DE102021103031A1

DE102021103031A1 - Batterie

Info

Publication number: DE102021103031A1
Application number: DE102021103031.5A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Nicolai
Original assignee: Nicolai Ges mbH; Nicolai GmbH
Current assignee: Nicolai Ges mbH; Nicolai GmbH
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Batterie (6) mit folgenden Merkmalen: a) mindestens zwei benachbarte Batteriemodule (8, 8'), b) einem Batterie-Management-System (9), c) jedes Batteriemodul (8, 8') weist ein Modulgehäuse (10) auf, in dem mindestens zwei aufladbare Batteriezellen (20) und eine Einrichtung (27) zur Temperaturdetektion untergebracht sind, d) jedes Batteriemodul (8, 8') weist zwei gegenüberliegende Seitenwände (22) auf, die zueinander komplementär ausgestaltet sind, sodass die Seitenwände (22) benachbarter Batteriemodule (8, 8') flächig aneinander liegen, e) die mindestens zwei Batteriemodule (8, 8') sind elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie, die insbesondere für ein modulares Batteriesystem für elektrisch angetriebene Fahrzeuge vorgesehen ist.
Aktuell verdrängen batteriebetriebene Fahrzeuge immer weiter Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Zusätzlich finden batteriebetriebene Konsumgüter und Werkzeuge den Einzug in die Haushalte und Betriebe. Akkuschrauber, Bohrmaschinen, Staubsauger, Rasenmäher, Küchengeräte und Beleuchtung sind einige Beispiele für Geräte, die früher mit einem Netzkabel versorgt worden sind und heute mit einer Batterie betrieben werden können. Im Bereich der Fahrzeuge sind auf der einen Seite die Fahrzeuge zu nennen, die in der Vergangenheit nur durch menschliche Muskelkraft angetrieben worden sind. Hierzu gehören Fahrräder, Tretroller, Go-Karts, Boote, Surfbretter und Ähnliches. Auf der anderen Seite sind alle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zu nennen. Auch diese Fahrzeuggattung wird immer weiter elektrifiziert. Autos, Lastkraftwagen, Motorräder, Roller, Mopeds, Gabelstapler, Quads, Boote und sogar Flugzeuge können heute elektrifiziert betrieben werden. In vielen der oben genannten Anwendungen werden sogenannte Rundzellen als wieder aufladbarer Energiespeicher verwendet. Im Folgenden sei der Energiespeicher anstatt Akku-System, Akku, Akkumulator oder Batterie-System einfach Batterie genannt. Aufgrund der hohen Leistungsdichte werden heute gerne Lithium-Ionen-Akkumulatoren benutzt. Dieser Energiespeicher steht an dieser Stelle beispielhaft auch für andere chemische Verbindungen, die unter Umständen in Zukunft in Rundzellen Verwendung finden können.
Handelsübliche Einzelzellen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden üblicherweise in zylindrischer Bauform (Rundzelle), als mit speziellem Gehäuse (prismatische Zelle) oder als sogenannte Pouch-Zellen (Tüten-Bauform) ausgeführt. Die zylindrische Bauform ist mit einer fünfstelligen Zahl gekennzeichnet und ermöglicht so eine gewisse Vergleichbarkeit auf Zell-Niveau. Die ersten beiden Ziffern geben den Zelldurchmesser in Millimeter an, die dritte und vierte Stelle die Länge der Zelle in Millimeter. Der Stand der Technik zum Lithium-Ionen-Akkumulator und den unterschiedlichen Bauformen der Rundzellen ist hier genau beschrieben: https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-lonen-Akkumulator. Die Akkus für alle oben genannten Applikationen sind jedoch heute so konstruiert, dass eine Vielzahl an Rundzellen zusammen mit einem elektronischen Batterie-Management-System in einem Gehäuse eingebaut sind.
Das Gehäuse wird meist an die Anwendung speziell angepasst. Die Rundzellen sind, je nach Anwendung, in einer großen Anzahl im Gehäuse vorhanden und seriell sowie auch parallel elektrisch miteinander verbunden. Die elektrische Verbindung wird über Bleche, die mit den Batteriepolen verschweißt sind, erreicht. Die gesamte Konstruktion ist meist so geschlossen aufgebaut, dass eine Reparatur oder Wartung nicht möglich ist. Eine Batteriezelle hat nur eine gewisse Lebensdauer. Sie ist somit ein Verschleißteil. Es ist ein großer Nachteil, dass alle Batterien, falls sie nach einer gewissen Einsatzdauer verschlissen sind, momentan noch komplett mit Gehäuse und allen anderen Bauteilen ausgetauscht und verschrottet werden müssen. Mit Verschleiß der Batteriezelle ist die folgende Verschlechterung gemeint: Lithium-Ionen-Akkus verschlechtern sich sowohl durch Benutzung, wobei eine vollständige Ladung und Entladung als Zyklus bezeichnet wird, als auch ohne Benutzung einfach mit der Zeit (kalendarische Lebensdauer). Die Zyklen-Lebensdauer ist abhängig von Art und Qualität der Batterie, von der Temperatur und von der Art ihrer Nutzung, insbesondere (Ent-)Ladehub, Ladeschlussspannung und Stärke der Lade- sowie Entladeströme. Bei hohen Temperaturen verringert sich die Zyklen-Haltbarkeit drastisch, weshalb der Akku am besten bei Raumtemperatur verwendet werden sollte. Niedrige Temperaturen während des Betriebs, nicht jedoch während der Lagerung, sind ebenfalls schädlich. Ein weiterer Nachteil der heutigen Konstruktionen ist der Umstand, dass die Zellen stoffschlüssig über Bleche miteinander verschweißt sind. Dies führt zu der Problematik, dass ein Ausbau und anschließendes Recycling der verschlissenen Zelle nur aufwändig möglich ist. Eine Kreislaufwirtschaft ist mit den heute am Markt befindlichen Produkten nicht möglich. Leider werden Batterien als Elektroschrott in Entwicklungsländer exportiert. Dieses ist als Nachteil des Stands der Technik zu werten.
Zusätzlich gibt es neben der Form der Rundzelle keinen weiteren genormten Standard, der den Konstrukteur für die oben genannten Applikationen in die Lage versetzt, mit immer gleichen und preisgünstig industrialisiert gefertigten Bauteilen das Batteriesystem aufzubauen. Meist wird jedes Gehäuse und jede Leitungsführung und jedes Batterie-Management-System für jede Batterie speziell neu entwickelt. Dieser Umstand führt zu hohen Entwicklungs- und Fertigungskosten und ist als weiterer Nachteil des Stands der Technik zu werten.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Batterie für ein Batteriesystem zu erschaffen, in dem verschlissene Bauteile leicht ausgetauscht werden können, um Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen. Die Bauform und Leistungsfähigkeit soll dabei an unterschiedliche Applikationen leicht angepasst werden können, um die Entwicklungskosten gering zu halten.
Zu Problemlösung zeichnet sich die Batterie durch folgende Merkmale aus:

a) mindestens zwei benachbarte Batteriemodule,
b) einem Batterie-Management-System,
c) jedes Batteriemodul weist ein Modulgehäuse auf, in dem mindestens zwei aufladbare Batteriezellen und eine Einrichtung zur Temperaturdetektion untergebracht sind,
d) jedes Batteriemodul weist zwei gegenüberliegende Seitenwände auf, die zueinander komplementär ausgestaltet sind, sodass die Seitenwände benachbarter Batteriemodule flächig aneinander liegen,
e) die mindestens zwei Batteriemodule sind elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.

Durch diese Ausgestaltung kann die Batterie bzw. das Batteriesystem in seiner Bauform und Leistungsfähigkeit nicht nur an verschiedene Einsatzzwecke einfach angepasst werden, sondern es können auch industriell gefertigte Module verwendet werden, die dazu beitragen, die Fertigungskosten niedrig zu halten.
