WO2022090002A1 - Streufeldarmes batteriemodul - Google Patents

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WO2022090002A1
WO2022090002A1 PCT/EP2021/078967 EP2021078967W WO2022090002A1 WO 2022090002 A1 WO2022090002 A1 WO 2022090002A1 EP 2021078967 W EP2021078967 W EP 2021078967W WO 2022090002 A1 WO2022090002 A1 WO 2022090002A1
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Marc Pein
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Thyssenkrupp Marine Systems Gmbh
Thyssenkrupp Ag
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Definitions

  • the invention relates to a battery module, in particular for lithium-based accumulators.
  • Lithium-based accumulators are of increasing interest, for example because of their high energy density.
  • the individual cells cannot simply be enlarged at will. This leads to a large number of accumulators being combined to form a larger module on a regular basis.
  • the problem of thermal runaway is given precisely with these accumulators. Since this also creates a large amount of gas in relation to the volume of the accumulator and, in the case of larger cells, also an absolutely correspondingly large amount, this means a great risk, particularly in critical environments, as has been shown, for example, with accumulators in aircraft.
  • Accumulators usually have two electrodes, an anode and a cathode. In the simplest case, an electrolyte is arranged between them. The electrolyte can be liquid or solid. In addition, there are often layers on the electrode, especially intercalation layers in lithium accumulators. Each electrode is usually electrically contacted by a contact that is accessible from the outside.
  • Submarines traditionally have large-capacity batteries for underwater travel, which are a vital source of energy. In an emergency, it must always be ensured that energy is provided to keep the crew alive and to surface. It is therefore important, especially in the submarine sector, that all important components are designed to be shock-resistant, i.e. withstand a shock wave triggered by a detonation in the immediate vicinity and then still be functional. Extremely high forces occur here for a short time.
  • a battery with lithium cells with a flame-retardant filling foam between the lithium cells is known from US 2012/0003508 A1.
  • DE 10 2017 214 289 A1 discloses a battery module with at least two battery cells and at least one safety valve each.
  • DE 10 2015 219 280 A1 discloses a battery system with a plurality of battery cells cast with a casting compound.
  • DE 10 2016 001 287 A1 discloses a battery pack with a plurality of battery cells and a casting compound, the battery cells being surrounded by a polyimide layer.
  • a shock-resistant battery module in particular for lithium accumulators, is known from PCT/EP2020/000182.
  • a rechargeable battery is known from DE 10 2009 000 675 A1.
  • a battery with a first and a second battery module is known from DE 10 2013 203 204 A1.
  • the object of the invention is to provide a battery module which has the lowest possible magnetic radiation during operation and is particularly stable over the long term.
  • the battery module according to the invention has a first sub-module and a second sub-module.
  • a sub-module preferably consists of a sub-module housing and accumulators arranged in the sub-module housing.
  • the accumulators are preferably encapsulated in the partial module housing so that they are held securely and reliably by the encapsulation compound.
  • the sub-modules are preferably cuboid.
  • other geometries are also conceivable for the partial modules, in particular geometries which optimally adapt to the curves in a submarine in order to be able to optimally utilize the space inside the pressure hull.
  • the first sub-module has a plurality of accumulators and the second sub-module has a plurality of accumulators, the number of accumulators in the first sub-module particularly preferably being the same as the number of accumulators in the second sub-module.
  • Each accumulator has a first electrical contact and a second electrical contact. The first electrical contact and the second electrical contact are each arranged on the same end face of the accumulator.
  • the end face of the first sub-module with the electrical contacts is arranged in a first plane, and the end face of the second sub-module with the electrical contacts is arranged in a second plane.
  • the first level is plane-parallel to the second level.
  • all of the first electrical contacts are connected to a first, inner electrode of the accumulators and all of the second electrical contacts are connected to a second electrode of the accumulators.
  • each first electrical contact is connected to the cathode of the respective battery and each second electrical contact is connected to the anode of the respective battery.
  • the first electrical contact on each accumulator is preferably at the same potential as the second electrical contact (minimal type-related fluctuations due to minimal differences in the accumulators are neglected).
  • the connections can also be the other way around.
  • all of the first electrical contacts have a first polarity and all of the second electrical contacts have the opposite second polarity.
  • all first contacts correspond to the positive pole and all second contacts to the negative pole or vice versa.
  • All electrical contacts of the first sub-module are arranged on the side of the first sub-module opposite the second sub-module and all electrical contacts of the second sub-module are arranged on the side of the second sub-module opposite the first sub-module.
  • the sub-modules are therefore aligned in such a way that the sides with the contacts of the accumulators point towards one another. However, there is a spatial distance between the contacts so that they do not touch. This minimizes the space between electrical connections and thus between the currents flowing during operation, in order to minimize the magnetic flux generated by the conductor loop and thereby keep the signature as small as possible.
  • the electrical contacts can be connected by electrical conductors, for example busbars, metal strips, cables or the like. Connections can also be made via functional elements, for example fuses.
  • all the first electrical contacts can be connected to a first busbar and all the second electrical contacts can be connected to a second busbar.
  • all of the accumulators are connected in parallel, so that the battery module can provide a maximum current, but at the lowest possible voltage, the voltage of the individual accumulator.
  • the length of the first busbar and the second busbar are aligned (predominantly) in the direction of the current flow.
  • the busbars of the first sub-module and of the second sub-module are preferably aligned parallel to one another.
  • the first busbar of the first sub-module preferably runs parallel to the first busbar of the second sub-module and the second busbar of the first sub-module runs parallel to the second busbar of the second sub-module.
  • the number of accumulators per group is preferably 2 to 15, particularly preferably 3 to 10, very particularly preferably 4 to 8.
  • the parallel electrical connection of the accumulators in one Group, which in turn is connected in series with other groups, has the advantage that, on the one hand, a higher output voltage is achieved than with a purely parallel arrangement, and a higher maximum current than with a serial arrangement.
