DE102022003440A1 - Batteriemodul mit Pol-Kontaktfläche - Google Patents

Abstract

Es wird ein Batteriemodul mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten AC-Batterien beschrieben, wobei jede aus der Vielzahl von in Serie geschalteten AC-Batterien eine DC-Batterie und ein zugehöriges Elektronikmodul aufweist. Das jeweils zugehörige Elektronikmodul weist eine Leiterplatte mit einer H-Brücke aus vier Leistungshalbleiterbausteinen auf, wobei die H-Brücke mittels Federn über Anschlussbereiche der Leiterplatte elektrisch leitend mit Anschlüssen der DC-Batterie verbunden ist. Die vier Leistungshalbleiterbausteine sind in einer X-förmigen Konfiguration auf der Leiterplatte angeordnet, so dass Übergangswiderstände des Batteriemoduls minimiert werden. Auf mindestens einem DC-Batterie-Anschluss ist eine Kontaktfläche aufgeschweißt, die mittels Federn die Anschlussbereiche der Leiterplatte kontaktiert.

Description

• Die Erfindung ist im Bereich von Speichersystemen für elektrische Energie angesiedelt, speziell geht es um Batteriesysteme, bei denen eine Vielzahl von Batterien in Reihe geschaltet werden.
• Für ein nachhaltiges Energiesystem mit hohem Anteil von fluktuierenden Energiequellen, wie Wind- oder Solarenergie, braucht es leistungsfähige, zuverlässige und kostengünstige Energiespeicher, um diese Fluktuationen auszugleichen. Die Leistungselektronik zusammen mit der passenden Aufbau- und Verbindungstechnik bildet die entscheidenden Komponenten, um die Effizienz von Batteriesystemen zu verbessern.
• Um zu höheren Systemspannungen - im Vergleich zu einer einzelnen Batteriezelle - zu kommen, werden in bekannten Topologien von Batteriesystemen Batteriezellen elektrisch direkt („hart“) in Reihe geschaltet und dieser Reihenschaltung ein Wechselrichter parallelgeschaltet. Diese existierenden Topologien von Batteriesystemen sind aber in verschiedenen Hinsichten nachteilig. Zum einen liegt das an den Kosten des Batteriemanagementsystems, welche wenigstens linear mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen steigen. Da jede Zellebene im Hinblick auf die Spannungslage einzeln überwacht werden muss, werden mehrere potentialtrennende Messungen oder Messwertübertragungen benötigt, die mit Risiken und Kosten verbunden sind. Zum anderen bestimmt die schwächste Batteriezelle (höchster Innenwiderstand, geringste Kapazität) in der Reihenschaltung zu einem großen Teil die Leistungsfähigkeit und damit auch die Lebensdauer des Batteriespeichers. Batteriezellen weisen jedoch bereits bei der Fertigung Toleranzen im Hinblick auf Kapazität, Innenwiderstand und Alterungsverhalten auf. Im Laufe der Betriebsdauer oder bei leicht unterschiedlichen Belastungen (z.B. wegen ungleichmäßiger Temperaturverteilung) und im Rahmen verschiedener Alterungsmechanismen werden diese Unterschiede typischerweise größer. Um diese Unterschiede auszugleichen sind zwar verschiedene Verfahren („Balancing“) etabliert, die den Ansatz verfolgen kleine Energiemengen auszutauschen (aktive Verfahren) oder einfach in Wärme umzuwandeln (passive Verfahren), jedoch weisen diese jeweils spezifische Nachteile, wie Balancingverluste, Kostensteigerung oder Komplexitätserhöhung auf.
• Zusätzlich steigen Sicherheitsrisiken durch die Erhöhung der Batterieausgangsspannung mittels reiner Reihenschaltung von Batteriezellen, weil Batterien (im Unterschied beispielsweise zu Photovoltaikmodulen) einen sehr hohen Kurzschlussstrom liefern können, welcher zu höheren Gefährdungs- und Schadenspotentialen führt. Dies erschwert das Handling entlang der gesamten Kette von der Fertigung bis zum Betrieb beim Kunden und verursacht höhere Aufwendungen (z.B. redundante Messpfade für Spannung und Strom, redundante Schaltorgane) zur Reduzierung dieser Sicherheitsrisiken.