Vorzugsweise ist ein die Batteriemodule aufnehmendes Batteriegehäuse vorgesehen.
Die mechanische Verbindung zueinander benachbarter Batteriemodule erfolgt vorzugsweise über eine erste Verbindungseinrichtung. Die elektrische Verbindung benachbarter Batteriemodule kann vorzugsweise über eine zweite Verbindungseinrichtung erfolgen. Denkbar ist es auch, sowohl die elektrische als auch die mechanische Verbindung benachbarter Batteriemodule über eine einzige Verbindungseinrichtung vorzunehmen.
Die Modulgehäuse sind vorzugsweise vollständig geschlossen und bestehen insbesondere vorzugsweise aus einem thermisch gut leitenden Material, insbesondere Metall. Wenn die elektrische und die mechanische Verbindung über eine einzige Verbindungseinrichtung erfolgt, besteht diese vorzugsweise auch aus einem thermisch gut leitenden Material, insbesondere aus Metall.
Bevorzugt können die Batteriezellen zylindrisch ausgebildet sein, sodass Rundzellen realisiert werden.
Die Verbindungseinrichtungen sowohl für die elektrische als auch für die mechanische Verbindung können auch zur Verbindung einer Vorrichtung zur Energieentnahme mit der Batterie dienen.
Wenn die Verbindungseinrichtung für die elektrische und mechanische Verbindung und jedes Batteriemodul gegenüberliegende Seitenwände aufweisen, die zueinander komplementär ausgebildet sind, können ein Batteriemodul und eine Verbindungseinrichtung flächig aneinander anliegen, was die Kompaktheit der Bauform erhöht.
Vorzugsweise ist mindestens eine Seitenwand eines ersten Batteriemoduls und eine Seitenwand eines zweiten Batteriemoduls oder mindestens eine Seitenwand einer ersten Verbindungseinrichtung und eine Seitenwand einer zweiten Verbindungseinrichtung zumindest teilweise vom Batteriegehäuse verdeckt.
Mit Hilfe einer Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend näher erklärt werden. Es zeigt:

1 ein leichtes Elektromotorrad mit einem in den Rahmen integrierten Batteriesystem,
2 den Rahmen aus 1 mit montiertem Batteriesystem , Motor und Hinterradschwinge ,
3 das Batteriesystem aus 2 ohne Gehäuse,
4a ein Batteriemodul aus 3,
4b das Batteriemodul aus 4a in demontierter Darstellung
4c eine Schnittdarstellung durch drei Batteriemodule aus 3,
5a eine Schnittdarstellung durch ein Batteriemodule aus 4a,
5b eine schematische Schnittdarstellung durch ein Batteriemodul,
6 ein entnehmbares Batteriesystem mit zwei Modulen,
7 ein entnehmbares Batteriesystem im Zustand der Entnahme,
8 zwei Batteriemodule mit einer demontierten und einer montierten Verbindungseinrichtung,
9 zwei weitere Batteriemodule mit einer demontierten und einer montierten Verbindungseinrichtung,
10 eine beispielhafte schematische Darstellung des Batteriesystems.

1 zeigt die Seitenansicht von einem leichten Elektromotorrad. Da es zusätzlich einen Pedalantrieb besitzt, kann man es auch als Elektromoped bezeichnen. Der Rahmen 1 ist mit einer Vorderradgabel 2a und einer Hinterradschwinge 2b verbunden. Das Hinterrad 3 wird von einer Elektromotor-Getriebe-Einheit 4 über ein Zugmittel 5 (Kette oder Riemen) angetrieben. Das Batteriesystem befindet sich ebenfalls im Rahmen 1. Die einzelnen Batteriemodule sind von außen durch den Benutzer nicht sichtbar. Das Batteriesystem besitzt Verkleidungsteile 7, die eine formschöne Integration in das Fahrzeugdesign ermöglichen.
2 zeigt eine isometrische Ansicht des Rahmens 1. In dieser Darstellung sind die Hinterradschwinge 2 und die Elektromotor-Getriebe-Einheit 4 ebenfalls sichtbar. Die seitlichen Verkleidungsteile 7 sind jedoch entfernt. Die Batterie 6 mit den einzelnen Batteriemodulen 8 ist sichtbar. Das Batteriegehäuse 11 umschließt die Batteriemodule 8 in dieser Ausgestaltung nicht vollständig, sondern ist zweiteilig ausgestaltet und bedeckt lediglich die Oberseite und die Unterseite. Man erkennt, dass die einzelnen Modulgehäuse 10 über das Batteriegehäuse 11 auf der Ober- und Unterseite geschlossen sind. Auf diese Weise ist die Konstruktion vor Wasser und anderen Störgrößen geschützt. In dieser beispielhaften Ausgestaltung hat das Batterie-Management-System (BMS) 9 ähnliche Außenabmessungen wie die Batteriemodule 8. Auf diese Weise kann man leicht unterschiedliche Bauformen für unterschiedliche Einsatzgebiete zusammenstellen. Das Batteriegehäuse 11 kann eine tragende Funktion haben und als mechanische Verbindungseinrichtung 12 fungieren. Der untere Teil des Batteriegehäuses 11 arbeitet in dieser Ausgestaltung ebenfalls als mechanische Verbindungseinrichtung 12 und bildet eine Plattform, auf der alle Batteriemodule 8 und das BMS 9 verschraubt sind. Die Plattform ist eine mechanische Verbindungseinrichtung 12 und verbindet gleichzeitig die Batterie 6 mit dem Rahmen 1. Auf der Oberseite schützt das Batteriegehäuse 11 die Batteriemodule 8, das BMS 9 und die elektrischen Verbindungen vor Störgrößen von außen (Wasser, Schmutz, Korrosion etc.).
3 zeigt die gleiche isometrische Ansicht wie 2, jedoch ohne die Hinterradschwinge 2, die Elektromotor-Getriebe-Einheit 4 und ohne die gesamten Rahmen 1. Die Darstellung zeigt somit ausschließlich das Batteriesystem. Das Batteriegehäuse 11 ist auf der Oberseite ebenfalls entfernt. Gut sichtbar sind die vierzehn Batteriemodule 8 und das BMS 9.
In der beispielhaften Ausgestaltung hat das BMS 9 ähnliche Außenabmessungen wie ein einzelnes Batteriemodul 8. Auf diese Weise lässt sich eine für diese Anwendung sinnvolle längliche Bauform mit drei Modulgehäusen 10 in der Breite und fünf Modulgehäusen 10 in der Länge umsetzen. Alle Batteriemodule werden auf der Oberseite und auf der Unterseite durch ein Lochblech verbunden. Dieses Blech bildet hier die Verbindungseinrichtung 12. Die notwendigen Schrauben sind in dieser Abbildung nicht dargestellt. Gut erkennbar sind ebenfalls die elektrische Verbindungseinrichtungen 23, die die Module 8 untereinander verbinden und ebenfalls die Verbindung zum BMS 9 herstellen. In der beispielhaften Darstellung sind vierzehn Batteriemodule in Reihe geschaltet. Jedes Batteriemodul 8 besitzt zehn parallel geschaltete Batteriezellen 20. Es handelt sich hiermit um eine „14S10P“-Konfiguration mit einer Gesamtzahl von hundertvierzig Zellen. Jede Zelle besitzt eine Nominalspannung von 3,6 Volt und einen Energieinhalt von 14,5 Wh. Das gesamte Batteriesystem besitzt somit einen Energieinhalt von 2030 Wh. Jedes Batteriemodul 8 kann bis zu 300 Ampere Spitzenstrom abgeben und besitzt somit eine Maximalleistung von rund 1000 Watt. Das Batteriesystem in dieser Ausgestaltung hat eine Spitzenleistung von14000 Watt. Es wird an dieser Stelle deutlich, dass viele unterschiedliche geometrische Außenabmessungen durch unterschiedliche Komposition der Module möglich sind. Zusätzlich wird auch klar, dass man mehr oder weniger Module in Reihe schalten kann, um bestimmte Anwendungen mit mehr oder weniger Leistung umzusetzen. In der Ausgestaltung gemäß 3 sind der Steckverbinder 11 zum Verbraucher und die Ladebuchse ebenfalls im Gehäuse des BMS 9 untergebracht.
