DE102011102488B4

DE102011102488B4 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102011102488B4
Application number: DE102011102488.7A
Authority: DE
Inventors: Chih-Cheng Hsu; Rebecca S. Ratz
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: DE102011102488A1; US8470467B2; CN102263222A; CN102263222B; US20110293992A1

Abstract

Batteriemodul (10), umfassend eine Vielzahl von rechteckigen Batteriezellen (14), die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, wobei jede der Batteriezellen (14) einen ersten Anschluss (16), der an einem ersten Ende (19) der Batteriezelle (14) angeordnet ist, und einen zweiten Anschluss (18), der an einem zweiten Ende (20) der Batteriezelle (14) angeordnet ist, umfasst, wobei der erste Anschluss (16) zumindest einer der Batteriezellen (14) in direkter elektrischer Verbindung mit dem zweiten Anschluss (18) einer weiteren, nicht benachbarten der Batteriezellen (14) steht; dadurch gekennzeichnet , dass die beiden Anschlüsse (16, 18) einer jeden Batteriezelle (14) an diagonal einander gegenüberliegenden Ecken der jeweiligen Batteriezelle (14) angeordnet sind, wobei:- eine erste Batteriezelle (14) in einer ersten Ausrichtung angeordnet ist;- eine zu der ersten Batteriezelle (14) unmittelbar benachbarte zweite Batteriezelle (14) in einer zweiten Ausrichtung angeordnet ist, die gegenüber der ersten Ausrichtung um 180° um eine Achse gedreht ist, die sich parallel zu den beiden Enden (19, 20) erstreckt;- eine zu der zweiten Batteriezelle (14) unmittelbar benachbarte dritte Batteriezelle (14) in einer dritten Ausrichtung angeordnet ist, die gegenüber der zweiten Ausrichtung um 180° um eine Achse gedreht ist, die sich senkrecht zu der ersten Achse und zwischen den beiden Enden (19, 20) erstreckt; und- eine zu der dritten Batteriezelle (14) unmittelbar benachbarte vierte Batteriezelle (14) in einer vierten Ausrichtung angeordnet ist, die gegenüber der dritten Ausrichtung um 180° um eine Achse gedreht ist, die sich parallel zu den beiden Enden (19, 20) erstreckt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es der Art nach im Wesentlichen aus der DE 697 34 458 T2 bekannt ist. Der Art nach im Wesentlichen vergleichbare Batteriemodule gehen ferner aus den Druckschriften US 2007 / 0 059 593 A1 und US 2009 / 0 274 952 A1 hervor.
Hintergrund der Erfindung
Eine Batteriezelle wurde als eine saubere, effiziente und umweltbewusste Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene weitere Anwendungen vorgeschlagen. Ein Typ von Batteriezelle ist als die Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Die Lithium-Ionen-Batterie ist wiederaufladbar und kann zu einer breiten Vielfalt von Formen und Größen gebildet sein, um den zur Verfügung stehenden Raum in Elektrofahrzeugen effizient auszufüllen. Es kann eine Vielzahl von einzelnen Lithium-lonen-Batteriezellen in einem Batteriezellenmodul vorgesehen sein, um einen Betrag an Leistung bereitzustellen, der ausreicht, um Elektrofahrzeuge zu betreiben.
1 veranschaulicht ein Beispiel eines herkömmlichen Batteriemoduls 1, das eine Vielzahl von Batteriezellen 2 umfasst, die in einer gestapelten Konfiguration und in elektrischer Verbindung mit einer elektrischen Vorrichtung (z. B. einer Batterietrenneinheit (BDU, von battery disconnect unit) 4) angeordnet sind. Jede der Batteriezellen 2 umfasst einen Kathodenanschluss 6 und einen Anodenanschluss 7. Wie gezeigt, sind die Anschlüsse 6, 7 an gegenüberliegenden Enden einer jeden der Batteriezellen 2 zentriert. Um die Batteriezellen in einer elektrischen Reihenkonfiguration zu verbinden, sind die Batteriezellen mit benachbarten der Batteriezellen 2 in einer umgeklappten Orientierung relativ zueinander gestapelt, wobei der Kathodenanschluss 6 einer der Batteriezellen 2 mit dem Anodenanschluss 7 einer benachbarten der Batteriezellen 2 ausgerichtet und zusammengeschweißt ist, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Eine der Batteriezellen 2, die an jedem Ende des Stapels angeordnet sind, steht über eine Sammelschiene 8 in elektrischer Verbindung mit der BDU 4. Da ein Ende des Stapels von der BDU 4 weiter beabstandet ist als das andere Ende, muss zumindest eine der Sammelschienen 8 relativ lang sein. Die Sammelschienen 8 erzeugen während des Ladens/Entladens beständig Wärme und sind typischerweise von einer Kühlquelle beabstandet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Batteriemodul anzugeben, welches eine Vielzahl von Batteriezellen umfasst, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, wobei eine Topologie der gestapelten Batteriezellen eine Länge einer Sammelschiene minimiert, die verwendet wird, um die Batteriezellen mit einer elektrischen Vorrichtung zu verbinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit einem Batteriemodul gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
In einer Ausführungsform umfasst ein Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, wobei jede der Batteriezellen einen ersten Anschluss, der an einem ersten Ende der Batteriezelle angeordnet ist, und einen zweiten Anschluss, der an einem zweiten Ende der Batteriezelle angeordnet ist, umfasst, wobei der erste Anschluss zumindest einer der Batteriezellen in direkter elektrischer Verbindung mit dem zweiten Anschluss einer weiteren, nicht benachbarten der Batteriezellen steht.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, wobei jede der Batteriezellen einen positiven Anschluss, der an einem ersten Ende der Batteriezelle angeordnet ist, und einen negativen Anschluss, der an einem zweiten Ende der Batteriezelle angeordnet ist, umfasst, wobei der positive Anschluss und der negative Anschluss zumindest einer der Batteriezellen an gegenüberliegenden Enden der zumindest einen der Batteriezellen schräg angeordnet sind.
In einer noch weiteren Ausführungsform umfasst eine Batterieanordnung: eine Vielzahl von Batteriezellen, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, wobei jede der Batteriezellen einen positiven Anschluss, der an einem ersten Ende der Batteriezelle angeordnet ist, und einen negativen Anschluss, der an einem zweiten Ende der Batteriezelle angeordnet ist, umfasst; und eine Batterietrenneinheit in elektrischer Verbindung mit einem Paar benachbarter der Batteriezellen.
Figurenliste
Die oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Licht der beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich, wobei:

