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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Einzelzellen, welche jeweils eine Umhüllung aufweisen, wobei die Einzelzellen in Reihe elektrisch verschaltet sind, wozu Hybridverbinder, die teilweise Kupfer und teilweise Aluminium aufweisen, zum Einsatz kommen.
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Der Aufbau von Batteriemodulen aus Einzelzellen ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Beispielsweise bei Lithium-Ionen-Batterien ist es so, dass der eine Ableiter der Zelle aus Kupfer gefertigt ist, während der andere aus Aluminium besteht. Werden diese Ableiter nun außerhalb der eigentlichen Zellen miteinander verbunden, erfolgt dies beispielsweise durch Schweißen. Das Verschweißen von unterschiedlichen Materialien, insbesondere das Verschweißen von Aluminium und Kupfer über Laserschweißen, ist jedoch schwierig. Aus diesem Grund gibt es im Stand der Technik sogenannte Hybridverbinder, welche zum Teil aus Kupfer und zum Teil aus Aluminium bestehen, sodass beispielsweise für die Verbindung der Einzelzellen zu einem Batteriemodul die jeweiligen Ableiter mit demselben Material des Hybridverbinders verbunden werden können, also die Kupferableiter mit dem aus Kupfer bestehenden Teil des Hybridverbinders und die Aluminiumableiter mit dem aus Aluminium bestehenden Teil des Hybridverbinders. Die
DE 10 2013 019 468 A1 beschreibt im Wesentlichen einen solchen Aufbau, bei welchem gemäß der genannten Schrift auch Hybridbauteile bzw. Hybridverbinder zum Einsatz kommen können.
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Ungeachtet dessen ist es so, dass auch wenn derartige Hybridverbinder eingesetzt werden, der Aufbau der Einzelzellen insgesamt relativ materialintensiv ist und die Notwendigkeit, die Ableiter aus Kupfer herzustellen, relativ viel des teuren und schweren Materials benötigt. Darüber hinaus ist es so, dass beim relativ aufwändigen Fügen der Einzelzellen zu dem Batteriemodul immer wieder Einzelzellen thermisch überlastet werden und bereits während der Montage beschädigt werden oder dann im Betrieb relativ schnell defekt gehen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, einen vereinfachten Aufbau eines Batteriemoduls aus mehreren Einzelzellen anzugeben, welcher in der Herstellung einfacher ist, und welcher Fertigungskosten, Gewicht und Materialkosten einzusparen hilft.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul ist nun so aufgebaut, dass es die Hybridverbinder nutzt, diese jedoch nicht einsetzt, um die Batterieeinzelzellen bei einer Endmontage von vorgefertigten Einzelzellen zu dem Batteriemodul zu verbinden. Vielmehr ist es bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul vorgesehen, dass jeder der Hybridverbinder mit seinen jeweils aus den verschiedenen Materialien ausgebildeten Enden innerhalb der Umhüllung der Zelle mit den Elektroden der Zelle verbunden ist. Diese Elektroden sind typischerweise Kupferfolien beim Minuspol und Aluminiumfolien beim Pluspol, beim Beispiel einer Zelle in Lithium-Ionen-Technologie. Diese einzelnen Folien müssen nun mit dem Hybridverbinder verbunden werden. Dies kann gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls vergleichbar wie im Stand der Technik durch Ultraschallschweißen erfolgen. Dieses Ultraschallschweißen erfolgt beim Stand der Technik mit dem späteren Zellableiter, welcher jeweils aus demselben Material wie die Folien der Elektroden gefertigt ist. Dies führt zu den eingangs genannten Problemen. Bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul ist es nun so, dass hier der Hybridverbinder direkt zum Einsatz kommt. Er wird also beispielsweise bei den negativen Elektroden mit seiner Kupferseite mit den Elektroden, also den einzelnen Folien, verbunden, vorzugsweise durch das schon erwähnte Ultraschallschweißen. Sein anderes Ende, welches aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, wird dementsprechend mit den Elektroden einer später in dem Batteriemodul benachbarten Einzelzelle verbunden. Die Kontaktierung der Einzelzellen zu dem Batteriemodul erfolgt also schon bei der Fertigung der Einzelzellen. Damit lässt sich ein Hybridableiter bzw. Hybridverbinder in der prinzipiell bekannten Art außerordentlich effizient einsetzen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ist es so, dass der Hybridverbinder jeweils zwei Siegelbänder zum Abdichten zwischen dem Hybridverbinder und der Umhüllung der Einzelzelle aufweist. Damit lässt sich nach dem Kontaktieren der jeweiligen Elektrode mit der jeweiligen Seite eines Hybridverbinders einerseits zum Herstellen der Zelle und andererseits zum unmittelbaren Verbinden der Einzelzellen zu dem Batteriemodul bei der Herstellung zuverlässig abdichten.
