WO2023072558A1 - Modul und/oder pack und daraus aufgebautes batteriesystem - Google Patents

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WO2023072558A1
WO2023072558A1 PCT/EP2022/077992 EP2022077992W WO2023072558A1 WO 2023072558 A1 WO2023072558 A1 WO 2023072558A1 EP 2022077992 W EP2022077992 W EP 2022077992W WO 2023072558 A1 WO2023072558 A1 WO 2023072558A1
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module
pack
carrier
cells
cell
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PCT/EP2022/077992
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Inventor
André Wiechert
Florian Schwarz
Simon LEYHR
Moritz BERTSCH
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Elringklinger Ag
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the present invention relates to a module and/or a pack based on elementary cells of a cylindrical design or Round cells in which the elementary cells are electrically connected to one another in series and parallel circuits by a cell contact system, and a battery system constructed therefrom, which is intended as a device for delivering and storing electrical energy.
  • a battery system comprises at least one battery module, it being possible for a number of battery modules to be combined to form a pack.
  • different cell formats can be used in battery modules.
  • the present invention focuses exclusively on a design of modules or packs based on elementary cylindrical cells or Round cells are constructed.
  • modules and packs based on such elementary cells or Memory cells are implemented, for use in vehicles that they generally have application-specific fish formats with the densest possible packing of said cells.
  • common cell formats are e.g. B. known by the designations 18650, 21700 and 46800.
  • Application-specific formats of modules or packs that are built up from this only come in one application and, if necessary. used at only one location in a given vehicle , possibly in the form of multiple modules in a vehicle .
  • Modules and packs made from cylindrical lithium-ion batteries are usually designed according to customer or application-specific specifications. A customer-specific design is determined by the space available in each case, particularly in the case of applications in the passenger car sector.
  • There are various applications for which a specific development, e.g. B. is rather not worthwhile due to the small number of pieces. For these applications, an at least partial standardization of modules and/or packs would be advantageous since considerable cost advantages can be achieved in this way.
  • the present invention therefore has the task of creating a module and/or a pack that can be used to implement customer-specific solutions without a complete new development or redesign of a battery system constructed from it.
  • a module and/or pack that is constructed on the basis of elementary cells of a cylindrical format, in which the elementary cells are electrically connected to one another in series and parallel circuits by a cell contacting system, contacting both poles of each elementary cell is provided on a free top of the module or pack, solved by the features of claim 1, characterized in that a carrier is spatially predefined as a module or pack format with a fixed number of elementary cells, the electrical properties of the module and / or pack by selection a cell contacting system with a respectively adapted interconnection of the elementary cells and whose connection is designed to be adjustable on the free upper side of the module or pack.
  • electrical properties are determined by electrical Connection of a respective cell contacting system to the elementary storage cells is determined, with several cell contacting systems for each having different electrical properties being selectable.
  • further measures for adapting the design are not required to adjust changed electrical properties of the finished module or pack, in particular no redesign or a new development of the module or pack.
  • the only component of the module or pack that conforms to a given electrical specification, i . H . Voltage level and rated current that needs to be adjusted is therefore the cell contacting system. Since contact is made to both poles of each cell in such a carrier on a single free top side of the module or pack, the wiring can be changed simply by changing the cell contact system in order to adapt the wiring of the energy storage devices in each case set desired electrical properties of the finished module or pack.
  • the cell contacting system is designed as a closure for the free upper side of the pack and/or module. This means that a cell contacting system can be replaced or replaced with another comparatively easily in a standardized framework before contact is made with the elementary storage cells. interchangeable .
  • the carrier of the pack and/or module is designed as a trough.
  • the carrier thus forms, so to speak, a mechanical basis of the pack or module.
  • a mechanical hold for the elementary cells caused by the carrier makes it easier to change the cell contacting system. In combination with the cell contacting system, this results in a closed, fully wired electrical unit.
  • the cells are preferably arranged standing in the same direction in the carrier. Compared to mixed forms of equipping the carrier, this results in a greater possibility of variation with regard to the variants of the interconnection for influencing the electrical properties at the connection poles of the pack or module.
  • the cell contacting system comprises a plastic carrier that is uniform for all variants of the pack and/or module and a grid that is adapted to a respective specification of the electrical properties as an interconnection structure in the form of a stamped and bent structure with insulation for interconnecting the elementary cells in the form of a specific series and parallel circuit.
  • the punched-bent structure in the cell contacting system has a secure and electrically well-conducting contact with terminal strips, these terminal strips ending in two poles for the respectively opposite charges.
  • detachable spring contacts are provided in the area of the stamped and bent structure.
  • a secure electrical contact is made between the elementary cells and the cell contacting system, which is permanent and reliable for any type of interconnection of the elementary storage cells by a respective cell contacting system.
  • the aforementioned metallic components of the cell contacting system are preferably fixed by latching and/or gluing on and in the plastic carrier.
  • the cell contacting system can thus be assembled quickly and efficiently with a high level of process reliability.
  • the cell contacting system is selected depending on the electrical properties and requirements for a given free upper side of an assembled carrier.
  • modules and/or packs with one-sided contacting of both poles allow each storage cell in an installation position from above or to a free upper side, the use of a one-sided cell contacting system, through which a largely variably adjustable voltage and current control is possible through the design of a respective contact sheet.