Abstrakt ausgedrückt bildet das BMS 9 mit dem Steckverbinder 11 eine Vorrichtung 56 zur Energieentnahme. Für unterschiedliche, hier nicht dargestellte, Funktionalitäten wie zum Beispiel Ladestecker 15, Statusanzeige 16, Entladestecker 17, Ein-Aus-Schalter 18 können weitere Module 19 in der Gruppe angeordnet sein. Jedes einzelne Modul 19 kann eine oder mehrere Funktionalitäten beinhalten. Gemäß dieser beispielhaften Ausführung der Erfindung besitzt jedes einzelne Modulgehäuse 10, welches unterschiedliche Funktionalitäten wie zum Beispiel Batteriezellen 20, Ladestecker 15, Statusanzeige 16, Entladestecker 17, Ein-Aus-Schalter 18, BMS 9 oder gedichtete Kabelverschraubungen 21 beinhalten kann, zwei gegenüberliegende Seitenwände 22, die zueinander komplementär ausgestaltet sind, sodass die Modulgehäuse 10 flächig aneinander anliegen. Man erkennt in 3, dass jedes Batteriemodul 8 an mindestens zwei Seiten mit der kurzen oder langen Seitenwand flächig mit dem Nachbar-Modul aneinander anliegt. Zusätzlich zeichnet sich das Erfindungsbeispiel dadurch aus, dass mindestens zwei Module 19 über eine erste Verbindungseinrichtung 23 elektrisch und eine zweite Verbindungseinrichtung 24 mechanisch miteinander verbunden sind. Über die komplementär ausgestalteten Seitenwände 22 kann die im Betrieb entstehende Wärme gut von Modul 19 zu Modul 19 nach außen abgeleitet werden. Bei einem Unfall wird durch die Beschädigung eines einzelnen Moduls 19 nicht die Sicherheit der gesamten Batterie 6 in Frage gestellt. Eine Reparatur ist im Vergleich zum Stand der Technik viel einfacher und kostengünstiger möglich.
Man kann in 3 gut die mechanischen Verbindungseinrichtungen 24 erkennen, die hier beispielhaft als Blech ausgestaltet sind. Es sind hier an dieser Stelle im Rahmen der Neuheit auch andere mechanische Verbindungseinrichtungen 24 vorstellbar, die eine kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindung zwischen den Modulen 10 herstellen. Ebenso kann man in 3 die elektrischen Verbindungseinrichtungen 23 erkennen, die als brückenartige Verbinder 25 die einzelnen Batteriemodule 8 in Reihe schalten. Innerhalb der Batteriemodule 8 befinden sich ebenfalls Einrichtungen zur Temperaturdetektion 27 und Verbindungen zu den Polen der Zellen 20. Beide sind über Kabel 26 mit dem BMS 9 verbunden und bilden weitere elektrische Verbindungseinrichtungen 23.
4a zeigt ein einzelnes Batteriemodul 8. 4b zeigt das gleiche Batteriemodul 8 als Explosionszeichnung. Zehn Batteriezellen 20 befinden sich in einem Modulgehäuse 10 aus Aluminium. Auf der Stirnseite des auf zwei Seiten offenen Gehäuses befinden sich zwölf Innengewinde (M3) zur Befestigung von weiteren Bauteilen. Damit die Zellen 20 sich gegenseitig nicht berühren und völlig spielfrei im Modulgehäuse 10 sitzen, ist ein oberer Zellhalter 31 und ein unterer Zellhalter 30 formschlüssig in das Modulgehäuse 10 eingesteckt. In dieser beispielhaften Ausgestaltung sitzt der negative Zellpol auf der unteren Seite. Das untere Polblech 32 ist aus 0,3mm dickem Kupferblech gefertigt und verbindet die zehn negativen Pole 4 der Batteriezellen. In optimaler Ausgestaltung sind die Kupferbleche versilbert, damit Korrosion verhindert wird. Die Polbleche 32 liegen plan direkt auf den Polen 44 der Batteriezellen 20 auf und können sich seitlich nicht verschieben, da sie formschlüssig in den Zellhalter 30 eingelegt werden. Im Rahmen dieser neuartigen Konstruktion sind die Polbleche nicht mit den Batteriezellen 20 verschweißt oder verlötet, sondern werden über starke zylinderförmige Magnete 28 gegen die Pole 43, 44 der Batteriezellen 20 gezogen. Auf diese Weise lassen sich die Batteriezellen 20, sobald sie verschlissen sind, leicht entfernen und durch neue ersetzen. Damit sich die Polbleche 32, 33 in Relation zu den Batteriezellen 20 nicht verschieben können, sind diese mit Polblechhaltern 34, 35 an den Zellhaltern 30, 31 verschraubt. In der Abbildung sind, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen, jedoch keine Schrauben dargestellt. Um den elektrischen Widerstand der Polbleche 23, 33 zu verringern, liegen die Polblechhalter 34, 35 flach auf dem Polblech auf und sind aus Aluminium oder Kupfer gefertigt. Die Magnete 28 sind ebenfalls im Zellhalter 30, 31 und im Modul-Gehäusedeckel 40 geführt. Um die Kontaktkraft der Polbleche 32, 33 auf die Pole 32, 33 der Zelle 10 weiter zu erhöhen und auch eine dämpfende Wirkung bei mechanischen Impulsen auf das Modul 19 zu erreichen, stehen die Magnete 28 in Kontakt mit Federn 29. Beispielhaft können diese Federn 29 als O-Ringe aus NBR oder als Wellfedern ausgeführt werden. Durch die vollständige Verschraubung des unteren Modul-Gehäusedeckels 41 mit dem unteren Zellhalter 30 am Modulgehäuse 10 werden die Federn 29 leicht komprimiert und drücken über die Magnete 28 das untere Polblech 32 an die negativen Pole der Zelle 10. Durch die vollständige Verschraubung des oberen Modul-Gehäusedeckels 40 mit dem oberen Zellhalter 31 am Modulgehäuse 10 werden die Federn 29 leicht komprimiert und drücken über die Magnete 28 das obere Polblech 33 an die positiven 43 Pole der Zelle 10. Die Zellhalter 30, 31, die Modul-Gehäusedeckel 40, 41 und das Modulgehäuse 10 sind zueinander über Dichtungen, die nicht dargestellt sind, gegenüber Einwirkungen und Medien von außen geschützt. Damit die zwei Batteriepole 43, 44 nur auf einer Seite am oberen Modul-Gehäusedeckel 40 nach außen geführt und abgenommen werden können, wird der elektrische Strom vom negativen Pol 44 der Zelle 10 über zwei elektrische Verbindungsstangen 36 zur Oberseite geführt. Beide Verbindungsstangen 36 werden vollständig in den oberen Zellhalter 31 und in den oberen Modul-Gehäusedeckels 40 eingesteckt und mit einem O-Ring gedichtet. Hierdurch wird eine großzügige Isolierung gegenüber dem positiven Pol 43 erreicht, da auf der Oberseite das obere Polblech 33 und der obere Polblechhalter 35 vollständig in den oberen Zellhalter 31 eingelassen sind. In dieser beispielhaften Ausgestaltung wird die Einrichtung zur Temperaturdetektion 27 so in den oberen Zellhalter 31 eingesteckt und verschraubt, dass der Sensor sich direkt an einer Zelle 20 befindet. Um auch den positiven Pol 43 der Zellen 10 nach außen zu führen, wird mit einer Mutter 37 das obere Polblech 33 und der obere Polblechhalter 35 mit einer Hülse 38 von außen über eine Schraube verschraubt. Die Hülse 38 wird durch den oberen Modul-Gehäusedeckel 40 nach außen geführt und bildet dort den Verbindungspunkt für die Pluspole des Batteriemoduls 8. Der Verbindungspunkt für den Minuspol des Batteriemoduls 8 wird durch die zwei elektrischen Verbindungsstangen 36 gebildet, die zusätzlich auch außerhalb des Batteriemoduls 8 über einen nicht dargestellten elektrischen Verbinder 25 verbunden sind. Wasser und andere korrosive Medien können nicht in das Batteriemodul 8 eindringen, da beide elektrische Verbindungsstangen 36, die Hülse 38 und die Einrichtung 27 zu Temperaturdetektion mit Hilfe einer O-Ring Abdichtung im oberen Modul-Gehäusedeckels 40 abgedichtet sind.