• Im Stand der Technik bekannt sind Modular Multi Level Converter (MMC) hauptsächlich durch Anwendungen in der Hochspannungstechnik und unter Verwendung von Hochspannungskondensatoren, eine solche Stromrichterschaltung wird beispielsweise in der DE 101 03 031 B4 beschreiben. Hier wird eine Stromrichterschaltung mit elektrisch in Reihe geschalteten Ersatz-Dreipolen offenbart, wobei die Ersatz-Dreipole aus einem Kondensator mit parallel geschalteter Halbbrücke bestehen können.
• Ein vorgeschlagener Lösungsansatz in Bezug auf Batteriemodule sieht vor, jede Zellebene oder jede Batteriezelle mit vier Leistungshalbleitern auszurüsten, wie beispielsweise in der DE 10 2018 003 642 B4 beschrieben. Die vier Leistungshalbleiterschalter gestatten es, den Strom in positiver oder negativer Richtung durch die Zelle zu führen. Im Zusammenhang mit der außen anliegenden Spannung resultiert für die Zelle eine Leistungsaufnahme oder -abgabe. Weiterhin kann der Strom durch das Schließen zweier nebeneinander liegender Schalter an der Zelle vorbeigeführt werden oder durch Sperren aller Halbleiter der Stromfluss auf jeder Zellebene unterbrochen werden. Dies erlaubt aktive Ladungsausgleichverfahren und auch das Herausnehmen von Batterien mit extrem schlechter Performance aus dem Leistungsfluss.
• Durch die Fusion von Funktionen - Leistungssteuerung und Batteriemanagement System (BMS) - auf der Ebene von einzelnen Batteriezellen entstehen Batteriespeichersysteme mit höherer Batteriespannung, die gleichzeitig folgende Vorteile bringen:
• - bessere Umwandlungswirkungsgrade der Leistungselektronik
• - sichereres Systemdesign durch höchstens Kleinspannungen an den Anschlussklemmen im ausgeschalteten Zustand.
• Im Stand der Technik ist es üblich, die elektronischen Bauteile auf einer Leiterplatte meist in einer rechtwinkligen, rasterartigen Weise - bezogen auf die Ränder der Leiterplatte - anzuordnen, wie beispielsweise in der WO 2021/164816 A1 gezeigt. Dies ist in Hinblick auf die entstehende Leiterbahngeometrie nicht immer optimal. Auch in Bezug auf die elektrische Verbindung von Batteriepol und Leiterplatte sind die vorhandenen Lösungen verbesserungswürdig, vor allem in Hinblick auf eine in Bezug auf die Geometrie flexible, aber trotzdem mit nur geringen ohmschen Verlusten behaftete Lösungen besteht Verbesserungsbedarf.
• Aus wirtschaftlicher als auch aus technischer Sicht besteht weiterhin Bedarf an kostengünstiger, aber auch mit geringen ohmschen Verlusten behafteter Aufbau- und Verbindungstechnik für effiziente und kostengünstige Batteriemodule.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Lösungen für eine mit geringen ohmschen Verlusten behaftete Aufbau- und Verbindungstechnik eines Batteriemoduls anzugeben, die gleichzeitig kostengünstig und einfach zu handhaben ist.