  • Variants of a carrier for different numbers of elementary memory cells are only required for different capacities, with such deviations possibly. can also be solved within limits by series/parallel connection.
  • With only one format of a mechanical carrier, which then also takes over the function of an electrical insulation, according to the invention a largely free choice of voltage and current is created with a fixed number of elementary storage cells in order to be able to be used in a uniform design or.
  • FIG. 1 a perspective view of a trough with a floor element and an outer frame adjoining an edge and ending in a seal at the end;
  • FIG. 2 a view according to FIG. 1 of the trough progressively filled with elementary cells aligned parallel to one another and arranged upright;
  • FIG. 3 a perspective view of an assembly of a contact board with connection strips and busbars to form a cell contacting system
  • FIG. 4 a side view of the completely assembled cell contacting system
  • FIG. 5 a plan view of the cell contacting system as the final cover on the frame of a module equipped with elementary cells and
  • FIG. 6 an enlarged detail of FIG.
  • a planar carrier as a cuboid body is shown and described below only for use in exemplary embodiments of the invention used in a battery module with cylindrical cells designed for electrically driven vehicles.
  • the battery module is designed to store electrical energy from any source, e.g. B. an external charging station or a driving electric motor operated as a generator, as well as for the delivery of stored electrical energy for a supply u. a. of the traction motor as well as auxiliary and assistance systems.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a carrier 3 designed as a trough with a seal 6 running on an edge 5 designed as a frame.
  • the carrier 3 creates u. a. struts and stiffening elements provide a mechanically resilient support for a predetermined number of elementary cells 2 of a cylindrical format, which are provided in the carrier 3 when arranged in the same direction.
  • a height H of the carrier 3 is matched to a length of the elementary cells 2 of a cylindrical format to be used to such an extent that the free upper side 7 of the module or pack 1 results after the cells 2 have been fitted.
  • a cooling system for dissipating waste heat generated during operation of the cell 2 is arranged opposite the free upper side 7 on a base of the carrier 3 .
  • FIG. 2 shows a view according to FIG. 1 of the carrier 3 progressively filled with elementary cells aligned parallel to one another and arranged upright.
  • a central area of the carrier 3 is shown without being equipped with cells 2 .
  • FIG. 3 shows a perspective view of an assembly of a cell contacting system 4 that is finished except for the bond connector and that includes a contact circuit board 8 and two terminal strips 11, 12 that end in respective poles 9, 10.
  • the contact circuit board 8 in turn comprises a plastic carrier 13 and a grid-like stamped and bent structure 14 adapted to a respective specification of the electrical properties, which in one embodiment of the invention is provided with additional insulation in the form of adhesive dots, not shown here.
  • stamping and bending structure 14 is a Connection of the elementary cells 2 defined in the form of predetermined series and parallel circuits, through which a specification of the electrical properties of the selected number of elementary cells 2 is achieved.
  • the stamped and bent structure 14 is in secure and electrically well-conducting contact with the terminal strips 11 , 12 . This contact is formed here by welding.
  • the metallic components mentioned are fixed by means of latches on and in the plastic support 13 .
  • FIG. 4 shows a side view of the fully assembled cell contacting system 4 .
  • the cell contacting system 4 forms a compact and mechanically stable component in the form of assembled metallic components around the stamped and bent structure 14 in the very flat contact circuit board 8 in the plastic carrier 13, which ends in the poles 9, 10.
  • FIG. 5 shows a plan view of the cell contacting system 4 in the form of the contact circuit board 8 as a cover on the carrier 3 of the module or pack 1 equipped with elementary cells 2 .
  • a permanent mechanical unit is formed, which is also designed to be sealed here.
  • the cell contacting system 4 can now have bonds or z. B. are also electrically connected to the poles of the elementary cells 2 by spring contacts formed on the grid-like stamped and bent structure 14 .
  • FIG. 6 shows a section of FIG. 5 for an improved representation of the electrical interconnection at the level of the elementary memory cells 2.
  • the connections for both polarities N, P of the elementary memory cells 2 are located together on the free one Top 7 of the carrier 3 .
  • a central positive contact pole P is used as the first connection.
  • An electrically conductive outer housing that is insulated from this is used as the negative second pole N.
  • the contact board 8 has already been placed and fixed on the carrier 3 .
  • FIG. 6 now shows in detail how the grid-like stamped and bent structure 14 positioned in the plastic carrier 13 of the contact circuit board 8 is connected to the positive contact poles P and the negative poles N in each case by bonding wire connections 15 is .
  • a conductor 16 of the lattice-like stamped and bent structure 14 of the contact circuit board 8 is electrically connected to the negative pole N of an elementary memory cell 2 by welding at each of its two end sides via a bonding wire connection 15, with the associated positive contact pole P of the same elementary memory cell 2 is conductively connected to a further conductor 17 of the grid-like stamped and bent structure 14 via a further bonding wire connection 15 . From the conductor 17, it then continues in an analogous manner via bonding wire connections 15 to adjacent elementary memory cells 2, so that the elementary memory cells 2 here are connected in rows in series and in columns, ie. H . at the same potential, are connected in parallel.