  • the size and number of the groups can thus be selected in such a way as to provide a voltage that is sensible for the network to be supplied, it being quite sensible and usual to convert the voltage before feeding into the network. Furthermore, the failure of a single accumulator does not lead to the failure of the entire battery module, as is the case with a purely serial connection of the accumulators.
  • all accumulators are connected in series. To do this, the positive pole of one accumulator is connected to the subsequent negative pole of the next accumulator. In this way the maximum tension is reached.
  • the disadvantage is that the maximum current is low, ie only the maximum current that a single accumulator can generate. In addition, the failure of just one accumulator leads to the failure of the entire battery module.
  • the arrangement of the electrical contacts and connecting electrical conductors is thus chosen so that the direction of current when current is drawn from the battery module in the first sub-module (in particular spatially) opposite to the direction of current in the second submodule is.
  • the rms average current flows from top to bottom in the first sub-module, while the rms average current flows from bottom to top in the second sub-module.
  • the module connections for making electrical contact with the battery module are particularly preferably arranged at the top or bottom of the battery module.
  • the module connections for making electrical contact with the battery module are particularly preferably arranged at the top.
  • the accumulators which are adjacent perpendicularly to the current flow are electrically connected in parallel and the accumulators which are adjacent in the direction of the current flow are electrically connected in series. This results in a lattice-like structure on each sub-module, with the two lattice-like structures of the two sub-modules lying opposite one another.
  • the current then only flows through a very narrow and flat conductor loop, which minimizes the magnetic signature of the battery module during operation.
  • a battery module according to the invention is therefore particularly suitable for use on board a submarine.
  • each accumulator has a cylindrical basic shape.
  • the cylindrical shape optimizes both production and packability in the sub-modules.
  • the accumulators are arranged hexagonally. This corresponds to the closest packing of cylindrical objects.
  • the first electrical contact and the second electrical contact of a rechargeable battery are each arranged one above the other in the direction of the current flow.
  • the plus and minus poles of each are perpendicular to each other.
  • the sequence of the electrical contacts is reversed in each case in the case of accumulators which are arranged adjacently and offset perpendicularly to the current flow. If, for example, the positive pole is at the top and the negative pole is at the bottom in the upper layer, the negative pole is at the top and the positive pole is at the top in the overlapping layer below. This leads to the fact that the same electrical contacts are preferably in a row.
  • the same electrical contacts arranged next to one another perpendicularly to the current flow are conductively connected to a metal strip.
  • the metal strip has two advantages in addition to the electrical contact. On the one hand, a certain difference in height between the electrical contacts of the adjacent layers can be compensated for by the width. On the other hand, such a surface also represents a good heat exchange surface. This is connected to the electrodes in the accumulators via the electrical contacts, so that heat can be dissipated easily. And the heat can then be released to the environment via this surface.
  • all the accumulators of a sub-module are connected to one another in the form of a network.
  • the same poles lying next to one another are therefore connected to one another, and the neighboring opposite poles lying one above the other are also connected to one another, so that an electrical grid results.
  • Each sub-module thus has a lattice, with these lattices lying plane-parallel on top of one another. This grid minimizes the stray magnetic field and at the same time equalizes the temperature.
  • a cooling device is arranged between the electrical contact of the accumulators of the first sub-module and the electrical contact of the second sub-module. Effective cooling is possible precisely because of the flat design of the contacts.
  • the cooling devices and the electrical contacts are particularly preferably only as far apart from one another as is necessary for electrical insulation. This improves heat transfer on the one hand and minimizes the stray magnetic field on the other.
  • the two sub-modules together form a battery module.
  • the battery module is connected directly or indirectly to an electrical consumer network, ie the vehicle electrical system. At one end, the battery module has contacts for contacting and connecting to the electrical consumer network.
  • the sub-modules are connected to each other at the opposite end.
  • the two sub-modules are electrically connected to one another at the lower end. The current thus flows downwards in one sub-module and upwards in the other sub-module.
  • the electrical contacts for making contact with the battery module are preferably arranged on the upper side and preferably as close together as possible. This embodiment is particularly preferred for retrofitting on a submarine which was previously equipped with lead-acid batteries.
  • the two partial modules are electrically connected to one another at the upper end.
  • the current thus flows upwards in one sub-module and downwards in the other sub-module.
  • the electrical contacts for contacting the battery module are preferably arranged on the underside and preferably as close together as possible.
  • the battery module has a first module contact and a second module contact.
  • the first module contact is connected to the first sub-module and the second module contact is connected to the second sub-module.
  • the first module contact is the positive pole and the second module contact is the negative pole (or vice versa).
  • the battery module consists of n first sub-modules and n second sub-modules, where n is a natural number between 1 and 200, preferably between 2 and 40.
  • the first sub-modules and the second sub-modules are each arranged relative to one another as described above, so that two opposite sub-modules always ensure the advantage according to the invention of minimizing the magnetic flux.
  • the sub-modules are then alternately electrically connected to one another on alternating sides, for example and in particular on the top and bottom. In this case, the electrical connection of the battery module to the consumer or vehicle electrical system is arranged on the first and last sub-module.
  • the casting compound is preferably a duroplastic, preferably an epoxide.
  • the casting compound preferably has a modulus of elasticity from 25 to 200 MPa, more preferably from 50 to 125 MPa, particularly preferably from 60 to 90 MPa, according to ISO 527.
  • the casting compound preferably has a tensile strength of from 2 to 20 MPa, more preferably from 3 to 15 MPa, particularly preferably from 4 to 9 MPa, according to ISO 527.
  • the casting compound preferably has a hardness of 20 to 100 Shore D according to ISO 53505, preferably from 35 to 80, particularly preferably from 50 to 75.
  • FIG. 1 A part of a partial mode 110, 120 is shown in FIG.
  • a simple square array of 3x3 accumulators 10 is shown.
  • the number of accumulators 10 will be larger, but the principle remains the same.
  • Each accumulator 10 has a positive pole 40 and a negative pole 50 .
