DE102021105833B4 - Batteriemodul - Google Patents

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Abstract

Batteriemodul, mit einem Batteriemodulgehäuse (12), einem Batteriezellenpaket (14), welches eine Mehrzahl von Batteriezellen (16) aufweist und in dem Batteriemodulgehäuse (12) angeordnet ist, wobei das Batteriezellenpaket (14) sich zumindest mit einer Außenfläche (60, 62, 64, 66, 68, 70) an einer Innenfläche (20) des Batteriemodulgehäuses (12) abstützt, und einer Batteriezellen-Überwachungseinheit (22), welche über eine Signalleitung (32) mit den Batteriezellen (16) verbunden ist, wobei an der an der Innenfläche (20) des Batteriemodulgehäuses (12) abstützende Außenfläche (60, 62, 64, 66, 68, 70) des Batteriezellenpakets (14) eine Schutzplatte (18) angeordnet ist, an dessen dem Batteriezellenpaket (14) zugewandten oder abgewandten Seite eine Aussparung (30) vorgesehen ist, in welcher zumindest ein Abschnitt der Signalleitung (32) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, mit einem Batteriemodulgehäuse, einem Batteriezellenpaket, welches eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist und in dem Batteriemodulgehäuse angeordnet ist, wobei das Batteriezellenpaket sich zumindest mit einer Außenfläche an einer Innenfläche des Batteriemodulgehäuses abstützt, und einer Batteriezellen-Überwachungseinheit, welche über eine Signalleitung mit den Batteriezellen verbunden ist.
  • Aus dem Stand der Technik sind Batteriemodule bekannt, welche ein Batteriemodulgehäuse und eine Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen, insbesondere Pouchzellen, umfassen. Die Batteriezellen sind in Form eines Batteriezellenpakets innerhalb des Batteriemodulgehäuses angeordnet und üblicherweise über eine Signalleitung mit einer Batteriezellen-Überwachungseinheit verbunden, durch welche die Batteriezellen im Betrieb, d.h. im Lade- und Entladevorgang, überwacht werden und dadurch ein fehlerhafter Betrieb der Batteriezellen frühzeitig erkannt wird. Ein derartiges Batteriemodul offenbart beispielsweise die DE 10 2018 133 391 A1 , wobei das Batteriemodul eine plattenartige Sensormodulelement mit mehreren Verbindungsleitungen aufweist. Eine in der DE 10 2012 223 090 A1 offenbarte, alternative Ausführung eines Batteriemoduls offenbart einen Rahmen mit zwei Endplatten, wobei zwischen den beiden Endplatten mehrere Batteriezellstapel mit jeweils einem Endrahmen verspannt sind. Die Endrahmen weisen eine Durchgangsöffnung zur Anordnung eines Temperatursensors und an einer dem Batteriezellpaket abgewandten Außenseite eine Vertiefung zur Aufnahme eines Kabels des Temperatursensors auf.
  • Die Batteriezellen werden üblicherweise durch entsprechende Mittel zu einem Batteriezellenpaket verspannt, bevor diese in das Batteriemodulgehäuse eingeschoben werden. Im eingeschobenen Zustand des Batteriezellenpakets liegt dieses mit einer Außenfläche an einer Innenfläche des Batteriemodulgehäuses an, wobei die Signalleitung an der Außenfläche des Batteriezellenpakets angeordnet ist. Eine Anordnung der Signalleitung an einer Außenfläche, welche an eine Kühleinrichtung angrenzt, ist nicht erwünscht, da die Signalleitung die Kühlung des Batteriezellenpakets negativ beeinflussen würde.
  • Im Betrieb des Batteriemoduls können sich die Batteriezellen aufblähen, woraus eine erhöhte Pressung der Außenfläche des Batteriezellenpakets an der Innenfläche des Batteriemodulgehäuses resultiert. Die an der Außenfläche des Batteriezellenpakets angeordnete Signalleitung stellt eine Unebenheit dar, wobei die Anlage bzw. die Anpressung der Batteriezellen an derartigen Unebenheiten zu einer beschleunigten Alterung der Batteriezellen führt.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Batteriemodul bereitzustellen, bei welchem die Signalleitung auf eine einfache und kostengünstige Weise an dem Batteriezellenpaket angeordnet werden kann, wobei eine Beeinflussung der Kühlwirkung oder der Alterung der Batteriezellen durch die Anordnung der Signalleitung verhindert werden soll.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Batteriemodul gemäß Anspruch 1.