  • a second example based on the mentioned module size of 288 cells of the type 21700 - for reasons of employee protection - is a module with less than 60V maximum voltage in the form of a 16s l 8p connection as the basis for a traction storage device of a battery-electric vehicle, BEV, to name an example. in a 12 s24p or 8 s36p connection when divided into several modules connected in series.
  • BEV battery-electric vehicle
  • the only component of the module that has to be adapted to a particular specification of the electrical properties is the cell contacting system, which consists of a uniform plastic carrier for all module variants and a grid-like punched structure adapted to the module type for the selected module connection in the form of a certain series and parallel connections of the cells.
  • this technology can also be used to implement 'cell to pack' or 'cell to chassis' concepts by means of suitable series and parallel connection of groups of elementary cells from packs or modules of the type described above.
  • Advantages of these concepts are, with a high degree of variability, an optimized use of space by a battery system, with the saving of module components reducing the overall weight and also the overall costs of the modules or packs proposed above, and with improved use of space.
  • An application of a cell contacting system 4 according to the invention also enables a largely flexible adaptation of a frame 3 , which is equipped as a carrier with elementary storage cells 2 ready for one-sided contacting on a free upper side 7 , to changed electrical properties of the pack in question or Module 1 to external terminals of its poles 9 , 10 .

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pack und/oder ein Modul auf Basis elementarer Zellen einer zylindrischen Bauform, in dem die elementaren Zellen durch ein Zellkontaktiersystem (4) miteinander in Serien- und Parallelschaltungen elektrisch verschaltet sind, wobei eine Kontaktierung beider Pole (P, N) jeder elementaren Zelle (2) an einer freien Oberseite (7) des Moduls oder Packs (1), und ein daraus aufgebautes Batteriesystem, das als Vorrichtung zur Abgabe sowie zur Einspeicherung elektrischer Energie vorgesehen ist. Um ein Pack und/oder ein Modul zu schaffen, durch dessen Verwendung kundenspezifische Lösungen ohne eine vollständige Neuentwicklung eines daraus aufgebauten Batteriesystems realisierbar sind, wird vorgeschlagen, dass ein Träger (3) als Modul- oder Packformat mit festgelegter Anzahl von elementaren Zellen (2) räumlich vordefiniert ist, wobei die elektrischen Eigenschaften des Moduls und/oder Packs (1) durch Auswahl eines Zellkontaktiersystems (4) mit einer jeweils angepassten Verschaltung der elementaren Zellen (2) und dessen Verbindung an der freien Oberseite (7) des Moduls oder Packs (1) einstellbar ausgebildet sind.

Description

Modul und/oder Pack und daraus aufgebautes Batteriesystem
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Modul und/oder ein Pack auf Basis elementarer Zellen einer zylindrischen Bauform bzw . Rundzellen, in dem die elementaren Zellen durch ein Zellkontaktiersystem miteinander in Serien- und Parallelschaltungen elektrisch verschaltet sind, und ein daraus aufgebautes Batteriesystem, das als Vorrichtung zur Abgabe sowie zur Einspeicherung elektrischer Energie vorgesehen ist .
Aus dem Stand der Technik ist bekannt , dass ein Batteriesystem mindestens ein Batteriemodul umfasst , wobei mehrere Batteriemodule zu einem Pack zusammengefasst werden können . Dabei können in Batterie-Modulen grundsätzlich verschiedene Zell formate zum Einsatz kommen . Ausgehend z . B . von der US 10 , 347 , 894 B2 fokussiert sich die vorliegende Erfindung aufgrund der vergleichsweise hohen Anzahl von Anschluss-Polen in einer vergleichsweise kleinen Fläche und dementsprechend vielen möglichen Verschaltungen ausschließlich auf eine Auslegung von Modulen oder Packs , die auf Basis elementarer zylindrischer Zellen bzw . Rundzellen aufgebaut sind .
Der Stand der Technik sieht bei Modulen und Packs , die auf Basis derartiger elementarer Zellen bzw . Speicherzellen realisiert sind, für einen Einsatz in Fahrzeugen vor, dass sie in der Regel anwendungsspezi fische Formate mit möglichst dichter Packung der genannten Zellen aufweisen . Derzeit übl iche Zellformate sind z . B . unter den Bezeichnungen 18650 , 21700 und 46800 bekannt . Daraus aufgebaute anwendungsspezi fischen Formate von Modulen oder Packs kommen nur in einer Anwendung und ggf . nur an einer Stelle in einem betref fenden Fahrzeug zum Einsatz , möglicherweise in Form mehrerer Module in einem Fahrzeug . Module und Packs aus zylindrischen Lithium- Ionen-Batterien werden in der Regel nach künden- oder anwendungsspe zi fischen Vorgaben ausgelegt . Eine kundenspezi fische Auslegung ist dabei insbesondere bei Anwendungen im PKW-Bereich durch einen j eweils zur Verfügung stehenden Bauraum bestimmt . Es gibt dabei diverse Anwendungen, für die eine spezi fische Entwicklung z . B . aufgrund zu geringer Stückzahlen eher nicht lohnend ist . Für diese Anwendungen wäre eine mindestens teilweise Standardisierung von Modulen und/oder Packs vorteilhaft , da hierdurch erhebliche Kostenvorteile erzielt werden können .
Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe , ein Modul und/oder ein Pack zu schaf fen, durch dessen Verwendung kundenspezi fische Lösungen ohne eine vollständige Neuentwicklung o- der Redesign eines daraus aufgebauten Batteriesystems realisierbar sind .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Modul und/oder Pack, das auf Basis elementarer Zellen eines zylindrischen Formats aufgebaut ist , in dem die elementaren Zellen durch ein Zellkontaktiersystem miteinander in Serien- und Parallelschaltungen elektrisch verschaltet sind, wobei eine Kontaktierung beider Pole j eder elementaren Zelle an einer freien Oberseite des Moduls oder Packs vorgesehen ist , durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst , dass ein Träger als Modul- oder Packformat mit festgelegter Anzahl von elementaren Zellen räumlich vordefiniert ist , wobei die elektrischen Eigenschaften des Moduls und/oder Packs durch Auswahl eines Zellkontaktiersystems mit einer j eweils angepassten Verschaltung der elementaren Zellen und dessen Verbindung an der freien Oberseite des Moduls oder Packs einstellbar ausgebildet ist . Bei einer vorgegebenen geometrischen Konfiguration eines Moduls o- der Packs werden elektrische Eigenschaften durch elektrische Anbindung eines j eweiligen Zellkontaktiersystems an die elementaren Speicherzellen bestimmt , wobei mehrere Zel lkontaktiersysteme für j eweils unterschiedliche elektrische Eigenschaften auswählbar sind . Weitergehende Maßnahmen zur Designanpassung sind damit zur Einstellung geänderter elektrischer Eigenschaften des fertigen Moduls oder Packs vortei lhafterweise nicht erforderlich, insbesondere kein Re-Design oder eine Neuentwicklung des Moduls oder Packs .
Elementare Zellen werden in Modulen parallel und in Reihe verschaltet , um die gewünschte Spannungslage zu realis ieren und um den Nennstrom als elektrische Eigenschaften passend einzustellen . Mehrere Module wiederum werden in Packs oder Energiespeichern parallel und in Reihe verschaltet , um die gewünschte Spannungslage zu realisieren und um den Nennstrom passend für die j eweilige Anwendung einzustellen . Eine Basis der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis , dass einzig eine Gesamtzahl an Zellen in dem Batteriesystem als Gesamtspeicher , die parallel und in Reihe geschaltet wird, für die Anwendung bzw . deren Vorgaben entsprechend passend festzulegen ist . Dabei gibt es also Freiheitsgrade bei der Wahl geeigneter Verschaltungen auf Zell- und auch auf Modulebene . Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Freiheitsgrade auf Zellebene nicht zuletzt aufgrund der zahlreichen Pole auf Zel lebene optimal genutzt . Die einzige Komponente des Moduls oder Packs , die an eine j eweilige Vorgabe der elektrischen Eigenschaften, d . h . Spannungsniveau und Nennstrom, angepasst werden muss , ist damit das Zellkontaktiersystem . Da eine Kontaktierung beider Pole j eder Zelle in einem derartigen Träger an einer einzigen freien Oberseite des Moduls oder Packs vorgesehen i st , kann eine Änderung der Verschaltung allein schon durch einen entsprechenden Wechsel des Zellkontaktiersystems erfolgen, um durch eine angepasste Verschaltung der Energiespeicher j eweils gewünschte elektrische Eigenschaften des fertigen Moduls oder Packs einzustellen .
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der j eweiligen abhängigen Ansprüche . Demnach ist das Zellkontaktiersystem als Verschluss der freien Oberseite des Packs und/oder Moduls ausgebildet . Damit ist ein Zellkontaktiersystem in einem standardisierten Rahmen vergleichsweise einfach vor einer Kontaktierung mit den elementaren Speicherzellen gegen ein anderes auswechsel- bzw . austauschbar .
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Träger des Packs und/oder Moduls als Wanne ausgebildet . Der Träger bildet damit sozusagen eine mechani sche Basis des Packs oder Moduls . Ein durch den Träger bewirkter mechanischer Halt für die elementaren Zellen erleichtert einen Wechsel des Zellkontaktiersystems . Damit ergibt sich in Kombination mit dem Zellkontaktiersystem bereits eine geschlossene elektrische fertig verschaltete Einheit .
Vorzugsweise sind die Zellen in dem Träger gleichsinnig stehend angeordnet . Gegenüber Mischformen einer Bestückung des Trägers ergibt sich hieraus eine größere Variationsmöglichkeit hinsichtlich der Varianten der Verschaltung zur Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften an den Anschluss-Polen des Packs oder Moduls .
In einer Aus führungs form der Erfindung umfasst das Zellkontaktiersystem einen für alle Varianten des Packs und/oder Moduls einheitlichen Kunststof f träger und ein an eine j eweilige Vorgabe der elektrischen Eigenschaften angepasstes Gitter als Verschaltungsstruktur in Form einer Stanz-Biegestruktur mit Isolierungen für eine Verschaltung der elementaren Zellen in Form einer bestimmten Reihen- und Parallelschaltung . Vorteilhafterweise weist die Stanz-Biegestruktur in dem Zellkontaktiersystem einen sicheren und elektrisch gut leitenden Kontakt mit Anschlussleisten auf , wobei diese Anschlussleisten die in zwei Pole für die j eweils gegensinnigen Ladungen hin auslaufen .