1 eine schematische Darstellung einer Verbindungstopologie für ein Batteriemodul nach dem Stand der Technik ist;
2 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls in elektrischer Verbindung mit einer Batterietrenneinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Vielzahl von Batteriezellen des Batteriemoduls von 2 ist;
4A eine schematische Frontansicht einer Batteriezelle des Batteriemoduls von 2 ist, die eine erste Orientierung zeigt;
4B eine schematische Frontansicht der Batteriezelle von 4A ist, die eine zweite Orientierung zeigt;
4C eine schematische Hinteransicht einer Batteriezelle von 4A ist, die eine dritte Orientierung zeigt; und
4D eine schematische Hinteransicht der Batteriezelle von 4B ist, die eine vierte Orientierung zeigt.

Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
Die 2-4 veranschaulichen ein Batteriemodul 10 in elektrischer Verbindung mit einer Batterietrenneinheit 12 (BDU) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist einzusehen, dass das Batteriemodul 10 mit anderen Systemen und Vorrichtungen in elektrischer Verbindung stehen kann. Es ist ferner einzusehen, dass das Batteriemodul 10 in einem Elektrofahrzeug integriert sein kann.
Wie in 3 deutlicher gezeigt, umfasst das Batteriemodul 10 eine Vielzahl von Batteriezellen14, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind. Jede der Batteriezellen 14 umfasst ein Paar Anschlüsse 16, 18 (z. B. Fahnen). Als ein nicht einschränkendes Beispiel ist der erste Anschluss 16 (z. B. die Anode) einer negativen elektrischen Ladung zugeordnet und der zweite Anschluss 18 (z. B. die Kathode) ist einer positiven elektrischen Ladung zugeordnet. Als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel sind die Batteriezellen 14 in einer elektrischen Reihenkonfiguration miteinander verbunden. Es können jedoch andere Konfigurationen verwendet werden.
In bestimmen Ausführungsformen sind der erste Anschluss 16 und der zweite Anschluss 18 zumindest einer der Batteriezellen 14 an gegenüberliegenden Enden 19, 20 der zumindest einen der Batteriezellen 14 angeordnet. Als ein nicht einschränkendes Beispiel sind der erste Anschluss 16 und der zweite Anschluss 18 zumindest einer der Batteriezellen 14 schräg an den gegenüberliegenden Enden 19, 20 davon angeordnet, wobei die zumindest eine der Batteriezellen 14 in vier unterschiedlichen Orientierungen angeordnet sein kann, wie in den 4A-4D veranschaulicht. Als ein nicht einschränkendes Beispiel ist jeder der Anschlüsse 16, 18 benachbart zu einer gegenüberliegenden Ecke einer jeden der Batteriezellen 14 angeordnet. Es ist einzusehen, dass die Anschlüsse 16, 18 von einer Ecke einer zugehörigen der Batteriezellen 14 beabstandet oder bündig mit einer Kante der zugehörigen der Batteriezellen 14 sein können.
Die Batterietrenneinheit (BDU) 12 ist typischerweise eine schaltbare Vorrichtung, um selektiv eine elektrische Verbindung zwischen dem Batteriemodul 10 und einem elektrischen System (nicht gezeigt) bereitzustellen. In bestimmen Ausführungsformen schützt die BDU 12 das Batteriemodul 10 vor unerwarteter Entladung und kann das Batteriemodul 10 im Fall eines Kurzschlusses oder eines Fehlerzustandes von einem verbundenen elektrischen System trennen.