  • Dadurch, dass an der sich an der Innenfläche des Batteriemoduls abstützende Außenfläche des Batteriezellenpakets eine Schutzplatte angeordnet ist, an deren dem Batteriezellenpaket zugewandten Seite eine nutartige Aussparung vorgesehen ist, in welcher zumindest ein Abschnitt der Signalleitung angeordnet ist, kann die Signalleitung an dem Batteriezellenpaket verlegt werden, ohne dabei eine Unebenheit zu erzeugen und damit ohne dabei die Alterung der Batteriezellen, welche über die Schutzplatte an der Innenfläche des Batteriemodulgehäuses anliegen, zu beschleunigen. Die Schutzplatte und die in der Aussparung angeordnete Signalleitung bilden gemeinsam eine ebene Fläche, wodurch bei einem Aufblähen einer oder mehrerer Batteriezellen das Batteriezellenpaket flächig an der Innenfläche des Batteriemodulgehäuses anliegt. Außerdem ist die Signalleitung an einer Außenfläche angeordnet, an welcher keine Kühleinrichtung, d.h. keine Kühlplatte angeordnet ist, wodurch die Kühlung des Batteriezellenpakets durch die Signalleitung nicht beeinträchtigt wird und dadurch eine zuverlässige Kühlung des Batteriezellenpakets gewährleistet werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens ein Temperatursensor vorgesehen, welcher über die Signalleitung mit der Batteriezellen-Überwachungseinheit verbunden ist. Die Signalleitung weist eine erste Signalleitung zur Kopplung der Batteriezellen mit der Batteriezellen-Überwachungseinheit und eine zweite Signalleitung zur Kopplung des Temperatursensors mit der Batteriezellen-Überwachungseinheit auf. Durch den mindestens einen Temperatursensor kann die Temperatur der Batteriezellen erfasst werden und ein Überhitzen der Batteriezellen verhindert werden. Dadurch kann ein Brand der Batteriezelle und des Batteriemoduls verhindert werden. Vorzugsweise sind mehrere Temperatursensoren vorgesehen, wobei insbesondere jeder Batteriezelle jeweils ein Temperatursensor zugeordnet ist.
  • Vorzugweise ist mindestens ein Spannungserfassungselement zum Erfassen der Spannung mindestens einer Batteriezelle vorgesehen, wobei das Spannungserfassungselement über die Signalleitung mit der Batteriezellen-Überwachungseinheit verbunden ist. Dadurch kann die elektrische Spannung einer Batteriezelle erfasst und überwacht werden, wodurch beispielsweise eine Fehlfunktion der Batteriezelle frühzeitig erkannt werden kann.
  • Vorzugsweise ist die Signalleitung als ein FPC-Verbinder ausgeführt. Der FPC (Flexible Printed Circuits)-Verbinder ist eine flexible Leiterplatte, welche üblicherweise gedruckte Schaltungen sind, welche auf einem flexiblen Kunststoffträger, beispielsweise aus Polyimid, Mylar, Nylon oder Polyester, aufgebaut sind. Das Leitermaterial wird üblicherweise aus Kupfer oder Silber hergestellt. Die FPC-Verbinder weisen ein relativ geringes Gewicht, eine geringe Dicke, eine hohe mechanische Festigkeit, eine Beständigkeit gegen hohe Temperaturen sowie eine gute elektromagnetische Störfestigkeit (EMI) auf.
  • Vorzugsweise weist die Schutzplatte eine flächige Innenseite und mindestens ein an der flächigen Innenseite angeordnetes Abstandselement auf. Dadurch kann die Schutzplatte mit der für die Signalleitung erforderliche Aussparung einfach hergestellt werden. Dabei werden an einem plattenartigen, relativ einfach herzustellenden und eine konstante Wandstärke aufweisenden Element mindestens ein ebenfalls relativ einfach aufgebautes, rechteckiges Abstandselement mit einer konstanten Wandstärke befestigt. Bei einem einzigen Abstandselement ist die Aussparung am Rand der Schutzplatte angeordnet.