In einer Weiterbildung der Erfindung sind im Bereich der Stanz-Biegestruktur lösbare Federkontakte , widerstandsgeschweißte Schweiß fahnen, Metallbänder oder Bond-Verbindungen vorgesehen . Hierdurch wird eine sichere elektrische Kontaktierung der elementaren Zellen mit dem Zellkontaktiersystem hergestellt , die dauerhaft und zuverlässig zu j eder Art der Verschaltung der elementaren Speicherzellen durch ein j eweiliges Zellkontaktiersystem ist .
Vorzugsweise erfolgt eine Fixierung der vorstehend genannten metallischen Bauteile des Zellkontaktiersystems durch Verras- tungen und/oder Verklebungen an und in dem Kunststo ff träger . Ein Zusammenbau des Zellkontaktiersystems ist somit bei hoher Prozesssicherheit schnell und ef fi zient durchführbar . Das Zellkontaktiersystems wird j e nach elektrischer Eigenschaft und Anforderung bei einer vorgegebenen freien Oberseite eines bestückten Trägers gewählt .
Zusammenfassend ermöglichen Module und/oder Packs mit einseitiger Kontaktierung beider Pole j eder Speicherzelle in einer Einbaulage von oben bzw . zu einer freien Oberseite hin die Verwendung eines einseitigen Zellkontaktiersystems , durch das eine weitgehend variabel einstellbare Spannungs- und Stromführung durch eine Gestaltung eines j eweiligen Kontaktblechs möglich ist . Varianten eines Trägers für unterschiedliche Anzahlen von elementaren Speicherzellen sind nur für unterschiedliche Kapazität erforderlich, wobei derartige Abweichungen ggf . in Grenzen auch durch Reihen-/Parallelschaltung gelöst werden können . Mit nur einem Format eines mechanischen Trägers , der soweit dann auch die Funktion einer elektrischen I solation übernimmt , wird erfindungsgemäß eine weitgehend freie Wahl von Spannung und Strom bei einer festen Anzahl elementarer Speicherzellen geschaf fen, um in einer einheitlichen Bauform bzw . Format-Größe eines bestimmten Trägers flexibel eine große Anwendungsbandbreite abdecken zu können . Eine Änderung der elektrischen Anschluss-Eigenschaften ist damit bei fertig bestücktem Träger als einheitlichem Modul- oder Packformat mit festgelegter Anzahl von elementaren Zellen und damit vorgegebener Kapazität alleine durch eine Auswahl oder gar einen Wechsel des vorstehend beschriebenen Zellkontaktiersystems schnell , leicht und sicher möglich .
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Aus führungs formen unter Bezugnahme auf Aus führungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert . Darin zeigen in schematischer Darstellung :
Figur 1 : eine perspektivische Ansicht einer Wanne mit einem Bodenelement und an einem Rand anschließendem und in eine endseitige Dichtung auslaufenden äußeren Rahmen;
Figur 2 : eine Ansicht gemäß Figur 1 der mit parallel zueinander ausgerichtet und stehend angeordneten, elementaren Zellen fortschreitend gefüllten Wanne ;
Figur 3 : eine perspektivische Ansicht eines Zusammenbaus einer Kontaktplatine mit Anschlussleisten und Sammelleitern zu einem Zellkontaktiersystem;
Figur 4 : eine seitliche Ansicht des fertig zusammengebauten Zell kontaktier systems ; Figur 5 : eine Draufsicht auf das mit dem Zellkontaktiersystem als abschließende Abdeckung auf dem mit elementaren Zellen bestückten Rahmen eines Moduls und
Figur 6 : eine Ausschnittsvergrößerung von Figur 5 .
Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugs zeichen verwendet . Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend ein ebener Träger als quaderförmiger Körper nur für einen Einsatz von Aus führungsbeispielen der Erfindung unter Verwendung in einem für elektrisch angetriebene Fahrzeuge ausgelegten Batteriemodul mit zylindrischen Zellen dargestellt und beschrieben . Das Batteriemodul ist zur Einspeicherung elektrischer Energie aus einer beliebigen Quelle , wie z . B . einer externen Ladestation oder einem generatorisch betrieben Fahr-Elektromotor, sowie zur Abgabe gespeicherter elektrischer Energie für eine Versorgung u . a . des Fahrmotors sowie Hil fs- und Assistenzsysteme ausgelegt . Es ist aber für den Fachmann of fensichtlich, dass in gleicher Weise auch Anpassungen auf andere Raumformen mit Abkehr von ebenen z . B . zu einem mehreckigen oder gar gekrümmten Träger hin zur verbesserten Ausnutzung eines vorhandenen Bauraums möglich sind .
Weiter sind Anpassungen an Anwendungen außerhalb eines Einsatzes in terrestrischen Fahrzeugen leicht möglich, insbesondere für stationäre Speichervorrichtungen .
