WO2023110635A1 - Batteriemodul mit einem modulgehäuse - Google Patents

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WO2023110635A1
WO2023110635A1 PCT/EP2022/085039 EP2022085039W WO2023110635A1 WO 2023110635 A1 WO2023110635 A1 WO 2023110635A1 EP 2022085039 W EP2022085039 W EP 2022085039W WO 2023110635 A1 WO2023110635 A1 WO 2023110635A1
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battery
module
module housing
individual
battery cells
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PCT/EP2022/085039
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Inventor
Maximilian Witt
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Mercedes-Benz Group AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a battery module with a module housing according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • Battery modules or batteries with module housings for accommodating the individual battery cells are known from the prior art.
  • DE 102 23 782 B4 shows a battery structure with receiving openings into which cylindrical individual battery cells can be inserted.
  • the battery housing or module housing can be cooled, the individual rows or columns of the receiving openings for the individual battery cells are offset by half a cell diameter in order to arrange the cylindrical individual battery cells as space-saving as possible.
  • a generic battery module is described by US 2021/0 167 467 A1.
  • Other battery modules are known from US 2021/0 344 064 A1 and WO 2022/094 218 A1.
  • Batteries from battery modules are shown in DE 10 2020 107 727 A1 and DE 10 2019 211 190 A1.
  • EP 3 096 372 B2 shows a battery storage module in which the battery cells are all connected to the battery cells of another module via welded contact springs, with the contact springs also being welded to an intermediate plate , which permanently electrically connect the individual battery cells in parallel.
  • the object of the present invention is now to specify an improved battery module with a module housing made of a first electrically insulating material for accommodating cylindrical individual battery cells in accommodating openings.
  • this object is achieved by a battery module having the features of claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1.
  • a battery with at least two such battery modules according to claim 10 solves the problem.
  • An advantageous embodiment of the battery is specified in claim 11.
  • the battery module according to the invention has a module housing which extends between two opposite sides and, in particular, sides which are arranged parallel to one another.
  • a cylindrical single battery cell can be inserted into this receiving opening, the housing of which is typically divided into a cup, which forms the negative pole, and a cover that is insulated from this cup and forms the positive pole.
  • the insert also allows measurement data to be accessed, which can be used, for example, to control the individual battery cells within the battery module. This can include, for example, charge equalization between the individual battery cells or groups of individual battery cells or the like.
  • the battery module according to the invention it is accordingly provided that at least the lateral surface of the individual battery cell forms one of the poles, with the insert having at least one contact surface protruding into the receiving opening of the individual electrical battery cell to be contacted.
  • three contact surfaces of the insert can protrude into the respective receiving opening, which contact the lateral surface of the individual battery cell, i.e.
  • the contact surface itself can make electrical contact with the individual battery cell or its housing by pressing on it; in particular, the structural design of the contact surface can be designed in such a way that it is designed to be resilient within the framework of the elasticity of its material in order to ensure safe and reliable contact regardless of to guarantee the component tolerances of the respective battery cell.
  • the individual battery cells can thus be easily contacted without welding or the like. They can therefore also be easily replaced in the event of a repair.
  • the receiving openings can now be arranged in individual rows in the module housing. Similar to the prior art mentioned at the outset, these rows can be offset in the direction in which they are lined up by half the diameter of the receiving opening in relation to the next adjacent row, in order to achieve the densest possible arrangement of the receiving openings and thus ultimately of the individual battery cells in the battery module.
  • an insert is provided for each of these rows, which insert contains the individual battery cells contacted in turn. All of the individual battery cells in the respective row are thus connected to one another in parallel, and the individual rows can then be further connected in the desired manner, in particular outside of the respective battery module, for example with an electrical series circuit.
  • the inserts of adjacent rows are arranged on different levels. This makes it possible to position the individual receiving openings, and thus ultimately the individual battery cells that are inserted into them, very close together. An insert designed with a sufficient cross-section could then contact the batteries in one row with the other row, which, however, is undesirable in order to maintain the flexibility of the wiring outside of the battery module.
  • Different levels can therefore be provided for the depositors of the adjacent rows, for example in a first level the depositors for all rows with an odd number and in a second level all depositors for the rows with an even number are provided. On the one hand, this enables sufficiently large inserts that do not touch one another with justifiable effort and, on the other hand, allows the receiving openings and thus ultimately the individual battery cells of the battery module to be packed very tightly.
  • At least one measurement tap can be led out of the module housing for each of the inserts. This makes it possible, for example, to query the voltage in the area of the insert and the average voltage value of the individual battery cells connected in parallel by it in order to achieve efficient control based on the respective voltages of the individual rows of the individual battery cells.
  • a measurement tap can be implemented that comes close to monitoring the voltage of an individual cell, for example if one of the rows only has 3 to 8 individual battery cells.
  • a further very favorable embodiment of the battery module according to the invention can provide, comparable to that in EP 3 096 372 B2 mentioned at the outset, that one of the poles, for example the positive pole, of each of the individual battery cells is connected to a Contact spring is provided, which is adapted to contact the other pole of a single battery cell of an adjacent battery module.
