WO2014048601A1 - Batterie sowie kraftfahrzeug mit batterie - Google Patents

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    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • B60L50/64—Constructional details of batteries specially adapted for electric vehicles
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery having a plurality of battery cells arranged to at least one battery module, preferably
  • Lithium-ion battery cells and a motor vehicle with this battery.
  • a battery may have a plurality of such battery modules.
  • the battery modules are each assigned a coupling device by means of which the battery modules are interconnected. Part of the
  • Coupling devices is a power electronic actuator.
  • FIG. 1 shows a conventional arrangement of battery cells to a battery module.
  • the battery module 1 1 has twelve battery cells 12, which means
  • Cell connectors 14 are electrically connected.
  • the cell connectors 14 each connect a terminal 13 of a battery cell 12 to a terminal 13 of an adjacent battery cell 12.
  • the adjacent battery cells 12 can be connected to each other, the battery cells 12 are arranged with their poles alternately.
  • the battery cells 12 are connected here in series with each other.
  • the battery cells 12 are arranged in a conventional manner in a row 17.
  • a number of rows 16 is identical to the number of battery cells 12.
  • the battery cells 12 are arranged in twelve rows 16.
  • Such a wiring of the battery module and the connection of the power electronic actuator produce parasitic inductances. In these inductors energy is stored when the battery module is traversed by current. This energy is used when switching off the
  • a battery having at least one battery module having a plurality of battery cells.
  • the battery cells are connected together by means of cell connectors in a series circuit and connected by means of connections to a power electronic actuator.
  • the battery cells are arranged according to the invention in the at least one battery module in a plurality of rows and an even number of rows.
  • the wiring inductances within the coupling devices can advantageously be greatly reduced. Also, the heat loss incurred in the power electronic actuator can be reduced because the heat loss occurs during the switching operations in proportion to the wiring inductances.
  • connections to the power electronic actuator can be made particularly short.
  • the at least one battery module has an integer number of battery cells that can be divided by four. This advantageously several arrangements are possible according to the invention.
  • the battery module can be designed depending on the requirements of the installation space.
  • the battery cells are arranged in two rows.
  • the battery cells are lithium-ion cells.
  • the at least one battery module has twelve battery cells.
  • Lithium-ion cells have a relatively small power output
  • battery according to the invention also includes battery systems,
  • the battery shown may be integrated according to the invention in a variety of devices. Both stationary and mobile applications benefit from the advantages of the battery according to the invention.
  • the battery according to the invention is preferably integrated in a motor vehicle.
  • the battery is connected to a drive system of the motor vehicle.
  • FIG. 1 shows a conventional battery cell arrangement according to the prior art
  • FIG 2 shows a battery according to the invention with inventive
  • FIG. 5 shows a battery according to the invention with inventive
  • FIGS. 2 to 5 schematically show batteries 10 according to the invention having different numbers of battery cells 12.
  • the battery 10 according to the invention has at least one battery module 1 1 with a plurality of battery cells 12.
  • the battery cells 12 each have two terminals 13, a positive pole and a negative pole, and are wired together by means of cell connectors 14.
  • the battery module 1 1 is connected to terminals 18, 19 to a power electronic actuator 15.
  • Essential to the invention is the arrangement of the battery cells 12. These are inventively arranged in several rows 17 and in at least two Lines 16, where the number of lines 16 is always an even number.
  • the product of the number of rows 17 and the number of rows 16 is equal to the number of battery cells 12.
  • the battery module 1 1 of the battery 10 according to the invention has at least four battery cells 12 and always an even number of battery cells 12.
  • the battery cells 12 are arranged so that the two terminals 13 of each battery cell 12 lie in the same row 16.
  • the rows 17 are formed perpendicular to the rows 16.
  • the terminals 18, 19 are at two outer immediately
  • the terminals 18, 19 are thus as close as possible to each other.
  • the terminals 18, 19 are preferably from battery cells 12 of the same line 16 from.
  • the terminals 18, 19 are simultaneously from battery cells 12, which are arranged in different adjacent rows 17.
  • the terminals 18, 19 are preferably transversely from an outer line 16 from.
  • the battery cells 12 of each line 16 are aligned the same. Their positive poles point uniformly in the same direction and their minus poles point uniformly in the opposite direction.
  • the battery cells 12 of a row 16 are aligned alternately. In adjacent battery cells 12 of a row 16, the negative poles are in opposite directions and the positive poles face in opposite directions.
  • pairs 20 of adjacent cell connectors 14 are flowed through in opposite directions from the stream. This also contributes to a reduction in the inductances.
  • FIG. 2 shows a battery 10 according to the invention with a preferred battery module 11 having twelve battery cells 12.
  • the twelve battery cells 12 are arranged in two rows 17 and six rows 16.
  • twelve battery cells 12 an arrangement in three rows 17 and four rows 16 is possible.
  • fewer pairs are 20 opposite current carrying cell connector 14 formed as in the arrangement in two rows 17 and six rows 16th
  • FIG. 3 shows a battery 10 according to the invention with a battery module 11 having eight battery cells 12.
  • the eight battery cells 12 are arranged in two rows 17 and four rows 16.
  • FIG. 4 shows a battery 10 according to the invention with a battery module 1 1 with six battery cells 12.
  • the six battery cells 12 are arranged in three rows 17 and two rows 16.
  • FIG. 5 shows a battery 10 according to the invention with a battery module 11 having ten battery cells 12.
  • the ten battery cells 12 are arranged in five rows 17 and two rows 16.
  • the pairs 20 of current-carrying cell connectors 14 are formed from cell connectors of different adjacent rows 17. In FIGS. 4 and 5, the pairs 20 are opposite
  • current-carrying cell connector 14 formed from cell connectors of different adjacent rows 16.