  • This simplified arrangement is only chosen for the purpose of clarity of the drawing.
  • the negative poles 50 are connected to one another via contacts 20 perpendicular to the current flow.
  • the negative poles 50 of the upper row of accumulators 10 are connected to the positive poles 40 of the underlying row of accumulators 10 via contacts 30 in the direction of the current flow in the direction of current flow.
  • the heat generated in an accumulator 10 is also dissipated via the electrical contacting of the poles 40 , 50 to the contacting 20 designed as a metal strip perpendicular to the current flow and is thus brought to the vicinity of the cooling device 160 over a large area.
  • the mean current flow 60 is shown, technically speaking flowing from the plus to the minus pole. Currents which flow in the contacts 20 perpendicularly to the current flow are averaged out, so that a current flow 60 results in summary.
  • the battery module 100 has a first sub-module 110 and a second sub-module 120 . All accumulators 10 of the first sub-module 110 are, as shown schematically in Fig. 1, contacted via a first electrical contact 130 and all accumulators 10 of second sub-module 120 are, as shown schematically in Fig. 1, contacted via a second electrical contact 140. The first electrical contact 130 is electrically connected to the second electrical contact 140 via a connection 150 .
  • the battery module 100 can be electrically contacted via a first connection 132 and a second connection 142 and can make electrical energy available or be charged.
  • the current flows, for example, in the first electrical contact 130 from top to bottom and in the second electrical contact 140 from bottom to top, represented by the current flows 60.
  • first electrical contact 130 has a certain spatial extent and is not represented as an exact plane (as a line).
  • second electrical contact 140 has a certain spatial extent and is not shown as an exact plane (as a line). This is necessary for production reasons. Nevertheless, within the meaning of the invention, the first electrical contact 130 is arranged in the first plane and the second electrical contact 140 is arranged in the second plane.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul (100), wobei das Batteriemodul (100) ein erstes Teilmodul (110) und ein zweites Teilmodul (120) aufweist, wobei das erste Teilmodul (110) eine Mehrzahl an Akkumulatoren (10) aufweist, wobei alle elektrischen Kontakte des ersten Teilmoduls (110) auf der dem zweiten Teilmodul (120) gegenüberliegenden Seite des ersten Teilmoduls (110) angeordnet sind, wobei alle elektrischen Kontakte des zweiten Teilmoduls (120) auf der dem ersten Teilmodul (110) gegenüberliegenden Seite des zweiten Teilmoduls (120) angeordnet sind, wobei die horizontal benachbarten Akkumulatoren (10) elektrisch parallel geschaltet sind und wobei die vertikal benachbarten Akkumulatoren (10) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Description

Streufeldarmes Batteriemodul
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul insbesondere für Akkumulatoren auf Lithium- Basis.
Akkumulatoren auf Lithium-Basis sind zunehmend interessant, beispielsweise aufgrund der hohen Energiedichte. Gerade für große Energiespeicher gibt es jedoch zwei grundlegende Unterschiede beispielsweise zum Blei-Schwefelsäure-Akkumulator. Zum einen können die einzelnen Zellen nicht einfach beliebig vergrößert werden. Dieses führt dazu, dass regelmäßig eine Vielzahl von Akkumulatoren zu einem größeren Modul zusammengestellt wird. Zum anderen ist gerade bei diesen Akkumulatoren das Problem des thermischen Durchgehens gegeben. Da hierbei auch eine große Menge an Gas im Verhältnis zum Volumen des Akkumulators entsteht und bei größeren Zellen auch eine absolut entsprechend große Menge, bedeutet dieses ein großes Risiko, insbesondere in kritischen Umgebungen, wie sich beispielsweise an Akkumulatoren in Luftfahrzeugen gezeigt hat.
Üblicherweise weisen Akkumulatoren zwei Elektroden auf, eine Anode und eine Kathode. Im einfachsten Fall ist dazwischen ein Elektrolyt angeordnet. Der Elektrolyt kann flüssig oder auch fest sein. Hinzu kommen oft Schichten auf der Elektrode, insbesondere in Lithium-Akkumulatoren Interkallationsschichten. Jede Elektrode wird üblicherweise durch einen von außen zugänglichen Kontakt elektrisch kontaktiert.
Unterseeboote haben traditionell für die Fahrt unter Wasser Batterien mit großer Kapazität, die dadurch eine lebenswichtige Energieversorgung darstellen. Es muss auch im Notfall immer sichergestellt sein, dass Energie bereitgestellt wird, um die Besatzung am Leben zu erhalten und aufzutauchen. Daher ist gerade im Bereich Unterseeboot wichtig, dass alle wichtigen Bauteile schockfest ausgelegt sind, also eine Schockwelle ausgelöst durch eine Detonation in unmittelbarer Nähe überstehen und danach noch funktionsfähig sein. Hierbei treten kurzfristig extrem hohe Kräfte auf.
Gleichzeitig ist die Sicherheit gerade von Lithiumzellen in einem Unterseeboot sehr viel wichtiger als beispielsweise in einem Personenkraftwagen. Während dort Personen das Fahrzeug praktisch sofort und ungefährdet verlassen können, ist dieses bei einem getauchten Unterseeboot unmöglich. Erschwerend kommt hinzu, dass ein getauchtes Unterseeboot auch nur eine sehr kleine atembare Atmosphäre zur Verfügung stellt, Schadstoffe also nicht schnell abgegeben und verdünnt werden.
Aus der US 2012/0003508 A1 ist eine Batterie mit Lithiumzellen mit einem flammenhemmenden Füllschaum zwischen den Lithiumzellen bekannt.
Aus der DE 10 2017 214 289 A1 ist ein Batteriemodul mit mindestens zwei Batteriezellen und jeweils mindestens einem Sicherheitsventil bekannt.
Aus der DE 10 2015 219 280 A1 ist ein mit einer Vergussmasse vergossenes Batteriesystem mit mehreren Batteriezellen bekannt.