  • these contact springs form the end of the module in the longitudinal direction of the respective individual battery cells, for the adjacent row, the undersides of the cups that preferably protrude beyond the module. If the individual modules are then plugged together, electrical contact is made between the individual rows of battery cells in the manner of a series connection, with the parallel connection of the individual battery cells arranged in a row being realized within the respective module.
  • a further very favorable embodiment of the battery module according to the invention can also provide that the module housing has internal cavities which are connected to coolant connections. Such cavities can then be used to guide cooling medium through the respective module housing and to efficiently temperature control the individual battery cells located in it.
  • the module housing itself can be produced from the first material, a plastic, by injection molding, with the second material, which forms the inserts, being inserted into the injection mold as a metal insert and thus during injection molding into the Module housing is integrated and fixed in this.
  • a structure can be achieved which, simply by inserting the cylindrical individual battery cells, achieves their parallel connection via the respective inserts and, moreover, already includes measurement taps for the respective group or row of individual battery cells.
  • such modules can then be plugged together to form a battery in an extremely efficient manner and can also be easily removed at any time.
  • a battery according to the invention accordingly provides that at least two such battery modules are present according to one or more of the preceding configurations, which are clamped between two end plates via tie rods and electrically connected via contacting elements in the end plates.
  • the battery modules can be electrically connected, in particular when stacked on top of one another interconnected and can then be provided adjacent to the respective last module at both ends of this stack with end plates, which in turn provide the electrical interconnection of the individual rows of individual battery cells in the modules.
  • the entire structure is stabilized via tie rods, and cooling media can be supplied and discharged in parallel via a central supply and discharge line for the battery constructed in this way for all battery modules provided.
  • sockets for the tie rods are introduced into each module housing, for example when the battery housing is manufactured by injection molding in the injection mold, and are longer than the module housing in the same direction.
  • the force is transmitted via these sockets, so that each module housing and thus the individual battery cells located in it are accommodated between the end plates in a substantially floating manner.
  • Figure 1 shows a schematic view of a battery in a possible embodiment according to the invention
  • FIG. 2 shows a module housing of a battery module according to the invention in a possible embodiment
  • Fig. 3 shows a section through the battery module along the line III-III in Fig. 2.
  • a battery in its entirety by 1 and which is constructed from a plurality of battery modules 2, only some of which are provided with a reference number here.
  • These battery modules 2 are braced between two end plates 4 via tie rods 3 and are also electrically connected in the desired manner via these end plates 4 or contacting elements introduced into them. Connections for the supply and removal of services to the Battery 1 can be arranged in the area of these end plates 4 .
  • a cooling medium channel 5 for the supply and removal of a liquid cooling medium, which can be conducted through each of the battery modules 2, is also indicated.
  • a module housing 6 of a battery module 2 is now shown.
  • the structure of this module housing 6 is essentially designed in a prismatic manner.
  • Receiving openings 9 run between a first side 7 lying in the plane of the drawing and a side 8 arranged parallel thereto opposite this side, into which cylindrical individual battery cells 10, which can be seen in FIG. 3, can be inserted.
  • the receiving openings 9, only some of which are provided with a reference number in the illustration in FIG. 2, are arranged in six horizontal rows R1 to R6 in the example in FIG.
  • each of the receiving openings 9 is shifted by half the diameter in the direction of the row relative to the respective adjacent row, so that a very dense packing of the receiving openings 9 within the essentially rectangular area of the sides 7, 8 is possible is.
  • sockets 11 are provided in the module housing. These sockets 11 for receiving the tie rods 3 can be designed, for example, as inserts in an injection mold, so that they are metallic sockets
  • tie rod bushings 11 are injected into the otherwise molded plastic module housing 6. The precise functionality of these tie rod bushings 11 is discussed again below in the sectional view of FIG.
  • the module 12 can in particular be made of a copper alloy, an aluminum alloy or the like. It is also inserted into the injection mold for the module housing 6 in a manner analogous to the tie rod bushings 11 when produced by injection molding. It can preferably be the case that there is one insert 12 for each of the rows R1 to R6. In the illustration of FIG. 2, this insert 12 is shown by a partial sectional illustration in the region of row R4. It is arranged within the material of the module housing 6 and has inner openings 13 which correspond to the receiving openings 9 and which are punched out, for example. Contact elements 14 are arranged in each of these openings 13 , for example three contact surfaces per opening 13 .
  • the individual battery cells 10 are typically designed in such a way that they have a cup-shaped housing 15 which forms the negative pole of the individual battery cell 10 .
  • a cover that can be seen in FIG. 3 and is labeled 16 is insulated from the cup-shaped housing 15 and forms the positive pole. Here it is welded to a contact spring 17, as can be seen from the illustration in FIG.
  • All cup-shaped housings 15 and thus all negative poles of the individual battery cells 10 arranged in a row R1 to R6 are now contacted with one another via the contact elements 14 and connected in parallel by the insert 12 within the module housing 6 .
  • a measuring tap 18 is led out of the module housing 6 for each of the inserts 12 and can be electrically connected there directly or indirectly via a cable to a measuring sensor system, for example to record the average voltage of the individual battery cells 10 installed in the respective row R1 to R6.