Über die nachfolgend beschriebene Folge von Figuren hinweg wird ein Modul und/oder Pack 1 auf Basis einer Anzahl elementarer Zellen 2 eines zylindrischen Formats aufgebaut , wobei diese Zellen 2 in einem Träger 3 durch ein Zellkontaktiersystem 4 miteinander in Form von Serien- und Parallelschaltungen elektrisch verschaltet sind . Zur Änderungen dieser Verschaltung ist das Zellkontaktiersystem 4 auswechselbar ausgebildet . Figur 1 stellt eine perspektivische Ansicht eines als Wanne ausgeführten Trägers 3 mit einer auf einem als Rahmen ausgebildeten Rand 5 verlaufenden Dichtung 6 dar . Der Träger 3 schaf ft u . a . durch Verstrebungen und Verstei fungselemente einen mechanisch belastbaren Halt für eine vorbestimmte Anzahl elementarer Zellen 2 eines zylindrischen Formats , die in dem Träger 3 bei gleichsinnig stehender Anordnung vorgesehen sind . Eine Kontaktierung beider Pole N, P j eder elementaren Zelle 2 erfolgt in einer Einbaulage der Zellen 2 an einer freien Oberseite 7 des Moduls oder Packs 1 . Eine Höhe H des Trägers 3 ist auf eine Länge der einzusetzenden elementarer Zellen 2 eines zylindrischen Formats soweit abgestimmt , dass sich die freie Oberseite 7 des Moduls oder Packs 1 nach dem Bestücken mit den Zellen 2 ergibt . Der freien Oberseite 7 gegenüberliegend ist an einem Boden des Trägers 3 eine Kühlung zur Abfuhr einer im Betrieb des Zellen 2 entstehenden Abwärme angeordnet .
Die Abbildung von Figur 2 zeigt dazu eine Ansicht gemäß Figur 1 des mit parallel zueinander ausgerichtet und stehend angeordneten, elementaren Zellen fortschreitend gefüllten Trägers 3 . Zum Zweck der besseren Veranschaulichung ist ein zentraler Bereich des Trägers 3 noch ohne Bestückung durch Zellen 2 dargestellt .
Figur 3 stellt in einer perspektivischen Ansicht einen Zusammenbau eines bis auf Bond-Verbinder fertigen Zellkontaktiersystems 4 dar, das eine Kontaktplatine 8 und zwei in j eweilige Pole 9 , 10 auslaufende Anschlussleisten 11 , 12 umfasst . Die Kontaktplatine 8 ihrerseits umfasst einen Kunststof f träger 13 und ein an eine j eweilige Vorgabe der elektrischen Eigenschaften angepasste gitterartige Stanz-Biegestruktur 14 , die in einer Aus führungs form der Erfindung mit hier nicht weiter dargestellten zusätzlichen I solierungen in Form von Klebepunkten versehen ist . Durch die Stanz-Biegestruktur 14 ist eine Verschaltung der elementaren Zellen 2 in Form vorbestimmter Reihen- und Parallelschaltungen festgelegt , durch die eine Vorgabe der elektrischen Eigenschaften der gewählten Anzahl elementarer Zellen 2 erzielt wird . In einem zusammengebauten Zustand steht die Stanz-Biegestruktur 14 in einem s icheren und elektrisch gut leitenden Kontakt mit den Anschlussleisten 11 , 12 . Dieser Kontakt wird hier durch Verschweißungen gebildet . Eine Fixierung der genannten metallischen Bauteile erfolgt in dieser Aus führungs form durch Verrastungen an und in dem Kunststof fträger 13 .
Figur 4 zeigt eine seitliche Ansicht des fertig zusammengebauten Zellkontaktiersystems 4 . Das Zellkontaktiersystem 4 bildet in Form der zusammengesetzten metallischen Bauteile um die Stanz-Biegestruktur 14 herum in der sehr flach bauenden Kontaktplatine 8 in dem Kunststof f träger 13 ein kompaktes und mechanisch stabiles Bauteil , das in die Pole 9 , 10 hin ausläuft .
Figur 5 stellt eine Draufsicht auf das mit dem Zell kontaktiersystem 4 in Form der Kontaktplatine 8 als Abdeckung auf dem mit elementaren Zellen 2 bestückten Träger 3 des Moduls oder Packs 1 dar . Mit einer Fixierung der Kontaktplatine 8 durch Verschrauben und/oder Verkleben auf dem Rand 5 des Trägers ist eine dauerhafte mechanische Einheit gebildet , die hier auch abdichtend ausgebildet ist . Das Zellkontaktiersystem 4 kann nun über Bondverbindungen oder z . B . auch durch an der gitterartige Stanz-Biegestruktur 14 angeformte Federkontakte mit den Polen der elementaren Zellen 2 elektrisch verbunden werden .
