WO2020164692A1 - Akkumulatormodul und energiespeicher - Google Patents

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WO2020164692A1 PCT/EP2019/053435 EP2019053435W WO2020164692A1 WO 2020164692 A1 WO2020164692 A1 WO 2020164692A1 EP 2019053435 W EP2019053435 W EP 2019053435W WO 2020164692 A1 WO2020164692 A1 WO 2020164692A1
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Definitions

  • the invention relates to an accumulator module for receiving and electrical connection of a plurality of cylindrical accumulator cells and an energy store containing at least two such accumulator modules according to the preamble of claims 1 and 15.
  • electrical energy storage devices are used to store electrical energy, in which a large number of battery cells within a battery module are electrically connected in parallel and / or in series depending on the desired capacity and voltage of a battery module.
  • the provision of the electrical connections between the positive and negative poles of the respective accumulator cells takes place, as is known, by means of rigid metallic connecting parts that are welded or screwed to the electrical poles of each accumulator cell at great expense.
  • welds have a high level of security against electrical line interruptions of the electrically conductive connections, the application of the welds is complex and, due to the thermal energy introduced locally into the electrodes of the battery cells during the welding process, disadvantageous for the service life of the battery cells.
  • lithium-based accumulator cells such as lithium-ion cells or lithium-polymer cells
  • the problem also arises that, to avoid damage to the cells by overvoltages or undervoltage conditions, the cells or groups of during the charging process Cells, which have to be coupled with a respective charging and measuring electronics, with which the voltages and temperatures of individual cells or whole cell groups are recorded and regulated.
  • a respective charging and measuring electronics with which the voltages and temperatures of individual cells or whole cell groups are recorded and regulated.
  • further electrical leads are required which are connected to the electrodes of the cells or the electrically conductive connecting parts of a cell group by a soldered or crimp connection.
  • a battery module with cylindrical Akkumu lator cells is known, which are connected in groups via cell connectors soldered to the electrical poles of the battery cells via several plug connections with a measuring and charging electronics, or plug contacts, the latter one electrically Generate conductive connection to corresponding connection contacts within an electrically operated device when the battery module is plugged into this. Due to the complex routing and the welding of the cell connectors, the described accumulator module is expensive to manufacture.
  • One shortcoming of the aforementioned battery modules is that it is not possible, or only possible with great effort, to replace individual battery cells if they are no longer able to store electrical current due to an internal defect.
  • Another, even greater problem is that the aforementioned battery modules as such do not contain any safety measures with which it is ensured that the electrical line s connection of the electrical poles of the battery cell concerned is interrupted for the Pall of an internal short circuit within a battery cell to prevent the risk of fire.
  • Another object of the invention is to create an electrical energy storage device which can be manufactured inexpensively and which can be scaled to a desired electrical voltage and electrical capacity with little effort.
  • a battery module for receiving and electrically connecting a plurality of cylindrical battery cells comprises a housing which has a first, in particular shell-shaped housing half and a second, opposite, preferably also shell-shaped housing half. Between the two housing halves, accumulator cells, in particular cylindrical accumulator cells, can be arranged standing in at least two rows at separate receptacles, each receptacle within the first and second housing halves being assigned an electrically conductive contact section through which an assigned electrode of a rechargeable battery cell can be contacted.
  • each housing half has a flat housing section extending in a plane perpendicular to the longitudinal axes of the battery cells, in which at least one strip-shaped insert made of an electrically conductive spring-elastic material is received, which extends in the longitudinal direction of the rows over the Length of a row and extends in the lateral direction over at least two rows of receiving spaces, and in which the electrically conductive contact sections are each formed by punching and bending of at least two, but preferably three or more juxtaposed contact tongues.
  • the invention has the advantage that the resilience of the resilient tongues which contact the poles of the battery cells results in a high level of vibration resistance, which avoids breaks in the electrical line s connections which, for example, when the battery modules are used in a motor vehicle or occur as a fixed energy store in a building subject to vibrations, such as a turbine building of a dam or the like.
  • Such interruptions in the electrical line connection between the poles of the respective accumulator cells occur increasingly in accumulator modules in which the electrical poles are connected to the contact surfaces of the electrical line connections by one or more weld points.
  • the mechanical load on the battery modules and also the thermal expansion of the cells, which occurs due to operation / non-operation and charging and discharging of the same, is reliably compensated for via the spring travel of the resilient contact tongues.
  • the use of the resilient contact tongues in connection with the inexpensive to manufacture strip-shaped inserts can compensate for the manufacturing tolerances that inevitably occur in the manufacture of accumulator cells and the housings of the accumulator modules according to the invention without additional funds, which increases the manufacturing costs for both the cells and the cells for the housing of the battery module according to the invention further reduced.
  • the inventive design of the resilient contact tongues also results in the advantage that they can be designed with simple means so that in the event of a short circuit in one of the cells, the contact tongues burn off like a fuse and thereby the electrical connection between the poles of the battery cell concerned and the remaining accumulator cells connected in parallel with this is interrupted.
  • the use of the fiction, contemporary battery modules opens up the possibility of increasing the maximum permissible current to a desired value, for example to a value that is greater than a hundred times, by using contact tongues with a larger tongue width and / or material thickness Nominal current of the cells used in an accumulator module.
  • the solution according to the invention has the advantage that the strip-shaped inserts on which the electrically conductive contact sections are formed by punching and bending of at least 2 contact tongues arranged next to one another can be machined at low cost with the ones for punched and simultaneously molded Have sheet metal parts mass-produced at high production speeds. It is possible, by changing the thickness of the steel sheet, which is preferably used for the production of the inserts, to adapt the current-carrying capacity of the inserts to the respective type of battery cells used without additional construction effort, with the contact tongues serve as fuses, which burn down in a targeted manner when a maximum permissible short-circuit current is exceeded.
  • either the positive pole or the housing connected to the negative pole can lead to a short circuit, the short circuit behavior of the cells according to the invention being the basis for the burning of the spring contacts.
  • a cell with a nominal capacity of 10 Ah can be charged with a current of 10 A and discharged with a nominal current of 20 A according to the data sheet.
  • the short circuit current is approx. 100 to 200 times higher than the nominal current, which makes it necessary that the cell concerned and preferably also the non-defective cells connected in parallel with it switch themselves off in the accumulator module or be separated from the supply lines in order not to be damaged.
  • the contact tongues in the accumulator modules according to the invention are designed for this purpose in such a way that this theoretical maximum permissible short-circuit current is calculated and the cross-section of the contact tongues is then selected on the basis of the calculated current so that the contact tongues at the determined maximum permissible short-circuit current within a defined time, e.g. burn off within 100 ms, thereby interrupting the line connection between the pole or poles of the affected cell and the strip-shaped insert.
  • a short circuit can occur in the event that the accumulator module is installed in a motor vehicle or aircraft, e.g.
  • the inventive design of the contact tongues as a fuse ensures that the contact tongues after e.g. 100 msec and the short-circuit current does not exceed the maximum permissible value for each cell.
  • the duration is only an example and can also be shorter or longer.
  • both the positive poles and the negative poles of all battery cells in one Accumulator module with a large number of, for example, 128 cells can be secured with a low outlay on equipment and costs by using the strip-shaped inserts with resilient contact tongues. Otherwise, a total of 256 separate fuses would be required for a previously mentioned accumulator module, which would also have to be electrically connected to an associated pole.
  • the strip-shaped insert (s) in one housing half opposite the strip-shaped insert (s) in the second housing half in the lateral direction i.e. in a direction transverse to the rows to increase the distance between two rows, i.e. are arranged offset from one another in rows lying next to one another by the vertical distance between the centers of the electrically conductive contact sections of two accumulator cells.
  • battery modules with a desired capacity and total voltage can be provided with little effort, each of which contains a large number of standardized cylindrical or prismatic battery cells.
  • a single strip-shaped insert in the first and second housing halves, which spans all rows of cells can be used Accumulator module with 128 cells connected in parallel, which is also referred to as 128 PIS.
  • a battery module with sixteen parallel-connected and eight series-connected battery cells can be obtained (16 P8S), including three strip-shaped inserts of double width in each housing half the preferred size must be used.
  • At least one end-side board receiving area can be provided in an end section of the first housing half and / or the second housing half, which is preferably delimited by corresponding projections on the housing halves and in which connection contacts are arranged, to which a measuring and / or charging electronics can be connected, which is electrically conductively connected to one of the strip-shaped inserts in the first and second housing halves.
  • the strip-shaped inserts extend in the area of a respective end-side board receiving area in the longitudinal direction of a row of accumulator cells or receiving spaces beyond the edge of the flat housing section and the connection contacts with which the measuring and / or charging electronics is connected to the respective strip-shaped insert in order to regulate or monitor the supplied charging current and / or the charging voltage of one or more parallel rows of accumulator cells, are integrally formed in the respective strip-shaped insert.
