DE102019211927A1

DE102019211927A1 - Batteriemodul und Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls

Info

Publication number: DE102019211927A1
Application number: DE102019211927.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Woll; Sebastian Maurer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2021-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung. Das Batteriemodul (10) umfasst zumindest eine Elektrodeneinheit (14, 15, 16, 17) aufweisend eine positive Elektrode (142, 152, 162, 172) und eine negative Elektrode (146, 156, 166, 176) sowie einen dazwischen angeordneten Separator (144, 154, 164, 174). Weiter umfasst das Batteriemodul (10) ein erstes Anschlusselement (11), das mit einem ersten Batteriemodulpol verbunden ist, und ein zweites Anschlusselement (12). Dabei weist das erste Anschlusselement (11) zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt (112, 114, 116, 118) auf, der mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Abschnitt (111, 113, 115, 117) verbunden ist. Dabei steht eine der positiven und der negativen Elektroden (142, 146, 152, 156, 162, 166, 172, 176) der zumindest einen Elektrodeneinheit (14, 15, 16, 17) derart in physischem Kontakt mit dem zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt (112, 114, 116, 118) des ersten Anschlusselements (11), dass kein elektrischer Kontakt zwischen der Elektrode (142, 146, 152, 156, 162, 166, 172, 176) und dem ersten Anschlusselement (11) auftritt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul, ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Eine Batterie ist ein elektrochemischer Wandler, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie kann beispielsweise zum Fahrzeugantrieb in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Dafür sind lithiumhaltige Batterien aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit insbesondere geeignet.
Eine derartige Batterie setzt sich in der Regel aus mehreren Batteriemodulen zusammen, welche wiederum eine Mehrzahl an Batteriezellen enthalten. Die Batteriezellen, die jeweils ein Zellengehäuse umfassen, sind unter Ausbildung eines Batteriemoduls mittels auf dem jeweiligen Zellengehäuse angeordneten Zellverbindern aneinander fixiert.
Gemäß dem heutigen Stand der Technik erfordert eine Batteriereparatur zumindest den Austausch eines Batteriemoduls. Ist eine Batteriezelle defekt, so wird nicht die defekte Batteriezelle ausgetauscht, sondern das ganze Batteriemodul, in dem die defekte Batteriezelle eingebaut ist. Da in diesem Fall nicht defekte Batteriezellen umfassend Materialien wie Lithium und Nickel nicht weiterverwendet werden, führt dies zu einer Belastung der Umwelt. Des Weiteren steigen auch die Reparaturkosten, die den Einsatz von lithiumhaltigen Batterien in der Elektromobilität in Frage stellen.
Aus dem Dokument DE 10 2014 222 324 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, die einen Elektrodenwickel umfasst. Der Elektrodenwickel umfasst eine Mehrzahl an Elektroden, die mittels Kontaktstiften mit entsprechenden Batteriezellenpolen elektrisch kontaktiert sind. Die Verwendung der Kontaktstifte ermöglicht vor allem das Entfallen von Isolationsbauteilen, die zur elektrischen Isolation bei herkömmlichen Batteriezellen benötigt werden. Damit werden die Herstellungskosten von Batteriezellen verringert.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Batteriemodul, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt.
Das Batteriemodul ist mit zumindest einer Elektrodeneinheit vorgesehen, die eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separator aufweist. Dabei setzt sich das Batteriemodul nicht mehr aus einzelnen Batteriezellen zusammen, sondern direkt aus Elektrodeneinheiten, jeweils mit Anoden, Kathoden und Separatoren. Damit wird eine Herstellung von separaten Batteriezellengehäusen im Hinblick auf Material, Gewicht, Kosten und Montage vermieden.
Weiter umfasst das Batteriemodul ein erstes Anschlusselement, das mit einem ersten Batteriemodulpol verbunden ist. Das erste Anschlusselement dient dazu, mehrere Elektrodeneinheiten innerhalb des Batteriemoduls miteinander elektrisch zu verbinden. Demgegenüber ist der erste Batteriemodulpol seinerseits dazu eingerichtet, das Batteriemodul mit weiteren Batteriemodulen unter Ausbildung eines Batteriepacks elektrisch zu kontaktieren.