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Abstract

Es wird eine Batterie (10) beschrieben mit wenigstens einem mehrere Batteriezellen (12) aufweisenden Batteriemodul (11 ). Die Batteriezellen (12) sind mittels Zellverbinder (14) in einer Reihenschaltung miteinander verbunden und mittels Anschlüsse (18, 19) an einem leistungselektronischen Stellglied (15) angeschlossen. Erfindungsgemäß sind die Batteriezellen (12) in dem wenigstens einen Batteriemodul (11 ) in mehreren Reihen (17) und einer geraden Anzahl von Zeilen (16) angeordnet. Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie (10) vorgeschlagen, wobei die Batterie (10) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.

Description

Beschreibung Titel
Batterie sowie Kraftfahrzeug mit Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren zu wenigstens einem Batteriemodul angeordneten Batteriezellen, bevorzugt
Lithium-Ionen-Batteriezellen sowie ein Kraftfahrzeug mit dieser Batterie.
Stand der Technik
Es ist bekannt, in Batterien mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul anzuordnen. Eine Batterie kann mehrere solcher Batteriemodule aufweisen. Den Batteriemodulen ist jeweils eine Koppeleinrichtung zugeordnet, mittels der die Batteriemodule miteinander verschaltet sind. Bestandteil der
Koppeleinrichtungen ist ein leistungselektronisches Stellglied.
Figur 1 zeigt eine übliche Anordnung von Batteriezellen zu einem Batteriemodul. Das Batteriemodul 1 1 weist dabei zwölf Batteriezellen 12 auf, die mittels
Zellverbinder 14 elektrisch leitend verbunden sind. Die Zellverbinder 14 verbinden jeweils ein Terminal 13 einer Batteriezelle 12 mit einem Terminal 13 einer benachbarten Batteriezelle 12. Damit die benachbarten Batteriezellen 12 jeweils miteinander verbunden werden können, sind die Batteriezellen 12 mit ihren Polen alternierend angeordnet. Die Batteriezellen 12 sind hier in Reihe miteinander verschaltet. An den beiden äußeren Batteriezellen 12 weist das Batteriemodul 1 1 Anschlüsse 18 und 19 auf, an denen ein
leistungselektronisches Stellglied 15 angeschlossen ist. Auch dessen Aufbau ist Stand der Technik.
Die Batteriezellen 12 sind in herkömmlicher Weise in einer Reihe 17 angeordnet. Eine Anzahl an Zeilen 16 ist dabei identisch mit der Anzahl der Batteriezellen 12. In Figur 1 sind die Batteriezellen 12 in zwölf Zeilen 16 angeordnet. Durch eine derartige Verdrahtung des Batteriemoduls und den Anschluss des leistungselektronischen Stellglieds entstehen parasitäre Induktivitäten. In diesen Induktivitäten wird Energie gespeichert, wenn das Batteriemodul von Strom durchflössen ist. Diese Energie wird beim Abschalten der im
leistungselektronischen Stellglied enthaltenen Transistoren in Wärme
umgewandelt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batterie gezeigt mit wenigstens einem mehrere Batteriezellen aufweisenden Batteriemodul. Die Batteriezellen sind dabei mittels Zellverbinder in einer Reihenschaltung miteinander verbunden und mittels Anschlüssen an einem leistungselektronischen Stellglied angeschlossen. Die Batteriezellen sind erfindungsgemäß in dem wenigstens einen Batteriemodul in mehreren Reihen und einer geraden Anzahl von Zeilen angeordnet.
Damit können die Verdrahtungsinduktivitäten innerhalb der Koppeleinrichtungen vorteilhaft stark reduziert werden. Auch die in dem leistungselektronischen Stellglied anfallende Verlustwärme kann reduziert werden, da die Verlustwärme während der Schaltvorgänge proportional zu den Verdrahtungsinduktivitäten auftritt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist vorgesehen, dass die Anschlüsse an zwei benachbarten Batteriezellen derselben
Zeile und verschiedener Reihen ausgebildet sind.
Vorteilhaft können die Anschlüsse an das leistungselektronische Stellglied besonders kurz ausgeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Batteriemodul eine ganzzahlig durch vier teilbare Anzahl von Batteriezellen aufweist. Damit sind vorteilhaft mehrere Anordnungen entsprechend der Erfindung möglich. Das Batteriemodul kann in Abhängigkeit der Anforderungen an den Bauraum gestaltet werden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist vorgesehen, dass die Batteriezellen in zwei Reihen angeordnet sind.
Vorteilhaft sind damit besonders viele Paare entgegengesetzt
stromdurchflossener Zellverbinder gebildet, welche die ungewünschten
Induktionen weiter verringern.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist vorgesehen, dass die Batteriezellen Lithium-Ionen-Zellen sind. Insbesondere weist das wenigstens eine Batteriemodul zwölf Batteriezellen auf.
Lithium-Ionen-Zellen weisen bezogen auf ihre Leistung ein relativ kleines
Gewicht und relativ kleine Abmaße auf. Es ist damit vorteilhaft möglich, die Batterie leichter und kompakter zu gestalten, was sie für viele Anwendungen, insbesondere im automobilen Umfeld, attraktiver werden lässt. Mit der Anzahl von zwölf in Reihe geschalteten Zellen ist eine gut handhabbare Spannung von etwa 43 V erreicht.
Der Begriff Batterie umfasst erfindungsgemäß auch Batteriesysteme,