In bestimmten Ausführungsformen steht die BDU 12 in elektrischer Verbindung mit einem Paar benachbarter der Batteriezellen 14. Als ein nicht einschränkendes Beispiel ist zumindest eine von dem Paar benachbarter der Batteriezellen 14 an einem Ende des Stapels der Batteriezellen 14 angeordnet. Als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel steht das Batteriemodul 10 über eine Vielzahl von Sammelschienen 22 mit der BDU 12 in elektrischer Verbindung. Die Sammelschienen 22 sind typischerweise aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit wie z. B. Kupfer, Aluminium oder Gold gebildet. Als ein nicht einschränkendes Beispiel ist eine Außenfläche zumindest einer der Sammelschienen 22 mit Isoliermaterialien (nicht gezeigt) wie z. B. jenen für elektrische Kabel oder Stecker überzogen, um einen unerwünschten elektrischen Kontakt zu vermeiden.
Im Gebrauch ist jede der Batteriezellen 14 benachbart zu einer weiteren der Batteriezellen 14 mit einer verschiedenen Orientierung angeordnet, um eine gestapelte Konfiguration zu bilden. Die Anschlüsse 16, 18 einer jeden der Batteriezellen 14 sind in einer vorbestimmten Abfolge und elektrischen Konfiguration (z. B. in Reihe) elektrisch miteinander gekoppelt. Als ein nicht einschränkendes Beispiel steht der erste Anschluss 16 (z. B. die Anode) zumindest einer der Batteriezellen 14 in direkter elektrischer Verbindung mit dem zweiten Anschluss 18 (z. B. der Kathode) einer weiteren, nicht benachbarten der Batteriezellen 14. Als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann eine direkte elektrische Verbindung als ein Strom definiert sein, der zwischen dem ersten Anschluss 16 (z. B. der Anode) der zumindest einen der Batteriezellen 14 und dem zweiten Anschluss 18 (z. B. der Kathode) der nicht benachbarten der Batteriezellen 14 fließt, ohne sich in einen Kontakt mit einer weiteren der Batteriezellen 14 einzuschalten.
In bestimmten Ausführungsformen ist der erste Anschluss 16 der zumindest einen der Batteriezellen 14 mithilfe einer Schweißtechnik (z. B. Ultraschall) oder einem mechanischen Befestigungselement (z. B. einem C-Kanal-Verbinder, einer J-Schiene und dergleichen) direkt mit dem zweiten Anschluss 18 einer weiteren, nicht benachbarten der Batteriezellen 14 gekoppelt.
Dann wird BDU 12 mit dem Stapel der Batteriezellen 14 elektrisch gekoppelt. Als ein nicht einschränkendes Beispiel steht die DBU 12 in elektrischer Verbindung mit einem Paar benachbarter der Batteriezellen 14. Als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel steht die BDU 12 in elektrischer Verbindung mit einem Paar benachbarter der Batteriezellen 14, wobei zumindest eine von dem benachbarten Paar der Batteriezellen 14 an einem Ende des Stapels der Batteriezellen 14 angeordnet ist. Demzufolge erzeugt der Stapel der Batteriezellen 14 eine elektrische Spannung zur Verwendung durch das verbundene elektrische System.
Das Batteriemodul 10 minimiert eine Sammelschienenteilanzahl und eine Länge der erforderlichen Sammelschienen 22, minimiert eine Wärmeentwicklung von den Sammelschienen 22 während des Ladens und Entladens und lokalisiert eine Position der Sammelschienen 22, um das Wärmemanagement über eine strategische Position eines Kühlsystems zu maximieren.