  • connection contacts are provided in a manner similar to the electrically conductive contact sections of a strip-shaped insert by punching out and shaping one or more contact tongues lying next to one another, which in the respective associated strip-shaped insert outside of the flat housing section are punched and embossed into the insert.
  • connection contacts punched and / or embossed into the strip-shaped inserts outside the flat housing section are preferably introduced into the respective strip-shaped inserts at such a point that the corresponding measuring and charging electronics, which are also referred to as "balancers" in the prior art, with corresponding contact sections can be pushed directly onto the connection contacts, which are also resilient in this case.
  • the strip-shaped inserts in the first housing half and / or in the second housing half are advantageously cast into them, for which purpose the housing halves are preferably manufactured from a thermoplastic material by injection molding and the strip-shaped inserts are elongated in a corresponding length accordingly the desired configuration of a battery module can be inserted into the injection mold.
  • the housing halves are preferably manufactured from a thermoplastic material by injection molding and the strip-shaped inserts are elongated in a corresponding length accordingly the desired configuration of a battery module can be inserted into the injection mold.
  • the first and / or second housing halves are preferably made of a material which, based on the total weight of the material, between 60% by weight and 80% by weight, preferably between 70% by weight and 75% by weight and particularly preferably 72% by weight ABS plastic (acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer).
  • ABS plastic acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer
  • the material of the two housing halves can also, based on the total weight of the material, contain up to 28% by weight of a flame retardant, in particular magnesium hydroxide or aluminum hydroxide or another known flame retardant, which the ABS plastic before or after heating and Liquefying is added.
  • the clip brackets can for this purpose, for example, be arranged on the outside of the flat housing sections and extend to several along a row of receiving spaces, such that a strip-shaped insert with its electrically conductive contact sections are positioned above each of the rows of receiving spaces within the housing half can.
  • the preferably releasable fixation of the strip-shaped inserts with the aid of mechanical locking means results in the advantage that a strip-shaped insert after a short circuit and an associated overcurrent in one of the battery cells results in the contact tongues of the contact sections making contact with the battery cell concerned , can be removed from the housing after releasing the mechanical locking means and replaced by a new strip-shaped insert.
  • the latter can be simply clipped onto the outside of the housing in a very short time.
  • through openings can be formed in the strip-shaped inserts through which screws or other connecting means are passed in order to press the two housing halves against one another over a large area against the resilient effect of the contact tongues after the cells have been inserted.
  • the through openings can for this purpose in particular be designed as circular holes in the strip-shaped inserts, which are located in the center between four electrically conductive contact sections.
  • positioning elements are arranged between neighboring receiving spaces along a row and also between the receiving spaces of adjacent rows.
  • These can be designed, for example, as rod-shaped pegs or projections, which are preferably formed integrally with the first or second housing half and extend from the inside of the flat housing section into the interior of the housing.
  • the positioning elements which can also be designed as cylinder jacket-shaped projections, which, in the case of cylindrical accumulator cells, encompass the end sections of the cells in the region of the plus and minus poles, have the advantage that the cells in the housing of an accumulator module according to the invention reliably prevent slipping are secured and at the same time the circulation of cooling air is enabled.
  • the first and second housing halves are preferably identical, with the exception of the position of the strip-shaped inserts placed or cast in them, so that they can be manufactured as injection molded parts using a single injection mold.
  • the first and second housing halves have pin-like male contact elements and complementary socket-like female contact elements on their outer side facing away from the receiving spaces, the shape of which is adapted to the male contact elements, so that two or more of the invention Accumulator modules can be plugged into each other to form a scalable electrical energy store that has a desired capacity and voltage.
  • the pin-shaped male contact elements and complementary socket-like female contact elements are used to avoidance of unwanted contacts or even short circuits, preferably protected in housings, which are designed, for example, as projections with a rectangular or round cross section on the outside of each housing half, in the interior of which the electrically conductive pin-shaped male contact element or the socket-shaped female contact element are located.
  • the design of the housings protruding from the contact elements towards their free end is such that when housings are placed one on top of the other, the housing of a male contact element is accommodated within the housing of the associated female contact element, which is complementary to this housing, or vice versa.
  • the pluggability of the system is made possible and the advantage that two housings are located between the outer sides of the housing There is a sufficient distance between battery modules plugged into one another, which can be, for example, 0.5 to 2 cm or even more.
  • the distance enables cooling air to be circulated between the two battery modules via a suitable fan and supply channels, which air can advantageously also flow into the interior of each battery module via the aforementioned openings in the strip-shaped inserts, in order to keep the battery cells active there to cool.
  • FIG. 2 shows a side view of the energy store from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a front sectional view of a battery module according to the invention with battery cells used as an example
  • Fig. 4 is a side sectional view of a battery module without
  • Fig. 5a shows an enlarged detail of the end face of an inventive accumulator module
  • Fig. 6 is a partial representation of a strip-shaped insert used in the battery modules according to the Invention.
  • an accumulator module 1 for accommodating and electrically connecting a plurality of cylindrical accumulator cells 2 comprises a housing 4 which has first and second housing halves 4a, 4b, between which the accumulator cells 2 in at least two rows 6 can be arranged standing at separate receiving places 8.
  • An electrically conductive contact section 10a, 10b, through which an associated electrode of a storage battery cell 2a, 2b is contacted when it is in the housing 4, is assigned to each receiving space 8, which is shown in the representations only for some cells in dashed lines for the sake of clarity is used.
  • each housing half 4a, 4b has a flat housing section 12 extending in a plane perpendicular to the catch axes of the accumulator cells 2, in which at least one strip-shaped insert 14a, 14b is taken from an electrically conductive spring-elastic material, which extends in the catch direction 16 of the rows 6 along a row 6 and in the lateral direction 18 over at least two rows 6 of receiving spaces 8 away.
  • a flat housing section 12 extending in a plane perpendicular to the catch axes of the accumulator cells 2, in which at least one strip-shaped insert 14a, 14b is taken from an electrically conductive spring-elastic material, which extends in the catch direction 16 of the rows 6 along a row 6 and in the lateral direction 18 over at least two rows 6 of receiving spaces 8 away.
  • the electrically conductive contact sections 10a, 10b are each formed by punching and bending three juxtaposed contact tongues Section which contacts the positive pole 2a or the negative pole 2b of an accumulator cell 2, for example, extends 3mm above the punching opening horizontally to the latter.
  • the material from which the at least one strip-shaped insert 14a, 14b is in particular spring steel, nickel or an alloy containing nickel with spring-elastic properties.
  • the spring steel is particularly preferably a chromium-nickel steel with a chromium content between 16% by weight and 19% by weight and a nickel content between 6% by weight and 9.5% by weight, in each case related on the total weight of the steel.
  • the contact tongues formed on a strip-shaped insert 14a, 14b have a cross-section such that when a predetermined maximum short-circuit current is exceeded for a storage battery cell, e.g. at a short-circuit current of 100 to 200 C, melt and the electrical line connection to the strip-shaped insert (14a, 14b) is interrupted.
  • C indicates the capacity of the battery cell in question in Ah
  • the short circuit current is given as a multiple of the value of the capacity of the cell in A in the simplified calculation information mentioned above.
  • strip-shaped inserts 14a, 14b in the respective housing half 4a, 4b in the longitudinal direction 16 of the housing 4 only cover part of a row 6 of battery cells 2 in order to implement a series circuit along a row of battery cells To realize pole changes, these extend in the preferred embodiment of the invention in the longitudinal direction 16 over a complete row of receiving spaces 8, so that all cells of this row 6 of receiving spaces 8 are electrically connected in parallel to one another.
  • the strip-shaped inserts 14a, 14b can extend not only over two, but also over three or even all six rows 6 of accumulator cells 2 extend away, depending on the total electrical voltage and capacity a battery module 1 should have.
  • an end-side board receiving area 22 can be provided in one or both end-face sections 20 of the first and second housing halves 4a, 4b, in which connection contacts 36 for connecting measurement and / or charging electronics (Balancer) 25 are arranged, which are electrically conductively connected or connectable to a strip-shaped insert 14 in the first and second housing halves 4a, 4b in order to detect the electrical voltage and / or the current supplied to a group of accumulator cells 2 connected in parallel, or a To be able to adjust the tensions of two or more groups.
  • connection contacts 36 for connecting measurement and / or charging electronics (Balancer) 25 are arranged, which are electrically conductively connected or connectable to a strip-shaped insert 14 in the first and second housing halves 4a, 4b in order to detect the electrical voltage and / or the current supplied to a group of accumulator cells 2 connected in parallel, or a To be able to adjust the tensions of two or more groups.
  • connection contacts 36 are also designed as contact tongues, which are preferably open in the direction away from the strip-shaped inserts 14a, 14b.