  • a liquid cooling medium can also be guided in the module housing 6 . It can be supplied through the supply connection piece 19 indicated here as an example and removed again through the discharge connection piece 20 . The cooling medium can then flow through internal cavities within the module housing 6 and cool the individual battery cells. Such cavities are indicated in the schematic sectional representation of FIG. 3 and partially provided with the reference number 21 .
  • FIG. 3 shows a section along line III-III in FIG 2 is present.
  • the battery module 2 itself is designed in such a way that it is essentially implemented as a prism. Inside are the already mentioned cavities 21 for the cooling medium. In the area of the individual battery cells 10, the respective side 7, 8 is set back slightly, so that the individual battery cells 10 protrude slightly with one end of their cup on one side and with their contact spring 17 on the other side.
  • the contact spring 17 encompasses the bottom of the housing cup 15 of a single battery cell 10 in the adjacent module 2 and thus the single battery cells 10 arranged at the same position within the module housing 6 between all adjacent modules 2 connected in series.
  • the individual battery cells 10 within the rows R1 to R6 are each inserted with the same polarity in the module housing 6, for example in the illustration in Figure 3 in row R3 all such that the positive pole is on the right and the negative pole is on the left come to rest.
  • the individual battery cells 10 are then preferably inserted upside down, so that, as indicated here for example in row R4, the negative pole is on the right and the positive pole is on the left.
  • the structure corresponds to that in row R3, etc. This makes it possible to connect the individual rows, which are connected in series from battery module 2 to battery module 2, with each other via insert 12 within module housing 6 interconnect.
  • the inserts 12 of the rows are numbered oddly, i.e. in the illustration in FIG the inserts 12 of the rows R3 and R5 are arranged in a first plane labeled E1 between the two sides 7, 8 and the inserts 12 or in the representation of Figure 3 the only insert shown here of the rows with even numbering, here the row R4 , is arranged in a second plane E2 spaced parallel thereto.
  • the tie rod bushing 11 is arranged in an area of the module housing 6 that forms the outer sides 7, 8 that lie against one another, so that the structure of the battery 1 indicated in FIG. 1 results when the individual battery modules 2 are assembled and braced.
  • the length of the tie rod bushings 11 is designed to be slightly greater than the distance between the sides 7, 8 of the module housing 6 in the area of the tie rod bushings 11 the tie rod bushings 11 of the battery modules 2 to each other, so that the forces are transmitted exclusively here and not via the plastic of the module housing 6.
  • the distance occurring between the individual module housings 6 of the battery modules 2 within the battery 1 is very small and can be sealed off with an elastic seal if required, without disturbing the floating mounting of the individual battery cells 10 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (2) mit einem Modulgehäuse (6) aus einem ersten elektrisch isolierenden Material zur Aufnahme von zylindrischen Batterieeinzelzellen (10) mit einer Aufnahmeöffnung (9) für jeweils eine der Batterieeinzelzellen (10), welche sich zwischen einer ersten Seite und einer zweiten gegenüberliegenden Seite des Modulgehäuses (6) erstrecken. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modulgehäuse (6) zwischen der ersten und der zweiten Seite (7, 8) wenigstens ein Einleger (12) aus einem zweiten elektrisch leitenden Material vorgesehen ist, welcher wenigstens eine der Batterieeinzelzellen (10) kontaktierend elektrisch verbindet.Außerdem ist eine Batterie (1) mit solchen Batteriemodulen (2) angegeben.

Description

Batteriemodul mit einem Modulgehäuse
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Modulgehäuse nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Batteriemodule bzw. Batterien mit Modulgehäusen zur Aufnahme der Batterieeinzelzellen sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt beispielsweise die DE 102 23 782 B4 einen Aufbau einer Batterie mit Aufnahmeöffnungen, in welche zylindrische Batterieeinzelzellen eingesteckt werden können. Das Batteriegehäuse bzw. Modulgehäuse kann dabei gekühlt sein, die einzelnen Reihen oder Spalten der Aufnahmeöffnungen für die Batterieeinzelzellen sind um einen halben Zelldurchmesser versetzt zueinander angeordnet, um so die zylindrischen Batterieeinzelzellen möglichst raumsparend anzuordnen.
Ein gattungsgemäßes Batteriemodul wird durch die US 2021/0 167 467 A1 beschrieben. Weitere Batteriemodule sind aus der US 2021/0 344 064 A1 sowie der WO 2022/094 218 A1 bekannt.
Batterien aus Batteriemodulen zeigen die DE 10 2020 107 727 A1 und die DE 10 2019 211 190 A1.
Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die EP 3 096 372 B2 hingewiesen werden, welche ein Batterie-Speichermodul zeigt, bei welchem die Batteriezellen allesamt über angeschweißte Kontaktfedern mit den Batteriezellen eines weiteren Moduls verbunden sind, wobei die Kontaktfedern gleichzeitig mit einer Zwischenplatte verschweißt sind, welche die Batterieeinzelzellen dauerhaft elektrisch parallel verschalten. Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Batteriemodul mit einem Modulgehäuse aus einem ersten elektrisch isolierenden Material zur Aufnahme zylindrischer Batterieeinzelzellen in Aufnahmeöffnungen anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem löst eine Batterie mit wenigstens zwei derartigen Batteriemodulen gemäß Anspruch 10 die Aufgabe. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Batterie ist im Anspruch 11 angegeben.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist ein Modulgehäuse auf, welches sich zwischen zwei gegenüberliegenden und insbesondere parallel zueinander angeordneten Seiten erstrecken. In diese Aufnahmeöffnung lässt sich jeweils eine zylindrische Batterieeinzelzelle einsetzen, deren Gehäuse typischerweise in einen Becher aufgeteilt ist, welcher den Minuspol ausbildet, und in einen gegenüber diesem isolierten Deckel, welcher den Pluspol ausbildet. Dabei ist es nun so, dass in dem Modulgehäuse zwischen der ersten und er zweiten Seite, also in Inneren des Modulgehäuses und hier insbesondere in einer parallel zu den Seiten stehenden Ebene, wenigstens ein Einleger aus einem elektrisch leitenden Material vorgesehen ist, welcher in dem aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellten Modulgehäuse eingelegt ist. Dieser Einleger kontaktiert dabei wenigstens einige der Batterieeinzelzellen, insbesondere im Bereich ihres Gehäuses und verbindet diese elektrisch. Der Einleger dient also zum Parallelschalten der mit ihm verbundenen Batterieeinzelzellen, insbesondere einer Gruppe von Batterieeinzelzellen innerhalb des Batteriemoduls.
Durch diese interne Parallelverschaltung der Gruppe von Batterieeinzelzellen lassen sich diese hinsichtlich ihrer Spannung nivellieren und erlauben eine höhere Leistungsabgabe. Der Einleger erlaubt es außerdem, Messdaten abzugreifen, welche beispielsweise der Steuerung der Batterieeinzelzellen innerhalb des Batteriemoduls dienen können. Dies kann beispielsweise ein Ladungsausgleich zwischen den Batterieeinzelzellen bzw. Gruppen von Batterieeinzelzellen oder dergleichen umfassen. In dem erfindungsgemäßen Batteriemoduls ist es dementsprechend vorgesehen, dass zumindest die Mantelfläche der Batterieeinzelzelle einen der Pole ausbildet, wobei der Einleger wenigstens eine in die Aufnahmeöffnung der zu kontaktierenden elektrischen Batterieeinzelzelle ragende Kontaktfläche aufweist. Vorzugsweise können hier drei Kontaktflächen des Einlegers in die jeweilige Aufnahmeöffnung ragen, welche die Mantelfläche der Batterieeinzelzelle, also insbesondere den Becher ihres Gehäuses, entsprechend kontaktieren und somit den negativen Pol der involvierten Batterieeinzelzellen miteinander verbinden. Die Kontaktfläche selbst kann dabei über Anpressung die elektrische Kontaktierung mit der Batterieeinzelzelle bzw. ihrem Gehäuse realisieren, insbesondere kann der konstruktive Aufbau der Kontaktfläche so ausgestaltet sein, dass diese im Rahmen der Elastizität ihres Materials federnd ausgebildet ist, um eine sichere und zuverlässige Kontaktierung unabhängig von den Bauteiltoleranzen der jeweiligen Batterieeinzelzelle sicher zu gewährleisten. Die Batterieeinzelzellen lassen sich somit ohne ein Verschweißen oder dergleichen einfach kontaktieren. Sie können somit im Falle einer Reparatur auch einfach ausgetauscht werden.
Innerhalb des erfindungsgemäßen Batteriemoduls können nun die Aufnahmeöffnungen in dem Modulgehäuse in einzelnen Reihen angeordnet sein. Ähnlich wie beim eingangs genannten Stand der Technik können diese Reihen in ihrer Aufreihungsrichtung jeweils um die Hälfte des Durchmessers der Aufnahmeöffnung versetzt zu der nächsten benachbarten Reihe angeordnet sein, um so einen möglichst dichte Anordnung der Aufnahmeöffnungen und damit letztlich der Batterieeinzelzellen in dem Batteriemodul zu erreichen.