4a zeigt deutlich im oberen Modul-Gehäusedeckel 40 vier Öffnungen für die nicht dargestellten vier elektrischen Verbindungseinrichtungen 23: Außen liegend die zwei negativen Pole, die wie in 3 erkennbar über elektrischen Verbinder 25 verbunden sind. Der positive Pol wird durch die Hülse 38 gebildet und die Einrichtung 27 zur Temperaturdetektion ist ebenfalls sichtbar. Im BMS 9, erkennbar in 3, werden Informationen aus der Einrichtung 27 zur Temperaturdetektion und Signalverarbeitung weiterverarbeitet. Dieses können zum Beispiel Informationen über die elektrische Spannung an der Batteriezelle 20 oder Informationen über die Temperatur sein. Diese Informationen werden hier beispielhaft gemäß 3 über ein Kabel 26 zum BMS 9 weiter geleitet. Ebenfalls ist in 4a beispielhaft dargestellt, dass das dargestellte Batteriemodul 8 jeweils auf der Oberseite und Unterseite zwölf mechanische Verbindungspunkte 42 besitzt. Mit Hilfe von Schrauben kann man an dieser Stelle viele Einzelmodule mit Hilfe eines lasergeschnittenen Blechs zu einem Batteriesystem zusammenschrauben. Man benötigt hierzu ein Blech auf der Unterseite und ein weiteres Blech auf der Oberseite. Dieses System bildet die mechanische Verbindungseinrichtung 24. Diese mechanische Verbindungseinrichtung 24 ist so gestaltet, dass die vier Seitenwände 47 des Modulgehäuses 10 vollflächig an der jeweiligen Seitenwand des benachbarten Modulgehäuses 10 anliegt. Allgemein ausgedrückt weist jedes Modulgehäuse 10 zwei gegenüberliegende Seitenwände 47 auf, die zueinander komplementär ausgestaltet sind, sodass die Modulgehäuse 10 flächig aneinander anliegen.
Auf diese Weise wird die Wärme von jedem Batteriemodul 8 optimal abgeführt. Auch ist das gesamte Gehäuse, welches ja aus vielen einzelnen Modulgehäusen 10 besteht, in der Lage, viel Wärme zu speichern. Die Wärme, die in weit innen liegenden Zellen entsteht, kann gut nach außen abgeführt werden. Das ist als Vorteil gegenüber dem Stand der Technik zu werten, da hier in großen zusammengeschweißten Zell-Paketen die weit innen liegenden Zellen die Abwärme nur schlecht nach außen ableiten können. Die elektrische Verbindungseinrichtung 23 in dieser beispielhaften Ausgestaltung wird gebildet durch den Pluspol 43, die zwei Minuspole 44 und den Kabelausgang des Temperatursensors 46. Die Einrichtung 27 zur Temperaturdetektion befindet sich in der Nähe des schraffiert gezeichneten Bereichs und beinhaltet nicht nur eine Temperatursensorik, sondern optional auch eine Elektronik zur Speicherung und Signalverarbeitung von anderen relevante Daten wie zum Beispiel Spannung, Strom, Historie, etc.. Um die Abwärme aus den Batteriezellen 20 in verbesserter Weise zu erreichen, sind der obere Modul-Gehäusedeckel 40, der untere Modul-Gehäusedeckel 41 sowie beide Zellhalter 30, 31 aus einem Kunststoff mit guter Wärmeleitung zu fertigen. Die Wärmeleitfähigkeit, auch Wärmeleitkoeffizient genannt, ist eine Stoffeigenschaft, die den Wärmestrom durch ein Material aufgrund der Wärmeleitung bestimmt. An der Wärmeleitfähigkeit lässt sich ablesen, wie gut ein Material Wärme leitet oder wie gut es sich zur Wärmedämmung eignet. Je niedriger der Wert der Wärmeleitfähigkeit, desto besser ist die Wärmedämmung. Da die Abwärme schnell von den Zellen 20 abgeführt werden soll, müssen diese Kunststoffteile eine gute Wärmeleitung besitzen. Ein normaler ABS-Kunststoff hat mit k = 0,2 W/(m · K) eine relativ schlechte Wärmeleitung. Das Modulgehäuse 10 hat, falls es in Aluminium gefertigt wird, einen k-Wert von 180 W/(m K). In bevorzugter Ausführung sollte die Modul Gehäusedeckel oben und unten 40, 41 und die Zellhalter 30, 31 aus einem konduktiven Plastikmaterial hergestellt sein. Diese modernen Materialien haben eine Wärmeleitfähigkeit von k = 5 - 7 W/(m-K).