  • the contact tongues are preferably opposite one another in pairs in the front-side board receiving area, so that the boards of the measuring and / or charging electronics 25, which are only indicated schematically, can be plugged preferably directly onto the contact tongues of the connection contacts 36 after the two housing halves 4a, 4b have been joined.
  • the strip-shaped inserts 14a, 14b are preferably cast into the material of the first or second housing half 4b, which is designed as an injection-molded part, it being possible for unspecified openings to be made in the electrically insulating material from which the flat housing sections 12 are formed, through which through the contact tongues of the contact sections 10a, 10b, as indicated in Fig. 5a, are visible and also accessible. This makes it possible to determine at a glance whether the contact tongues 10a, 10b of a receiving space 8 of the plurality of receiving spaces within a housing half 4a, 4b have burned without the housing halves 4a, 4b having to be dismantled for this purpose.
  • the strip-shaped inserts 14a and 14b may be formed through openings 24 through which screw means 26 can be passed, with which the two halves 4a, 4b are force-locked together.
  • the screw means 26 can engage, for example, in peg-shaped spacers which extend from the respective flat housing section 12 of each housing half 4a, 4b preferably to the center of the housing 4, the screw means 26, as shown in FIG. 4, for example , be guided in a through hole in the peg-shaped spacers.
  • the through openings 24 are in flow connection with cooling air ducts 28 through which air for cooling the accumulator cells 2 circulates between them via a fan (not shown) can be.
  • the cooling air channels 28 are formed between the outer sides of the modules facing one another.
  • positioning elements 30 are arranged between adjacent receiving spaces 8 in each housing half 4a, 4b, which are preferably also formed integrally with the respective flat housing section 12 and which serve to hold the accumulator cells 2 at the receiving spaces 8 to secure against unintentional lateral relative movement.
  • pin-like male contact elements 32 and complementary socket-like female contact elements 34 adapted in shape are arranged, which are electrically conductive with the strip-shaped inserts 14a, 14b in the first and second housing halves 4a, 4b are coupled.
  • the pin-shaped male contact elements 32 and complementary socket-like female contact elements 34 are protected in housings 32a and 34a to avoid unwanted contacts or even short circuits, which are preferably also integrally formed with the electrically conductive material of the housing halves 4a, 4b and are located in their interior the electrically conductive cone-shaped male borrowed contact element 32 or the socket-shaped female contact element 34 are located.
  • the male and female contact elements 32, 34 are arranged on the outside of the first and second housing halves 4a, 4b complementary to one another and connected to the strip-shaped inserts 14a, 14b, that the battery modules 1 alternately rotated by 180 0 can be plugged together to generate an electrical series connection of the modules 1.
  • the orientation of the individual modules 1 of the stack is indicated in FIG. 1 by the inscription on the modules.

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Abstract

Ein Akkumulatormodul (1) zur Aufnahme und elektrischen Verschaltung einer Vielzahl von zylindrischen Akkumulatorzellen (2), umfassend ein Gehäuse (4) mit einer ersten und zweiten einander gegenüberliegenden Gehäusehälfte (4a, 4b), zwischen denen die Akkumulatorzellen (2) in wenigstens zwei Reihen (6) an getrennten Aufnahmeplätzen (8) stehend anordnbar sind, wobei einem jeden Aufnahmeplatz (8) ein elektrisch leitender Kontaktabschnitt (10a, 10b) zugeordnet ist, durch welchen eine zugeordnete Elektrode einer Akkumulatorzelle (2a, 2b) kontaktierbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass jede Gehäusehälfte (4a, 4b) einen sich in einer Ebene senkrecht zu den Längsachsen der Akkumulatorzellen (2) erstreckenden flächigen Gehäuseabschnitt (12) aufweist, in welchem wenigstens ein streifenförmiger Einsatz (14) aus einem elektrisch leitenden federelastischen Werkstoff aufgenommen ist, welcher sich in Längsrichtung (16) der Reihen (6) über die Länge einer Reihe (6) und in lateraler Richtung (18) über wenigstens zwei Reihen (6) von Aufnahmeplätzen (8) hinweg erstreckt, und in welchem die elektrisch leitenden Kontaktabschnitte (10a, 10b) jeweils durch Stanzen und Formbiegen von wenigstens zwei nebeneinander angeordneten Kontaktzungen geformt sind. Die Erfindung umfasst weiterhin einen Energiespeicher (100), der eine Vielzahl von Akkumulatormodulen (1) enthält.

Description

AKKUMULATORMODUL UND ENERGIESPEICHER
Die Erfindung betrifft ein Akkumulatormodul zur Aufnahme und elektrischen Verschal tung einer Vielzahl von zylindrischen Akkumulatorzellen sowie einen Energiespeicher enthaltend wenigstens zwei solcher Akkumulatormodule gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 15.
Zur Speicherung von elektrischer Energie werden heutzutage elektrische Energiespeicher eingesetzt, bei denen eine Vielzahl von Akkumulatorzellen innerhalb eines Akkumulator moduls je nach gewünschter Kapazität und Spannung eines Akkumulatormoduls gruppen weise elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltet werden. Die Bereitstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den Pluspolen und Minuspolen der jeweiligen Akku mulatorzellen erfolgt dabei bekanntermaßen durch starre metallische Verbindungsteile, die mit hohem Aufwand mit den elektrischen Polen einer jeden Akkumulatorzelle verschweißt oder verschraubt sind. Obgleich derartige Verschweißungen eine hohe Sicherheit gegen elektrische Leitungsunterbrechungen der elektrisch leitenden Verbindungen besitzen, ist das Anbringen der Verschweißungen aufwendig und aufgrund der während des Schweiß vorgangs lokal in die Elektroden der Akkumulatorzellen eingebrachten thermischen Energie nachteilig für die Lebensdauer der Akkumulatorzellen.
Beim Einsatz von Lithium-basierten Akkumulatorzellen, wie beispielsweise Lithium- Ionen-Zellen oder Lithium-Polymer-Zellen, ergibt sich weiterhin das Problem, dass zur Vermeidung von Beschädigungen der Zellen durch Überspannungen oder Unterspannun gen während des Ladevorgangs die Zellen, bzw. Gruppen von Zellen, mit einer jeweiligen Lade- und Messelektronik gekoppelt werden müssen, mit der die Spannungen und Temperaturen einzelner Zellen, bzw. ganzer Zellgruppen erfasst und geregelt werden. Um die jeweiligen Zellen, bzw. Zellgruppen mit der Mess- und Ladeelektronik zu verbinden, sind weitere elektrische Zuleitungen erforderlich, die mit den Elektroden der Zellen, bzw. den elektrisch leitenden Verbindungsteilen einer Zellgruppe durch eine Löt- oder Krimp verbindung verbunden sind. Aus der DE 10 2014 018 474 Al ist ein Akkumulatormodul mit zylindrischen Akkumu latorzellen bekannt, die gruppenweise über mit den elektrischen Polen der Akkumulator zellen verlötete Zellverbinder über mehrere Steckanschlüsse mit einer Mess- und Lade elektronik, bzw. Steckkontakten verbunden sind, welch letztere eine elektrisch leitende Verbindung zu entsprechenden Anschlusskontakten innerhalb eines elektrisch betriebenen Geräts erzeugen, wenn das Akkumulatormodul in dieses eingesteckt wird. Aufgrund der aufwendigen Leitungsführung sowie der Verschweißungen der Zellverbinder ist das beschriebene Akkumulatormodul aufwendig zu fertigen.
Eine Unzulänglichkeit der zuvor genannten Akkumulatormodule besteht darin, dass es bei diesen nicht oder nur mit größtem Aufwand möglich ist, einzelne Akkumulatorzellen zu tauschen, wenn diese durch einen internen Defekt nicht mehr dazu in der Lage sind, elek trischen Strom zu speichern. Ein weiteres, noch größeres Problem besteht darin, dass die zuvor erwähnten Akkumulatormodule als solche keine Sicherungsmaßnahmen enthalten, mit denen sichergestellt wird, dass für den Pall eines internen Kurzschlusses innerhalb einer Akkumulatorzelle die elektrische Leitung s Verbindung der elektrischen Pole der betroffenen Akkumulatorzelle unterbrochen wird, um die Gefahr eines Brandes zu verhindern.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Akkumulatormodul zu schaffen, welches einfach und kostengünstig zu fertigen ist, einen Austausch von einzelnen defekten Akkumulatorzellen ermöglicht und welches zudem sicherstellt, dass die elektri sche Leitungsverbindung zwischen einer intern kurzgeschlossenen Akkumulatorzelle im Palle eines Defekts unterbrochen wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Akkumulatormodul mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrischen Energiespeicher zu schaffen, welcher kostengünstig zu fertigen ist und welcher sich mit geringem Aufwand auf eine gewünschte elektrische Spannung und elektrische Kapazität skalieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch einen Energiespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 15 gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung umfasst ein Akkumulatormodul zur Aufnahme und elektrischen Verschaltung einer Vielzahl von zylindrischen Akkumulatorzellen ein Gehäuse, das eine erste, insbesondere schalenförmige Gehäusehälfte und eine zweite, dieser gegenüberliegen de, bevorzugt ebenfalls schalenförmige Gehäusehälfte aufweist. Zwischen den beiden Gehäusehälften sind Akkumulatorzellen, insbesondere zylindrische Akkumulatorzellen, in wenigstens zwei Reihen an getrennten Aufnahmeplätzen stehend anordnbar, wobei einem jeden Aufnahmeplatz innerhalb der ersten und zweiten Gehäusehälfte ein elektrisch leitender Kontaktabschnitt zugeordnet ist, durch welchen eine zugeordnete Elektrode einer Akkumulatorzelle kontaktiert werden kann.