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriemodul nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul weist eine Vielzahl von in Serie geschalteten AC-Batterien auf. Jede der Vielzahl von in Serie geschalteten AC-Batterien weist eine DC-Batterie und ein zugehöriges Elektronikmodul auf. Unter dem Begriff DC-Batterie soll hier mindestens eine Batteriezelle, auch Sekundärzelle (galvanisches Element) genannt, verstanden werden, es sind aber auch Reihenschaltungen, Parallelschaltungen und/oder Kombinationen von Batteriezellen denkbar. Bevorzugt ist es jedoch, jede Batteriezelle mit einem Elektronikmodul auszustatten. Diese Batteriezellen können mit Gleichstrom geladen werden bzw. aus ihnen kann im geladenen Zustand Gleichstrom entnommen werden. Die DC-Batterie weist einen ersten DC-Batterie-Anschluss und einen zweiten DC-Batterie-Anschluss auf, was üblicherweise als Plus- bzw. Minuspol einer Batteriezelle bezeichnet wird. Das jeweils zugehörige Elektronikmodul weist eine Leiterplatte mit einer H-Brücke aus vier Leistungshalbleiterbausteinen auf. Die Leiterplatte, oft auch printed circuit board (PCB) genannt, kann aus mehreren leitfähigen Schichten bestehen, die Leistungshalbleiterbausteine können auf beiden Außenseiten der Leiterplatte verteilt angeordnet sein. Das zugehörige Elektronikmodul kann weitere Bauteile aufweisen, beispielsweise zur Kommunikation und Ansteuerung der Leistungshalbleiterbausteine.
• H-Brücken sind im Stand der Technik bekannt, sie bestehen meist aus zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen aus jeweils mindestens zwei Schaltern. Je nach Stromtragfähigkeit und/oder Größe der Schalter, dem Platzangebot auf der Leiterplatte etc. können die jeweiligen Schalter auch als Parallelschaltung mehrerer Schalter ausgeführt werden. Unter Leistungshalbleiterbaustein sollen hier einzelne Halbleiterschalter, beispielsweise MOS-FETs mit einem eigenen Gehäuse, Bausteine, die mehrere parallel wirkende Schalter in einem Gehäuse enthalten oder Parallelschaltungen aus Halbleiterschaltern in jeweils eigenem Gehäuse verstanden werden, die aber wie ein Schalter der H-Brücke angesteuert werden und wie ein Schalter der H-Brücke wirken.
• Die H-Brücke weist einen ersten H-Brücken-Anschluss und einen zweiten H-Brücken-Anschluss auf. Zwischen den beiden H-Brücken-Anschlüssen sind zwei Reihenschaltungen aus je zwei Leistungshalbleiterbausteinen parallel geschaltet angeordnet. Zwischen den beiden Leistungshalbleiterbausteinen der zwei Reihenschaltungen sind der H-Brücken-Eingang und der H-Brücken-Ausgang angeordnet.
• Der erste DC-Batterie-Anschluss ist mittels einer Feder über Anschlussbereiche der Leiterplatte mit dem ersten H-Brücken-Anschluss elektrisch leitend verbunden und der zweiten DC-Batterie-Anschluss ist mit dem zweiten H-Brücken-Anschluss mittels einer weiteren Feder über Anschlussbereiche der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden. Unter dem Begriff „Feder“ sollen hier elastisch wirkende leitende Kontaktelemente verstanden werden: Spiralfedern, Blattfederkontakte, Drehfederkontakte oder auch federnde Kontaktbänder („Kontaktlamellen“). Die Federn können dazu dienen, die Positionierung des elektrischen Kontaktes zwischen DC-Batterie-Anschluss (auch Batteriepol genannt) und der Anschlussbereiche der Leiterplatte variabler zu gestalten, beziehungsweise laterale und/oder Höhendifferenzen und/oder Scherkräfte auszugleichen.
• Durch eine Verbindung des H-Brücken-Ausgangs einer AC-Batterie mit dem H-Brücken-Eingang einer nächsten AC-Batterie können die AC-Batterien in Serie geschaltet werden. Die vier Leistungshalbleiterbausteine sind in einer X-förmigen Konfiguration auf der Leiterplatte angeordnet sind, so dass Übergangswiderstände des Batteriemoduls minimiert werden. Die vier Leistungshalbleiterbausteine werden in einem Winkelbereich zwischen 20° und 70°, bevorzugt von etwa 45°, zu den Kanten der Leiterplatte ausgerichtet und nicht wie im Stand der Technik üblich parallel zu den Außenkanten der Leiterplatte. Durch die geometrische Anordnung der vier Leistungshalbleiterbausteine in der Form eines X auf der Leiterplatte vergrößert sich die Fläche und damit auch der zur Stromleitung zur Verfügung stehende Leitungsquerschnitt, wodurch sich in der Folge die Verluste durch ohmsche Widerstände vorteilhaft reduzieren.
