DE102015008985A1 - Zellmodul, Batteriemodul und elektrische Batterie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zellmodul (1) für eine elektrische Batterie (2) mit – einer Mehrzahl von Einzelzellen (1.1), – mindestens zwei Zellpolverbindern (1.2, 1.3), mittels der die Einzelzellen (1.1) elektrisch parallel oder seriell miteinander verschaltet sind, und – wenigstens ein Temperierelement (4) zum Temperieren der Einzelzellen (1.1). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Temperierelement (4) mit einem ersten Zellpolverbinder (1.2) thermisch leitend verbunden ist, wobei – jede Einzelzelle (1.1) elektrisch und thermisch leitend mit dem ersten Zellpolverbinder (1.2) verbunden ist und – das wenigstens eine Temperierelement (4) zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Abschnitte (4.1, 4.2) aufweist, wobei ein erster Abschnitt (4.1) parallel zu einer Flachseite des ersten Zellpolverbinders (1.2) und senkrecht zu einer Längsausrichtung der Einzelzellen (1.1) angeordnet ist, und wobei ein zweiter Abschnitt (4.2) parallel zur Längsausrichtung der Einzelzellen (1.1) angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Batteriemodul (3), umfassend eine Mehrzahl elektrisch seriell miteinander verschalteter Zellmodule (1) sowie eine elektrische Batterie (2), umfassend wenigstens ein solches Batteriemodul (3).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Zellmodul für eine elektrische Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl solcher Zellmodule und eine elektrische Batterie mit mindestens einem solchen Batteriemodul.
  • In der US 2009/0111009 A1 ist eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens oder eines Motorrads, mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Speicherzellen beschrieben. Mindestens eine der in den Speicherzellen jeweils angeordneten Elektroden besteht aus Metall oder ist weitgehend ganzflächig mit einer Metallschicht versehen. Die Metallelektrode oder die Metallschicht, insbesondere eine Metallfolie, ist über ein Anschlusselement mit einer außerhalb der Speicherzelle vorgesehenen Anschlussklemme elektrisch leitend verbunden. Die Vorrichtung ist dabei insbesondere für einen temporären elektromotorischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wozu diese eine Wärme leitende Kühlplatte aufweist, die in thermischem Kontakt mit weitgehend jeder der Anschlussklemmen der Speicherzellen steht. Die Kühlplatte führt die von den Metallelektroden oder Metallschichten der Elektroden an die Anschlussklemme über das Anschlusselement zugeführte Wärmeenergie ab.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Zellmodul, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Batteriemodul sowie eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrische Batterie anzugeben.
  • Hinsichtlich des Zellmoduls wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich des Batteriemoduls wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich der elektrischen Batterie wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Zellmodul für eine elektrische Batterie umfasst eine Mehrzahl von Einzelzellen, mindestens zwei Zellpolverbinder, mittels der die Einzelzellen elektrisch parallel oder seriell miteinander verschaltet sind, und wenigstens ein Temperierelement zum Temperieren der Einzelzellen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Temperierelement mit einem ersten Zellpolverbinder thermisch leitend verbunden ist, wobei jede Einzelzelle mit dem ersten Zellpolverbinder elektrisch und thermisch leitend verbunden ist und wobei das wenigstens eine Temperierelement zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Abschnitte aufweist, wobei ein erster Abschnitt eine Kontaktfläche für den ersten Zellpolverbinder bildet und parallel zu einer Flachseite des ersten Zellpolverbinders und senkrecht zu einer Längsausrichtung der Einzelzellen angeordnet ist, und wobei ein zweiter Abschnitt parallel zur Längsausrichtung der Einzelzellen angeordnet ist.
  • Das derart ausgebildete Zellmodul ermöglicht eine modulartige Bauweise der elektrischen Batterie, wodurch eine Reparatur und Austausch einzelner Komponenten der elektrischen Batterie gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht und kostengünstiger sind. Weiterhin ermöglich das Zellmodul eine effiziente und montagefreundliche Kühlung der Einzelzellen, wobei jede Einzelzelle über den ersten Zellpolverbinder thermisch leitend mit dem Temperierelement verbunden ist und damit eine indirekte Temperierung der Einzelzellen möglich ist. Das Temperierelement ist beispielsweise eine Kühlplatte mit einer Anzahl von Kühlkanälen, die von einem Kühlmedium durchströmbar sind.