4c zeigt einen Schnitt durch die Batterie 6 in der Ebene A. Damit man auch die Einzelheiten erkennen kann, sind die geschnittenen Bauteile in dieser Darstellung nicht schraffiert. Ein 3 Millimeter starkes Aluminiumblech sorgt als mechanische Verbindungseinrichtung 24 auf der Unterseite dafür, dass die drei hier im Schnitt sichtbaren Batteriemodule 8 zusammengehalten werden. Ein 1 Millimeter starkes Edelstahlblech sorgt als mechanische Verbindungseinrichtung 24 auf der Oberseite dafür, dass die drei in diesem Schnitt sichtbaren Batteriemodule 8 zusammengehalten werden. In das 3mm starke Aluminiumblech sind die unteren Modul-Gehäusedeckel 41 eingelassen. Oberhalb dieser Deckel befinden sich die Zellhalter-unten 30. Diese wiederum stehen in Verbindung mit den einzelnen Batteriezellen 20 und fixieren diese axial und radial. Die unteren Zellhalter 30 sind zusätzlich mit einer Schraubverbindung mit dem Polblech-unten 32 und dem Polblechhalter-unten 34 verbunden. Hierdurch wird sichergestellt, dass sich die Polbleche 32 nicht radial relativ zu den Batteriezellen 20 verschieben können. Das Polblech 32 ist mit den negativen Polen 44 sämtlicher Zellen 20 verbunden und bildet somit einen massiven negativen Pol. Innerhalb dieser beispielhaften Darstellung wird das Polblech 32 über Magnete 28 und über Federn 29 mit 40 bis 60 Newton gegen den negativen Pol der Zelle 20 gedrückt und elektrisch verbunden. Die Polbleche 32 und die Polblechhalter 34 sollten dünn mit Kontaktfett benetzt sein. Kontaktfett ist ein elektrisch leitfähiges Spezial-Schmiermittel mit besonderen Eigenschaften für den Einsatz bei elektrischen Kontakten. Es dient bevorzugt zur Verbesserung des elektrischen Kontakts an Relais, Schaltern und Steckkontakten, die mit geringem Anpressdruck arbeiten. Hauptziel ist das Sicherstellen eines zuverlässigen und störungsfreien elektrischen Kontakts bei geringem Spannungsabfall. Das Modulgehäuse 10 aus Aluminium ist mit dem Zellhalter 30 und dem Modul-Gehäusedeckel 41 und der mechanischen Verbindungseinrichtung 24 in Sandwichbauweise unten wasserdicht verschraubt. Diese mechanische Verbindungseinrichtung 24 ist so gestaltet, dass die Seitenwände 47 des Modulgehäuses 10 vollflächig an jeweiligen Seitenwand des benachbarten Modulgehäuses 10 anliegt. Dieser Bereich ist in 4c als Strichpunktlinie gekennzeichnet. Allgemein ausgedrückt weist jedes Modulgehäuse 10 zwei gegenüberliegende Seitenwände 47 auf, die zueinander komplementär ausgestaltet sind, sodass die Modulgehäuse 10 vollflächig aneinander anliegen. Auf diese Weise wird die Wärme von jedem Batteriemodul 8 optimal abgeführt. Um die Abwärme noch besser von den Batteriezellen 20 ableiten zu können, kann der Luftspalt zwischen den Zellen 20 und den Seitenwänden 47 vollständig oder teilweise mit Wärmeleitmittel 48 aufgefüllt werden. Die Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitmittel oder Wärmeleitpasten kann von 4 bis 12 W/(mK) betragen. Die höchste Matrix-Wärmeleitfähigkeit natürlicher Materialien erreicht reiner Quarzsand mit
6.5-12.5 W /(mK). Die Batteriezellen stehen mit der Mantelfläche in direktem Kontakt mit elektrisch nichtleitenden Materialien, die einen Wärmeleitkoeffizient k zwischen 2 und 12 W/(mK) besitzen und diese Materialien wiederum mit elektrisch leitenden Materialien in Verbindung stehen, die einen Wärmeleitkoeffizient k größer als
20 W /(mK) haben.
Das Modulgehäuse 10 aus Aluminium besitzt einen Wärmeleitkoeffizient k in Höhe von 150 W /(mK). Die mechanische Verbindungseinrichtung 24 ist auf der Oberseite aus Edelstahl gefertigt und besitzt einen Wärmeleitkoeffizient k in Höhe von 21 W /(mK). Die mechanische Verbindungseinrichtung 24 ist auf der Unterseite aus einer Aluminiumlegierung gefertigt und besitzt einen Wärmeleitkoeffizient k in Höhe von 150 W /(mK). In das Modulgehäuse 10 ist auch auf der Oberseite der Zellhalteroben 31 eingesteckt. Der Zellhalter besitzt Aussparungen, in die das Polblech 33 und der Polblechhalter 35 eingelegt und mit zwei Schrauben 49 verschraubt sind. Dieser Umstand lässt sich auch in 4b gut erkennen. Die Zellen 20, die sich in dem Modul 8 befinden, sind vollständig gegen Umwelteinflüsse wie Wasser oder Schmutz geschützt, da die einzigen vier Öffnungen, die sich im Modul-Gehäusedeckel 40 befinden, über O-Ringe 50 abgedichtet sind. Die Einrichtung 27 zur Temperaturdetektion besitzt hier einen Kabelausgang-Temperatursensor 46 und belegt eine der vier Öffnungen. Der Minuspol 44 belegt zwei weitere Öffnungen und wird hier mit Hilfe der elektrischen Verbindungsstangen 36 gebildet. Die Verbindungsstangen 36 besitzen als Minuspol 44 auf der Oberseite ein Innengewinde, um mit Hilfe von Schrauben 49 die hochstromtaugliche Verbindung zu den elektrischen Verbindungselementen 13 herzustellen. Die Verbindungselemente 13 unterteilen sich in elektrische Verbinder 25, die auf der einen Seite die Minuspole 44 am Modul 8 verbinden , auf der anderen Seite stellen sie auch die Reihenschaltung zwischen den unterschiedlichen Modulen sicher. Wir sprechen im Folgenden von Minuspol-Brücken 51 und Reihenschaltungs-Brücken 52. Die vierte Öffnung am Modul-Gehäusedeckel-oben 40 führt den Pluspol 43. Dieser Umstand ist auch in 4b dargestellt. Damit bei Montage oder Wartung kein unbeabsichtigter Kurzschluss zwischen den Polen stattfinden kann, sind die Minuspol-Brücken 51 und die Reihenschaltungs-Brücken 52 mit einen Isolierung 39 aus Kunststoff versehen. Die elektrische Verbindungseinrichtungen 13 werden hier beispielhaft nicht nur durch die Brücken gebildet, sondern auch durch einen Kabelbaum 26, der das BMS 9 und in geeigneter Weise die Einrichtung 27 zur Temperaturdetektion, die Minuspole 44, die Pluspole 34 und weitere Elektronik zur Signalverarbeitung miteinander verbindet. Das gesamte Batteriemanagement-System 9 ist eine elektronische Schaltung, welche zur Überwachung, Regelung und zum Schutz von Akkuzellen dient. Ladezustandserkennung, Tiefentladeschutz, Überladeschutz oder auch Datenschnittstellen sind die Aufgaben dieses Systems. Zusätzlich werden auch Betriebsdaten angezeigt oder für Servicezwecke gespeichert. Als Standardfunktionen bei Batteriemanagement-Systemen können Zellenschutz, Ladekontrolle, Lastmanagement, Bestimmung des Ladezustandes, Bestimmung der „Zellgesundheit“ (Alterung, Restkapazität, Innenwiderstand etc.), Ausbalancieren der Zellen, Historie, Authentifizierung und Identifizierung, Kommunikation und Temperaturüberwachung und Anpassen der Ladeschlussspannung gelten.
„Ausbalancieren der Zellen“ bezeichnet eine elektronische Schaltung, die üblicherweise Teil des gesamten Batteriemanagement-Systems 9 ist. Sie soll die gleichmäßige elektrische Ladungsverteilung aller ähnlich aufgebauten, aber durch Fertigungstoleranzen und Alterung in elektrischer Hinsicht leicht unterschiedlichen Zellen 20 innerhalb einer Batterie 6 gewährleisten. Damit wird ein Kompromiss in Bezug auf nutzbare Kapazität und Schutz einzelner Zellen vor kritischen Ladezuständen erreicht. Die Standardfunktionen des gesamten Batteriemanagement-Systems werden hier beispielhaft durch die Komponenten BMS 9, Kabelbaum 26 und Einrichtung 27 zur Detektion erreicht. Zusätzlich kann das das gesamte Batteriemanagement-System auch durch einen Gleichspannungswandler ergänzt werden, der die Aufgabe hat, unterschiedliche Modul- oder Zellspannungen auszugleichen.
Ein Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt, englisch DC-DC Converter, bezeichnet eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Die Umsetzung erfolgt mit Hilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher. Gleichspannungswandler zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern. Im Bereich der elektrischen Energietechnik werden sie auch als Gleichstromsteller bezeichnet.