  • Vorzugsweise weist das Abstandselement eine Höhe, d.h. eine Wandstärke, auf, welche der Höhe der Signalleitung entspricht. Dadurch ist die dem Batteriezellenpaket zugewandten Fläche des Abstandselements und der Signalleitung in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wodurch eine Unebenheit und dadurch eine beschleunigte Alterung aufgrund einer Unebenheit zuverlässig verhindert werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Abstandselement durch einen auf die Innenseite aufgetragenen Lack oder durch ein auf die Innenseite aufgeklebtes Klebeband ausgeführt. Dadurch kann das Abstandselement auf eine besonders einfache Weise hergestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schutzplatte eine flächige Innenseite und mindestens zwei an der flächigen Innenseite und parallel zueinander angeordnete Abstandselemente auf, wobei die Abstandselemente derart beabstandet an der flächigen Innenseite angeordnet sind, dass die Aussparung zwischen den beiden Abstandselementen ausgebildet ist. Dadurch kann die Schutzplatte mit der für die Signalleitung erforderliche Aussparung einfach hergestellt werden. Dabei werden an einem plattenartigen, relativ einfach herzustellenden und eine konstante Wandstärke aufweisenden Element zwei, ebenfalls relativ einfach aufgebaute, rechteckige Abstandselemente mit einer konstanten Wandstärke befestigt. Die Abstandselemente werden vorzugsweise aufgeklebt oder angespritzt.
  • Vorzugsweise ist die Schutzplatte plattenartig ausgeführt und weist eine flächige Innenseite auf, an welcher eine die Aussparung bildende Nut ausgebildet ist. Dadurch kann die Schutzplatte einstückig ausgeführt werden, wodurch der Montageaufwand des Batteriemoduls vereinfacht wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Nut eine Tiefe auf, welche der Höhe der Signalleitung entspricht. Dadurch sind die dem Batteriezellenpaket zugewandten Flächen der Abstandselemente und der Signalleitung in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wodurch eine Unebenheit und dadurch eine beschleunigte Alterung aufgrund der Unebenheit verhindert werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen der Schutzplatte und dem Batteriezellenpaket eine Kompressionseinlage angeordnet. Durch die Kompressionseinlage können besonders kleine und restliche Unebenheiten ausgeglichen werden, wodurch die Gefahr eine beschleunigte Alterung nochmals reduziert wird.
  • Durch ein derartiges Batteriemodul kann die Signalleitung an dem Batteriezellenpaket verlegt werden, ohne dabei eine Unebenheit zu erzeugen und damit ohne dabei die Alterung der Batteriezellen, welche über die Schutzplatte an der Innenfläche des Batteriemodulgehäuses anliegen, zu beschleunigen oder die Kühlwirkung einer Kühleinrichtung negativ zu beeinflussen.
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
    • Die 1 zeigt ein Batteriemodul in einer Explosionsdarstellung,
    • die 2 zeigt einen Querschnitt des Batteriemoduls aus 1 mit einer ersten Ausführung einer Schutzplatte, und
    • die 3 zeigt einen Querschnitt des Batteriemoduls aus 1 mit einer zweiten Ausführung einer Schutzplatte.
  • Die 1 zeigt ein Batteriemodul 10 einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs. Üblicherweise weist die Traktionsbatterie eine Mehrzahl von derartigen Batteriemodulen 10 auf, welche miteinander zu der Traktionsbatterie verschaltet sind und gemeinsam eine elektrische Antriebseinheit des Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgen.
  • Das Batteriemodul 10 weist ein Batteriemodulgehäuse 12 auf, welches beispielsweise aus einem Aluminium-Strangpressprofil hergestellt ist. Das Batteriemodulgehäuse 12 weist zwei offene Stirnenden auf, wobei bei der Montage des Batteriemoduls 10 zumindest durch eines der beiden Stirnenden ein Batteriezellenpaket 14 in das Batteriemodulgehäuse 12 hineingeschoben wird. Das Batteriezellenpaket 14 weist eine Mehrzahl von Batteriezellen 16 auf, welche zu einem Batteriezellstapel zusammengefügt sind und das Batteriezellenpaket 14 bilden. Das Batteriezellenpaket 14 weist mehrere Außenflächen 60, 62, 64, 66, 68, 70, nämlich zwei Seitenflächen 60, 62, eine Oberseitenfläche 68, eine Unterseitenfläche 70 und zwei Stirnflächen 64, 66, auf. An den Stirnflächen 64, 66 ist jeweils eine Endplatte 50, 52 angeordnet, welche im endmontierten Zustand des Batteriezellenpakets 14 die offenen Stirnseiten des Batteriemodulgehäuses 12 vollständig verschließen, wobei die Endplatten 50, 52 mit ihrer Außenumfangsfläche an der umlaufenden Innenfläche des Batteriemodulgehäuses 12 abdichtend anliegen.