  • Dabei können mehrere Zellmodule mit einem einzigen Temperierelement gekoppelt werden, wobei die Einzelzellen nicht fest mit dem Temperierelement verbunden sind, so dass eine Demontage und Remontage eines oder mehrerer Zellmodule auf sehr einfache Art und Weise durchführbar sind. Die Anordnung des Temperierelements ermöglicht zudem bauraumsparende Abmessungen des Zellmoduls und somit auch der elektrischen Batterie. Die elektrische Batterie ist beispielsweise als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug vorgesehen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Zellmoduls mit einem Zellpolverbinder in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
  • 2 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellmoduls gemäß 1 mit einem weiteren Zellpolverbinder,
  • 3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls mit vier Zellmodulen und einem Temperierelement,
  • 4 schematisch zwei miteinander verbundene Batteriemodule mit jeweils vier Zellmodulen in perspektivischer Ansicht,
  • 5 schematisch zwei miteinander verbundene Zellmodule in einem Bauraum mit einem weiteren Temperierelement in einer perspektivischen Ansicht und
  • 6 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Bauraums mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 und 2 zeigen jeweils schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Zellmoduls 1 für eine in 6 dargestellte elektrische Batterie 2 in einer perspektivischen Ansicht.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das Zellmodul 1 43 Einzelzellen 1.1, die elektrisch parallel miteinander verschaltet sind. Alternativ umfasst das Zellmodul 1 eine von der gezeigten Anzahl abweichende Anzahl von Einzelzellen 1.1 auf.
  • Die Einzelzellen 1.1 umfassen dabei jeweils ein Zellgehäuse 1.1.1, in dem ein nicht dargestelltes Zelleninneres, beispielsweise in Form von elektrochemisch aktiven Folien, angeordnet ist. Das Zellgehäuse 1.1.1 ist hierzu kreiszylindrisch ausgebildet. Eine Mantelfläche des Zellgehäuses 1.1.1 ist z. B. aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gebildet.
  • An den Stirnseiten einer Einzelzelle 1.1 ist jeweils ein Zellpol (nicht dargestellt) angeordnet, wobei an einer Stirnseite ein Pluspol und an der gegenüberliegenden Stirnseite ein Minuspol angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jeweils alle Pluspole und Minuspole der Einzelzellen 1.1 in die gleiche Richtung ausgerichtet, so dass die Einzelzellen 1.1 mittels Zellpolverbindern 1.2, 1.3 elektrisch parallel miteinander verschaltbar sind.
  • In 1 ist ein erster Zellpolverbinder 1.2 gezeigt, welcher die Minuspole der Einzelzellen 1.1 elektrisch leitend miteinander verbindet. Der erste Zellpolverbinder 1.2 ist dazu aus einem elektrisch und Wärme leitenden Material, z. B. Metall, gebildet, wobei die Einzelzellen 1.1 fest mit dem ersten Zellpolverbinder 1.2 verbunden sind. Beispielsweise wird das Zellgehäuse 1.1.1 der Einzelzellen 1.1 mittels Laserschweißen, Laserlöten oder anderer geeigneter Fügeverfahren mit einer Flachseite des ersten Zellpolverbinders 1.2 fest verbunden. Damit ist eine thermische Leitfähigkeit der Einzelzellen 1.1 über die Fügestellen an den ersten Zellpolverbinder 1.2 hergestellt.
  • Der erste Zellpolverbinder 1.2 umfasst weiterhin einen von der Flachseite in Richtung einer Längsausrichtung der Einzelzellen 1.1 abgewinkeltes Verbindungselement 1.2.1, welches vorzugsweise einteilig mit der Flachseite ausgebildet ist. Das Verbindungselement 1.2.1 ragt dabei von einem Rand, insbesondere von einem stirnseitigen Rand der Flachseite des ersten Zellpolverbinders 1.2 ab. Das Verbindungselement 1.2.1 ist zur elektrischen Verbindung des Zellmoduls 1 mit einem weiteren Zellmodul 1 vorgesehen, wie es beispielhaft in 3 gezeigt ist.