Das Akkumulatormodul zeichnet sich dadurch aus, dass jede Gehäusehälfte einen sich in einer Ebene senkrecht zu den Längsachsen der Akkumulatorzellen erstreckenden flächigen Gehäuseabschnitt aufweist, in welchem wenigstens ein streifenförmiger Einsatz aus einem elektrisch leitenden federelastischen Werkstoff aufgenommen ist, welcher sich in Längs richtung der Reihen über die Länge einer Reihe und in lateraler Richtung über wenigstens zwei Reihen von Aufnahmeplätzen hinweg erstreckt, und in welchem die elektrisch leitenden Kontaktabschnitte jeweils durch Stanzen und Formbiegen von wenigstens zwei, vorzugsweise jedoch drei oder auch mehr nebeneinander angeordneten Kontaktzungen geformt sind.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass sich aufgrund die Federelastizität der federelastischen Zungen, welche die Pole der Akkumulatorzellen kontaktieren, eine hohe Vibrationsfestigkeit ergibt, durch die Brüche in den elektrischen Leitung s Verbindungen vermieden werden, welche beispielsweise beim Einsatz der Akkumulatormodule in einem Kraftfahrzeug oder als fester Energiespeicher in einem durch Vibrationen belasteten Gebäude, wie beispielsweise einem Turbinengebäude eines Staudamms oder dergleichen, auftreten. Derartige Unterbrechungen der elektrischen Leitungsverbindung zwischen den Polen der jeweiligen Akkumulatorzellen treten verstärkt bei Akkumulatormodulen auf, bei denen die elektrischen Pole mit den Kontaktflächen der elektrischen Leitungsverbindungen durch einen oder mehrere Schweißpunkte verbunden sind. In gleicher Weise wird auch die mechanische Belastung der Akkumulatormodule sowie auch die Wärmeausdehnung der Zellen, die durch den Betrieb/Nichtbetrieb sowie das Laden und Entladen derselben entsteht, über den Federweg der federelastischen Kontaktzungen zuverlässig ausgeglichen. Zudem lassen sich durch den Einsatz der federelastischen Kontaktzungen in Verbindung mit den kostengünstig zu fertigenden streifenförmigen Einsätzen die zwangsläufig bei der Fertigung von Akkumulatorzellen sowie auch den Gehäusen der erfindungs gemäßen Akkumulatormodule auftretenden Fertigungstoleranzen ohne zusätzliche Mittel ausgleichen, was die Fertigungskosten sowohl für die Zellen, als auch für die Gehäuse der erfindungsgemäßen Akkumulator module weiter reduziert.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der federelastischen Kontaktzungen ergibt sich ferner der Vorteil, dass diese mit einfachen Mitteln so ausgelegt werden können, dass bei einem Kurzschluss in einer der Zellen die Kontaktzungen nach Art einer Schmelzsicherung abbrennen und hierdurch die elektrische Feitungs Verbindung zwischen den Polen der betroffenen Akkumulatorzelle und den übrigen mit dieser parallel geschalteten Akkumu latorzellen unterbrochen wird. So eröffnet sich durch den Einsatz der erfindungs gemäßen Akkumulatormodule die Möglichkeit, beispielsweise durch die Verwendung von Kontaktzungen mit einer größeren Zungenbreite und/oder Materialdicke den maximal zulässigen Strom auf einen gewünschten Wert zu erhöhen, beispielsweise auf einen Wert, der größer ist als das Hundertfache des Nennstroms der in einem Akkumulatormodul eingesetzten Zellen.
In fertigungstechnischer Hinsicht ergibt sich durch die erfindungsgemäße Fösung der Vor teil, dass sich die streifenförmigen Einsätze, an denen die elektrisch leitenden Kontakt abschnitte durch Stanzen und Formbiegen von wenigstens 2 nebeneinander angeordneten Kontaktzungen geformt werden, maschinell zu geringen Kosten mit den für gestanzte und gleichzeitig formgebogene Blechteile hohen Fertigungsgeschwindigkeiten als Massenware hersteilen lassen. Hierbei besteht die Möglichkeit, durch eine entsprechende Änderung der Dicke des Stahlblechs, welches für die Fertigung der Einsätze bevorzugt verwendet wird, die Strombelastbarkeit der Einsätze ohne zusätzlichen Konstruktionsaufwand an den jeweiligen Typ der eingesetzten Akkumulatorzellen anzupassen, wobei die Kontaktzungen als Schmelzsicherungen dienen, welche beim Überschreiten eines maximal zulässigen Kurzschlussstroms gezielt abbrennen.
So kann je nach Art des Schadens einer Akkumulatorzelle entweder der Pluspol oder das mit dem Minuspol verbundene Gehäuse zum Kurzschluss führen, wobei das Kurzschluß verhalten der Zellen erfindungsgemäß die Basis für das Abbrennen der Federkontakte ist.
Beispielsweise kann eine Zelle mit einer Nennkapazität von 10 Ah mit einem Strom von 10 A geladen und gemäß Datenblatt mit einem Nennstrom von 20 A entladen werden. Im Kurzschlußfall, bei dem eine Zelle in einem Akkumulatormodul vollständig leitend wird, ist der Kurzschlußstrom jedoch ca. 100 bis 200 mal höher als der Nennstrom, was es erforderlich macht, dass die betroffene Zelle und bevorzugt auch die mit dieser parallel geschalteten, nicht defekten Zellen in dem Akkumulatormodul sich selbst abschalten, bzw. von den Zuleitungen getrennt werden, um nicht beschädigt zu werden. Erfindungsgemäß werden die Kontaktzungen in den erfindungsgemäßen Akkumulatormodulen hierzu so ausgelegt, dass dieser theoretische maximal zulässige Kurzschlussstrom berechnet und dann anhand des berechneten Storms der Querschnitt der Kontaktzungen so gewählt wird, dass die Kontaktzungen bei dem ermittelten maximal zulässigen Kurzschlussstrom innerhalb einer definierten Zeit, z.B. innerhalb von 100 ms, abbrennen und dadurch die Leitungsverbindung zwischen dem Pol oder den Polen der betroffenen Zelle und dem streifenförmigen Einsatz unterbrochen wird. Ein solcher Kurzschluss kann für den Fall, dass das Akkumulatormodul in einem Kraftfahrzeug oder Luftfahrzeug verbaut wird, z.B. auch durch einen Einfall hervorgerufen werden, bei dem die streifenförmigen Einsätze, die die Plus- und Minuspole in einer Gruppe von parallel geschalteten Zellen verbinden, durch Fremdeinwirkung, z.B. durch die Metall-Karosserie eines anderen Kraftfahrzeugs, überbrückt werden. Auch in diesem Falle sorgt die erfindungsgemäße Auslegung der Kontaktzungen als Schmelzsicherung dafür, dass die Kontaktzungen nach z.B. 100 ms abbrennen und der Kurzschlussstrom den maximal zulässigen Wert für eine jede Zelle nicht überschreitet. Die Zeitdauer ist hierbei nur beispielhaft und kann auch kürzer oder länger sein.