Weiterhin beinhaltet das Batteriemodul ein zweites Anschlusselement. Dabei kann das zweite Anschlusselement mit einem zweiten Batteriemodulpol verbunden sein oder als Hilfsmodulpol fungieren. Ein Hilfsmodulpol, oder auch Hilfsanschlusselement, ist dazu eingerichtet, im Batteriemodul enthaltene Elektrodeneinheiten miteinander elektrisch zu kontaktieren. Dabei dient der Hilfsmodulpol nicht der elektrischen Kontaktierung des Batteriemoduls mit weiteren Batteriemodulen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das erste Anschlusselement zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt auf, der mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Abschnitt des ersten Anschlusselements verbunden ist. Zumindest eine der positiven und der negativen Elektroden der zumindest einen Elektrodeneinheit steht derart in physischem Kontakt mit dem zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt des ersten Anschlusselements, dass kein elektrischer Kontakt zwischen der Elektrode und dem ersten Anschlusselement auftritt. Damit wird die betreffende Elektrode z.B. von einer weiteren gegenpoligen Elektrode zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses elektrisch isoliert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhafterweise ist der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt des ersten Anschlusselements als elektrisch leitfähiger Abschnitt mit einer Beschichtung eines elektrisch isolierenden Materials ausgestaltet. Dabei ist das elektrische isolierende Material vorzugsweise Kunststoff. Damit wird das erste Anschlusselement relativ einfach hergestellt.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn das zweite Anschlusselement durchgängig elektrisch leitfähig ausgeführt ist. Alternativ beinhaltet das zweite Anschlusselement zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt, der mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Abschnitt des zweiten Anschlusselements verbunden ist. Dabei ist der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt mit dem zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitt des zweiten Anschlusselements vorzugsweise verschraubt.
So ist von Vorteil, wenn das erste Anschlusselement als positiver Batteriemodulpol und das zweite Anschlusselement als negativer Batteriemodulpol ausgeführt ist. Damit werden keine zusätzlichen Batteriemodulpole zur elektrischen Kontaktierung mit weiteren Batteriemodulen benötigt. Alternativ ist das zweite Anschlusselement an einem Ende als positiver Batteriemodulpol und an seinem zweiten Ende als negativer Batteriemodulpol ausgeführt. Dabei ist das erste Anschlusselement beispielsweise als Hilfsmodulpol vorgesehen.
Weiter ist von Vorteil, wenn das erste und das zweite Anschlusselement stiftförmig ausgebildet und durch eine Durchbrechung der Elektroden geführt sind. Dies führt zu einer zuverlässigen Positionierung der Elektroden in der zumindest einen Elektrodeneinheit des Batteriemoduls.
In vorteilhafter Weise umfasst das Batteriemodul ein Modulgehäuse, aus dem zumindest eines der Anschlusselemente herausgeführt ist. Mit dem zumindest einen herausgeführten Anschlusselement werden weitere Batteriemodule mit dem Batteriemodul auf einfache Weise elektrisch kontaktiert. Dabei kann das zumindest eine Anschlusselement aus einem Gehäusedeckel oder seitlich aus dem Gehäuse ausgeführt werden.