  • Das Batteriezellenpaket 14 weist an seiner Oberseitenfläche 68 und an seiner Unterseitenfläche 70 jeweils eine Kühlplatte 42, 44 auf, welche vollflächig an der Oberseitenfläche 68 und der Unterseitenfläche 70 des Batteriemodulgehäuses 12 anliegen und die Batteriezellen 16 im Betrieb, d.h. bei Entlade- und Ladevorgang, kühlen. Die Kühlplatten 42, 44 sind mit einem in der Figur nicht gezeigten Kühlmittelkreislauf fluidisch verbunden. Zur Überwachung der Temperatur der Batteriezellen 16 ist an den Stirnflächen 64, 66 und der Seitenfläche 60 eine Signalleitung 32 angeordnet, welches als ein FPC-Verbinder ausgeführt ist und jede einzelne Batteriezelle 16 mit einer Batteriezellen-Überwachungseinheit 22 verbindet. Außerdem sind mehrere, in der 1 schematisch dargestellte Temperatursensoren 54, 56, welche die Temperatur der Batteriezellen 16 erfassen, und ein Spannungserfassungselement 58 zum Abgreifen einer elektrischen Spannung einer Batteriezelle 16 über die Signalleitung 32 mit der Batteriezellen-Überwachungseinheit 22 verbunden. Die Batteriezellen-Überwachungseinheit 22 dient der Gewährleistung eines sicheren Betriebs des Batteriemoduls 10, wobei insbesondere ein Brand des Batteriemoduls 10 verhindert werden soll.
  • Das Batteriezellenpaket 14 weist außerdem an seinen Seitenflächen 60, 62 jeweils eine Schutzplatte 18, 19 auf, welche endseitig an den Endplatten 50, 52 befestigt sind und die Batteriezellen 16 bzw. das Batteriezellenpaket 14 beispielsweise beim Hineinschieben in das Batteriemodulgehäuse 12 vor Beschädigungen schützen. Im endmontierten Zustand des Batteriemoduls 10, d.h. bei einem in das Batteriemodulgehäuse 12 eingeschobenen Batteriezellenpaket 14 liegt das Batteriezellenpaket 14 über die Schutzplatten 18, 19 an der Innenfläche 20 des Batteriemodulgehäuses 12 an. Dabei liegen die Schutzplatten 18, 19 vollflächig mit Ihrer Außenfläche 24, 25 an der Innenfläche 20 des Batteriemodulgehäuses 12 an.
  • Erfindungsgemäß weist die Schutzplatte 18 an ihrer Innenfläche 26 eine Aussparung 30 auf, in der die Signalleitung 32 angeordnet ist bzw. durch welche die Signalleitung 32 verläuft. Die Signalleitung 32 ist im endmontierten Zustand weiterhin in Längsrichtung bewegbar und kann sich auch aufgrund von Temperaturschwankungen ausdehnen oder zusammenziehen.
  • Die 2 zeigt eine erste Ausführung der Schutzplatte 18 mit der Aussparung 30. Die Schutzplatte 18 weist ein plattenartiges Element 31 auf, auf dessen Innenfläche zwei Abstandelemente 34, 36 befestigt sind. Die Abstandselemente 34, 36 sind derart beabstandet zueinander angeordnet, dass der Raum zwischen den beiden Abstandselementen 34, 36 die Aussparung 30 bildet. Die Signalleitung 32 ist in der Aussparung 30 angeordnet, wobei die Aussparung 30 geringfügig breiter ausgeführt ist als die Signalleitung 32. Die Höhen H1, H2 der Abstandselemente 34, 36 entsprechender Höhe H3 der Signalleitung 32.
  • Die Abstandselemente 34, 36 können als plattenartige Elemente, welche auf der Innenfläche des plattenartigen Elements 31 befestigt sind, als Klebestreifen oder als ein auf der Innenfläche der des plattenartigen Elements 31 aufgetragener Lack ausgeführt sein.
  • Die 3 zeigt eine zweite Ausführung der Schutzplatte 18, wobei die Schutzplatte 18 eine größere Wandstärke aufweist und die Aussparung 30 durch eine an der Innenfläche 26 der Schutzplatte 18 ausgebildete Nut 46 gebildet wird. Die Tiefe der Nut 46 entspricht der Höhe H3 der Signalleitung 32.