• Zwischen dem erstem DC-Batterie-Anschluss und/oder zweitem DC-Batterie-Anschluss und der jeweiligen Feder ist auf den ersten DC-Batterie-Anschluss und/oder zweiten DC-Batterie-Anschluss eine Kontaktfläche aufgeschweißt. Die Kontaktfläche kann beispielsweise durch Laserschweißen auf den jeweiligen Batterie-Anschluss aufgebracht werden und dient dazu, die Kontaktfläche des Batterie-Anschlusses zu vergrößern. Dazu sollte die Kontaktfläche aus einem gut elektrisch-leitfähigen Material - bevorzugt hauptsächlich aus Kupfer und/oder Aluminium - bestehen. Auf die Kontaktfläche kann eine Oberflächenbeschichtung aufgebracht sein, die beispielsweise aus Silber, Zinn oder Gold bestehen kann. Da beispielsweise Kupfer und/oder Aluminium durch den Kontakt mit Luft oxidiert, kann sich die Leitfähigkeit einer Oberfläche aus diesen Materialien mit der Zeit verschlechtern, eine Oberflächenbeschichtung - beispielsweise aus Silber, Zinn oder Gold - kann dazu dienen, eine Verschlechterung der Oberflächenleitfähigkeit durch den Kontakt mit Luft zu verhindern. Des Weiteren kann die Kontaktfläche dazu dienen, die Positionierung des elektrischen Kontaktes zwischen DC-Batterie-Anschluss (auch Batteriepol genannt) und der Anschlussbereiche der Leiterplatte über die Feder noch variabler zu gestalten, beziehungsweise größere laterale und/oder Höhendifferenzen auszugleichen. Auch eine unterschiedliche Anordnung - beispielsweise ein unterschiedlicher Abstand - von Batteriepolen zwischen Batteriezellen verschiedener Hersteller und/oder Chargen kann hierdurch ausgeglichen werden.
• In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sind zwischen den Leistungshalbleiterbausteinen auf der Leiterplatte im Wesentlichen dreieckige Kontaktierungsflächen angeordnet. Diese Kontaktierungsflächen sollen den Übergangswiderstand zwischen dem ersten und zweiten DC-Batterie-Anschluss jeweils und den Leistungshalbleiterbausteinen minimieren, indem sie beispielsweise die leitfähige Fläche zur Kontaktierung der Leistungshalbleiterbausteine vergrößern oder die aktive Querschnittsfläche der auf der Leiterplatte zur Verfügung stehenden Leiterbahn vergrößern. Die X-förmige Anordnung der Leistungshalbleiterbausteine eröffnet die vorteilhafte Möglichkeit größere Kontaktierungsflächen zwischen den Schenkeln des „X“ anzuordnen. Dadurch können die Kontaktierungsflächen vergrößert ausgebildet werden, so dass der Übergangswiderstand zwischen erstem und zweiten DC-Batterie-Anschluss jeweils und den Leistungshalbleiterbausteinen minimiert wird. Die im Wesentlichen dreieckige Form ergibt sich also aus der Anordnung der Kontaktierungsflächen zwischen den Schenkeln des „X“ und einer maximal großen Ausfüllung eines Raumes zwischen diesen Schenkeln. Sind die Kontaktierungsflächen einstückig mit den Anschlussbereichen der Batteriepole ausgebildet, kann sich insgesamt eine Form ergeben, die einer einfachen Darstellung eines Hauses ähnelt