Eine außerordentlich günstige Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht es dabei vor, dass die Batterieeinzelzellen in einer Reihe der Aufnahmeöffnungen mit identischer Polung eingebracht sind, wobei die Polung in der benachbarten Reihe jeweils umgekehrt ist. Jede Reihe hat also eine unterschiedliche Anordnung der Batterieeinzelzellen, so dass beispielsweise in einer ersten Reihe alle Deckel mit den Pluspolen nach links weisen, in der daneben angeordneten Reihe nach rechts und so weiter.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Ausgestaltung kann es nun vorgesehen sein, dass für jede dieser Reihen ein Einleger vorgesehen ist, welcher die Batterieeinzelzellen der Reihe kontaktiert. Damit werden alle Batterieeinzelzellen der jeweiligen Reihe parallel miteinander verschaltet, die einzelnen Reihen können dann im weiteren, insbesondere außerhalb des jeweiligen Batteriemoduls, in der gewünschten Art und Weise weiterverschaltet werden, beispielsweise mit einer elektrischen Reihenschaltung.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es dann ferner vorgesehen sein, dass die Einleger benachbarter Reihen in verschiedenen Ebenen angeordnet sind. Damit ist es möglich, die einzelnen Aufnahmeöffnungen und damit letztlich die Batterieeinzelzellen, welche in diese eingesteckt werden, sehr dicht beieinander zu positionieren. Ein mit ausreichendem Querschnitt ausgebildeter Einleger könnten dann die Batterien der einen Reihe mit der anderen Reihe kontaktieren, was jedoch unerwünscht ist, um die Flexibilität der Verschaltung außerhalb des Batteriemoduls zu erhalten. Deshalb können verschiedene Ebenen für die Einleger der benachbarten Reihen vorgesehen sein, dass beispielsweise in einer ersten Ebene die Einleger für alle Reihen mit ungerader Nummer und in einer zweiten Ebene alle Einleger für die Reihen mit gerader Nummer vorgesehen sind. Dies ermöglicht mit vertretbarem Aufwand ausreichend große Einleger einerseits, welche sich untereinander nicht berühren und erlaubt andererseits eine sehr dichte Packung der Aufnahmeöffnungen und damit letztlich der Batterieeinzelzellen des Batteriemoduls.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann für jeden der Einleger wenigstens ein Messabgriff aus dem Modulgehäuse herausgeführt sein. Damit wird es möglich, beispielsweise die Spannung im Bereich des Einlegers und den Spannungsmitteltwert der von ihm parallel geschalteten Batterieeinzelzellen entsprechend abzufragen, um so eine effiziente Steuerung auf Basis der jeweiligen Spannungen der einzelnen Reihen der Batterieeinzelzellen zu erreichen. Je nach Größe der Einleger und Anzahl der Batterieeinzelzellen je Reihe lässt sich so ein Messabgriff realisieren, welcher einer Einzelzellspannungsüberwachung nahe kommt, beispielsweise wenn eine der Reihen lediglich 3 bis 8 Batterieeinzelzellen aufweist.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es vergleichbar wie in der eingangs genannten EP 3 096 372 B2 vorsehen, dass jeweils einer der Pole, beispielsweise der Pluspol, jeder der Batterieeinzelzellen mit einer Kontaktfeder versehen ist, welche dazu eingerichtet ist, den jeweils anderen Pol einer Batterieeinzelzelle eines benachbarten Batteriemoduls zu kontaktieren. Damit wird quasi für jede Reihe einmal diese Kontaktfedern den Abschluss des Moduls in Längsrichtung der jeweiligen Batterieeinzelzellen ausbilden, für die benachbarte Reihe, die vorzugsweise über das Modul überstehenden Unterseiten der Becher. Werden die einzelnen Module dann aneinander gesteckt, kommt es zu einer elektrischen Kontaktierung der einzelnen Reihen der Batteriezellen in der Art einer Reihenschaltung, wobei innerhalb des jeweiligen Moduls die Parallelschaltung der in einer Reihe angeordneten Batterieeinzelzellen realisiert wird.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es ferner vorsehen, dass das Modulgehäuse interne Hohlräume aufweist, welche mit Kühlmedienanschlüssen verbunden sind. Solche Hohlräume können dann genutzt werden, um Kühlmedium durch das jeweilige Modulgehäuse zu führen und die in ihm befindlichen Batterieeinzelzellen effizient zu temperieren.
Das Modulgehäuse selbst kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls aus dem ersten Material, einem Kunststoff, im Spritzguss hergestellt sind, wobei das zweite Material, welches die Einleger ausbildet, als metallischer Einleger in die Spritzgussform eingelegt wird und damit beim Spritzguss in das Modulgehäuse integriert und in diesem fixiert wird. Mit minimalem Fertigungsaufwand lässt sich so ein Aufbau erreichen, welcher durch das reine Einstecken der zylindrischen Batterieeinzelzellen deren Parallelverschaltung über die jeweiligen Einleger erzielt und darüber hinaus Messabgriffe für die jeweilige Gruppe bzw. Reihe von Batterieeinzelzellen bereits umfasst. Bei der Ausgestaltung mit der Kontaktfeder an dem einen der Pole lassen sich solche Module dann außerordentlich effizient und zu jeder Zeit auch einfach demontierbar zu einer Batterie zusammenstecken.