  • Im Betrieb des Batteriemoduls 10 können sich die Batteriezellen 16 aufblähen, woraus eine erhöhte Pressung zwischen den Außenflächen 60, 62, 64, 66, 68, 70 des Batteriezellpakets 14 und der Innenfläche 20 des Batteriemodulgehäuses 12 resultiert. Jede Unebenheit, welche sich insbesondere durch das Aufblähen der Batteriezellen 16 in eine der Batteriezellen 16 hineindrückt, verursacht eine Beschleunigung der Alterung der Batteriezellen 16. Dadurch, dass die Signalleitung 32, welches eine derartige Unebenheit bilden würde, in einer an der Schutzplatte 18 ausgebildeten Aussparung 30 angeordnet ist, kann die Signalleitung 32 an dem Batteriezellenpaket 14 verlegt werden, ohne dabei eine Unebenheit zu erzeugen und damit ohne dabei die Alterung der Batteriezellen 16 zu beschleunigen. Zusätzlich ist zwischen der Schutzplatte 18 und dem Batteriezellenpaket 14 eine Kompressionseinlage 40 angeordnet, durch welche besonders kleine Unebenheiten auch noch ausgeglichen werden können und die Gefahr einer beschleunigten Alterung der Batteriezellen 16 nochmals reduziert wird.
  • Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.

Claims (11)

  1. Batteriemodul, mit einem Batteriemodulgehäuse (12), einem Batteriezellenpaket (14), welches eine Mehrzahl von Batteriezellen (16) aufweist und in dem Batteriemodulgehäuse (12) angeordnet ist, wobei das Batteriezellenpaket (14) sich zumindest mit einer Außenfläche (60, 62, 64, 66, 68, 70) an einer Innenfläche (20) des Batteriemodulgehäuses (12) abstützt, und einer Batteriezellen-Überwachungseinheit (22), welche über eine Signalleitung (32) mit den Batteriezellen (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der sich an der Innenfläche (20) des Batteriemodulgehäuses (12) abstützenden Außenfläche (60, 62, 64, 66, 68, 70) des Batteriezellenpakets (14) eine Schutzplatte (18) angeordnet ist, an deren dem Batteriezellenpaket (14) zugewandten Seite eine nutartige Aussparung (30) vorgesehen ist, in welcher zumindest ein Abschnitt der Signalleitung (32) angeordnet ist.
  2. Batteriemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor (54, 56) vorgesehen ist, welcher über die Signalleitung (32) mit der Batteriezellen-Überwachungseinheit (22) verbunden ist.
  3. Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spannungserfassungselement (58) zum Erfassen der Spannung mindestens einer Batteriezelle (16) vorgesehen ist, wobei das Spannungserfassungselement über die Signalleitung (32) mit der Batteriezellen-Überwachungseinheit (22) verbunden ist.
  4. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitung (32) als ein FPC-Verbinder ausgeführt ist.
  5. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzplatte (18) eine flächige Innenseite (26) und mindestens ein an der flächigen Innenseite angeordnetes Abstandselement (34, 36) aufweist.
  6. Batteriemodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (34, 36) eine Höhe (H1, H2) aufweist, welche der Höhe (H3) der Signalleitung (32) entspricht.
  7. Batteriemodul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (34, 36) durch einen auf die Innenseite aufgetragenen Lack oder durch ein auf die Innenseite aufgeklebtes Klebeband ausgeführt ist.
  8. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzplatte (18) eine flächige Innenseite (26) und mindestens zwei an der flächigen Innenseite und parallel zueinander angeordnete Abstandselemente (34, 36) aufweist, wobei die Abstandselemente (34, 36) derart beabstandet an der flächigen Innenseite (26) angeordnet sind, dass die Aussparung (30) zwischen den beiden Abstandselementen (34, 36) ausgebildet ist.
  9. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzplatte (18) plattenartig ausgeführt ist und eine flächige Innenseite (26) aufweist, an welcher eine die Aussparung bildende Nut (46) ausgebildet ist.
  10. Batteriemodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (46) eine Tiefe (T) aufweist, welche der Höhe (H3) der Signalleitung (32) entspricht.
  11. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schutzplatte (18) und dem Batteriezellenpaket (14) eine Kompressionseinlage (40) angeordnet ist.
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