  • In 2 ist zusätzlich ein zweiter Zellpolverbinder 1.3 gezeigt, welcher die Pluspole der Einzelzellen 1.1 elektrisch leitend miteinander verbindet. Der zweite Zellpolverbinder 1.3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einer den Einzelzellen 1.1 abgewandten Flachseite eines platten- oder wannenförmigen Trägerkörpers 1.3.1 angeordnet, welcher aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. einem Spritzgusskörper aus Kunststoff, gebildet ist. Der Trägerkörper 1.3.1 weist eine mit einer Anzahl der Einzelzellen 1.1 korrespondierende Anzahl von Aussparungen auf, so dass die Pluspole der Einzelzellen 1.1 elektrisch leitend mit dem zweiten Zellpolverbinder 1.3 verbindbar sind. Die elektrische Verbindung der Pluspole mit dem zweiten Zellpolverbinder 1.3 erfolgt beispielsweise mittels Bonddrähten, insbesondere mittels Aluminium- oder Kupferbonddrähten. Am Trägerkörper 1.3.1 sind die Einzelzellen 1.1, insbesondere die Zellgehäuse 1.1.1 stoffschlüssig mittels einer Vergussmasse fixiert.
  • 3 zeigt schematisch ein Batteriemodul 3, welches vier der zuvor beschriebenen Zellmodule 1 umfasst, in einer perspektivischen Ansicht.
  • Das gezeigte Batteriemodul 3 stellt beispielhaft ein sogenanntes Basismodul zur Anordnung in der elektrischen Batterie 2 mit einer Nominalspannung von 14,6 Volt dar.
  • Die Zellmodule 1 sind paarweise nebeneinander angeordnet, wobei jeweils zwei Zellmodule 1 ein Zellmodulpaar bilden, deren erste Zellverbinderpole 1.2 einander zugewandt angeordnet sind. Die Zellmodule 1 sind elektrisch seriell miteinander verschaltet, so dass das Verbindungselement 1.2.1 des ersten Zellverbinderpoles 1.2 eines der Zellmodule 1 mit dem zweiten Zellverbinderpol 1.2 eines benachbarten Zellmoduls 1 elektrisch leitend verbunden ist. Dazu ist das Verbindungselement 1.2.1 am freien Ende abgewinkelt ausgeführt und liegt auf dem zweiten Zellverbinderpol 1.2 auf.
  • Zur Temperierung der Einzelzellen 1.1 der Zellmodule 1 im Batteriemodul 3 ist ein Temperierelement 4 vorgesehen, wie es beispielhaft im vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
  • Das Temperierelement 4 umfasst zwei Abschnitte 4.1, 4.2, die jeweils plattenförmig ausgebildet und zueinander rechtwinklig angeordnet sind. Dabei ist ein erster Abschnitt 4.1 zwischen den Zellmodulen 1 der Zellmodulpaare und somit insbesondere jeweils zwischen den ersten Zellverbinderpolen 1.1 der Zellmodulpaare angeordnet. D. h.: Der erste Abschnitt 4.1 ist mit jeweils einer Flachseite den ersten Zellverbinderpolen 4.1 zweier Zellmodule 1 zugewandt angeordnet und verläuft senkrecht zu einer Längsausrichtung der Einzelzellen 1.1.
  • Ein zweiter Abschnitt 4.2 des Temperierelements 4 ist rechtwinklig zum ersten Abschnitt 4.1 angeordnet und verläuft somit parallel zur Längsausrichtung der Einzelzellen 1.1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel verläuft der zweite Abschnitt 4.2 ausgehend vom ersten Abschnitt 4.1 jeweils in Richtung der zweiten Zellpolverbinder 1.3 der Zellmodule 1.