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Der gesamte Aufwand, welcher bisher bei der Montage der Batterieeinzelzellen nach ihrer Herstellung zu dem Batteriemodul angefallen ist, lässt sich somit vollständig einsparen.
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Darüber hinaus kann es gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der Idee ferner vorgesehen sein, dass nur der innerhalb der Umhüllung einer der Einzelzellen liegende Teil des Hybridverbinders aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Hierdurch kann der Einsatz des relativ teureren Kupfers gegenüber dem Aluminium oder Aluminiumlegierung entsprechend reduziert werden. Dies hilft einerseits Kosten einzusparen und erlaubt andererseits das Gewicht des Batteriemoduls zu verringern, da die Dichte des Aluminiummaterials sehr viel kleiner als die des Kupfers ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls, welches vorzugsweise zur Herstellung von Hochvoltbatterien, wie sie beispielsweise als Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, Verwendung finden kann, ergibt sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Einzelzelle eines Batteriemoduls gemäß dem Stand der Technik;
- 2 zwei elektrisch in Reihe miteinander verbundene Einzelzellen gemäß dem Stand der Technik;
- 3 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie III-III in 2 beim Aufbau gemäß dem Stand der Technik;
- 4 zwei verbundene Einzelzellen in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung;
- 5 ein eingesetzter Hybridverbinder; und
- 6 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie VI-VI in 4.
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In der Darstellung der 1 ist eine Einzelzelle 1 eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Batteriemoduls gezeigt. Diese Einzelzelle 1 ist beispielhaft als sogenannte Pouch-Zelle ausgebildet. Ihre mit 2 bezeichnete Umhüllung besteht aus einer Folie, in welcher die elektrochemisch aktiven Materialien eingeschweißt und mit einem positiven Zellableiter 3 und einem negativen Zellableiter 4 verbunden sind. Der positive Zellableiter 3 ist gegenüber der Umhüllung 2 über ein sogenanntes Siegelband 5 abgedichtet und besteht aus Aluminium. Der mit 4 bezeichnete negative Zellableiter ist ebenfalls über ein Siegelband 5 gegenüber der Umhüllung 2 abgedichtet und mit den negativen Elektroden der Einzelzelle 1 verbunden. Er besteht aus Kupfer.
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Wird nun aus solchen Einzelzellen 1 ein Batteriemodul aufgebaut, werden diese miteinander verbunden. In der Darstellung der 2, welche ebenfalls den Stand der Technik zeigt, sind zwei dieser Einzelzellen 1 nochmals dargestellt. Der negative Ableiter 4 der einen Einzelzelle 1 wird mit dem positiven Ableiter 3 der anderen Einzelzelle 1 verbunden, was hier beispielsweise durch zwei Laserschweißnähte 11 erfolgt. In der Darstellung der 3 ist dies in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in 2 zu erkennen. Die Folienstapel mit dem aktiven Material innerhalb der jeweiligen Einzelzelle 1 sind mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet. Die einzelnen Folien, welche die Elektroden ausbilden, sind dann zu einem Folienpaket zusammengeführt, welches im zusammengeführten Bereich bei der negativen Elektrode mit 7 und bei der positiven Elektrode mit 8 bezeichnet ist. Bei der negativen Elektrode sind die Folien des Folienpakets 7 aus Kupfer ausgebildet. In einer mit 9 bezeichneten Fügezone werden sie mit dem Ableiter 4 aus Kupfer verbunden, vorzugsweise durch Ultraschallschweißen. Das Siegelband 5 dichtet den Aufbau der Einzelzelle 1, welcher durch eine Folie, die sogenannte Pouch-Folie, als Umhüllung 2 eingehüllt wird, entsprechend ab. Das gleiche gilt im Wesentlichen auf der gegenüberliegenden Seite, welche hier die nachfolgende Einzelzelle 1 zeigt. Die positive Elektrode wird aus Aluminiumfolien gebildet, welche wiederum als Folienpaket 8 herausgeführt und im Bereich einer dort mit 10 bezeichnet Fügezone mit dem Ableiter 3 entsprechend verbunden, beispielsweise ultraschallverschweißt, sind. Auch hier dichtet das Siegelband 5 den Aufbau der Einzelzelle 1 mit der sie als Umhüllung 2 umgebenden Pouch-Folie ab. Die beiden Ableiter 3, 4 sind dann über die zwei Laserschweißnähte 11, welche auch in 2 zu erkennen sind, miteinander verschweißt. Dies ist bei der Materialkombination einer Aluminiumlegierung beim Ableiter 3 und einer Kupferlegierung beim Ableiter 4 oder auch dem entsprechenden Einsatz dieser Materialien ohne Legierungszusätze entsprechend kritisch. Das Verschweißen ist bei der Montage daher ein sehr aufwändiger und fehleranfälliger Vorgang.