Es stellt in diesem Zusammenhang einen besonderen Vorteil der Erfindung dar, dass sowohl die Pluspole, als auch die Minuspole sämtlicher Akkumulatorzellen in einem Akkumulatormodul mit einer Vielzahl von z.B. 128 Zellen mit einem geringen Vorrichtungs- und Kostenaufwand durch die Verwendung der streifenförmigen Einsätze mit federelastischen Kontaktzungen abgesichert werden können. Andernfalls wären für ein zuvor genanntes Akkumulatormodul insgesamt 256 separate Sicherungen erforderlich, die zudem auch noch mit einem zugehörigen Pol elektrisch verbunden werden müssten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen, dass zur Realisierung einer elektrischen Reihenschaltung der oder die streifenförmigen Einsätze in der einen Gehäusehälfte gegenüber dem oder den streifenförmigen Einsätzen in der zweiten Gehäusehälfte in lateraler Richtung, d.h. in einer Richtung quer zu den Reihen, um den Abstand zweier Reihen, d.h. um den senkrechten Abstand zwischen den Zentren der elektrisch leitenden Kontaktabschnitte von zwei Akkumulatorzellen in nebeneinander liegenden Reihen, versetzt zueinander angeordnet sind. Hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit, dass durch den zuvor beschriebenen Versatz zwischen den streifenförmigen Einsätzen in der ersten und zweiten Gehäusehälfte eine erste Gruppe von einer, zwei oder mehrerer Reihen von elektrisch parallel geschalteten Akkumulatorzellen, die entsprechend durch einen streifenförmigen Einsatz einer entsprechenden Breite überspannt werden, mit einer entsprechend ausgelegten zweiten Gruppe von elektrisch parallel geschalteten Akku mulatorzellen in Reihe geschaltet werden können. Letztere werden durch einen entspre chenden streifenförmigen Einsatz in der gegenüberliegenden Gehäusehälfte an ihren Polen umgekehrter Polarität kontaktiert, was dadurch erfolgt, dass die Akkumulatorzellen der zweiten Gruppe in umgekehrter Ausrichtung in die Aufnahmeplätze eingesetzt sind.
Durch eine entsprechende Wahl der Breite und der Position der streifenförmigen Einsätze in der ersten und zweiten Gehäusehälfte lassen sich hierdurch mit geringem Aufwand Akkumulatormodule mit einer gewünschten Kapazität und Gesamtspannung bereitstellen, die jeweils eine Vielzahl von standardisierten zylindrischen oder auch prismatischen Akkumulatorzellen enthalten. So kann beispielsweise bei einem Akkumulatormodul, wel ches insgesamt 128 Akkumulatorzellen aufnehmen kann, die in acht Reihen zu je sechzehn einzelnen Akkumulatorzellen angeordnet sind, durch den Einsatz von einem einzigen streifenförmigen Einsatz in der ersten und zweiten Gehäusehälfte, welcher sämtliche Reihen von Zellen überspannt, ein Akkumulatormodul mit 128 parallel geschalteten Zellen erhalten, welches auch als 128 PIS bezeichnet wird. Durch Anordnen von jeweils um den Abstand zweier Reihen versetzten streifenförmigen Einsätzen in der ersten und zweiten Gehäusehälfte, die jeweils zwei Reihen überspannen, lässt sich demgegenüber ein Akkumulatormodul mit sechzehn parallel geschalteten und acht in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen erhalten (16 P8S), wozu jeweils drei streifenförmige Einsätze doppelter Breite in jede Gehäusehälfte der bevorzugten Größe eingesetzt werden müssen.
Durch den zuvor beschriebenen Gedanken der Erfindung, bei dem zumindest ein streifen förmiger Einsatz in der ersten Gehäusehälfte und/oder zumindest ein streifenförmiger Einsatz in der zweiten Gehäusehälfte sich in lateraler Richtung über mehr als zwei Reihen von Aufnahmeplätzen hinweg erstrecken, deren Kontaktabschnitte die jeweiligen negati ven und positiven Elektroden der an den Aufnahmeplätzen zwischen den beiden Gehäuse hälften aufgenommenen Akkumulatorzellen kontaktieren, ergibt sich eine extrem hohe Flexibilität bei der Konfektionierung der erfindungsgemäßen Akkumulatorenmodule.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken kann in einem stirn seitigen Abschnitt der ersten Gehäusehälfte und/oder der zweiten Gehäusehälfte wenig stens ein stimseitiger Platinenaufnahmebereich vorgesehen sein, der bevorzugt durch entsprechende Vorsprünge an den Gehäusehälften begrenzt wird, und in dem Anschluss kontakte angeordnet sind, an welche eine Mess- und/oder Ladeelektronik angeschlossen werden kann, die mit jeweils einem der streifenförmigen Einsätze in der ersten und zweiten Gehäusehälfte elektrisch leitend verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn die streifen förmigen Einsätze sich im Bereich eines jeweiligen stimseitigen Platinenaufnahmebereichs in Längsrichtung einer Reihe von Akkumulatorzellen, bzw. Aufnahmeplätzen über den Rand des flächigen Gehäuseabschnitts hinaus erstrecken und die Anschlusskontakte, mit denen die Mess- und/oder Ladeelektronik mit dem jeweiligen streifenförmigen Einsatz verbunden wird, um den zugeführten Ladestrom und/oder die Ladespannung einer oder mehrerer parallel geschalteter Reihen von Akkumulatorzellen zu regeln, bzw. zu über wachen, integral im jeweiligen streifenförmigen Einsatz geformt sind. Dies kann bevorzugt dadurch erfolgen, dass die Anschlusskontakte ähnlich den elektrisch leitenden Kontakt abschnitten eines streifenförmigen Einsatzes durch Ausstanzen und Formbiegen einer oder mehrerer nebeneinander liegender Kontaktzungen bereitgestellt werden, die im jeweiligen zugehörigen streifenförmigen Einsatz außerhalb des flächigen Gehäuseabschnitts in den Einsatz eingestanzt und eingeprägt werden. Hierbei werden die in die streifenförmigen Einsätze außerhalb des flächigen Gehäuseabschnitt eingestanzten und/oder eingeprägten Anschlusskontakte vorzugsweise an einer solchen Stelle in die jeweiligen streifenförmigen Einsätze eingebracht, dass die entsprechende Mess- und Ladeelektronik, die im Stand der Technik auch als „Balancer“ bezeichnet wird, mit entsprechenden Kontaktabschnitten direkt auf die in diesem Falle ebenfalls federelastischen Anschlusskontakte aufgeschoben werden können. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion, die es erlaubt, die jeweilige Mess- und Ladeelektronik in Abhängigkeit von der gewünschten Konfigura tion eines erfindungs gemäßen Akkumulatormoduls in den jeweiligen plattenseitigen Platinenaufnahmebereichen anzuordnen .
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die streifenförmigen Einsätze in der ersten Gehäusehälfte und/oder in der zweiten Gehäusehälfte in vorteilhafter Weise in diese eingegossen, wozu die Gehäusehälften vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial im Spritzguss gefertigt und die in einer entsprechenden Länge abge längten streifenförmigen Einsätze entsprechend der gewünschten Konfiguration eines Akkumulatormoduls in die Spritzgussform eingelegt werden. Bei dieser Ausführungsform stellt es einen besonderen Vorteil dar, dass sowohl für die erste, als auch für die zweite Gehäusehälfte ein und dieselbe Spritzgussform verwendet werden kann, wobei lediglich die Position der vor einem Spritzgussvorgang in diese einzulegenden streifenförmigen Einsätze in lateraler Richtung um den Abstand zweier Reihen verändert werden muss, um nach dem Spritzgießen einer ersten Gehäusehälfte eine jeweilige zweite Gehäusehälfte für das Akkumulatormodul zu formen. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Kostenein sparung, da lediglich eine Spritzgussform bereitgestellt werden muss.
Lim die thermisch bedingte Längenausdehnung des Werkstoffs, aus welchem die erste und zweite Gehäusehälfte gefertigt sind, in etwa der Längenausdehnung der streifenförmigen Einsätze anzupassen, sind die erste und/oder zweite Gehäusehälfte bevorzugt aus einem Werkstoff gefertigt, der, bezogen auf das Gesamtgewicht des Werkstoffs, zwischen 60 Gew.-% und 80 Gew.- %, bevorzugt zwischen 70 Gew.-% und 75 Gew.-% und besonders bevorzugt 72 Gew.-% ABS-Kunststoff (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer) enthält. Der Werkstoff der beiden Gehäusehälften kann zudem, bezogen auf das Gesamtgewicht des Werkstoffs zusätzlich bis zu 28 Gew.-% eines Flammschutzmittels, insbesondere Magnesiumhydroxid oder Aluminiumhydroxid oder ein anderes bekanntes Flammschutz mittel, enthalten, welches dem ABS-Kunststoff vor oder auch nach dem Erhitzen und Verflüssigen beigemischt wird.
Alternativ zum Eingießen oder Einspritzen der streifenförmigen Einsätze in die erste, bzw. zweite Gehäusehälfte kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vor gesehen sein, diese in den zuvor im Spritzgussverfahren erzeugten Gehäusehälften mithilfe von mechanischen Rastmitteln, insbesondere durch Clip-Halterungen, zu fixieren. Die Clip-Halterungen können hierzu beispielsweise auf der Außenseite der flächigen Gehäuse abschnitte angeordnet sein und sich zu mehreren entlang einer Reihe von Aufnahmeplätzen erstrecken, derart, dass ein streifenförmiger Einsatz mit seinen elektrisch leitenden Kon taktabschnitten über jeder der Reihen von Aufnahmeplätzen innerhalb der Gehäusehälfte positioniert werden kann.