  • Das Temperierelement 4 ist beispielsweise eine Kühlplatte mit einer Anzahl von Kühlkanälen, durch die ein Kühlmedium, z. B. eine Kühlflüssigkeit, strömt. Da jeweils alle Einzelzellen 1.1 eines Zellmoduls 1 elektrisch leitend und Wärme leitend mit dem ersten Zellpolverbinder 1.2 verbunden sind und die ersten Zellpolverbinder 1.2 jeweils mit dem Temperierelement 4 thermisch gekoppelt sind, kann eine Abwärme der Einzelzellen 1.1 im Betrieb des Zellmoduls 1 effektiv abgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Temperierelement 4 auch zum Erwärmen der Einzelzellen 1.1 dienen. Des Weiteren ist zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen dem ersten Abschnitt 4.1 und den ersten Zellverbinderpolen 1.2 sowie zwischen dem zweiten Abschnitt 4.2 und den Einzelzellen 1.1 jeweils eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie 5 angeordnet. Die Wärmeleitfolie 5 besteht beispielsweise aus einem weichen und elastischen Kunststoff-Grundmaterial, z. B. Soft-Silikon, welches mit gut wärmeleitfähigen Partikeln, z. B. Aluminiumoxid, gefüllt ist.
  • Bei dem gezeigten Aufbau des Batteriemoduls 3 ist es möglich, einzelne Zellmodule 1 zu demontieren, z. B. im Reparaturfall. Ein Demontageaufwand wird durch die gezeigte Ausbildung und Anordnung des Temperierelements 4 gegenüber dem Stand der Technik erheblich vereinfacht.
  • 4 zeigt eine Erweiterung des zuvor beschriebenen Basismoduls, wobei zwei Batteriemodule 3 mit jeweils vier Zellmodulen 1 elektrisch seriell miteinander verschaltet sind und somit beispielsweise eine Nominalspannung von 29,2 Volt aufweisen. Die Batteriemodule 3 sind schematisch in perspektivischer Ansicht gezeigt.
  • Die Batteriemodule 3 bilden ein sogenanntes Doppelmodul, wobei die Batteriemodule 3 in eine Längsausrichtung des Temperierelements 4 nebeneinander angeordnet sind. Das Temperierelement 4 ist hierbei entsprechend einer Abmessung des Doppelmoduls gegenüber dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel in Längsrichtung erweitert bzw. verlängert.
  • Die Temperierung der Einzelzellen 1.1 kann hierbei direkt über das Temperierelement 4 erfolgen, welches – wie bereits beschrieben – von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Alternativ kann das Temperierelement 4 auch als Wärmepuffer dienen und mit einem weiteren, von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Temperierelement 6 thermisch leitend verbunden werden.
  • Dazu zeigt 5 beispielhaft zwei miteinander verbundene Zellmodule 1 in einem Bauraum B mit einem weiteren Temperierelement 6 in einer schematischen, perspektivischen Ansicht.
  • Der Bauraum B ist beispielsweise in einem nicht näher dargestellten Fahrzeug angeordnet und dient der Aufnahme der elektrischen Batterie 2, welche ein oder mehrere elektrisch miteinander verschaltete Batteriemodule 3 umfasst. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zur besseren Veranschaulichung nur zwei Zellmodule 1 im Bauraum B gezeigt.
  • Das Temperierelement 4 dient hierbei als Wärmepuffer zur Speicherung der Abwärme der Einzelzellen 1.1, wobei die im Temperierelement 4 gespeicherte Wärme über das weitere Temperierelement 6 abgeführt wird. Die gezeigten Hohlprofile im weiteren Temperierelement 6 dienen dabei als Kühlkanäle, welche von einem Kühlmedium durchströmt werden. Beispielsweise ist das Kühlmedium eine Kühlflüssigkeit, die von einem Klimakreislauf des Fahrzeugs bereitgestellt wird.
  • Des Weiteren sind die gezeigten Zellmodule 1 jeweils mit dem ersten Zellverbinderpol 1.2 einem Batteriegehäuseboden (nicht dargestellt) zugewandt angeordnet, wobei hier das Temperierelement 4 nicht an den ersten Zellverbinderpolen 1.2 anliegend angeordnet ist. Hierbei kann eine Temperierung zusätzlich über den Batteriegehäuseboden erfolgen.
  • 7 zeigt eine in einem Bauraum B angeordnete elektrische Batterie 2 mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batteriemodulen 3. Die elektrische Batterie 2 ist in einem Batteriegehäuse 2.1 (im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur teilweise dargestellt) angeordnet. Die Batteriemodule 3 sind variabel elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltet.