Aus der DE 10 2008 013 188 A1 ist ein elektrochemischer Akkumulator mit einem Entgasungsraum zur Aufnahme eines in einem Störfall aus den Zellen austretenden Gasen bekannt.
Aus der JP 02 174 077 A ist eine Festkörper-Sekundärbatterie bekannt.
Aus der DE 10 2016 001 287 A1 ist ein Akkublock mit mehreren Akkuzellen und einer Vergussmasse bekannt, wobei die Akkuzellen von einer Polyimidschicht umgeben sind.
Aus der PCT/EP2020/000182 ist ein schockfestes Batteriemodul insbesondere für Lithium-Akkumulatoren bekannt.
Aus der DE 10 2009 000 675 A1 ist eine wiederaufladbare Batterie bekannt.
Aus der EP 2 639 858 A1 ist ein Batteriesystem bekannt.
Aus der DE 10 2013 203 204 A1 ist eine Batterie mit einem ersten und einem zweiten Batteriemodul bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Batteriemodul bereit zu stellen, welches eine möglichst geringe magnetische Abstrahlung im Betrieb aufweist und besonders langzeitstabil ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Batteriemodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist ein erstes Teilmodul und ein zweites Teilmodul auf. Ein Teilmodul besteht vorzugsweise aus einem Teilmodulgehäuse und in dem Teilmodulgehäuse angeordneten Akkumulatoren. Die Akkumulatoren sind vorzugsweise in dem Teilmodulgehäuse vergossen, sodass diese durch die Vergussmasse sicher und zuverlässig gehalten werden. Bevorzugt sind die Teilmodule quaderförmig ausgeführt. Denkbar sind natürlich auch andere Geometrien für die Teilmodule, insbesondere Geometrien, welche sich an die Rundungen in einem Unterseeboot optimal anpassen, um den Platz im Inneren des Druckkörpers optimal ausnutzen zu können. Hierbei ist zwischen einer standardisierten günstigen Fertigung der Module sowie einer aufwändigeren aber dadurch kapazitätsvergrößernden besseren Raumausnutzung abzuwägen. Das erste Teilmodul weist eine Mehrzahl an Akkumulatoren auf und das zweite Teilmodul weist eine Mehrzahl an Akkumulatoren auf, wobei die Anzahl an Akkumulatoren des ersten Teilmoduls besonders bevorzugt gleich zur Anzahl der Akkumulatoren des zweiten Teilmoduls ist. Jeder Akkumulator weist einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt auf. Der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt sind jeweils auf der gleichen Stirnseite des Akkumulators angeordnet. Die Stirnseite des ersten Teilmoduls mit den elektrischen Kontakten ist in einer ersten Ebene angeordnet, die Stirnseite des zweiten Teilmoduls mit den elektrischen Kontakten ist in einer zweiten Ebene angeordnet. Die erste Ebene ist planparallel zur zweiten Ebene. Weiter sind alle ersten elektrischen Kontakte mit einer ersten, inneren Elektrode der Akkumulatoren und alle zweiten elektrischen Kontakte mit einer zweiten Elektrode der Akkumulatoren verbunden. Beispielsweise ist jeder erste elektrische Kontakt jeweils mit der Kathode des jeweiligen Akkumulators verbunden und jeder zweite elektrische Kontakt ist jeweils mit der Anode des jeweiligen Akkumulators verbunden. Bevorzugt liegt an jedem Akkumulator der erste elektrische Kontakt jeweils auf dem gleichen Potential zum zweiten elektrischen Kontakt (minimale typbedingte Schwankungen durch minimale Unterschiede in den Akkumulatoren einmal vernachlässigt). Alternativ können die Verbindungen auch anders herum sein. Somit weisen alle ersten elektrischen Kontakte eine erste Polarität auf und alle zweiten elektrischen Kontakte die entgegengesetzte zweite Polarität auf. Somit entsprechen alle ersten Kontakte dem Pluspol und alle zweiten Kontakte dem Minuspol oder anders herum. Alle elektrischen Kontakte des ersten Teilmoduls sind auf der dem zweiten Teilmodul gegenüberliegenden Seite des ersten Teilmoduls angeordnet und alle elektrischen Kontakte des zweiten Teilmoduls sind auf der dem ersten Teilmodul gegenüberliegenden Seite des zweiten Teilmoduls angeordnet. Die Teilmodule sind also so ausgerichtet, dass die Seiten mit den Kontakten der Akkumulatoren zueinander zeigen. Dabei besteht aber ein räumlicher Abstand zwischen den Kontakten, sodass sie sich nicht berühren. Hierdurch wird der Raum zwischen elektrischen Verbindungen und damit zwischen den im Betrieb fließenden Strömen minimiert, um so den durch die Leiterschleife erzeugten magnetischen Fluss zu minimieren und dadurch die Signatur so gering wie möglich zu halten.
Erfindungsgemäß sind die ersten und zweiten elektrischen Kontakte des ersten Teilmoduls derart miteinander verbunden, dass sich ein Stromfluss ergibt, der im Mittel in der ersten Ebene oder parallel zu der ersten Ebene fließt. Ganz analog sind die ersten und zweiten elektrischen Kontakte des zweiten Teilmoduls derart miteinander verbunden sind, dass sich ein Stromfluss ergibt, der im Mittel in der zweiten Ebene oder planparallel zu der zweiten Ebene fließt. Der Stromfluss des ersten Teilmoduls und des zweiten Teilmoduls verlaufen richtungsmäßig entgegengesetzt. Es ergibt sich somit, dass der elektrische Strom in einem Teilmodul beispielsweise von oben nach unten fließt und in dem anderen Teilmodul von unten nach oben. Die fließenden Ströme der Teilmodule sind also gegenläufig, was zusammen mit dem möglichst geringen Abstand zu einer maximalen Kompensation der entstehenden elektrischen Felder führt.