5a zeigt einen Schnitt durch die Ebene C aus 4a. Der Pluspol 43 befindet sich auf der Oberseite. Der Minuspol 44 befindet sich auf der Unterseite. Die elektrische Verbindung mit den Zellen 20 wird über ein unteres Polblech 32 und ein oberes Polblech 33 hergestellt. Die Polbleche 32, 33 sind in dieser beispielhaften Ausführung nicht mit den Polen der Batteriezelle 20 verschweißt, sondern werden durch eine Kraft F flächig auf die Pole der Batteriezelle 20 gepresst, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Da die Pole vieler Zellen 20, die heute auf dem Markt sind, aus einem ferritischen Stahlblech gefertigt sind, kann man die Polbleche durch kleine Magnete 28 an die Pole drücken lassen. Heutige Neodym Magnete sind in der Lage, die Polbleche mit 20 bis 30 Newton gegen die Pole zu drücken, um den elektrischen Kontakt herzustellen. In einer beispielhaften Ausführung kann diese Anpresskraft auch noch durch den Einsatz von elastischen Elementen (z.B. Federn 29), die unter Vorspannung zwischen einem Gehäuseteil und der Zelle eingebaut sind, erhöht werden. Diese Elemente wirken beidseitig in Richtung der Zylinderachse auf beide Pole der Zelle. Es ist auch ein Aufbau vorstellbar, in welchem ausschließlich mit Hilfe von zwei Federn pro Zelle ein Anpressen der Polbleche an die Pole einer Zelle erreicht wird. Wenn hier an dieser Stelle von einer Feder gesprochen wird, so kann diese ganz allgemein auch durch elastisch verformte Körper gebildet werden. Ebenso ist auch ein Aufbau vorstellbar, in welchem ausschließlich mit Hilfe von zwei Magneten 28 pro Zelle ein Anpressen der Polbleche an die Pole einer Zelle erreicht wird. Eine Bewegung der Komponenten in Relation zueinander wird durch die dargestellten Verbindungen sichergestellt. Die Magnete 28 sind axial in Richtung der Zylinderachse der Zellen beweglich in einer Tasche, Öffnung oder Vertiefung angeordnet und stehen in Verbindung mit dem Polblech. Die Polbleche verbinden auf diese Weise mehrere Batteriezellen 20 in einer elektrischen Parallel- oder Reihenschaltung. Bei dem beschriebenen Batteriesystem können verschlissene Bauteile leicht ausgetauscht werden. Die Zellen sind nicht mit den Polblechen verschweißt und können im Bedarfsfall ausgetauscht werden.
5b zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch die Ebene C in 4a. Zur Vereinfachung wird jedoch nur eine einzelne Rundzelle 20 dargestellt. Diese zeichnet sich in vorteilhafter Ausgestaltung durch eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aus:

1. Es befinden sich mehrere Rundzellen 20 und mindestens eine Einrichtung 27 zur Temperaturdetektion in einem Gehäuse 10. Auf diese Weise kann die korrekte Betriebsweise der Zelle 20 gewährleistet werden und die Zellen werden überwacht.
2. Die Rundzellen 20 stehen in Verbindung mit Zellhaltern 30,31. Die Zellhalter 30,31 stehen wiederum in Verbindung mit dem Gehäuse 10. In dieser Ausgestaltung sind die Zellen 20 vor Stößen geschützt und die Wärmeableitung ist optimal.
3. Das Gehäuse 10 ist form- oder stoffschlüssig mit einem oder mehreren Deckeln 40,41 verbunden, damit kein Wasser oder Schmutz von außen eindringen und Störungen verursachen kann.
4. Der Pluspol 43 und der Minuspol 44 jeder Rundzelle 20 sind jeweils mit einem Polblech 32, 33 verbunden. In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Polbleche 32, 33 aus Kupfer gefertigt und versilbert, um Korrosionsschutz zu erreichen. In Konstruktionen nachdem Stand der Technik sind die Polbleche aus Nickelblech gefertigt, damit die Bleche an den Polen verschweißt werden können. Dieses Nickelblech ist teuer im Vergleich zu Kupfer und besitzt einen hohen elektrischen Widerstand. Das ist als Nachteil am Stand der Technik zu werten.
5. Die Polbleche 32,33 weisen eine Dicke von kleiner als 0,5 mm auf. Auf diese Weise sind die Polbleche 32,33 biegeweich und können sich an die Pole 43,44 anschmiegen, um einen sicheren Kontakt herzustellen.
6. Die Polbleche 32,33 von verschiedenen Rundzellen 20 stehen miteinander in Verbindung. Diese Ausgestaltung spart Kosten, denn die Polbleche 32,33 schalten gleichzeitig die Batteriezellen 20 in die gewünschte elektrische Reihenschaltung oder elektrische Parallelschaltung.
7. Die Polbleche 32,33 sind kraftschlüssig und nicht stoffschlüssig mit den Polen der Rundzelle 20 verbunden. Auf diese Weise können die Zellen 20, falls sie nach einer bestimmten Nutzungsdauer verschlissen sind, leicht ausgetauscht werden.
8. Die Polbleche 32,33 stehen mit einer krafteinspeisenden Einrichtung 59 in Verbindung. Auf diese Weise werden die Polbleche 32,33 sehr einfach und kostengünstig kraftschlüssig mit den Polen 43,44 verbunden.
9. Die krafteinspeisenden Einrichtung 59 wird durch eine oder mehrere Federn 29 und/oder einen oder mehrere Magnete 28 gebildet. In dieser Ausgestaltung kann man auf am Markt verfügbare Bauteile zurückgreifen, um Kosten zu sparen. Eine besonders platzsparende Ausgestaltung wird erreicht, wenn als krafteinspeisenden Einrichtung 59 eine Wellfeder benutzt wird. Wellfedern werden auch Druckfedern aus Flachdraht genannt und flach zur Federachse gewickelt. Sie bieten im Vergleich zu Runddrahtfedern den Vorteil größerer Energieaufnahme bei gleichen Raumverhältnissen. Ebenso wird eine besonders platzsparende Ausgestaltung erreicht, wenn als krafteinspeisenden Einrichtung 59 ein zylindrischer Neodym Magnet 28 eingesetzt wird.
10. Die krafteinspeisenden Einrichtung 59 besitzt eine Führung 58 innerhalb vom Gehäuse 10, einem Gehäusedeckel 40,41 oder innerhalb einer Verbindungseinrichtung 55. In dieser Ausgestaltung kann sichergestellt werden, dass die Krafteinleitung und das Andrücken der Polbleche 32,33 in Richtung der Zylinderachse 60 der Rundzelle 20 vollzogen wird. Vibrationen im Betrieb der Batterie können auf diese Weise den elektrischen Kontakt zwischen Polblechen 32,33 und den Polen 43,44 nicht beeinträchtigen.
11. Falls es, zum Beispiel bei einer Feder, eine Reaktionskraft innerhalb der krafteinspeisenden Einrichtung 59 gibt, so kann diese Kraft am Gehäuse 10, an einem Gehäusedeckel 40,41 oder innerhalb der Verbindungseinrichtung 55 eingeleitet werden. Hierdurch wird ein einfacher und kostengünstig herstellbarer Aufbau erreicht.
12. Die Polbleche 32,33 sind biegeweich in Polblechhaltern 34,35 aufgehängt, damit sie sich an die Pole 43,44 der Rundzellen 20 anschmiegen können und auf diese Weise auch Längentoleranzen der Rundzelle 20 ausgeglichen werden können.

6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Batterie 6 und zeigt, dass sie in der Bauform und Leistungsfähigkeit an unterschiedliche Applikationen leicht angepasst werden kann, um die Entwicklungskosten gering zu halten. Die dargestellte Batterie 6 besteht aus zwei Batteriemodulen 8. Sie ist klein und leicht und beinhaltet pro Batteriemodul 8 zwanzig Rundzellen 20, wobei jeweils zehn Zellen 20 in Reihe geschaltet sind. Jede Zelle 20 besitzt eine Nominalspannung von 3,6 Volt und einen Energieinhalt von 14,5 Wh. Jedes Batteriemodul 8 besitzt somit 290 Wattstunden. Durch die Kombination von 2, 3 oder mehr Modulen 8, 8' lässt sich der Einsatzbereich anpassen.