• In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sind die Anschlussbereiche der Leiterplatte korrespondierend zu den Kontaktierungsflächen im Wesentlichen dreieckig ausgestaltet. In dem Falle, dass die Leistungshalbleiterbausteine auf derselben Leiterplattenseite wie die Federn angeordnet sind, können die Anschlussbereiche und die Kontaktierungsflächen identisch sein.
• In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sind die Federn als längliche Schraubenfedern ausgestaltet, die korrespondierend zu dem Anschlussbereich in einer im Wesentlichen dreieckigen Konfiguration auf der Kontaktfläche angeordnet sind. Besonders vorteilhaft zeigt sich der Einsatz einer Kontaktfläche hier bei der Verwendung von einfachen länglichen Schraubenfedern, da durch eine nahezu beliebige Formgebung eine Anpassung an verschiedene Geometrien von Batteriezellen und/oder die Anordnung der Leistungshalbleiterbausteine auf der Leiterplatte über die Gestaltung der Kontaktfläche möglich ist.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer H-Brücke nach dem Stand der Technik
• 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit Schaltzuständen im Serienbetrieb im Vergleich zu einem Batteriemodul nach dem Stand der Technik
• 3 eine vereinfachte Darstellung einer Leiterplatte eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls
• 4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit einer aufgeschweißten Kontaktfläche
• 1 a) zeigt eine schematische Darstellung nach Art eines Schaltplanes einer H-Brücke mit Schaltern 8, 9, 10, 11, wobei sich alle Schalter in einer geöffneten Position befinden. Ein erster DC-Batterie-Anschluss 5, hier der Pluspol einer sich beispielweise unter der H-Brücke befindlichen DC-Batterie 3 (nicht gezeigt) ist mit einem ersten H-Brücken-Anschluss 12 verbunden. Ähnlich ist ein zweiter DC-Batterie-Anschluss 6, hier der Minuspol, mit dem zweiten H-Brücken-Anschluss 13 verbunden. Zwischen den beiden H-Brücken-Anschlüssen 12, 13 sind zwei Reihenschaltungen aus je zwei Schaltern angeordnet: die Reihenschaltung der Schalter 8 und 9 und die Reihenschaltung der Schalter 10 und 11. Zwischen den beiden Schaltern 8 und 9 ist der H-Brücken-Eingang 14, zwischen den beiden Schaltern 10 und 11 ist der H-Brücken-Ausgang 15 angeordnet. Wird beispielsweise ein Verbraucher (nicht gezeigt) an den H-Brücken-Eingang 14 und den H-Brücken-Ausgang 15 angeschlossen, kann durch die geöffneten Schalter kein Stromfluss stattfinden und damit auch keine Energieentnahme aus der Batterie. Die H-Brücke kann mit weiteren H-Brücken - mit jeweils angeschlossenen DC-Batterien - gekoppelt werden, indem der H-Brücken-Ausgang 15 mit dem H-Brücken-Eingang 14 der nächsten H-Brücken, hier beispielsweise der H-Brücke von 1b), verbunden werden (siehe auch 2). In 1 b) und c) wurden die Bezeichner der Übersichtlichkeit halber weggelassen, sie sollen entsprechend/analog verstanden werden.
• In 1 b) sind die Schalter 8 und 10 geöffnet, während Schalter 9 und 11 geschlossen sind, dadurch kann ein Stromfluss vom H-Brücken-Eingang 14 zum H-Brücken-Ausgang 15 an der zugehörigen DC-Batterie vorbei geleitet werden, dies wird auch oft Bypass-Betrieb genannt.
• In 1 c) sind die Schalter 9 und 10 geöffnet, während Schalter 8 und 11 geschlossen sind, hierdurch liegt die zu den DC-Batterie-Anschlüssen 5 und 6 gehörige DC-Batterie im Stromfluss vom H-Brücken-Eingang 14 zum H-Brücken-Ausgang 15. Anders ausgedrückt, addiert sich zu einer am H-Brücken-Eingang 14 und H-Brücken-Ausgang 15 anliegenden Spannung die DC-Batteriespannung hinzu. Durch eine umgekehrte Schalterzustandskonfiguration (nicht gezeigt), also Schalter 8 und 11 geöffnet, während die Schalter 9 und 10 geschlossen sind, lässt sich die Polarität der einer Reihenschaltung hinzugefügten Spannung umkehren.