Stromfluss im Sinne der Erfindung ist der effektive gemittelte Gesamtstromfluss über ein Teilmodul. Hierbei können auch nicht parallel zum mittleren Stromfluss fließende Teilströme auftreten. Beispielsweise können die Teilströme dadurch entstehen, dass unterschiedliche Akkumulatoren unterschiedliche Innenwiderstände aufweisen. Der Stromfluss ist somit als effektiver Stromfluss über ein ganzes Teilmodul zu verstehen. Die erste Ebene, in der die Stirnseite des ersten Teilmoduls ist, und die zweite Ebene, in der die Stirnseite des zweiten Teilmoduls mit den elektrischen Kontakten angeordnet ist, sind technisch zu verstehen und umfasst auch einen Toleranzbereich, in dem die Kontakte unterhalb und oberhalb dieser Ebene angeordnet sein können. Die Ausdehnung des Toleranzbereichs ist dabei beispielsweise maximal die Länge der Kontakte senkrecht zur Ebene. Dieses kann beispielsweise auch dadurch gegeben sein, dass einer der Polkontakte länger und der andere kürzer ausgeführt sind, was bei gewissen Akkumulatorentypen vorkommt. Dieses kann beispielsweise auch dazu dienen, zu verhindern, dass ein Akkumulator falsch eingesetzt wird, wodurch es zu Beschädigungen kommen würde.
Eine Verbindung der elektrischen Kontakte kann durch elektrische Leiter, also beispielsweise Stromschienen, Metallstreifen, Kabel oder dergleichen, erfolgen. Ebenso können Verbindungen über funktionelle Elemente, beispielsweise Sicherungen, erfolgen. Dazu können beispielsweise in einer Ausführungsform alle ersten elektrischen Kontakte mit einer ersten Stromschiene verbunden sein und alle zweiten elektrischen Kontakte mit einer zweiten Stromschiene verbunden sein. Alle Akkumulatoren sind in dieser Ausführungsform damit parallel geschaltet, sodass das Batteriemodul einen maximal hohen Strom, jedoch bei der geringst möglichen Spannung, der Spannung des einzelnen Akkumulators bereitstellen kann. Die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene sind dabei in ihrer Längserstreckung (überwiegend) in Richtung des Stromflusses ausgerichtet. Die Stromschienen des ersten Teilmoduls und des zweiten Teilmoduls sind dabei bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Bevorzugt verläuft die erste Stromschiene des ersten Teilmoduls parallel zur ersten Stromschiene des zweiten Teilmoduls und die zweite Stromschiene des ersten Teilmoduls parallel zur zweiten Stromschiene des zweiten Teilmoduls.
In einer alternativen Ausführungsform können die ersten Kontakte jeweils einer Gruppe von Akkumulatoren mit jeweils einer ersten Stromschiene elektrisch verbunden sein und die zweiten Kontakte dieser Gruppen von Akkumulatoren sind jeweils entsprechend mit zweiten Stromschienen verbunden. Die erste Stromschiene einer ersten Gruppe ist in dieser Ausführungsform bevorzugt mit der zweiten Stromschiene einer zweiten Gruppe verbunden, wobei die zweite Gruppe bevorzugt elektrisch direkt hinter der ersten Gruppe angeordnet ist. Die Akkumulatoren einer Gruppe sind somit parallel geschaltet, die Gruppen zueinander sind seriell verbunden. Die elektrisch miteinander verbundenen Gruppen eines Teilmoduls sind bevorzugt dabei übereinander angeordnet, sodass sich im Mittel ein Stromfluss in der ersten Ebene, in der zweite Ebene oder parallel zu diesen Ebenen ergibt. Die Anzahl der Gruppen ist dabei bevorzugt 2 bis 50, besonders bevorzugt 2 bis 20. Die Anzahl der Akkumulatoren je Gruppe ist bevorzugt 2 bis 15, besonders bevorzugt 3 bis 10, ganz besonders bevorzugt 4 bis 8. Die parallele elektrische Verbindung der Akkumulatoren in einer Gruppe, die ihrerseits seriell mit anderen Gruppen verbunden ist, hat den Vorteil, dass man einerseits eine höhere Ausgangsspannung erreicht, als bei einer rein parallelen Anordnung, und einen höheren maximalen Strom als bei einer seriellen Anordnung. Die Größe und Anzahl der Gruppen kann damit so gewählt werden, um eine für das zu versorgende Netz sinnvolle Spannung bereitzustellen, wobei eine Umspannung vor einer Einspeisung in das Netz durchaus sinnvoll und üblich ist. Weiter führt der Ausfall eines einzelnen Akkumulators nicht zum Ausfall des gesamten Batteriemoduls, wie bei einer rein seriellen Schaltung der Akkumulatoren. Jedoch verringert sich damit die Kapazität des Batteriemoduls um den Kehrwert der Anzahl der Akkumulatoren je Gruppe, also bei n Akkumulatoren auf den (n - 1 ) / n Wert der Kapazität. Sind beispielsweise 4 Akkumulatoren in jeder Gruppe, so sinkt die Kapazität des Batteriemoduls beim Ausfall eines Akkumulators auf 75 %. Bei einer reinen Parallelschaltung würde sich die Kapazität nur um die Kapazität des ausgefallenen Akkumulators verringern.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform werden alle Akkumulatoren seriell geschaltet. Hierzu wird jeweils der Pluspol eines Akkumulators mit dem nachfolgenden Minuspol des nächsten Akkumulators verbunden. Auf diese Weise wird die maximale Spannung erreicht. Nachteilig ist jedoch, dass der maximale Strom gering ist, also lediglich der maximale Strom, den ein einzelner Akkumulator erzeugen kann. Außerdem führt der Ausfall nur eines Akkumulators zum Ausfall des gesamten Batteriemoduls.
Die Anordnung der elektrischen Kontakte und verbindenden elektrischen Leiter ist somit so gewählt, dass die Stromrichtung bei Stromentnahme aus dem Batteriemodul im ersten Teilmodul (insbesondere räumlich) entgegengesetzt zu der Stromrichtung im zweiten Teilmodul ist. Beispielsweise fließt der effektive gemittelte Strom im ersten Teilmodul von oben nach unten, während der effektive gemittelte Strom im zweiten Teilmodul von unten nach oben fließt.