Durch die vorzugsweise lösbare Fixierung der streifenförmigen Einsätze mithilfe von mechanischen Rastmitteln ergibt sich der Vorteil, dass ein streifenförmiger Einsatz nach einem Kurzschluss und einem damit verbundenen Überstrom in einer der Akkumulator zellen, der ein Abbrennen der Kontaktzungen der die betroffene Akkumulatorzelle kontak tierenden Kontaktabschnitte zur Folge hat, nach Lösen der mechanischen Rastmittel vom Gehäuse abgenommen und durch einen neuen streifenförmigen Einsatz ersetzt werden kann. Letzterer kann in kürzester Zeit einfach auf die Außenseite des Gehäuses aufgeclipt werden.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken können in den streifen förmigen Einsätzen Durchgangsöffnungen geformt sein, durch die hindurch Schrauben oder sonstige Verbindungsmittel hindurch geführt werden, um die beiden Gehäusehälften nach dem Einsetzen der Zellen entgegen der federelastischen Wirkung der Kontaktzungen großflächig gegeneinander zu pressen. Die Durchgangsöffnungen können hierzu insbeson dere als kreisrunde Löcher in den streifenförmigen Einsätzen ausgebildet sein, die sich im Zentrum zwischen vier elektrisch leitenden Kontaktabschnitten befinden. Durch das Vorsehen von Öffnungen in den streifenförmigen Einsätzen ergibt sich der Vorteil, dass durch diese hindurch Kühlluft in den zwischen vier Akkumulatorzellen befindlichen Zwischenraum zirkuliert werden kann, um eine ausreichende Kühlung der Zellen zu ermöglichen. Die Kühlluft kann beispielsweise über Kühlkanäle zugeführt werden, die z.B. jeweils nach Art einer Haube auf die Außenseite der flächigen Gehäuseabschnitte aufge setzt sind und über ein Gebläse mit Umgebungsluft oder gekühlter Umluft Luft beauf schlagt werden.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken sind zwischen benach barten Aufnahmeplätzen entlang einer Reihe sowie auch zwischen den Aufnahmeplätzen benachbarter Reihen Positionierelemente angeordnet. Diese können beispielsweise als stabförmige Zapfen oder Vorsprünge ausgeführt sein, welche bevorzugt integral mit der ersten, bzw. zweiten Gehäusehälfte geformt sind und sich von der Innenseite des flächigen Gehäuseabschnitts in den Innenraum des Gehäuses erstrecken. Durch die Positionier elemente, die auch als zylindermantelförmige Vorsprünge ausgeführt sein können, welche im Falle von zylinderförmigen Akkumulatorzellen die Endabschnitte der Zellen im Bereich der Plus- und Minuspole umgreifen, ergibt sich der Vorteil, dass die Zellen im Gehäuse eines erfindungsgemäßen Akkumulatormoduls zuverlässig gegen ein Verrutschen gesichert werden und zugleich die Zirkulation von Kühlluft ermöglicht wird.
Um die Herstellungskosten der erfindungs gemäßen Akkumulatormodule weiter zu verrin gern, sind die erste und zweite Gehäusehälfte mit Ausnahme der Position der in diese ein gesetzten oder eingegossenen streifenförmigen Einsätze bevorzugt identisch ausgebildet, sodass diese mithilfe einer einzigen Spritzgussform als Spritzgussteile gefertigt werden können.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken besitzen die erste und die zweite Gehäusehälfte auf ihrer den Aufnahmeplätzen abgewandten Außenseite zapfen artige männliche Kontaktelemente und komplementäre buchsenartige weibliche Kontakt elemente, die den männlichen Kontaktelementen von ihrer Form her angepasst sind, sodass zwei oder auch mehr der erfindungsgemäßen Akkumulatormodule ineinander gesteckt werden können, um einen skalierbaren elektrischen Energiespeicher zu bilden, der eine gewünschte Kapazität und Spannung besitzt. Die zapfenförmigen männlichen Kontakt elemente und komplementären buchsenartigen weiblichen Kontaktelemente sind zur Ver- meidung von ungewollten Kontaktierungen oder gar Kurzschlüssen bevorzugt geschützt in Umhausungen angeordnet, die beispielsweise als im Querschnitt rechteckförmige oder auch runde Vorsprünge an der Außenseite einer jeden Gehäusehälfte ausgeführt sind, in deren Innenraum sich die elektrisch leitenden zapfenförmigen männlichen Kontaktelement bzw. die buchsenförmigen weiblichen Kontaktelement befinden. Die Ausgestaltung der die Kontaktelemente zu ihrem freien Ende hin überragenden Umhausungen ist hierbei derart, dass bei übereinander ge setzten Gehäusen die Umhausung eines männlichen Kontaktele ments innerhalb der komplementär zu diesem ausgebildeten Umhausung des zugehörigen weiblichen Kontaktelements aufgenommen wird, oder umgekehrt. Durch das Vorsehen von Umhausungen um die zapfenförmigen männlichen, bzw. buchsenförmigen weiblichen Kontaktelemente herum, sowie auch Blind-Umhausungen, die keine elektrisch leitenden Anschlusskontakte enthalten, wird die Steckbarkeit des Systems ermöglicht und weiterhin der Vorteil erhalten, dass zwischen den Außenseiten der Gehäuse zweier auf einander gesteckter Akkumulatormodule ein hinreichender Abstand besteht, der beispielsweise 0,5 bis 2 cm oder auch mehr betragen kann. Der Abstand ermöglicht es, dass Kühlluft über ein geeignetes Gebläse und Zufuhrkanäle zwischen den beiden Akkumulatormodulen hindurch zirkuliert werden kann, welche über die zuvor erwähnten Öffnungen in den streifenförmi gen Einsätzen in vorteilhafter Weise auch ins Innere eines jeden Akkumulatormoduls strömen kann, um dort die Akkumulatorzellen aktiv zu kühlen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen erfindungs gemäßen Energiespeicher mit insgesamt 5
übereinandergesetzten erfindungs gemäßen Akkumulatormodulen,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Energiespeichers von Fig. 1,
Fig. 3 eine frontale Schnittansicht eines erfindungs gemäßen Akkumulatormoduls mit exemplarisch eingesetzten Akkumulatorzellen, Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht eines Akkumulatormoduls ohne
Kontaktabschnitte und streifenförmige Einsätze,
Fig. 5 eine Aufsicht auf das Gehäuse eines Akkumulatormoduls,
Fig. 5a eine vergrößerte ausschnittsweise Darstellung der Stirnseite eines erfin dungsgemäßen Akkumulatormoduls, und
Fig. 6 eine Teildarstellung eines in den erfindungs gemäßen Akkumulatormodulen eingesetzten streifenförmigen Einsatzes.
Wie in den Figuren 2 bis 5 gezeigt ist, umfasst ein Akkumulatormodul 1 zur Aufnahme und elektrischen Verschaltung einer Vielzahl von zylindrischen Akkumulatorzellen 2 ein Gehäuse 4, das eine erste und zweite Gehäusehälfte 4a, 4b besitzt, zwischen denen die Akkumulatorzellen 2 in wenigstens zwei Reihen 6 an getrennten Aufnahmeplätzen 8 stehend angeordnet werden können. Jedem Aufnahmeplatz 8, der in den Darstellungen der Übersichtlichkeit wegen lediglich für einige Zellen in gestrichelten Finien eingezeichnet ist, ist ein elektrisch leitender Kontaktabschnitt 10a, 10b zugeordnet, durch welchen eine zugehörige Elektrode einer Akkumulatorzelle 2a, 2b kontaktiert wird, wenn diese in das Gehäuse 4 eingesetzt ist.
Wie den Darstellungen der Figuren 1, 2, 5 und 5a weiterhin entnommen werden kann, besitzt jede Gehäusehälfte 4a, 4b einen sich in einer Ebene senkrecht zu den Fängsachsen der Akkumulatorzellen 2 erstreckenden flächigen Gehäuseabschnitt 12, in welchem wenig stens ein streifenförmiger Einsatz 14a, 14b aus einem elektrisch leitenden federelastischen Werkstoff auf genommen ist, der sich in Fängsrichtung 16 der Reihen 6 entlang einer Reihe 6 und in lateraler Richtung 18 über wenigstens zwei Reihen 6 von Aufnahmeplätzen 8 hinweg erstreckt. Gemäß Fig. 6 sind in den streifenförmigen Einsätzen 14a, 14b, die vorzugsweise aus Stahlblech mit einer Stärke von 0,1 bis 1 mm bestehen, die elektrisch leitenden Kontaktabschnitte 10a, 10b jeweils durch Stanzen und Formbiegen von drei nebeneinander angeordneten Kontaktzungen geformt, deren ebener Abschnitt, welcher den Pluspol 2a bzw. den Minuspol 2b einer Akkumulatorzelle 2 kontaktiert, sich z.B. 3mm oberhalb der Stanzöffnung horizontal zu dieser erstreckt. Der Werkstoff, aus dem der wenigstens eine streifenförmige Einsatz 14a, 14b besteht, ist insbesondere Federstahl, Nickel oder eine Nickel enthaltende Legierung mit federelastischen Eigenschaften. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Federstahl um einen Chrom-Nickel-Stahl mit einem Chromanteil zwischen 16 Gew.-% und 19 Gew.- % und einem Nickelanteil zwischen 6 Gew.-% und 9,5 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Stahls.