Eine erfindungsgemäße Batterie sieht es dementsprechend vor, dass wenigstens zwei derartige Batteriemodule nach einer oder mehreren vorgehenden Ausgestaltungen vorhanden sind, welche über Zuganker zwischen zwei Endplatten verspannt und über Kontaktierungselemente in den Endplatten elektrisch verschaltet sind. Die Batteriemodule lassen sich insbesondere beim Aufstapeln untereinander elektrisch verschalten und können dann benachbart zu dem jeweils letzten Modul an beiden Enden dieses Stapels mit Endplatten versehen werden, welche wiederum die elektrische Verschaltung der einzelnen Reihen von Batterieeinzelzellen in den Modulen vorsehen. Über Zuganker wird der gesamte Aufbau stabilisiert, die Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedien kann über eine zentrale Zu- und Abfuhrleitung für die so aufgebaute Batterie für alle vorgesehenen Batteriemodule parallel erfolgen.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Batterie ist dabei vorgesehen, dass Aufnahmebuchsen für die Zuganker in jedem Modulgehäuse eingebracht sind, beispielsweise bei einer Herstellung des Batteriegehäuses durch Spritzguss in die Spritzgussform eingelegt wurden, welche eine größere Länge aufweisen, als das Modulgehäuse in derselben Richtung. Beim Verspannen über die Zuganker wird die Kraft dabei über diese Buchsen übertragen, so dass jedes Modulgehäuse und damit die in ihm befindlichen Batterieeinzelzellen im Wesentlichen schwimmend zwischen den Endplatten aufgenommen sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sowie der Batterie aus einem solchen Batteriemodul ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Batterie in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Modulgehäuse eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer möglichen Ausführungsform; und
Fig. 3 einen Ausschnitt durch das Batteriemodul gemäß der Linie lll-lll in Fig. 2.
In der Darstellung der Figur 1 ist eine in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete Batterie zu erkennen, welche aus mehreren Batteriemodulen 2, von welchen hier nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, aufgebaut ist. Diese Batteriemodule 2 sind über Zuganker 3 zwischen zwei Endplatten 4 verspannt und werden über diese Endplatten 4 bzw. in ihnen eingebrachte Kontaktierungselemente auch elektrisch in der gewünschten Art und Weise verschaltet. Anschlüsse zur Zufuhr und Abfuhr von Leistungen zu der Batterie 1 können im Bereich dieser Endplatten 4 angeordnet sein. In der schematischen Darstellung der Figur 1 ist außerdem ein Kühlmedienkanal 5 zur Zufuhr und Abfuhr eines flüssigen Kühlmediums, welches durch jedes der Batteriemodule 2 geleitet werden kann, angedeutet.
In der Darstellung der Figur 2 ist nun ein Modulgehäuse 6 eines Batteriemoduls 2 gezeigt. Der Aufbau dieses Modulgehäuses 6 ist dabei im Wesentlichen prismatisch ausgestaltet. Zwischen einer ersten in der Zeichnungsebene liegenden Seite 7 und einer parallel hierzu angeordneten dieser gegenüberliegenden Seite 8 verlaufen Aufnahmeöffnungen 9, in welche zylindrische Batterieeinzelzellen 10, welche in der Darstellung der Figur 3 zu erkennen sind, eingeschoben werden können. Die Aufnahmeöffnungen 9, von welchen in der Darstellung der Figur 2 nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, sind dabei im Beispiel der Figur 2 in sechs horizontalen Reihen R1 bis R6 angeordnet. In jede der Reihen R1 bis R6 ist dabei gegenüber der jeweils benachbarten Reihe in der Richtung der Aufreihung um den halben Durchmesser einer der Aufnahmeöffnungen 9 verschoben, so dass ein sehr dichte Packung der Aufnahmeöffnungen 9 innerhalb der im Wesentlichen rechteckigen Fläche der Seiten 7, 8 möglich ist. Zur Aufnahme der Zuganker 3 sind in dem Modulgehäuse 6 Buchsen 11 vorgesehen. Diese Buchsen 11 zur Aufnahme der Zuganker 3 können beispielsweise als Einleger in eine Spritzgussform ausgebildet sein, so dass diese als metallische Buchsen
11 in dem ansonsten aus Kunststoff gespritzten Modulgehäuse 6 eingespritzt sind. Auf die genaue Funktionalität dieser Zugankerbuchsenn 11 wird nachfolgend in der Schnittdarstellung der Figur 3 nochmals eingegangen.
Für zumindest einige der später in die Aufnahmeöffnungen 9 eingebrachten Batterieeinzelzellen 10 ist es nun vorgesehen, dass diese innerhalb des Modulgehäuses 6 aus dem elektrisch nicht leitenden ersten Material, insbesondere einem Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff oder dergleichen über einen Einleger 12 aus einem metallischen, elektrisch leitenden Material miteinander verbunden werden. Der Einleger
12 kann insbesondere aus einer Kupferlegierung, einer Aluminiumlegierung oder dergleichen hergestellt sein. Auch er wird analog zu den Zugankerbuchsen 11 bei einer Herstellung durch Spritzgiessen in die Spritzgussform für das Modulgehäuse 6 eingelegt. Vorzugsweise kann es so sein, dass für jede der Reihen R1 bis R6 jeweils ein Einleger 12 vorhanden ist. In der Darstellung der Figur 2 ist durch eine teilweise Schnittdarstellung im Bereich der Reihe R4 dieser Einleger 12 gezeigt. Er ist innerhalb des Materials des Modulgehäuses 6 angeordnet und weist mit den Aufnahmeöffnungen 9 korrespondierende innere Öffnungen 13 auf, welche beispielsweise ausgestanzt sind. In jeder dieser Öffnungen 13 sind dabei Kontaktelemente 14 angeordnet, beispielsweise drei Kontaktflächen je Öffnung 13. Die Batterieeinzelzellen 10 sind typischerweise so ausgebildet, dass sie ein becherförmiges Gehäuse 15 aufweisen, welches den Minuspol der Batterieeinzelzelle 10 ausbildet. Ein in der Darstellung der Figur 3 erkennbarer und mit 16 bezeichneter Deckel ist gegenüber dem becherförmigen Gehäuse 15 isoliert und bildet den Pluspol aus. Er ist hier mit einer Kontaktfeder 17 verschweißt ausgebildet, wie es sich aus der Darstellung in Figur 3 ergibt.