Schließlich zeigt Figur 6 einen Ausschnitt von Figur 5 zur verbesserten Darstellung der elektrischen Verschaltung auf der Ebene der elementaren Speicherzellen 2 . Wie bereits vorstehend angegeben befinden sich die Anschlüsse für beide Polaritäten N, P der elementaren Speicherzellen 2 gemeinsam an der freien Oberseite 7 des Trägers 3 . Ein zentraler positiver Kontakt-Pol P wird als erster Anschluss . Ein demgegenüber isoliertes , elektrisch leitendes Außengehäuse wird als negativer zweiter Pol N verwendet . Die Kontaktplatine 8 ist in Figur 5 bereits auf den Träger 3 aufgelegt und fixiert . In Figur 6 ist nun im Detail dargestellt , wie die in dem Kunststof f träger 13 der Kontaktplatine 8 positionierte gitterartige Stanz-Biegestruk- tur 14 durch Bond-Draht-Verbindungen 15 j eweils mit den positiven Kontakt-Polen P und den negativen Polen N verbunden ist . Ein Leiter 16 der gitterartigen Stanz-Biegestruktur 14 der Kontaktplatine 8 ist j eweils über eine Bond-Draht-Verbindung 15 mit dem negativen Pol N einer elementaren Speicherzelle 2 durch Verschweißen an seinen beiden Endseiten elektrisch angeschlossen, wobei der zugehörige positive Kontakt-Pol P derselben elementaren Speicherzelle 2 mit einem weiteren Leiter 17 der gitterartigen Stanz-Biegestruktur 14 über eine weitere Bond-Draht-Verbindung 15 leitend verbunden ist . Von dem Leiter 17 geht es in analoger Weise über Bond-Draht-Verbindungen 15 zu benachbarten elementaren Speicherzellen 2 dann weiter, so dass die elementaren Speicherzellen 2 hier zeilenweise in Serie und spaltenweise , d . h . auf gleichem Potential , parallel verschaltet sind .
Mit einer derartigen Vorrichtung können nun bei gleichbleibender Anzahl elementarer Speicherzellen 2 Speichersysteme oder deren Bausteine mit recht unterschiedlichen elektri schen Eigenschaften realisiert werden . Für die Anzahl der Zellen 2 in einem Träger 3 eines Moduls oder Packs 1 gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung keine grundsätzlichen Einschränkung . Empfehlenswert sind j edoch für die Anzahl der Zellen 2 ganzzahlige Viel fache von 2 zu wählen, um möglichst flexibel hinsichtlich einer Einstellung von verschiedenen Strom- und Spannungswerten zu werden . Übliche Rundzell formate sind derzeit z . B . 18650 , 21700 und 46800 , es lassen sich j edoch gemäß einer erfindungsgemäßen Lehre alle Rundzellen auf die beschriebene Weise verarbeiten . Wählt man in einem ersten Zahlenbeispiel eine Modulgröße von 288 Zellen des Typs 21700 , so lässt sich damit bspw . durch eine 48 s 6p-Verschaltung, also 48 serielle Stränge elementarer Zellen 2 in 6- facher Parallelschaltung, in einem Pack oder Modul 1 ein 5 kWh-Modul z . B . für Plugin-Hybride mit 200V Nennspannung darstellen . Dieses Modul kann durch Reihen- oder Parallelschaltung zu einer Plug-in Batterie geeigneter Kapazität rein durch Änderung oder Austausch des Zell-Kontaktiersystems ZKS 4 verschaltet werden . Unter Verwendung eines Kunststof f trägers 13 mit einem Träger 3 als standardisierte Baugruppe musst dazu lediglich die gitterartige Stanz-Biegestruktur 14 entsprechend angepasst werden . Daher ist ein zweites Beispiel auf Basis der genannten Modulgröße von 288 Zellen des Typs 21700 - aus Gründen des Mitarbeiterschutzes - ein Modul mit weniger als 60V-Maximalspannung in Form einer 16s l 8p-Verschaltung als Basis für einen Traktionsspeicher eines Batterie-elektrisch betriebenen Fahrzeugs , BEV, zu nennen bspw . in einer 12 s24p- oder 8 s36p-Verschaltung bei Aufteilung in mehrere in Reihe verschalteter Module . Mit der vorstehend genannten Modulgröße ließe sich eine gute Baurauausnutzung in verschiedenen Anwendungen erreichen . Die einzige Komponente des Moduls , die an eine j eweilige Vorgabe der elektrischen Eigenschaften angepasst werden muss , i st das Zellkontaktiersystem, das aus einem einheitlichen Kunststof fträger für alle Modulvarianten und einer an den Modultyp angepassten gitterartigen Stanz-Struktur für die gewählte Modulverschaltung in Form einer bestimmten Reihen- und Parallelschaltungen der Zellen besteht .
Es besteht damit im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere die Möglichkeit , ein fertig bestücktes Modul oder Pack bei seiner Auslieferung oder seiner Lagerung nach Fertigstellung als geschlossenes und getestetes Modul oder Pack z . B . mit Feder-Kontaktierung des Zell-Kontaktiersystems ZKS zu den elementaren Speicherzellen hinsichtlich seiner elektri schen Anschluss-Eigenschaften ganz entscheidend zu verändern . Und für diese vorbestimmte Änderung bedarf es lediglich der Auswahl eines anderen Zell-Kontaktiersystems 4 mit einer entsprechend angepassten Verschaltung, das als Abdeckung einer freien Oberseite 7 des fertig bestückten Trägers 3 des Moduls oder Packs 1 fixiert und vorzugsweise über Bond-Verbindungen 15 angeschlossen wird . Dadurch besteht eine weitgehend freie Wahl von Spannung und Strom als elektrische Eigenschaften bei vorgegebener Kapazität , ohne Änderung aller anderen Modul- oder Pack- Komponenten, mit dem Ziel , eine große Anwendungsbandbreite auf einer einheitlichen Basis eines Trägerf ormats in Form eines Trägers oder Rahmens 3 ohne umfassendes Redesign oder gar Neukonstruktion abdecken zu können .