Die an einem streifenförmigen Einsatz 14a, 14b geformten Kontaktzungen besitzen einen solchen Querschnitt, dass diese beim Überschreiten eines vorgegebenen maximal für eine Akkumulatorzelle zulässigen Kurzschlussstroms, z.B. bei einem Kurzschlussstrom von 100 bis 200 C, schmelzen und die elektrische Leitungs Verbindung zum streifenförmigen Einsatz (14a, 14b) unterbrochen wird. Hierbei gibt C die Kapazität der betreffenden Akkumulatorzelle in Ah an, und der Kurz Schluss ström wird bei der zuvor genannten vereinfachten Berechnungsangabe als Vielfaches des Wertes der Kapazität der Zelle in A angegeben.
Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform des Akkumulatormoduls 1, bei der insge samt 8 Gruppen von Akkumulatorzellen 2 in Reihe geschaltet sind, sind die einer Reihe 6 von Aufnahmeplätzen 8 zugeordneten streifenförmigen Einsätze 14a in der ersten Ge häusehälfte 4a, welche sich über zwei Reihen von Zellen 2 hinweg erstrecken, gegenüber den streifenförmigen Einsätzen 14b in der zweiten Gehäusehälfte 4b in lateraler Richtung 18 um den Abstand zwischen zwei Reihen 6 von Aufnahmepläzen 8 zueinander versetzt.
Obgleich es prinzipiell auch möglich ist, dass die streifenförmigen Einsätze 14a, 14b in der jeweiligen Gehäusehälfte 4a, 4b in Längsrichtung 16 des Gehäuses 4 lediglich einen Teil einer Reihe 6 von Akkumulatorzellen 2 überdecken, um zur Realisierung einer Reihen schaltung entlang einer Reihe von Akkumulatorzellen einen Polwechsel zu realisieren, erstrecken sich diese bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Längsrich tung 16 über eine vollständige Reihe von Aufnahmeplätzen 8 hinweg, so dass alle Zellen dieser Reihe 6 von Aufnahmeplätzen 8 elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.
In der lateralen Richtung 18 können sich die streifenförmigen Einsätze 14a, 14b nicht nur über zwei, sondern auch über drei oder gar alle sechs Reihen 6 von Akkumulatorzellen 2 hinweg erstrecken, je nachdem, welche elektrische Gesamtspannung und Kapazität ein Akkumulatormodul 1 aufweisen soll.
Wie in den Darstellungen der Fig. 4 und 5a weiterhin angedeutet ist, kann in einem oder beiden stirnseitigen Abschnitten 20 der ersten und zweiten Gehäusehälfte 4a, 4b ein stimseitiger Platinenaufnahmebereich 22 vorgesehen sein, in welchem Anschlusskontakte 36 zum Anschluss einer Mess- und/oder Ladeelektronik (Balancer) 25 angeordnet sind, welche mit einem streifenförmigen Einsatz 14 in der ersten und zweiten Gehäusehälfte 4a, 4b elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sind, um die elektrische Spannung und/oder den einer Gruppe von parallel geschalteten Akkumulatorzellen 2 zugeführten Strom erfassen, oder einen Angleich der Spannungen zweier oder mehrerer Gruppen vornehmen zu können.
Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Anschlusskontakte 36, wie in Fig. 6 gezeigt, ebenfalls als Kontaktzungen ausgeführt sind, die vorzugsweise in Richtung von den streifenförmigen Einsätzen 14a, 14b weg geöffnet sind. Die Kontakt zungen liegen sich im stimseitigen Platinenaufnahmebereich bevorzugt paarweise gegen über, so dass die Platinen der lediglich schematisch angedeuteten Mess- und/oder Lade elektronik 25 nach dem Zusammenfügen der beiden Gehäusehälften 4a, 4b vorzugsweise direkt auf die Kontaktzungen der Anschlusskontakte 36 aufgesteckt werden können.
Die streifenförmigen Einsätze 14a, 14b sind bevorzugt in den Werkstoff der als Spritz gussteil ausgeführten ersten, bzw. zweiten Gehäusehälfte 4b eingegossen, wobei in den elektrisch isolierenden Werkstoff aus welchem die flächigen Gehäuseabschnitte 12 geformt sind, nicht näher bezeichnete Öffnungen eingebracht sein können, durch die hindurch die Kontaktzungen der Kontaktabschnitte 10a, 10b, wie in Fig. 5a angedeutet, sichtbar und auch zugänglich sind. Hierdurch lässt sich mit einem Blick feststellen, ob die Kontaktzungen 10a, 10b eines Aufnahmeplatzes 8 der Vielzahl von Aufnahmeplätzen innerhalb einer Gehäusehälfte 4a, 4b abgebrannt sind, ohne dass die Gehäusehälften 4a, 4b hierzu demontiert werden müssen.
Um die beiden Gehäusehälften 4a, 4b nach dem Einsetzen der Akkumulatorzellen 2 zuverlässig und mit der erforderlichen Andruckkraft miteinander zu verbinden, können in den streifenförmigen Einsätzen 14a und 14b Durchgangsöffnungen 24 geformt sein, durch die Schraubmittel 26 hindurchführbar sind, mit denen die beiden Hälften 4a, 4b kraftschlüssig miteinander zusammen gepresst werden. Die Schraubmittel 26 können dazu z.B. in zapfenförmige Abstandshalter eingreifen, die sich von dem jeweiligen flächigen Gehäuseabschnit 12 einer jeden Gehäusehälfte 4a, 4b aus jeweils bis vorzugsweise zur Mitte des Gehäuses 4 erstrecken, wobei die Schraubmittel 26, wie z.B. in Fig. 4 an gedeutet ist, in einer Durchgangsbohrung in den zapfenförmigen Abstandshaltern geführt werden.
Um eine hinreichende Kühlung der Akkumulatorzellen 2 innerhalb des verschraubten Gehäuses 4 beim Betrieb des Akkumulatormoduls 1 sicherzustellen, stehen die Durch gangsöffnungen 24 mit Kühlluftkanälen 28 in Strömungsverbindung, durch welche hin durch Luft zum Kühlen der Akkumulatorzellen 2 über ein nicht näher gezeigtes Gebläse zwischen diesen hindurch zirkuliert werden kann. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Energie speicher 1, der insgesamt fünf einzelne erfindungsgemäße Akkumulatormodule 1 enthält, werden die Kühlluftkanäle 28 zwischen den einander zugewandten Außenseiten der Module gebildet.
Wie in der Darstellung von Fig. 3 weiterhin angedeutet ist, sind zwischen benachbarten Aufnahmeplätzen 8 in jeder Gehäusehälfte 4a, 4b Positionierelemente 30 angeordnet, welche vorzugsweise ebenfalls integral mit dem jeweiligen flächigen Gehäuseabschnit 12 geformt sind und die dazu dienen, die Akkumulatorzellen 2 an den Aufnahmeplätzen 8 gegen eine unbeabsichtigte seitliche Relativbewegung zu sichern.
Weiterhin sind auf der den Aufnahmeplätzen 8 abgewandten Außenseite der ersten Gehäusehälfte 4a und auch der zweiten Gehäusehälfte 4b zapfenartige männliche Kontakt elemente 32 und diesen von der Form her angepasste komplementäre buchsenartige weib liche Kontaktelemente 34 angeordnet, welche elektrisch leitend mit den streifenförmigen Einsätzen 14a, 14b in der ersten, bzw. zweiten Gehäusehälfte 4a, 4b gekoppelt sind. Die zapfenförmigen männlichen Kontaktelemente 32 und komplementären buchsenartigen weiblichen Kontaktelemente 34 werden zur Vermeidung von ungewollten Kontaktierungen oder gar Kurzschlüssen geschützt in Umhausungen 32a und 34a angeordnet, die vorzugs weise ebenfalls integral mit dem elektrisch leitenden Werkstoff der Gehäusehälften 4a, 4b geformt sind und in deren Innenraum sich die elektrisch leitenden zapfenförmigen männ- liehen Kontaktelement 32 bzw. die buchsenförmigen weiblichen Kontaktelement 34 befinden.