Selbstverständlich gibt es auch Teilströme, welche quer oder in einem beliebigen Winkel zu dem gemittelten effektiven Stromfluss fließen.
Besonders bevorzugt sind die Modulanschlüsse zur elektrischen Kontaktierung des Batteriemoduls oben oder unten am Batteriemodul angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Modulanschlüsse zur elektrischen Kontaktierung des Batteriemoduls oben angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind Teilströme in ersten Teilmodul und Teilströme im zweiten Teilmodul ebenfalls antiparallel zueinander angeordnet, also jeweils in entgegen gesetzte Richtung. Hierdurch ergibt sich auch bei den Teilströmen eine optimale Kompensation.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die senkrecht zum Stromfluss benachbarten Akkumulatoren elektrisch parallel geschaltet und die in Richtung des Stromflusses benachbarten Akkumulatoren sind elektrisch in Reihe geschaltet. Hierdurch ergibt sich auf jedem Teilmodul eine gitterartige Struktur, wobei sich die beiden gitterartigen Strukturen der beiden Teilmodule gegenüberliegen. Bei Benutzung fließt dann der Strom nur durch eine sehr enge und flache flächige Leiterschleife, was die magnetische Signatur des Batteriemoduls im Betrieb minimiert. Somit ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul besonders geeignet für den Einsatz an Bord eines Unterseeboots.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist jeder Akkumulator eine zylindrische Grundform auf. Zwar sind auch andere Grundformen denkbar, die zylindrische Form optimiert sowohl Herstellung als auch Packbarkeit in den Teilmodulen.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind das erste Teilmodul und das zweite Teilmodul baugleich, jedoch um 180° um eine Achse, welche parallel zum Stromfluss liegt, gedreht. Hierdurch ergibt sich eine einfache modulare Fertigung, da alle Teilmodule baugleich sind. Lediglich die Anordnung der Akkumulatoren muss aus elektrischen Gründen bei einem Teilmodul gegenüber dem anderen Teilmodul gedreht sein.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung sind das erste Teilmodul und das zweite Teilmodul spiegelsymmetrisch aufgebaut. Auch hierbei muss Anordnung der Akkumulatoren aus elektrischen Gründen bei einem Teilmodul gegenüber dem anderen Teilmodul gedreht sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Akkumulatoren hexagonal angeordnet. Dieses entspricht der dichtesten Packung zylindrischer Objekte. Der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt eines Akkumulators sind jeweils in Richtung des Stromflusses übereinander angeordnet. Vereinfacht gesagt, liegen Pluspol und Minuspol bei jedem senkrecht übereinander. Die Reihenfolge der elektrischen Kontakte ist bei senkrecht zum Stromfluss benachbart versetzt angeordneten Akkumulatoren jeweils umgekehrt. Ist beispielsweise bei der oberen Lage der Pluspol oben und der Minuspol unten, so ist in der überlappend darunter liegenden Lager der Minuspol oben und der Pluspol oben. Dieses führt dazu, dass die gleichen elektrischen Kontakte vorzugweise in einer Reihe liegen. Besonders bevorzugt sind die senkrecht zum Stromfluss nebeneinander angeordneten gleichen elektrischen Kontakte mit einem Metallstreifen leitend verbunden. Der Metallstreifen hat neben der elektrischen Kontaktierung noch zwei Vorteile. Zum einen kann durch die Breite ein gewisser Höhenunterschied zwischen den elektrischen Kontakten der benachbarten Lagen ausgeglichen werden. Zum anderen stellt eine derartige Fläche auch eine gute Wärmetauschfläche dar. Über die elektrischen Kontakte ist diese mit den Elektroden in den Akkumulatoren verbunden, sodass Wärme gut abgeführt werden kann. Und über diese Fläche kann die Wärme dann weiter an die Umgebung abgegeben werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zwei in Richtung des Stromflusses übereinander angeordnete elektrische Kontakte zweier in Richtung des Stromflusses benachbarter Akkumulatoren elektrisch mit einander verbunden. Um eine Reihenschaltung zu gewährleisten sind diese in Richtung des Stromflusses übereinander angeordnete elektrische Kontakte entgegengesetzte Kontakte, praktisch gesprochen ein Pluspol und ein Minuspol. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist diese elektrische Verbindung als Sicherung ausgelegt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind alle Akkumulatoren eines Teilmoduls netzartig miteinander verbunden. Es sind also nebeneinander liegende gleiche Pole miteinander verbunden, ebenso sind die jeweils übereinander liegenden benachbarten entgegengesetzten Pole miteinander verbunden, sodass sich elektrisch ein Gitter ergibt. Jedes Teilmodul weist somit ein Gitter auf, wobei diese Gitter planparallel übereinander liegen. Durch dieses Gitter wird das magnetische Streufeld minimiert und gleichzeitig die Temperatur vergleichmäßigt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der elektrischen Kontaktierung der Akkumulatoren des ersten Teilmoduls und der elektrischen Kontaktierung des zweiten Teilmoduls eine Kühlvorrichtung angeordnet. Gerade durch die flächige Ausbildung der Kontaktierung ist eine effektive Kühlung möglich. Besonders bevorzugt sind die Kühlvorrichtungen und die elektrischen Kontaktierungen nur so weit voneinander beabstandet, wie dieses für die elektrische Isolation notwendig ist. Hierdurch wird zum einen der Wärmeübergang verbessert, zum anderen das magnetische Streufeld minimiert.