Als Minimal-Assist-Bikes bezeichnet man im Allgemeinen leichte E-Bikes mit einem Gesamtgewicht unter 20 kg. Solche Minimal-Assist-Bikes würde man optimaler Weise mit nur einem Batteriemodul 8 ausstatten. Standard E-Bikes sind optimaler Weise mit zwei Batteriemodulen 8, 8' ausgestattet. Hochpreisige Trekkingräder und elektrische Mountainbikes benötigen eine hohe Reichweite und sind mit drei Batteriemodulen 8 und einem Energieinhalt von 870 Wattstunden gut ausgestattet. Die Darstellung zeigt zwei Module 8, die über eine Verbindungseinrichtung 55 flächig miteinander verbunden sind. Diese einzelne Verbindungseinrichtung 55 ist hier innerhalb eines Bauteils als mechanische Verbindungseinrichtung 12 und als elektrische Verbindungseinrichtung 13 ausgestaltet. Jedes Modul 8 und jede Verbindungseinrichtung 55 besitzt gegenüberliegende Seitenwände 22, die zueinander komplementär ausgestaltet sind, sodass diese Bauteile flächig aneinander anliegen. Die Verbindungseinrichtung 55 wird beidseitig mit den Modulgehäusen 10 verbunden. Eine Vorrichtung 56 zur Energieentnahme steht ständig in Verbindung mit einer elektrischen Verbindungseinrichtung 13. Beide Batteriemodule 8 sind zum Aufladen entnehmbar konstruiert. Deswegen muss man an dieser Stelle präzisieren: Eine Vorrichtung 56 zur Energieentnahme steht während des Betriebs der Batterie in Verbindung mit einer elektrischen Verbindungseinrichtung 13. Das BMS 9 ist hier im Gehäuse der elektrischen Verbindungseinrichtung 13 untergebracht. Das ist nur eine beispielhafte Ausgestaltung. Für einen sinnvollen Aufbau gilt jedoch, dass mindestens ein Batteriemodul 8 oder mindestens eine elektrische Verbindungseinrichtung 13 ein Gehäuse 57 besitzt, in dem ein elektronisches Batteriemanagement-System 9 untergebracht ist. Dieses beispielhafte Batteriesystem ist für einen Einbau innerhalb von Rohren konstruiert. Rohre können tragende Rohre eines E-Bikes oder anderen Fahrzeugs sein. Das Batteriegehäuse 11 reduziert sich deshalb in dieser Ausgestaltung zu einer Schiene, die sich entlang der Module 8 erstreckt. Allgemein kann man formulieren, dass das Batteriesystem dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine Seitenwand 22 von einem ersten Batteriemodul 8 und eine Seitenwand 22 von einem zweiten Batteriemodul 8' oder mindestens eine Seitenwand 22 von einer ersten Verbindungseinrichtung 55 und eine Seitenwand 22 von einer zweiten Verbindungseinrichtung 55' mindestens teilweise vom Batteriegehäuse 11 verdeckt sind. Da die einzelnen Module 8 über die Verbindungseinrichtungen 55,55',55" gedichtet sind, ist eine teilweise Abdeckung über eine Gehäuseschiene ausreichend. Die Gehäuseschiene nimmt die Batteriemodule 8, 8' auf. Die zwei Modulgehäuse 10 sind hier beispielhaft aus einem sechsseitigen Aluminiumprofil gefertigt und besitzen beidseitig Verbindungseinrichtungen 55,55',55". Innerhalb der Modulgehäuse 10 befindet sich (nicht sichtbar) die Einrichtung zur Temperaturdetektion und Signalverarbeitung. Die Verbindungseinrichtungen 55,55',55" arbeiten hier nicht nur als elektrische Verbindungseinrichtung 13 oder mechanische Verbindungseinrichtung 12, sondern beinhalten auch oder stehen auch in Verbindung mit der Ladebuchse 15, der Statusanzeige 16, dem Entladestecker 17, dem Schloss 61 und dem Ein-Aus-Schalter 18.
7 zeigt die Entnahme des Batteriesystems aus 6. Die zwei Batteriemodule 8,8', die mit drei Verbindungseinrichtungen 55,55',55" stabil zusammengefügt sind, können durch eine Schwenkbewegung von der Vorrichtung 56 zur Energieentnahme getrennt werden. Die Verbindungseinrichtung 55' besitzt in einem Bauteil kombiniert die mechanische 12 und elektrische 13 Verbindungseinrichtung. Ebenso beinhaltet sie das BMS 9. Das Schloss 61 ist ebenfalls als eine mechanisches Verbindungseinrichtung 12 zu betrachten und verbindet in dieser beispielhaften Ausgestaltung die Verbindungseinrichtung 55" mit der Gehäuseschiene 11. Die Vorrichtung 56 zur Energieentnahme mit der festen Verbindung zur Gehäuseschiene 11 ist ebenfalls als eine mechanische Verbindungseinrichtung 12 zu betrachten.
8 zeigt zwei Batteriemodule 8 aus 7. Das obenstehende Modul 8 ist mit montierter Verbindungseinrichtung 55 dargestellt. Diese Verbindungseinrichtung 55 ist hier innerhalb eines Bauteils als mechanische Verbindungseinrichtung 12 und als elektrische Verbindungseinrichtung 13 ausgestaltet. Ebenso ist das BMS 9 integriert. Das untenstehende Modul 8 ist mit demontierter Verbindungseinrichtung 55 dargestellt. Man erkennt, dass das Modul 8 und die Verbindungseinrichtung 55 gegenüberliegende Seitenwände 22 besitzen, die zueinander komplementär ausgestaltet sind, sodass diese Bauteile flächig aneinander anliegen. Das Modulgehäuse 10 besitzt, weil es als sechsseitiges Rohr ausgeführt ist, acht Seitenwände 22. Sechs befinden sich auf der Mantelfläche des Modulgehäuses 10. Weitere zwei Seitenflächen befinden sich auf den Stirnseiten. Jede Stirnfläche wird durch die Summe der Oberflächen des Modul-Gehäusedeckels 53 und durch die Wand des sechsseitigen Rohrs gebildet. Diese Stirnfläche ist komplementär zur Montagefläche der Verbindungseinrichtung 55 ausgeführt. Die elektrische Verbindungseinrichtung 13 zwischen den Modulen und auch zum BMS 9 wird hier auf der einen Seite über elektrische Pole 43,44 und auf der anderen Seite für die Signalübertragung kontaktlos über Kurzstrecken-Funktechnik 54 (WPAN) oder per elektromagnetischer Induktion 54 (NFC) durchgeführt. Das Wireless Personal Area Network (WPAN) ist ein Sonderfall des Personal Area Networks. Es bezeichnet Kurzstrecken-Funktechnik, die zum Ziel hat, kurze, typische fliegend verlegte Kabelverbindungen zu vermeiden. Nahfeldkommunikation (NFC) ist ein auf der RFID-Technik basierender internationaler Übertragungsstandard zum kontaktlosen Austausch von Daten per elektromagnetischer Induktion mittels loser gekoppelter Spulen über kurze Strecken von wenigen Zentimetern und einer Datenübertragungsrate von maximal 424 kBit/s. Die elektrische Verbindungseinrichtung 13 wird hier beispielhaft durch diese zwei unterschiedlichen Kontaktarten umgesetzt. In der Ausführung gemäß 8 befindet sich auch das BMS 9 innerhalb des Gehäuses der Verbindungseinrichtung 55 und ist mit der elektrischen Verbindungseinrichtung gekoppelt.