  • Der modulartige Aufbau der elektrischen Batterie 2 ermöglicht eine optimale Nutzung des Bauraums B, wobei einzelne Zellmodule 1 und/oder Batteriemodule 3 auf einfache Art und Weise austauschbar sind. Zusätzlich ist die Verwendung anderer Zellformen, z. B. Rahmenflachzellen im Bauraum B, möglich. Beispielsweise umfasst die elektrische Batterie 2 sowohl Rundzellen als auch Rahmenflachzellen als Einzelzellen 1.1.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zellmodul
    1.1
    Einzelzelle
    1.1.1
    Zellgehäuse
    1.2
    erster Zellpolverbinder
    1.2.1
    Verbindungselement
    1.3
    zweiter Zellpolverbinder
    1.3.1
    Trägerkörper
    2
    elektrischer Batterie
    2.1
    Batteriegehäuse
    3
    Batteriemodul
    4
    Temperierelement
    4.1
    erster Abschnitt
    4.2
    zweiter Abschnitt
    5
    Wärmeleitfolie
    6
    weiteres Temperierelement
    B
    Bauraum
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2009/0111009 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Zellmodul (1) für eine elektrische Batterie (2) mit – einer Mehrzahl von Einzelzellen (1.1), – mindestens zwei Zellpolverbindern (1.2, 1.3), mittels der die Einzelzellen (1.1) elektrisch parallel oder seriell miteinander verschaltet sind, und – wenigstens einem Temperierelement (4) zum Temperieren der Einzelzellen (1.1), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Temperierelement (4) mit einem ersten Zellpolverbinder (1.2) thermisch leitend verbunden ist, wobei – jede Einzelzelle (1.1) elektrisch und thermisch leitend mit dem ersten Zellpolverbinder (1.2) verbunden ist und – das wenigstens eine Temperierelement (4) zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Abschnitte (4.1, 4.2) aufweist, wobei ein erster Abschnitt (4.1) parallel zu einer Flachseite des ersten Zellpolverbinders (1.2) und senkrecht zu einer Längsausrichtung der Einzelzellen (1.1) angeordnet ist, und wobei ein zweiter Abschnitt (4.2) parallel zur Längsausrichtung der Einzelzellen (1.1) angeordnet ist.
  2. Zellmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Zellpolverbinder (1.2) und dem wenigstens einen Temperierelement (4) eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie (5) angeordnet ist.
  3. Zellmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1.1) elektrisch parallel miteinander verschaltet sind, wobei der erste Zellpolverbinder (1.2) die Minuspole der Einzelzellen (1.1) elektrisch miteinander verbindet.
  4. Zellmodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Zellpolverbinder (1.3) angeordnet ist, welcher die Pluspole der Einzelzellen (1.1) elektrisch miteinander verbindet.
  5. Zellmodul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zellpolverbinder (1.3) einen Trägerkörper (1.3.1) aus einem elektrisch isolierenden Material umfasst, in welchem die Einzelzellen (1.1) stoffschlüssig fixiert sind.
  6. Zellmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1.1) jeweils einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen.
  7. Batteriemodul (3), umfassend eine Mehrzahl elektrisch seriell miteinander verschalteter Zellmodule (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – alle Zellmodule (1) thermisch mit einem gemeinsamen Temperierelement (4) gekoppelt sind und – an sich gegenüberliegenden Flachseiten des ersten Abschnitts (4.1) des Temperierelements (4) jeweils mehrere Zellmodule (1) nebeneinander angeordnet sind, wobei zwei sich jeweils gegenüberliegende Zellmodule (1) ein Zellmodulpaar bilden und jeweils mit ihren ersten Zellpolverbindern (1.2) mit der zugehörigen Flachseite des ersten Abschnitts (4.1) thermisch gekoppelt sind.
  8. Batteriemodul (3) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch vier Zellmodule (1), die elektrisch seriell miteinander verschaltet sind.
  9. Elektrische Batterie (2), umfassend mindestens ein Batteriemodul (3) nach Anspruch 7 oder 8.
  10. Elektrische Batterie (2) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein weiteres Temperierelement (6), welches mit dem Temperierelement (4) des mindestens einen Batteriemoduls (3) thermisch gekoppelt ist, wobei das weitere Temperierelement (6) parallel zur Längsausrichtung der Einzelzellen (1.1) und senkrecht zur Flachseite des ersten Zellpolverbinders (1.2) der jeweiligen Zellmodule (1) ausgerichtet ist.
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