Akkumulatorbatterien, Akkumulatoren, Akkumulatorsysteme, insbesondere Lithium-Ionen-Systeme oder Lithium-Polymer-Ionen-Systeme.
Die gezeigte Batterie kann erfindungsgemäß in vielfältigen Vorrichtungen integriert sein. Sowohl stationäre als auch mobile Anwendungen profitieren von den Vorteilen der erfindungsgemäßen Batterie.
Die erfindungsgemäße Batterie ist bevorzugt in einem Kraftfahrzeug integriert. Dabei ist die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Batterie ermöglichen dem Kraftfahrzeug, bei dem die Batterie bevorzugt auch als Traktionsbatterie angeordnet ist, einen effizienteren Betrieb und eine erhöhte Reichweite. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben. Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine herkömmliche Batteriezellenanordnung nach dem Stand der
Technik,
Figur 2 eine erfindungsgemäße Batterie mit erfindungsgemäßer
Batteriezellenanordnung mit zwölf Batteriezellen,
Figur 3 eine erfindungsgemäße Batterie mit erfindungsgemäßer
Batteriezellenanordnung mit acht Batteriezellen,
Figur 4 eine erfindungsgemäße Batterie mit erfindungsgemäßer
Batteriezellenanordnung mit sechs Batteriezellen, und
Figur 5 eine erfindungsgemäße Batterie mit erfindungsgemäßer
Batteriezellenanordnung mit zehn Batteriezellen. Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren 2 bis 5 sind erfindungsgemäße Batterien 10 mit unterschiedlichen Anzahlen von Batteriezellen 12 schematisch gezeigt. Die erfindungsgemäße Batterie 10 weist zumindest ein Batteriemodul 1 1 mit mehreren Batteriezellen 12 auf. Die Batteriezellen 12 weisen jeweils zwei Terminals 13 auf, einen Pluspol und einen Minuspol, und sind mittels Zellverbinder 14 miteinander verdrahtet. Das Batteriemodul 1 1 ist mit Anschlüssen 18, 19 an ein leistungselektronisches Stellglied 15 angeschlossen.
Erfindungswesentlich ist die Anordnung der Batteriezellen 12. Diese sind erfindungsgemäß in mehreren Reihen 17 angeordnet und in wenigstens zwei Zeilen 16, wobei die Anzahl der Zeilen 16 immer eine gerade Zahl ist. Das Produkt aus der Anzahl der Reihen 17 und der Anzahl der Zeilen 16 ist gleich der Anzahl der Batteriezellen 12. Das Batteriemodul 1 1 der erfindungsgemäßen Batterie 10 weist mindestens vier Batteriezellen 12 auf und immer eine gerade Anzahl von Batteriezellen 12.
Die Batteriezellen 12 sind so angeordnet, dass die zwei Terminals 13 einer jeden Batteriezelle 12 in derselben Zeile 16 liegen. Die Reihen 17 sind senkrecht zu den Zeilen 16 ausgebildet.
Die Anschlüsse 18, 19 sind dabei an zwei äußeren unmittelbar
nebeneinanderliegenden Batteriezellen 12 vorgesehen. Die Anschlüsse 18, 19 liegen damit möglichst dicht beieinander. Die Anschlüsse 18, 19 gehen bevorzugt von Batteriezellen 12 derselben Zeile 16 ab. Die Anschlüsse 18, 19 gehen gleichzeitig von Batteriezellen 12 ab, die in unterschiedlichen, benachbarten Reihen 17 angeordnet sind. Die Anschlüsse 18, 19 gehen bevorzugt quer von einer äußeren Zeile 16 ab.
Die Batteriezellen 12 einer jeden Zeile 16 sind gleich ausgerichtet. Ihre Pluspole weisen einheitlich in dieselbe Richtung und ihre Minuspole weisen einheitlich in die entgegengesetzte Richtung. Die Batteriezellen 12 einer Reihe 16 sind alternierend ausgerichtet. Bei benachbarten Batteriezellen 12 einer Reihe 16 weisen die Minuspole in entgegengesetzte Richtungen und die Pluspole weisen in entgegengesetzte Richtungen.
Mit dieser Ausrichtung und Verdrahtung sind Paare 20 von benachbarten Zellverbindern 14 gebildet, die in entgegengesetzten Richtungen vom Strom durchflössen sind. Das trägt ebenfalls zu einer Verringerung der Induktivitäten bei.
In der Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Batterie 10 mit einem bevorzugten Batteriemodul 1 1 mit zwölf Batteriezellen 12 gezeigt. Die zwölf Batteriezellen 12 sind in zwei Reihen 17 und sechs Zeilen 16 angeordnet. Alternativ ist bei zwölf Batteriezellen 12 auch eine Anordnung in drei Reihen 17 und vier Zeilen 16 möglich. Allerdings sind dabei weniger Paare 20 entgegengesetzt stromdurchflossener Zellverbinder 14 gebildet als bei der Anordnung in zwei Reihen 17 und sechs Zeilen 16.
In der Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Batterie 10 mit einem Batteriemodul 1 1 mit acht Batteriezellen 12 gezeigt. Die acht Batteriezellen 12 sind in zwei Reihen 17 und vier Zeilen 16 angeordnet.
In der Figur 4 ist eine erfindungsgemäße Batterie 10 mit einem Batteriemodul 1 1 mit sechs Batteriezellen 12 gezeigt. Die sechs Batteriezellen 12 sind in drei Reihen 17 und zwei Zeilen 16 angeordnet.
In der Figur 5 ist eine erfindungsgemäße Batterie 10 mit einem Batteriemodul 1 1 mit zehn Batteriezellen 12 gezeigt. Die zehn Batteriezellen 12 sind in fünf Reihen 17 und zwei Zeilen 16 angeordnet.
In den Figuren 2 und 3 sind die Paare 20 entgegengesetzt stromdurchflossener Zellverbinder 14 aus Zellverbindern unterschiedlicher benachbarter Reihen 17 gebildet. In den Figuren 4 und 5 sind die Paare 20 entgegengesetzt
stromdurchflossener Zellverbinder 14 aus Zellverbindern unterschiedlicher benachbarter Zeilen 16 gebildet.