Über die Kontaktelemente 14 werden nun also alle becherförmigen Gehäuse 15 und damit alle Minuspole der in einer Reihe R1 bis R6 angeordneten Batterieeinzelzellen 10 untereinander kontaktiert und durch den Einleger 12 damit innerhalb des Modulgehäuses 6 parallel verschaltet. Außerdem ist für jede der Einleger 12 ein Messabgriff 18 aus dem Modulgehäuse 6 herausgeführt und kann dort direkt oder mittelbar über Kabel elektrisch mit einer Messsensorik verbunden werden, beispielsweise zur Erfassung der mittleren Spannung der in der jeweiligen Reihe R1 bis R6 verbauten Batterieeinzelzellen 10.
Wie eingangs bereits erwähnt, kann in dem Modulgehäuse 6 außerdem ein flüssiges Kühlmedium geführt werden. Es kann durch die hier beispielhaft angedeuteten Zufuhrstutzen 19 zugeführt und durch den Abfuhrstutzen 20 wieder abgeführt werden. Das Kühlmedium kann dann durch innere Hohlräume innerhalb des Modulgehäuses 6 strömen und die Batterieeinzelzellen kühlen. In der schematischen Schnittdarstellung der Figur 3 sind derartige Hohlräume angedeutet und teilweise mit dem Bezugszeichen 21 versehen.
Die Schnittdarstellung der Figur 3, die nun schon bereits mehrfach angesprochen ist, zeigt einen Schnitt gemäß der Linie Ill-Ill in Figur 2. Dabei ist ein Ausschnitt aus dem Modulgehäuse 6 mit eingesetzten Batterieeinzelzellen 10 zu erkennen, so dass hier also ein Ausschnitt des Batteriemoduls 2 vorliegt. Das Batteriemodul 2 selbst ist dabei so ausgestaltet, dass es im Wesentlichen prismatisch realisiert ist. Im Inneren befinden sich die bereits angesprochenen Hohlräume 21 für das Kühlmedium. Im Bereich der Batterieeinzelzellen 10 ist die jeweilige Seite 7, 8 leicht zurückversetzt, so dass die Batterieeinzelzellen 10 mit dem einen Ende ihres Bechers auf der einen Seite und mit ihrer Kontaktfeder 17 auf der anderen Seite etwas überstehen. Dadurch kann beim Zusammensetzen mehrerer der Batteriemodule 2 zu der Batterie 1 eine elektrische Kontaktierung erfolgen, in dem die Kontaktfeder 17 den Boden des Gehäusebechers 15 einer Batterieeinzelzelle 10 im benachbarten Modul 2 umfasst und damit die an der jeweilig selben Position innerhalb des Modulgehäuses 6 angeordneten Batterieeinzelzellen 10 zwischen allen benachbarten Modulen 2 in Reihe verschaltet. Dabei ist es so, dass die Batterieeinzelzellen 10 innerhalb der Reihen R1 bis R6 jeweils in der selben Polung in das Modulgehäuse 6 eingesetzt werden, als beispielsweise in der Darstellung der Figur 3 in der Reihe R3 alle so, dass der Pluspol rechts und der Minuspol links zu liegen kommen. In der benachbarten Reihe sind die Batterieeinzelzellen 10 dann vorzugsweise umgekehrt eingesetzt, so dass, wie es hier beispielsweise in der Reihe R4 angedeutet ist, der Minuspol rechts und der Pluspol links zu liegen kommen. In der fünften Reihe R5 entspricht der Aufbau dann wieder dem in der Reihe R3 usw. Hierdurch ist es möglich, die einzelnen Reihe, welchen von Batteriemodul 2 zu Batteriemodul 2 jeweils in Reihe verschaltet sind, untereinander über den Einleger 12 innerhalb des Modulgehäuses 6 parallel zu verschalten.
In der Darstellung der Figur 3 ist nun zu erkennen, dass die Batterieeinzelzellen 10 der Reihen R3 über den oben dargestellten Einleger 12 elektrisch kontaktiert werden, wie es durch die Kontaktelemente 14 des Einlegers 12 angedeutet ist. Vergleichbares gilt für den in der unteren Reihe R5 angedeuteten Einleger 12.
