 angebunden, was hier beispielsweise über einen Zellboden oder hier Seiten des betref fenden Gehäuses 8 einer Zelle 2 durch Sammelschienen 5a realisiert ist . Die Zellgehäuse 8 weisen eine elektrische Anbindung an eine Sammelschiene 5a auf , die wiederum mit den Mitteln 7 zur Messung von Potentialunterschieden zwischen benachbarten Zell-Reihen verbunden ist .
Alle zur Spannungsmessung an j eweils eine gemeinsame Sammelschiene 5a angeschlossen elementaren Zellen 2 bi lden eine sog . logische Zelle L . Diese elektrische Anbindung der Mittel 7 zur Spannungsmessung an eine Sammelschien 5a spart damit direkt Bauteile , Entwicklungsaufwand, Fertigungsschritte und Bauraum ein .
Die Abbildungen der Figuren 2a und 2b stellen vergrößerte Einzelheiten A, B von Figur 1 dar . Figur 2a zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt , wie eine Zelle 2 nun in dem oberen Array 4 gehalten wird . Statt einer zylindrischen Ausnehmung weist das obere Array 4 nun eine sich konisch verj üngende Ausnehmung 9 mit einer Schulter 10 auf , an der das Zellengehäuse 8 klemmend fixiert ist . Die Sammelschiene 5 dient nun im Vergleich zu dem Aufbau von Figur 5 nur noch einer Verschaltung der Zellen 2 durch Bond-Verbinder 6 und kann damit kleiner dimensioniert werden . Die Einzelheit B von Figur 2b zeigt eine Fixierung der Zelle 2 in dem unteren Array 3 . Im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß Figur 5 ist die Zelle 2 nun auch in dem unteren Array 3 in einer Durchgangsöf fnung 11 fixiert . Eine zuverlässige und einfach herstellbare elektrische Anbindung der Sammelschiene 5a an ein j eweiliges Zellgehäuse 8 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einem j eweiligen Zellboden des Zellgehäuses 8 über eine elektrisch leitfähige Verbindung 12 in Form eines elektrisch leitfähigen Klebstof fs bzw . Leitklebers realisiert . Alternativ oder zusätzlich wird diese Verbindung über eine elastische mechanische Anbindung realisiert , wie durch einen Federkontakt . Umgeben ist der Bereich um die Sammelschiene 5a und deren Anbindung an das Zellengehäuse 8 von einem wärmeleitfähigen Klebstof f 13 . Durch diesen Klebstof f 13 wird die Zelle 2 zusätzlich Durchgangsöf fnung 11 des unteren Arrays 3 fixiert . Zudem schaf ft der Klebstof f 13 durch seine Wärmeleitfähigkeit eine zusätzliche Entwärmung der Zelle 2 durch Kopplung mit einem Kühlkörper 14 des Batterie-Moduls 1 .
Die in Figuren 1 und 2a dargestellten zusätzlichen Sammelschienen 5 an einem oberen Array 4 können durch entsprechend angepasste Bond-Verbinder 6 entfallen, da die Sammelschienen 5a der Spannungsmessung an einer j eden logischen Zelle L dienen . Figur 3 stellt eine Seitenansicht eines Ausschnitts aus einem Batterie-Modul 1 gemäß eines dementsprechenden zweiten Aus führungsbeispiels dar . Die Sammelschienen 5a dienen hier weiterhin einer elektrischen Parallel-Verschaltung der Zellen 2 zu logischen Zellen L und zugleich einem Anschlus s der Messgeräte 7 zur Messung von Teil-Spannungen dV± .
Eine durch das untere Kunststof f-Array 3 bewirkte Fixierungen gemäß der vorstehenden Beschreibung ist in diesem Aufbau ausreichend . Damit kann das obere Array 4 ebenfalls eingespart werden . Bond-Verbinder 6 werden nun in Bögen zum Ausgleich von Toleranzen und Wärmeausdehnungen zwischen einem Plus-Pol einer Zelle 2 direkt zu einem Zellgehäuse 8 einer j eweils benachbarten Zelle 2 geführt und elektrisch leitend fixiert , was den Aufbau erheblich vereinfacht und Bauteile , einen Bedarf an Bauraum sowie Gewicht einspart .