Claims

Ansprüche
Batterie (10) mit wenigstens einem mehrere Batteriezellen (12)
aufweisenden Batteriemodul (1 1 ), wobei die Batteriezellen (12) mittels Zellverbinder (14) in einer Reihenschaltung miteinander verbunden und mittels Anschlüssen (18, 19) an einem leistungselektronischen Stellglied (15) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (12) in dem wenigstens einen Batteriemodul (1 1 ) in mehreren Reihen (17) und einer geraden Anzahl von Zeilen (16) angeordnet sind.
Batterie (10) nach Anspruch 1 , wobei die Anschlüsse (18, 19) an zwei benachbarten Batteriezellen (12) derselben Zeile (16) und verschiedener Reihen (17) ausgebildet sind.
Batterie (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine
Batteriemodul (1 1 ) eine ganzzahlig durch vier teilbare Anzahl von
Batteriezellen (12) aufweist.
Batterie (10) nach Anspruch 3, wobei die Batteriezellen (12) in zwei Reihen (17) angeordnet sind.
Batterie (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das wenigstens eine
Batteriemodul (1 1 ) zwölf Batteriezellen (12) aufweist.
Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Batteriezellen (12) Lithium-Ionen-Zellen sind.
7. Kraftfahrzeug mit einer Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Batterie (10) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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