• 2 verdeutlicht im Vergleich die Stromflüsse zwischen einer Anordnung der Schalter nach dem Stand der Technik in a) und bei Anordnung in einem erfindungsgemäßen Batteriemodul in b) im Serienbetrieb. In 2 b) ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 schematisch dargestellt. Hier werden beispielhaft drei Leiterplatten 7₁, 7₂, 7₃ von AC-Batterien 2₁, 2₂, 2₃ in Draufsicht dargestellt, die zugehörigen DC-Batterien sind unter den Leiterplatten angeordnet (nicht dargestellt). In der Praxis werden erfindungsgemäße Batteriemodule meist mehr als drei AC-Batterien enthalten. Die Leiterplatten 7₁, 7₂, 7₃ können separate Leiterplatten sein, die gegebenenfalls auch mit einem Abstand nebeneinander angeordnet sind oder es kann sich um eine gemeinsame Leiterplatte handeln, die Abschnitte enthält, die den jeweiligen DC-Batterien zugeordnet sind.
• Die Verbindungen der vier Leistungshalbleiterbausteine 8, 9, 10, 11 sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, dafür sind die Stromflüsse beziehungsweise die Leitfähigkeit der Verbindungen mittels Pfeilen dargestellt. Die Bezeichner der Leistungshalbleiterbausteine 8, 9, 10, 11 sind nur an AC-Batterie 2₁ eingetragen, die Bezeichner sollen für die anderen AC-Batterien 2₂, 2₃ sinngemäß gelten. Die Schalter 8 und 11 sind geschlossen, die Schalter 9 und 10 geöffnet, das bedeutet, es ist der Serienbetrieb dargestellt (siehe auch 1c). Das erfindungsgemäße Batteriemodul 1 wird an einem Eingang 14 der AC-Batterie 2₁ und an einem Ausgang 15 der AC-Batterie 2₃ an eine Stromversorgung, weitere AC-Batterien oder einen Verbraucher (nicht gezeigt) angeschlossen.
• In 2 a) wird eine Anordnung der Schalter nach dem Stand der Technik gezeigt. Die Schalter sind parallel oder senkrecht zu den Kanten der Leiterplatte ausgerichtet, die Schaltzustände der Schalter sind identisch zu 2 b). Mit breiten Pfeilen sind Verbindungen hoher Leitfähigkeit dargestellt, hier ist auf der Leiterplatte genug Platz, um ausreichend große Kupferflächen anzuordnen. Um die Größe des gesamten Batteriemoduls zu minimieren, sollen die DC-Batterien meist dicht aneinander gepackt werden. In diesem Fall wird die maximale Abmessung der Leiterplatte durch die Größe der Oberseite zugehörigen DC-Batterie bestimmt. Dabei kann es vor allem bei dem Übergang bzw. der Verbindung von einem AC-Modul zum nächsten problematisch eng werden. Diese Verbindung ist in 2 a) mittels eines schmalen, schraffierten Pfeiles dargestellt. Hier ist zu wenig Platz für ausreichend große Kupferflächen, das heißt es resultiert eine geringe Leitfähigkeit bzw. eine Verbindung mit höherem Widerstand. Dies bewirkt insgesamt eine schlechtere Effizienz des Batteriemoduls.
• Bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul 1 wie in 2 b) dargestellt, werden die vier Leistungshalbleiterbausteine in einer X-förmigen Konfiguration auf der Leiterplatte angeordnet, das heißt, sie werden in einem Winkel von etwa 45° zu den Kanten der Leiterplatte ausgerichtet. Hierdurch kann auch die Verbindung von einem AC-Modul zum nächsten mit ausreichend großen Kupferflächen ausgestattet werden, was in einer verbesserten Leitfähigkeit dieser Verbindung und insgesamt in einer verbesserten Effizienz des erfindungsgemäßen Batteriemoduls resultiert.