Damit die Batterieeinzelzellen 10 bzw. die Aufnahmeöffnungen 9 für die Batterieeinzelzellen 10 dicht beieinander positioniert werden können, ohne dass die Einleger 12 benachbarter Reihen R1 bis R6 sich untereinander berühren, sind die Einleger 12 der Reihen mit ungerader Nummerierung, in der Darstellung der Figur 3 also die Einleger 12 der Reihen R3 und R5 in einer ersten mit E1 bezeichneten Ebene zwischen den beiden Seiten 7, 8 angeordnet und die Einleger 12 bzw. in der Darstellung der Figur 3 der einzige hier dargestellte Einleger der Reihen mit gerader Nummerierung, hier der Reihe R4, ist in einer parallel dazu beabstandeten zweiten Ebene E2 angeordnet. Hierdurch wird eine elektrische Kontaktierung der Einleger untereinander zuverlässig verhindert und diese können dennoch einen relativ großen Materialquerschnitt bereitstellen, um die Batterieeinzelzellen 10 der jeweiligen Reihe R1 bis R6 untereinander parallel zu verschalten.
Abschließend soll nur noch auf die Zugankerbuchse 11 eingegangen werden. Diese ist in einem Bereich des Modulgehäuses 6 angeordnet, welcher die äußeren aneinander anliegenden Seiten 7, 8 ausbildet, so dass beim Zusammensetzen und Verspannen der einzelnen Batteriemodulen 2 der in Figur 1 angedeutete Aufbau der Batterie 1 entsteht. Um zu verhindern, dass die Batterieeinzelzellen 10 mit zu viel Druck beaufschlagt werden, sind die Zugankerbuchsen 11 in ihrer Länge minimal größer ausgeführt als der Abstand der Seiten 7, 8 des Modulgehäuses 6 im Bereich der Zugankerbuchsen 11. Beim Verspannen der einzelnen Batteriemodule 2 liegen damit die Zugankerbuchsen 11 der Batteriemodule 2 aneinander an, so dass die Kräfte ausschließlich hier und nicht über den Kunststoff des Modulgehäuses 6 übertragen werden. Der zwischen den einzelnen Modulgehäusen 6 der Batteriemodulen 2 auftretende Abstand innerhalb der Batterie 1 ist dabei sehr klein und kann bei Bedarf über eine elastische Dichtung abgedichtet werden, ohne die schwimmende Lagerung der Batterieeinzelzellen 10 zu stören.

Claims

Patentansprüche Batteriemodul (2) mit einem Modulgehäuse (6) aus einem ersten elektrisch isolierenden Material zur Aufnahme von zylindrischen Batterieeinzelzellen (10) mit einer Aufnahmeöffnung (9) für jeweils eine der Batterieeinzelzellen (10), welche sich zwischen einer ersten Seite und einer zweiten gegenüberliegenden Seite des Modulgehäuses (6) erstrecken, wobei in dem Modulgehäuse (6) zwischen der ersten und der zweiten Seite (7, 8) wenigstens ein Einleger (12) aus einem zweiten elektrisch leitenden Material vorgesehen ist, welcher wenigstens eine der Batterieeinzelzellen (10) kontaktierend elektrisch verbindet dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Mantelfläche der Batterieeinzelzellen (10) einen der Batteriepole ausbildet, wobei der Einleger (12) wenigstens eine in die Aufnahmeöffnungen (9) der zu kontaktierenden Batterieeinzelzelle (10) ragende Kontaktfläche (14) aufweist. Batteriemodul (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnungen (9) in dem Modulgehäuse (6) in Reihen (R1 bis R6) angeordnet sind. Batteriemodul (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzellen (10) in einer Reihe (R1 bis R6) der Aufnahmeöffnungen (9) mit identischer Polung eingebracht sind, wobei die Polung in den jeweils benachbarten Reihen (R1 bis R6) jeweils umgekehrt ist. Batteriemodul (2) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der Reihen (R1 bis R6) ein Einleger (12) vorgesehen ist, welcher die Batterieeinzelzellen (10) der Reihe (R1 bis R6) kontaktiert. Batteriemodul (2) nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleger (12) benachbarter Reihen (R1 bis R6) in verschiedenen Ebenen (E1 , E2) angeordnet sind. Batteriemodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der Einleger (12) wenigstens ein Messabgriff (18) aus dem Modulgehäuse (6) herausgeführt ist. Batteriemodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer der Batteriepole jeder der Batterieeinzelzellen (10) mit einer Kontaktfeder (17) versehen ist, welche dazu eingerichtet ist, den jeweils anderen Batteriepol einer Batterieeinzelzelle (10) eines benachbarten Batteriemoduls (2) zu kontaktieren. Batteriemodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (6) interne Hohlräume (21) aufweist, welche mit Kühlmedienanschlüssen (19) verbunden sind. Batteriemodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (6) aus dem ersten Material im Spritzguss hergestellt ist, wobei das zweite Material als metallischer Einleger (12) umspritzt ist. Batterie (1) mit wenigstens zwei Batteriemodulen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welche über Zuganker (3) zwischen zwei Endplatten (4) verspannt und über Kontaktelemente in den Endplatten (4) elektrisch verschaltet sind. Batterie (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Zugankerbuchsen (11) für die Zuganker (3) in jedem Modulgehäuse (6) vorgesehen sind, welche eine größere Länge aufweisen als die Abmessung des Modulgehäuses (6) in derselben Richtung.
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