Claims

Batteriemodul (10), umfassend eine Vielzahl von rechteckigen Batteriezellen (14), die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, wobei jede der Batteriezellen (14) einen ersten Anschluss (16), der an einem ersten Ende (19) der Batteriezelle (14) angeordnet ist, und einen zweiten Anschluss (18), der an einem zweiten Ende (20) der Batteriezelle (14) angeordnet ist, umfasst, wobei der erste Anschluss (16) zumindest einer der Batteriezellen (14) in direkter elektrischer Verbindung mit dem zweiten Anschluss (18) einer weiteren, nicht benachbarten der Batteriezellen (14) steht; dadurch gekennzeichnet , dass die beiden Anschlüsse (16, 18) einer jeden Batteriezelle (14) an diagonal einander gegenüberliegenden Ecken der jeweiligen Batteriezelle (14) angeordnet sind, wobei: - eine erste Batteriezelle (14) in einer ersten Ausrichtung angeordnet ist; - eine zu der ersten Batteriezelle (14) unmittelbar benachbarte zweite Batteriezelle (14) in einer zweiten Ausrichtung angeordnet ist, die gegenüber der ersten Ausrichtung um 180° um eine Achse gedreht ist, die sich parallel zu den beiden Enden (19, 20) erstreckt; - eine zu der zweiten Batteriezelle (14) unmittelbar benachbarte dritte Batteriezelle (14) in einer dritten Ausrichtung angeordnet ist, die gegenüber der zweiten Ausrichtung um 180° um eine Achse gedreht ist, die sich senkrecht zu der ersten Achse und zwischen den beiden Enden (19, 20) erstreckt; und - eine zu der dritten Batteriezelle (14) unmittelbar benachbarte vierte Batteriezelle (14) in einer vierten Ausrichtung angeordnet ist, die gegenüber der dritten Ausrichtung um 180° um eine Achse gedreht ist, die sich parallel zu den beiden Enden (19, 20) erstreckt.
Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Anschluss (16) zumindest einer der Batteriezellen (14) direkt mit dem zweiten Anschluss (18) einer weiteren, nicht benachbarten der Batteriezellen (14) gekoppelt ist.
Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Batterietrenneinheit (12) in elektrischer Verbindung mit zumindest einer der Batteriezellen (14).
Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Batterietrenneinheit (12) in elektrischer Verbindung mit zumindest einer der Batteriezellen (14) mit einer Sammelschiene (22).
Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Batterietrenneinheit (12) in elektrischer Verbindung mit einem Paar benachbarter der Batteriezellen (14).
Batteriemodul (10) nach Anspruch 6, wobei eine von dem Paar benachbarter der Batteriezellen (14) an einem Ende der gestapelten Konfiguration der Batteriezellen (14) angeordnet ist.
Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, wobei jede der Batteriezellen (14) elektrisch in Reihe verbunden ist.