• 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Leiterplatte eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1, wobei zwei H-Brücken für zwei unterhalb der Leiterplattenabschnitten 7₁, 7₂ angeordneten DC-Batterien (nicht gezeigt) dargestellt sind. Im gezeigten Beispiel soll eine durchgehende Leiterplatte die zugehörigen Elektronikmodule aufweisen, wobei die Breite der Leiterplattenabschnitte 7₁, 7₂ an die Breite der DC-Batterien angepasst ist. Die Bezeichner sind beispielhaft für den Leiterplattenabschnitt 7₁ eingetragen und sollen sinngemäß auch für 7₂ und gegebenenfalls weitere sich anschließende Leiterplattenabschnitte gelten. Die in diesem Beispiel gezeigte H-Brücke weist vier Leistungshalbleiterbausteine 8, 9, 10, 11 auf, die jeweils aus drei parallel geschalteten einzelnen Leistungshalbleitern bestehen. Der Figur kann die besonders vorteilhafte Anordnung der Leistungshalbleiterbausteine 8, 9, 10, 11 in X-förmiger Konfiguration im Falle der Parallelschaltung mehrerer Leistungshalbleitern pro Leistungshalbleiterbaustein entnommen werden - insbesondere in Zusammenschau mit den in 2b) gezeigten Stromflüssen.
• Mit gestrichelter Umrandung sind Kontaktierungsflächen 20 gezeigt, Kontaktflächen der Leistungshalbleitergehäuse, beziehungsweise die Pins der Halbleiterchips, kontaktieren die Kontaktierungsflächen 20, welche je nach Geometrie der Oberseite der DC-Batterie und Größe der Kontaktierungsflächen 20 die DC-Batterie-Anschlüsse 5, 6 direkt kontaktieren oder durch eine weitere elektrisch leitende Fläche auf oder in der Leiterplatte oder mittels einer Kabel- oder anderen Verbindung mit den DC-Batterie-Anschlüsse 5, 6 elektrisch leitend verbunden werden kann (nicht gezeigt). Durch die X-förmigen Anordnung der Leistungshalbleiterbausteinen 8, 9, 10, 11 können dreieckige Kontaktierungsflächen 20 aufgebracht werden, die durch ihre größere Ausdehnung in Vergleich zu den üblichen linearen, länglichen Leiterbahnstrukturen eine bessere Leitfähigkeit aufweisen und zu einer besseren Gesamteffizienz des erfindungsgemäßen Batteriemoduls beitragen.
• 4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls. In 4a) ist auf dem ersten DC-Batterie-Anschluss 5 einer DC-Batterie 3 eine Kontaktfläche 21 aufgeschweißt. An einem Ende der Kontaktfläche 21 sind Vertiefungen, Sicken ausgeformt, in denen Schraubenfedern 17 eingelegt, gehaltert oder in irgendeiner Weise festgelegt werden können. In 4b) ist schematisch gezeigt wie eine Leiterplatte 7 über die Kontaktfläche 21 und die Schraubenfedern 17 kontaktiert werden kann. Die Lage der Schraubenfedern 17 auf der Kontaktfläche 21 ist hier vorteilhaft an die Geometrie der Anordnung der Leistungshalbleiterbausteinen 8, 10 angepasst. Entsprechend der in 3 gezeigten dreieckigen Kontaktierungsflächen 20 kann unterhalb der Leiterplatte 7 eine ebenfalls dreieckiger Anschlussbereich der Leiterplatte (nicht gezeigt) angeordnet sein. Die Anordnung der Schraubenfedern 17 auf der Kontaktfläche 21 kann an die jeweilige Kontur angepasst werden. Ebenfalls kann durch eine Anpassung der Kontaktfläche 21 das erfindungsgemäße Batteriemodul an unterschiedliche DC-Batterietypen angepasst werden. Auf unterschiedliche Polabstände der Batterien, unterschiedliche Höhen der Pole oder des Batteriegehäuses etc. kann durch eine angepasste Kontaktfläche 21 eingegangen werden. Durch eine Beschichtung auf der Kontaktfläche 21 kann auch an unterschiedliche verwendete Kontaktmaterialien angepasst werden, so dass beispielsweise in Bezug auf Korrosion ungünstige Materialkombinationen vermieden werden können.
• Pata2 - Bezugszeichentabelle