Die beiden Teilmodule zusammen bilden ein Batteriemodul. Das Batteriemodul ist direkt oder indirekt an ein elektrisches Verbrauchernetz, also dem Bordnetz, angeschlossen. An einem Ende weist das Batteriemodul Kontakte zur Kontaktierung und Verbindung mit dem elektrischen Verbrauchernetz auf. Die Teilmodule sind am gegenüberliegenden Ende miteinander verbunden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Teilmodule am unteren Ende elektrisch miteinander verbunden. Der Strom fließt somit in einem Teilmodul nach unten und in dem anderen Teilmodul nach oben. Die elektrischen Kontakte zur Kontaktierung des Batteriemoduls sind vorzugsweise auf der Oberseite und bevorzugt möglichst dicht beieinander angeordnet. Diese Ausführungsform ist gerade für Nachrüstungen auf einem Unterseeboot bevorzugt, welches bisher mit Bleiakkumulatoren ausgestattet war. In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Teilmodule am oberen Ende elektrisch miteinander verbunden. Der Strom fließt somit in einem Teilmodul nach oben und in dem anderen Teilmodul nach unten. Die elektrischen Kontakte zur Kontaktierung des Batteriemoduls sind vorzugsweise auf der Unterseite und bevorzugt möglichst dicht beieinander angeordnet.
In einer Ausführungsform weist das Batteriemodul einen ersten Modulkontakt und einen zweiten Modulkontakt auf. Der erste Modulkontakt ist mit dem ersten Teilmodul verbunden und der zweite Modulkontakt ist mit dem zweiten Teilmodul verbunden. Beispielsweise ist der erste Modulkontakt der Pluspol und der zweite Modulkontakt der Minuspol (oder anders herum).
In einer weiteren Ausführungsform besteht das Batteriemodul aus n ersten Teilmodulen und n zweiten Teilmodulen, wobei n eine natürliche Zahlt zwischen 1 und 200, bevorzugt zwischen 2 und 40, ist. Die ersten Teilmodule und die zweiten Teilmodule sind dabei jeweils zueinander so angeordnet, wie es vorstehend beschrieben ist, sodass immer zwei gegenüberliegende Teilmodule den erfindungsgemäßen Vorteil der Minimierung des magnetischen Flusses sicherstellen. Die Teilmodule sind dann jeweils abwechselnd an alternierenden Seiten, beispielsweise und insbesondere an der Oberseite und der Unterseite, elektrisch miteinander verbunden. Die elektrische Verbindung des Batteriemoduls zum Verbraucher- oder Bordnetz ist in diesem Fall am ersten und am letzten Teilmodul angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den Akkumulatoren und zwischen den Teilmodulen eine Vergussmasse. Bevorzugt ist die Vergussmasse ein Duroplast, bevorzugt ein Epoxid. Bevorzugt weist die Vergussmasse ein Elastizitätsmodul von 25 bis 200 MPa, weiter bevorzugt von 50 bis 125 MPa, besonders bevorzugt von 60 bis 90 MPa, nach ISO 527 auf. Bevorzugt weist die Vergussmasse eine Zugfestigkeit von 2 bis 20 MPa, weiter bevorzugt von 3 bis 15 MPa, besonders bevorzugt von 4 bis 9 MPa, nach ISO 527 auf. Bevorzugt weist die Vergussmasse eine Härte von 20 bis 100 Shore D nach ISO 53505 auf, bevorzugt von 35 bis 80, besonders bevorzugt von 50 bis 75. Bevorzugt ist die Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse größer ist als 0,03 W / (m · K), bevorzugt größer als 0,2 W / (m · K), weiter bevorzugt größer als 0,5 W / (m · K), besonders bevorzugt größer als 0,8 W / (m · K). Auch wenn eine beliebig hohe Wärmeleitfähigkeit wünschenswert wäre, so weist jedoch realistisch die Vergussmasse eine Wärmeleitfähigkeit auf, welche kleiner ist als 20 W / (m · K), wahrscheinlicher kleiner als 5 W / (m · K), noch wahrscheinlicher kleiner als 2 W / (m · K). Insbesondere wird die Wärmeleitfähigkeit gemäß ISO 8894-1 bestimmt.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Batteriemodul anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Teilmodul
Fig. 2 Batteriemodul
In Fig. 1 ist ein Teil eines Teilmodus 110, 120 gezeigt. Zur Vereinfachung ist eine einfache quadratische Anordnung von 3x3 Akkumulatoren 10 gezeigt. In einer realen Anwendung wird die Anzahl der Akkumulatoren 10 größer sein, das Prinzip bleibt jedoch das gleiche. Jeder Akkumulator 10 weist einen Pluspol 40 und einen Minuspol 50 auf. Diese vereinfachte Anordnung ist nur zum Zwecke der Übersichtlichkeit der Zeichnung gewählt. Im gezeigten Fall sind die Minuspole 50 über Kontaktierungen 20 senkrecht zum Stromfluss mit einander verbunden. In Richtung des Stromflusses sind im gezeigten Beispiel die Minuspole 50 der oberen Reihe von Akkumulatoren 10 mit den Pluspolen 40 der darunter liegenden Reihe von Akkumulatoren 10 über Kontaktierungen 30 in Richtung des Stromflusses verbunden. Über die elektrische Kontaktierung der Pole 40, 50 zur als Metallband ausgeführten Kontaktierung 20 senkrecht zum Stromfluss wird auch die in einem Akkumulator 10 entstehende Wärme abgeführt und somit flächig in die Nähe der Kühlvorrichtung 160 gebracht.
Zusätzlich ist der mittlere Stromfluss 60 gezeigt, technisch gesehen von Plus- zum Minus- Pol fließend. Ströme, welche in den Kontaktierungen 20 senkrecht zum Stromfluss fließen, mitteln sich heraus, sodass summarisch sich ein Stromfluss 60 ergibt.