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf das Aus führungsbeispiel nach Figur 3 . Von oben her betrachtet sieht man die durch Bond-Verbinder 6 realisierte Reihenschaltung der Zellen 2 , während eine Parallel-Verschaltung unterhalb des unteren Kunststof f- Arrays 3 durch die Sammelschienen 5a bewirkt wird . Dabei dienen die Sammelschienen 5a wiederum als Zuleiter zu den Messgeräten 7 zur Messung von Teil-Spannungen dV± zwischen benachbarten Reihen von Zellen 2 und definieren als Reihen R logische Zellen L .
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt aus einem Modul , das gemäß dem Stand der Technik aus 18 Zellen 2 aufgebaut ist , die aus einer Serienschaltung von drei durch Parallelschaltung von j eweils sechs elementaren Zellen 2 gebildeten logischen Zel len L gebildet ist , wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt und vorstehend beschrieben . Eine Verschaltung der elementaren Zellen 2 sieht hier also eine Anordnung zwischen und Anbindung an Sammelschienen 5 vor . Die Abgri f fe für die Spannungsüberwachung j eder logischen Zelle L befinden sich an den Sammel schienen 5 . Es sind damit drei parallel verlaufende Zeilen innerhalb des Moduls 1 vorgesehen, deren elementare Zellen 2 j eweils zu einer logischen Zelle L zwischen benachbarten Sammel schienen 5 in einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind . Liefert eine der logischen Zellen L nicht eine vorbestimmte Spannung, so ist dieser Fehler nicht nur zwischen äußeren Kontakten A, sondern auch zumindest auf Ebene der logischen Zellen L eindeutig detektierbar . Figur 8 stellt auf der Darstellung von Figur 7 aufbauend nun einen wesentlichen Vorteil einer erfindungsgemäßen Verschaltung dar . Dazu zeigt Figur 8 ein Modul 1 mit zwei äußeren Anschlüssen A, das eine Verschaltung der elementaren Zellen 2 gemäß der in den Figuren 3 und 4 ski z zierten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung aufweist . Hierbei werden nun drei logischen Zellen L aus j e acht elementaren Zellen 2 gebildet . Diese elementaren Zellen 2 sind j edoch innerhalb dieses Moduls 1 in vier Reihen angeordnet . Eine einzelne logische Zelle L umfasst damit mehr elementare Zellen 2 , als in einer Reihe dieses Moduls 1 vorgesehen . Die Sammelschienen 5a s ind dabei weiterhin als ebene Stanzteile aus metallischem Blech ausgeführt , hier aus dünnem Kupferblech . Die Sammelschienen 5a weisen dabei u . a . mindestens eine Verzweigung Vz auf . Nur eine erste logische Zelle L* kann in diesem Beispiel eine gewisse Ausnahme bilden, da hier ein äußerer Kontakt A im S inne einer Sammelschiene 5a genutzt werden kann .