Um einen in Fig. 1 gezeigten elektrischen Energiespeicher 100 zu bilden, sind die männ lichen und weiblichen Kontaktelemente 32, 34 auf der Außenseite der ersten und zweiten Gehäusehälften 4a, 4b komplementär zueinander in der Weise angeordnet und mit den streifenförmigen Einsätzen 14a, 14b verbunden, dass die Akkumulatormodule 1 wechsel weise um 180 0 gedreht unter Erzeugung einer elektrischen Reihenschaltung der Module 1 aufeinander gesteckt werden können. Die Orientierung der einzelnen Module 1 des Stapels ist in Fig. 1 durch die Aufschrift auf den Modulen angedeutet.
Liste der Bezugszeichen
1 Vorrichtung
2 zylindrische Akkumulatorzellen
2a, 2b Elektroden der Akkumulatorzellen
4 Gehäuse
4a erste Gehäusehälfte
4b zweite Gehäusehälfte
6 Reihe
8 Aufnahmeplatz
10a, b elektrisch leitender Kontaktabschnitt
12 flächiger Gehäuseabschnitt
14a, b streifenförmiger Einsatz
16 Längsrichtung
18 laterale Richtung
20 stimseitigen Abschnitt
22 stimseitiger Platinenaufnahmebereich
24 Durchgangsöffnungen
25 Lade/Messelektronik
26 Schraubmittel
28 Kühlluftkanäle
30 Positionierelemente
32 zapfenartige männliche Kontaktelemente
32a Umhausung der männlichen Kontaktelemente
34 buchsenartige weibliche Kontaktelemente
34a Umhausung der weiblichen Kontaktelemente
36 Anschlusskontakte in streifenförmigen Einsätzen für Ladeelektronik
100 elektrischer Energiespeicher

Claims

Ansprüche
1. Akkumulatormodul (1) zur Aufnahme und elektrischen Verschaltung einer Vielzahl von Akkumulatorzellen (2), umfassend ein Gehäuse (4) mit einer ersten und zweiten einander gegenüberliegenden Gehäusehälfte (4a, 4b), zwischen denen die
Akkumulatorzellen (2) in wenigstens zwei Reihen (6) an getrennten Aufnahmeplätzen (8) stehend anordnbar sind, wobei einem jeden Aufnahmeplatz (8) ein elektrisch leitender Kontaktabschnitt (10a, 10b) zugeordnet ist, durch welchen eine zugeordnete Elektrode einer Akkumulatorzelle (2a, 2b) kontaktierbar ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
jede Gehäusehälfte (4a, 4b) einen sich in einer Ebene senkrecht zu den Längsachsen der Akkumulatorzellen (2) erstreckenden flächigen Gehäuseabschnitt (12) aufweist, in welchem wenigstens ein streifenförmiger Einsatz (14) aus einem elektrisch leitenden federelastischen Werkstoff, insbesondere aus Federstahl, bevorzugt Chrom-Nickel- Stahl, Nickel oder einer Nickellegierung, aufgenommen ist, welcher sich in
Längsrichtung (16) der Reihen (6) über die Länge einer Reihe (6) und in lateraler Richtung (18) über wenigstens zwei Reihen (6) von Aufnahmeplätzen (8) hinweg erstreckt, und in welchem die elektrisch leitenden Kontaktabschnitte (10a, 10b) jeweils durch Stanzen und Formbiegen von wenigstens zwei nebeneinander angeordneten Kontaktzungen geformt sind.
2. Akkumulatormodul nach Anspruch 1,
d adu rch g ek ennze ic hne t , dass
wenigstens ein einer Reihe (6) von Aufnahmeplätzen (8) zugeordneter streifenförmiger Einsatz (14a) in der ersten Gehäusehälfte (4a) zur Erzeugung einer elektrischen Reihenschaltung gegenüber einem streifenförmigen Einsatz (14b) in der zweiten Gehäusehälfte (4b) in lateraler Richtung (18) um den Abstand zweier Reihen (6) versetzt ist.
3. Akkumulatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
sich zumindest ein streifenförmiger Einsatz (14a) in der ersten Gehäusehälfte (4a) und/oder zumindest ein streifenförmiger Einsatz (14b) in der zweiten Gehäusehälfte (4b) in lateraler Richtung (18) über mehr als zwei Reihen (6) von Aufnahmeplätzen (8) hinweg erstreckt.
4. Akkumulatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
in einem stimseitigen Abschnitt (20) der ersten Gehäusehälfte (4a) und/oder der zweiten Gehäusehälfte (4b) wenigstens ein stimseitiger Platinenaufnahmebereich (22) mit Anschlusskontakten (36) zum Anschluss einer Mess- und/oder Ladeelektronik (25) vorgesehen ist, welche mit einem streifenförmigen Einsatz (14) in der ersten und/oder zweiten Gehäusehälfte (4a, 4b) elektrisch leitend verbindbar sind.
5. Akkumulatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
die streifenförmigen Einsätze (14a) in der ersten Gehäusehälfte (4a) und/oder die streifenförmigen Einsätze (4b) in der zweiten Gehäusehälfte (4b) in diese eingegossen sind oder in dieser durch mechanische Rastmittel, insbesondere Clip-Halterungen gehalten werden.
6. Akkumulatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
in den streifenförmigen Einsätzen (14a, 14b) Durchgangsöffnungen (24) geformt sind, durch die hindurch Schraubmittel (26) zum kraftschlüssigen Verbinden der ersten und zweiten Gehäusehälfte (4a, 4b) hindurchführbar sind.
7. Akkumulatormodul nach Anspruch 6,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
die Durchgangsöffnungen (24) mit Kühlluftkanälen (28) in Strömungsverbindung stehen, durch welche hindurch Luft zum Kühlen der Akkumulatorzellen (2) zwischen diesen hindurch zirkulierbar ist.
8. Akkumulatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
zwischen benachbarten Aufnahmeplätzen (8) Positionierelemente (30) vorgesehen sind, mittels welcher die Akkumulatorzellen (2) an den Aufnahmeplätzen (8) gegen eine seitliche Relativbewegung fixierbar sind.
9. Akkumulatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
auf der den Aufnahmeplätzen (8) abgewandten Außenseite der ersten Gehäusehälfte (4a) und/oder zweiten Gehäusehälfte (4b) zapfenartige männliche Kontaktelemente (32) und diesen von der Form her angepasste komplementäre buchsenartige weibliche Kontaktelemente (34) angeordnet sind, welche elektrisch leitend mit den
streifenförmigen Einsätzen (14a, 14b) in der ersten und/oder zweiten Gehäusehälfte (4a, 4b) verbunden sind.
10. Akkumulatormodul nach Anspruch 9,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
die erste und zweite Gehäusehälfte (4a, 4b) auf der Außenseite der ersten und zweiten Gehäusehälften (4a, 4b) komplementär zueinander angeordnet und mit den streifenförmigen Einsätzen (14a, 14b) verbunden sind, derart, dass die Gehäusehälften (4a, 4b) einer ersten und zweiten Vorrichtung (1) unter Erzeugung einer elektrischen Reihenschaltung ineinander steckbar sind.
11. Akkumulatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
die an einem streifenförmigen Einsatz (14a, 14b) geformten Kontaktzungen einen solchen Querschnitt besitzen, dass diese beim Überschreiten eines vorgegebenen maximal für eine Akkumulatorzelle zulässigen Kurzschlussstroms schmelzen und die elektrische Leitungsverbindung zum streifenförmigen Einsatz (14a, 14b) unterbrochen wird.
12. Akkumulatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
die erste und/oder zweite Gehäusehälfte (4a, 4b) aus einem Werkstoff gefertigt sind, der zwischen 60 Gew.-% und 80 Gew.- %, bevorzugt zwischen 70 Gew.-% und 75 Gew.-% und besonders bevorzugt 72 Gew.-% ABS-Kunststoff, bezogen auf das Gesamtgewicht des Werkstoffs, enthält.
13. Akkumulatormodul nach Anspruch 12,
dad urch g ek ennze ic hne t , dass
der Werkstoff zusätzlich bis zu 28 Gew.-% eines Flammschutzmittels, insbesondere Magnesiumhydroxid oder Aluminiumhydroxid, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kunststoffmaterials enthält.
14. Akkumulatormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadu rch g ek ennze ic hne t , dass
der elektrisch leitende federelastische Werkstoff ein Chrom-Nickel-Stahl mit einem Chromanteil zwischen insbesondere 16 Gew.-% und 19 Gew.- % und einem
Nickelanteil zwischen insbesondere 6 Gew.-% und 9,5 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Stahls ist, oder der elektrisch leitende federelastische
Werkstoff einen solchen Chrom-Nickel-Stahl enthält.
15. Elektrischer Energiespeicher (100), enthaltend eine Vielzahl von Akkumulatormodulen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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