9 zeigt zwei Batteriemodule 8' aus 7. Das obenstehende Modul ist mit demontierter Verbindungseinrichtung 55 dargestellt. Das untenstehende Modul ist mit montierter Verbindungseinrichtung 55 dargestellt. Diese Verbindungseinrichtung 55 ist hier innerhalb eines Bauteils als mechanische Verbindungseinrichtung 12 mit Hilfe von sechs Schrauben und als elektrische Verbindungseinrichtung 13 ausgestaltet. Die elektrische Verbindungseinrichtung 13 zwischen den Modulen wird hier auf der einen Seite über elektrische Pole 43,44 und auf der anderen Seite für die Signalübertragung kontaktlos über Kurzstrecken-Funktechnik 54 (WPAN) oder per elektromagnetischer Induktion 54 (NFC) durchgeführt.
10 zeigt einen beispielhaften schematischen Aufbau: Die oben stehende Darstellung zeigt das Batteriesystem im montierten Zustand. Die unten stehende Darstellung zeigt das Batteriesystem im demontierten Zustand. Man erkennt drei Batteriemodule 8, 8', 8". Jedes Batteriemodul 8, 8',8" besitzt ein Modulgehäuse 10, in dem mindestens zwei aufladbare zylindrische Batteriezellen 20 und eine Einrichtung 27 zur Temperaturdetektion untergebracht sind. Jedes Batteriemodul 8, 8',8" steht in Verbindung mit mindestens einer Verbindungseinrichtung 55. Jedes Batteriemodul 8, 8',8" steht in Verbindung mit mindestens einer ersten elektrischen Verbindungseinrichtung 13. Jedes Batteriemodul 8, 8',8" steht in Verbindung mit mindestens einer zweiten mechanischen Verbindungseinrichtung 12. Eine einzelne Verbindungseinrichtung 55 ist hier innerhalb eines Bauteils als mechanische Verbindungseinrichtung 12 und als elektrische Verbindungseinrichtung 13 ausgestaltet. Jedes Modul 8, 8',8" und jede Verbindungseinrichtung 55 besitzt gegenüberliegende Seitenwände 22, die zueinander komplementär ausgestaltet sind, sodass diese Bauteile flächig aneinander anliegen. Eine Vorrichtung zur Energieentnahme 56 steht ständig in Verbindung mit einer elektrischen Verbindungseinrichtung 13. Mindestens ein Modul 8 oder mindestens eine elektrische Verbindungseinrichtung 13 besitzt ein Gehäuse 57, in dem ein elektronisches Batteriemanagement-System 9 untergebracht ist. Ein Batteriegehäuse 11, hier als U-förmige Schiene ausgestaltet, nimmt die Batteriemodule 8, 8' auf. Die Modulgehäuse 10 und die Gehäuse 57 der Verbindungseinrichtungen 55 sind im montierten Zustand vollständig geschlossen sind und bestehen aus einem thermisch gut leitenden Material. Ebenso zeigt dieses Beispiel, dass mindestens eine Seitenwand 22 von einem ersten Batteriemodul 8 und eine Seitenwand 22 von einem zweiten Batteriemodul 8' oder mindestens eine Seitenwand 22 von einer ersten Verbindungseinrichtung 55 und eine Seitenwand 22 von einer zweiten Verbindungseinrichtung 55' mindestens teilweise vom Batteriegehäuse 11 verdeckt sind.
Bezugszeichenliste

1: Rahmen
2: Hinterradschwinge; Federung
3: Hinterrad
4: Elektromotor-Getriebe-Einheit
5: Zugmittel
6: Batterie
7: Verkleidungsteil
8: Batterie-Modul
8': Batterie-Modul
9: Batterie-Management-System (BMS)
10: Modulgehäuse
11: Batteriegehäuse
12: mechanische Verbindungseinrichtung
13: elektrische Verbindungseinrichtungen
14: Steckverbinder; Entladestecker ; Entladebuchse
15: Ladestecker, Ladebuchse
16: Statusanzeige, LED-Anzeige
17: Entladestecker, Entladebuchse
18: Ein-Aus-Schalter
19: Modul
20: Batteriezelle/Rundzelle
21: gedichtete Kabelverschraubungen
22: Seitenwände
23: elektrische Verbindungseinrichtung
24: mechanische Verbindungseinrichtung
25: elektrischer Verbinder
26: Kabel, Kabelbaum
27: Einrichtung zur Temperaturdetektion und Signalverarbeitung
28: Magnet
29: Feder; Gummifeder
30: Zellhalter unten
31: Zellhalter oben
32: Polblech unten
33: Polblech oben
34: Polblechhalter unten
35: Polblechhalter oben
36: elektrische Verbindungsstange
37: Mutter
38: Spacer, Distanzscheibe
39: Isolierung
40: Modul Gehäusedeckel oben
41: Modul Gehäusedeckel unten
42: mechanischer Verbindungspunkt
43: Pluspol
44: Minuspol
46: Kabelausgang Temperatursensor
47: Seitenwände
48: Luftspalt aufgefüllt mit Wärmeleitmittel.
49: Schraube
50: O-Ring
51: Minuspol-Brücken
52: Reihenschaltungs-Brücken
53: Modul Gehäusedeckel
54: drahtlose Signalübertragung WPAN / NFC
55: Verbindungseinrichtung
56: Vorrichtung zur Energieentnahme
57: Gehäuse
58: Führung
59: krafteinspeisende Einrichtung
60: Zylinderachse
61: Schloss

Claims

Batterie (6) mit folgenden Merkmalen: a) mindestens zwei benachbarte Batteriemodule (8, 8'), b) einem Batterie-Management-System (9), c) jedes Batteriemodul (8, 8') weist ein Modulgehäuse (10) auf, in dem mindestens zwei aufladbare Batteriezellen (20) und eine Einrichtung (27) zur Temperaturdetektion untergebracht sind, d) jedes Batteriemodul (8, 8') weist zwei gegenüberliegende Seitenwände (22) auf, die zueinander komplementär ausgestaltet sind, sodass die Seitenwände (22) benachbarter Batteriemodule (8, 8') flächig aneinander liegen, e) die mindestens zwei Batteriemodule (8, 8') sind elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.
Batterie (6) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zumindest die Batteriemodule (8, 8') aufnehmendes Batteriegehäuse (11).
Batterie (6) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung benachbarter Batteriemodule (8, 8') über eine erste Verbindungseinrichtung (12) erfolgt.
Batterie (6) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung benachbarter Batteriemodule (8, 8') über eine zweite Verbindungseinrichtung (13) erfolgt.
Batterie (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische und die mechanische Verbindung benachbarter Batteriemodule (8, 8') über eine Verbindungseinrichtung (55) erfolgt.
Batterie (6) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulgehäuse (10) vollständig geschlossen sind und aus einem thermisch gut leitendem Material, insbesondere Metall, bestehen.
Batterie (6) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (55) aus einem thermisch gut leitendem Material, insbesondere Metall, besteht.
Batterie (6) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (20) zylindrisch ausgebildet sind.
Batterie (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über die Verbindungseinrichtung (13, 55) eine Vorrichtung (56) zur Energieentnahme verbindbar ist.
Batterie (6) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (55) und jedes Batteriemodul (8, 8') gegenüberliegende Seitenwände (22) aufweisen, die zueinander komplementär ausgebildet sind, sodass ein Batteriemodul (8, 8') und eine Verbindungseinrichtung (55) flächig aneinander liegen.
Batterie (6) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seitenwand (22) eines ersten Batteriemoduls (8) und eine Seitenwand (22) eines zweiten Batteriemoduls (8') oder mindestens eine Seitenwand (22) einer ersten Verbindungseinrichtung (55) und eine Seitenwand (22) einer zweiten Verbindungseinrichtung (55') zumindest teilweise vom Batteriegehäuse (11) verdeckt sind.