1

Batteriemodul

2n

AC-Batterie

3n

DC-Batterien

4

Elektronikmodul

5, 6

DC-Batterie-Anschluss

7

Leiterplatte

8, 9, 10, 11

Leistungshalbleiterbaustein

12, 13

H-Brücken-Anschluss

14

H-Brücken-Eingang

15

H-Brücken-Ausgang

16

Anschlussbereich

17

Feder

20

Kontaktierungsfläche

21

Kontaktfläche

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 10103031 B4 [0005]
• DE 102018003642 B4 [0006]
• WO 2021/164816 A1 [0008]

Claims (4)

1. Batteriemodul (1) mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten AC-Batterien (2₁, 2₂, ... 2_n) wobei jede aus der Vielzahl von in Serie geschalteten AC-Batterien (2₁, 2₂, ... 2_n) eine DC-Batterie (3) und ein zugehöriges Elektronikmodul (4) aufweist, wobei die DC-Batterie einen ersten DC-Batterie-Anschluss (5) und einen zweiten DC-Batterie-Anschluss (6) aufweist, wobei das jeweils zugehörige Elektronikmodul (4) eine Leiterplatte (7) mit einer H-Brücke aus vier Leistungshalbleiterbausteinen (8, 9, 10, 11) aufweist, wobei die H-Brücke einen ersten H-Brücken-Anschluss (12) und einen zweiten H-Brücken-Anschluss (13) aufweist, sowie einen H-Brücken-Eingang (14) und einen H-Brücken-Ausgang (15) aufweist, wobei jeweils der erste DC-Batterie-Anschluss (5) mit dem ersten H-Brücken-Anschluss (12) und der zweiten DC-Batterie-Anschluss (6) mit dem zweiten H-Brücken-Anschluss (13) jeweils mittels einer Feder (17) über Anschlussbereiche der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden ist, wobei durch eine Verbindung des H-Brücken-Ausgangs (15) einer AC-Batterie mit dem H-Brücken-Eingang (14) einer nächsten AC-Batterie die AC-Batterien in Serie geschaltet werden und die vier Leistungshalbleiterbausteine in einer X-förmigen Konfiguration auf der Leiterplatte angeordnet sind, sodass Übergangswiderstände des Batteriemoduls minimiert werden, wobei zwischen dem erstem DC-Batterie-Anschluss und/oder zweitem DC-Batterie-Anschluss und der jeweiligen Feder (17) eine auf den ersten DC-Batterie-Anschluss (5) und/oder zweiten DC-Batterie-Anschluss (6) eine Kontaktfläche (21) aufgeschweißt ist, wobei die Kontaktfläche (21) aus einem gut elektrisch-leitfähigen Material besteht und wobei auf die Kontaktfläche (21) eine Oberflächenbeschichtung aufgebracht sein kann, die beispielsweise aus Silber, Zinn oder Gold bestehen kann.
2. Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei zwischen den Leistungshalbleiterbausteinen (8, 9, 10, 11) auf der Leiterplatte (7) im Wesentlichen dreieckige Kontaktierungsflächen (20) angeordnet sind, die ausgebildet sind, den Übergangswiderstand zwischen dem ersten und zweiten DC-Batterie-Anschluss (5, 6) jeweils und den Leistungshalbleiterbausteinen (8, 9, 10, 11) zu minimieren.
3. Batteriemodul nach Anspruch 2, wobei die Anschlussbereiche der Leiterplatte korrespondierend zu den Kontaktierungsflächen (20) in im Wesentlichen dreieckig ausgestaltet sind.
4. Batteriemodul nach Anspruch 3, wobei die Federn (17) als längliche Schraubenfedern ausgestaltet sind, die korrespondierend zu dem Anschlussbereich in einer im Wesentlichen dreieckigen Konfiguration auf der Kontaktfläche (21) angeordnet sind.

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