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In der Darstellung der 4 sind zwei miteinander verbundenen Einzelzellen 1 mit ihrer jeweiligen Umhüllung 2 in einer Ausgestaltung zu erkennen, welche diese Probleme löst. Analog zur Darstellung in 1 ist auf der jeweils linken Seite der Einzelzellen 1 der wiederum mit 3 bezeichnete positive Ableiter und aus der jeweils rechten Seite der wiederum mit 4 bezeichnete negative Ableiter zu erkennen. Zwischen den beiden Einzelzellen 1 ist nun ein Ableiter zu erkennen, welcher sowohl mit 3 als auch mit 4 bzw. nachfolgend dann mit 34 bezeichnet ist. Genau hier liegt die Besonderheit des Aufbaus. Dieser Ableiter ist in der 4 unten nochmals herausgezeichnet zu erkennen. Er ist als sogenannter Hybridableiter oder Hybridverbinder 34 ausgebildet. Er besitzt auf seiner einen Seite einen Bereich aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, welcher hier mit 12 bezeichnet ist. Der Rest und damit der größte Teil des Hybridverbinders 34 besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welcher hier mit 13 bezeichnet ist. Außerdem sind zwei Siegelbänder 5 auf diesem Hybridableiter 34 zu erkennen. In der Darstellung der 6 ist nun ein Schnitt entlang der Linie VI-VI in 4 zu erkennen.
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Die Schnittdarstellung ist dabei analog zu der Schnittdarstellung in 3, welche den Aufbau gemäß dem Stand der Technik zeigt, zu verstehen. Der Hybridverbinder 34 ist nun als einteiliges Bauteil ausgeführt, welches an seinem einen Ende aus Kupfer und an seinem anderen Ende aus Aluminium ausgeführt ist. Die entsprechenden Bereiche sind wieder analog zur Darstellung in 5 mit 12, 13 bezeichnet. Sie liegen im Bereich der Fügezonen 9, 10, in denen die Folienpakete 7, 8 der jeweiligen Elektroden nun nicht mehr mit einzelnen Ableitern für jeden Pol sondern mit dem Hybridverbinder 34 als Ganzes verbunden werden. Über die Siegelbänder 5 ist der Aufbau wiederum zwischen dem Hybridverbinder 34 und der Pouch-Folie als Umhüllung 2 der Einzelzellen 1 abgedichtet. Der gesamte Aufbau lässt sich dann beliebig lang fortsetzen, indem bei der Herstellung der Einzelzellen 1 beliebig viele der Zellen 1 über die Hybridverbinder 34 miteinander verbunden werden. Das Batteriemodul entsteht so quasi direkt bei der Herstellung. Dies ist einfach und effizient und durch den Einsatz der Hybridverbinder 34, welche im Inneren der Umhüllung 2 mit den Elektroden, also den Folienpaketen 7, 8 verbunden werden, sehr einfach und zuverlässig bezüglich der Fertigungstechnik.
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Die ungleichmäßige Aufteilung der Materialien Kupfer und Aluminium, also die ungleiche Größe der Bereiche 12 und 13 in dem Hybridverbinder 34, bieten dabei den Vorteil einer Einsparung von Kupfer, was Kosten und Gewicht spart. Außerdem entsteht so ein Aufbau, bei welchem alle Ableiter, und damit auch die Endkontakte des Batteriemoduls, außerhalb der Umhüllungen 3 jeweils aus Aluminium sind, was für die elektrische Kontaktierung des Moduls mit den in Reihe verschalteten Einzelzellen von Vorteil ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013019468 A1 [0002]