Alternativ zu einem Packaufbau aus einzelnen Modulen sind mit dieser Technologie auch ' Cell to Pack ' - oder auch ' Cell to Chassis ' -Konzepte mittels geeigneter Reihen- und Parallelschaltung von Gruppen elementarer Zellen aus Packs oder Modulen der vorstehend dargestellten Art darstellbar . Vorteile dieser Konzepte sind bei einem Höchstmaß an Variabi lität eine optimierte Bauraum-Ausnutzung durch ein Batteriesystem, wobei durch die Einsparung von Modulkomponenten ein Gesamtgewicht und auch Gesamtkosten vorstehend vorgeschlagener Module oder Packs vergleichsweise verringert werden, und das bei einer verbesserten Raumausnutzung . Eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Zellkontaktiersystems 4 ermöglicht auch bei den genannten Technologien eine weitgehend flexible Anpas sung eines Rahmens 3 , der als Träger mit elementaren Speicherzellen 2 fertig für eine einseitige Kontaktierung an einer freien Oberseite 7 bestückt ist , an geänderte elektrische Eigenschaften des betref fenden Packs oder Moduls 1 an externen Anschlüssen seiner Pole 9 , 10 . Bezugs z ei chenl i s te Modul und/oder Pack elementare Zelle eines zylindrischen Formats
Träger / Rahmen
Zell kontaktier system
Rand
Dichtung freie Oberseite des Trägers ( 3 ) des Moduls / Packs ( 1 )
Kontaktplatine
Pol 0 Pol 1 Anschlussleiste 2 Anschlussleiste 3 Kunststof f träger 4 gitterartige Stanz-Biegestruktur 5 Bond-Draht-Verbindung, an beiden Endseiten verschweißt 6 Leiter der gitterartigen Stanz-Biegestruktur 14 der Kontaktplatine 8 7 Leiter der gitterartigen Stanz-Biegestruktur 14 der Kontaktplatine 8 , zwischen den Leitern 16 und 18 gelegen; 8 Leiter der gitterartigen Stanz-Biegestruktur 14 der Kontaktplatine 8
H Höhe des Rahmens ( 4 ) des Trägers ( 3 )
N Minus-Pol / negativer Pol der elementaren Zelle 2
P Plus-Pol / positiver Pol der elementaren Zelle 2

Claims

Ansprüche Modul und/oder Pack (1) auf Basis elementarer Zellen (2) einer zylindrischen Bauform, in dem die elementaren Zellen (2) durch ein Zellkontaktiersystem (4) miteinander in Serien- und Parallelschaltungen elektrisch verschaltet sind, wobei eine Kontaktierung beider Pole (P, N) jeder elementaren Zelle (2) an einer freien Oberseite (7) des Moduls oder Packs (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Träger (3) als Modul- oder Packformat mit festgelegter Anzahl von elementaren Zellen (2) räumlich vordefiniert ist, wobei die elektrischen Eigenschaften des Moduls und/oder Packs (1) durch Auswahl eines Zellkontaktiersystems (4) mit einer jeweils angepassten Verschaltung der elementaren Zellen (2) und dessen Verbindung an der freien Oberseite (7) des Moduls oder Packs (1) einstellbar ausgebildet sind. Modul und/oder Pack nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellkontaktiersystem (4) als Verschluss der freien Oberseite (7) des Packs und/oder Moduls (1) ausgebildet ist. Modul und/oder Pack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) des Packs und/oder Moduls (1) als Wanne ausgebildet ist. Modul und/oder Pack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2) in dem Träger (3) gleichsinnig stehend angeordnet sind. Modul und/oder Pack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellkontaktiersystem (4) einen für alle Varianten des Packs und/oder Moduls (1) einheitlichen Kunststoff träger (13) umfasst und ein an eine jeweilige Vorgabe der elektrischen Eigenschaften angepasste gitterartige Stanz- Biegestruktur (14) mit Isolierungen für eine Verschaltung der elementaren Zellen (2) in Form einer bestimmten Reihen- und Parallel-Verschaltung, die zwei Pole (9, 10) aufweist . Modul und/oder Pack nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stanz-Biegestruktur (14) in dem Zellkontaktiersystem (4) einen sicheren und elektrisch gut leitenden Kontakt mit Anschlussleisten (11, 12) aufweist, die in Pole (9, 10) hin auslaufen. Modul und/oder Pack nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der gitterartigen Stanz-Biegestruktur (14) lösbare Federkontakte, widerstandsgeschweißte Schweißfahnen oder Metallbänder (oder Bond-Verbindungen für eine elektrische Kontaktierung der elementaren Zellen (2) mit dem Zellkontaktiersystem (4) vorgesehen sind. Modul und/oder Pack nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fixierung der metallischen Bauteile des Zellkontaktiersystems (4) durch Verrastungen und/oder Verklebungen an und in dem Kunststoff träger (13) erfolgt. Modul und/oder Pack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Zellen (2) in dem Träger (3) eines Moduls oder Packs (1) als ein ganzzahliges Vielfaches von 2 darstellbar ist. Batteriesystem, das als Vorrichtung zur Abgabe sowie zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen ist , dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem mehrere Packs und/oder Module ( 1 ) gemäß eines der vorstehenden Ansprüche umfasst , die elektrisch miteinander in einer Reihen- und/oder Parallelverhaltung verbunden bzw . verschaltet sind .
16
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