Fig. 2 zeigt ein Batteriemodul 100 ist stark vereinfachten Querschnitt. Das Batteriemodul 100 weist ein erstes Teilmodul 110 und ein zweites Teilmodul 120 auf. Alle Akkumulatoren 10 des ersten Teilmoduls 110 sind, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, über eine erste elektrische Kontaktierung 130 kontaktiert und alle Akkumulatoren 10 des zweiten Teilmoduls 120 sind, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, über eine zweite elektrische Kontaktierung 140 kontaktiert. Die erste elektrische Kontaktierung 130 ist über eine Verbindung 150 elektrisch mit der zweiten elektrischen Kontaktierung 140 verbunden. Über einen ersten Anschluss 132 und einen zweiten Anschluss 142 kann das Batteriemodul 100 elektrisch kontaktiert werden und elektrische Energie zur Verfügung stellen oder geladen werden.
Zwischen der ersten elektrischen Kontaktierung 130 und der zweiten elektrischen Kontaktierung 140 ist eine Kühlvorrichtung 160 angeordnet. Der Abstand wird so gering wie möglich gehalten, um einen optimalen Wärmeübergang zu ermöglichen, ohne die Gefahr eines Kurzschlusses zu erzeugen.
Im Mittel fließt der Strom beispielsweise in der ersten elektrischen Kontaktierung 130 von oben nach unten und in der zweiten elektrischen Kontaktierung 140 von unten nach oben, dargestellt durch die Stromflüsse 60. Dadurch ergibt sich eine sehr enge Leiterschleife, die aufgrund der kleinen Fläche einen kleinen magnetischen Fluss erzeugt.
Weiter ist in der vereinfachten schematischen Darstellung zu erkennen, dass die erste elektrische Kontaktierung 130 eine gewisse räumliche Ausdehnung aufweist und nicht als exakte Ebene (als eine Linie) dargestellt ist. Ebenso weist die zweite elektrische Kontaktierung 140 eine gewisse räumliche Ausdehnung auf und ist nicht als exakte Ebene (als eine Linie) dargestellt. Dieses ist fertigungstechnisch notwendig. Dennoch sind im Sinne der Erfindung die die erste elektrische Kontaktierung 130 in der ersten Ebene und die die zweite elektrische Kontaktierung 140 in der zweiten Ebene angeordnet.
Bezugszeichen
10 Akkumulator
20 Kontaktierung senkrecht zum Stromfluss
30 Kontaktierung in Richtung des Stromflusses
40 Pluspol
50 Minuspol
60 Stromfluss 100 Batteriemodul
110 erstes Teilmodul
120 zweites Teilmodul
130 erste elektrische Kontaktierung 132 erster Anschluss
140 zweite elektrische Kontaktierung
142 zweiter Anschluss
150 Verbindung
160 Kühlvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Batteriemodul (100), wobei das Batteriemodul (100) ein erstes Teilmodul (110) und ein zweites Teilmodul (120) aufweist, wobei das erste Teilmodul (110) eine Mehrzahl an Akkumulatoren (10) aufweist, wobei das zweite Teilmodul (120) eine Mehrzahl an Akkumulatoren (10) aufweist, wobei jeder der Akkumulatoren (10) einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt aufweist, wobei der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt jeweils auf der gleichen Stirnseite des Akkumulators (10) angeordnet sind, wobei die Stirnseite des ersten Teilmoduls (110) mit den elektrischen Kontakten in einer ersten Ebene angeordnet ist, wobei die Stirnseite des zweiten Teilmoduls (120) mit den elektrischen Kontakten in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene planparallel zur zweiten Ebene ist, wobei alle ersten elektrischen Kontakte mit einer ersten Elektrode der Akkumulatoren (10) verbunden sind, wobei alle zweiten elektrischen Kontakte mit einer zweiten Elektrode der Akkumulatoren (10) verbunden sind, wobei alle elektrischen Kontakte des ersten Teilmoduls (110) auf der dem zweiten Teilmodul (120) gegenüberliegenden Seite des ersten Teilmoduls (110) angeordnet sind, wobei alle elektrischen Kontakte des zweiten Teilmoduls (120) auf der dem ersten Teilmodul (110) gegenüberliegenden Seite des zweiten Teilmoduls (120) angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten elektrischen Kontakte des ersten Teilmoduls (110) derart miteinander verbunden sind, dass sich ein im Mittel Stromfluss in der ersten Ebene oder planparallel zu der ersten Ebene ergibt, wobei die ersten und zweiten elektrischen Kontakte des zweiten Teilmoduls (120) derart miteinander verbunden sind, dass sich ein im Mittel Stromfluss in der zweiten Ebene oder planparallel zu der zweiten Ebene ergibt, wobei der Stromfluss des ersten Teilmoduls (110) und des zweiten Teilmoduls (120) richtungsmäßig entgegengesetzt verlaufen.
2. Batteriemodul (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht zum Stromfluss benachbarten Akkumulatoren (10) elektrisch parallel geschaltet sind und wobei die in Richtung des Stromflusses benachbarten Akkumulatoren (10) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
3. Batteriemodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatoren (10) hexagonal angeordnet sind, wobei der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt jeweils in Richtung des Stromflusses übereinander angeordnet sind, wobei die Reihenfolge der elektrischen Kontakte bei senkrecht zum Stromfluss benachbart versetzt angeordneten Akkumulatoren (10) jeweils umgekehrt ist.
4. Batteriemodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht zum Stromfluss nebeneinander angeordneten gleichen elektrischen Kontakte mit einem Metallstreifen leitend verbunden sind.
5. Batteriemodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Richtung des Stromflusses übereinander angeordnete elektrische Kontakte zweier in Richtung des Stromflusses benachbarter Akkumulatoren (10) elektrisch mit einander verbunden sind.
6. Batteriemodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Akkumulatoren (10) eines Teilmoduls (110, 120) netzartig miteinander verbunden sind.
7. Batteriemodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrischen Kontaktierung (20, 30, 130, 140) der Akkumulatoren (10) des ersten Teilmoduls (110) und der elektrischen Kontaktierung (20, 30, 130, 140) des zweiten Teilmoduls (120) eine Kühlvorrichtung (160) angeordnet ist.
8. Batteriemodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilmodule (110, 120) am unteren Ende elektrisch miteinander verbunden sind.
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