Unter Verwendung von Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung ist es damit also durch Sammelschienen 5a leicht möglich, dass logische Zellen L mehr oder weniger elementare Zellen 2 umfassen, als in einer Reihe eines j eweiligen Modul s 1 angeordnet sind . Eine dargestellte Anordnung von logischen Zellen L kann z . B . zur optimalen Platzausnutzung in einem Gehäuse eines Batteriemoduls 1 in der Praxis notwendig sein . Auch in dem Aus führungsbeispiel von Figur 8 weist das Modul 1 eine Überwachung der Spannungen j eder der logischen Zellen L über Sammelschienen 5a durch Vorrichtungen zur Messung 7 von Teil-Spannungen dVi auf , was in bekannten Anordnungen gemäß der Figuren
5 bis 7 nur schwer oder gar nicht realisierbar wäre . Trotz dieser neuen Flexibilität im Aufbau eines Moduls 1 unter optimierter Raumnutzung entspricht ein Aufwand an Bond-Verbindern
6 über alle Aus führungsbeispiele hinweg betrachtet weiterhin im Wesentlichen dem bekannter Modulanordnungen . Bezugs z ei chenl i s te
Batterie-Modul zylindrische Zelle untere Array aus einem Kunststof f oberes Array
Sammelschiene / Busbar zur Leistungsübertragung
5a Sammelschiene zur Spannungsmessung einer logischen Zelle L
Bond-Verb Inder
Vorrichtung zur Spannungsmessung / Messgerät zur Messung von Teil-Spannungen dV±
Zellgehäuse konisch verj üngende Ausnehmung
Schulter
Durchgangsöf fnung elektrisch leitfähige Verbindung wärmeleitfähiger Klebstof f
Kühlkörper äußerer Kontakt / Anschluss
( Teil- ) Spannungen zwischen benachbarten Sammelschienen logische Zelle , durch Parallelschaltung elementarer Zellen 2 gebildet
Reihen aus Zellen 2 in Parallelschaltung
Verzweigung der Sammelschiene 5a
Zeile von Zellen 2 in Serienschaltung

Claims

Ansprüche Vorrichtung zur Messung von Zellspannungen (dV±) in einem Modul (1) , das innerhalb einer wiederaufladbaren Batterie aus einer Vielzahl einzelner Zellen (2) aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass
Messgeräte (7) zur Spannungsmessung über ein Gehäuse (8) einer jeweiligen Zelle (2) elektrisch an einer Sammelschiene (5a) angebunden sind. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellgehäuse (8) eine elektrische Anbindung an eine jeweilige Sammelschiene (5a) aufweisen, wobei eine Sammelschiene (5a) jeweils eine logische Zelle (L) durch Parallelschaltung einer bestimmten Anzahl elementarer Zellen (2) bildete, und die Sammelschiene (5a) mit einem Mitteln (7) zur Messung von Potentialunterschieden zwischen benachbarten logischen Zellen (L) verbunden ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jede Zelle (2) in einem unteren Array (3) in einer Durchgangsöffnung (11) fixiert ist, wobei eine zuverlässige und einfach herstellbare elektrische Anbindung einer Sammelschiene (5a) an ein jeweiliges Zellgehäuse (8) an einem jeweiligen Zellboden des Zellgehäuses (8) über eine elektrisch leitfähige Verbindung (12) realisiert ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich um die Sammelschiene (5a) und deren Anbindung an das Zellengehäuse (8) von einem wärmeleitfähigen Klebstoff (13) oder eines Leitklebers umgeben ist. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeleitfähige Klebstoff (13) zur zusätzlichen Entwärmung der Zelle (2) durch Kopplung mit einem Kühlkörper (14) des Batterie-Moduls (1) ausgebildet ist . Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitfähige Verbindung (12) alternativ oder zusätzlich über eine elastische mechanische Anbindung, wie durch einen Federkontakt, realisiert ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zelle (2) in dem oberen Array (4) in einer sich konisch verjüngende Ausnehmung
(9) gehalten ist, wobei die Ausnehmung (9) eine Schulter
(10) aufweist, an der das Zellengehäuse (8) klemmend fixiert ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine logische Zelle (L) , die durch Parallelschaltung elementarer Zellen (2) durch eine Sammelschiene (5a) gebildete ist, mehr oder weniger elementare Zellen (2) umfasst, als in einer Reihe oder Spalte eines jeweiligen Moduls (1) angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschiene (5a) als ebenes Stanz- oder Stanz-Biegeteil aus metallischem Blech ausgeführt ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschiene (5a) eine Verzweigung (Vz) aufweist.
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