Des Weiteren ist von Vorteil, wenn die zumindest eine Elektrodeneinheit des Batteriemoduls mittels des ersten und des zweiten Anschlusselements mit weiteren Elektrodeneinheiten innerhalb des Batteriemoduls seriell verschaltet ist. Damit wird eine Gesamtspannung des Batteriemoduls erhöht. Alternativ sind die Elektrodeneinheiten miteinander parallel verschaltet. Damit wird eine Gesamtkapazität des Batteriemoduls erhöht. Weiter alternativ ist eine Kombination aus serieller und paralleler Verschaltung möglich, bei der beispielsweise zwei Elektrodeneinheiten seriell miteinander verschaltet sind, die wiederum als Ganzes mit einer weiteren Elektrodeneinheit oder weiteren Elektrodeneinheiten parallel elektrisch kontaktiert sind. Damit wird eine skalierbare Gesamtspannung oder -kapazität im Batteriemodul je nach Anwendungsfall realisiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls bereitgestellt. Dabei wird in einem Verfahrensschritt a) eine Mehrzahl an Elektrodeneinheiten übereinander gestapelt. Vorzugsweise weist jede einzelne Elektrodeneinheit eine gleiche Stapelfolge von positiver Elektrode, negativer Elektrode und Separator auf. Die genaue Anzahl der Elektrodeneinheiten lässt sich nach technischen Anforderungen an die Gesamtspannung oder -kapazität des Batteriemoduls bestimmen. Gemäß den technischen Anforderungen kann im Vorfeld des Verfahrensschritts a) in einem Vorbereitungsverfahrensschritt eine elektrische Verschaltung der Elektrodeneinheiten festgelegt werden. Dabei weist die elektrische Verschaltung eine serielle, eine parallele Verschaltung oder eine Kombination aus serieller und paralleler Verschaltung auf. Damit wird eine Skalierbarkeit im Hinblick auf eine Gesamtspannung oder -kapazität des Batteriemoduls bei dessen Ausgestaltung ermöglicht.
Daraufhin wird in einem Verfahrensschritt b) zumindest eine Durchbrechung in die Elektrodeneinheiten, also in die Elektrodenlagen von positiver und negativer Elektrode der Elektrodeneinheiten, eingebracht. Vorzugsweise wird die zumindest eine Durchbrechung mittig an einem Rand der Elektrodenlagen eingebracht.
Weiter wird in einem Verfahrensschritt c) ein erstes Anschlusselement in die zumindest eine Durchbrechung der Elektrodeneinheiten eingeführt, wobei das erste Anschlusselement zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt aufweist, der mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Abschnitt des ersten Anschlusselements verbunden ist. Dabei wird vorzugsweise der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt des ersten Anschlusselements zwischen einer positiven Elektrode einer ersten Elektrodeneinheit und einer negativen Elektrode derselben Elektrodeneinheit positioniert, in deren Durchbrechungen beispielsweise ein erster und ein zweiter elektrisch leitfähiger Abschnitt des ersten Anschlusselements positioniert ist. Damit wird ein elektrischer Kurzschluss zwischen den gegenpoligen Elektroden der ersten Elektrodeneinheit mittels des elektrisch isolierenden Abschnitts des ersten Anschlusselements vermieden. Zugleich wird eine frei wählbare elektrische Kontaktierung, beispielsweise eine serielle Verschaltung, der ersten Elektrodeneinheit mit weiteren Elektrodeneinheiten mittels den elektrisch leitfähigen Abschnitten des ersten Anschlusselements ermöglicht. Dies hat den Vorteil, dass sich ein Batteriemodul mit derartigen Elektrodeneinheiten und derartigen Anschlusselementen im Hinblick auf Anforderungen an eine Gesamtspannung oder -kapazität des Batteriemoduls durch ein relativ einfaches Verfahren mit möglichst wenigen Verfahrensschritten bereitstellen lässt.
Des Weiteren ist von Vorteil, wenn die Elektrodeneinheiten nach dem Verfahrensschritt c) in einem Verfahrensschritt d) unter Ausbildung eines Batteriemoduls in ein Modulgehäuse aufgenommen werden. Dabei wird das erste Anschlusselement zur elektrischen Kontaktierung mit zumindest einem weiteren Batteriemodul aus dem Modulgehäuse herausgeführt. Vorzugsweise wird ein Anschlusselement, das als Batteriemodulpol fungiert, aus dem Modulgehäuse herausgeführt. Dahingegen wird ein Hilfsmodulpol innerhalb des Modulgehäuses, also nicht aus dem Modulgehäuse heraus, ausgeführt.
Das Batteriemodul gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich vorteilhaft in lithiumhaltigen Batteriesystemen wie Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien einsetzen. Diese können wiederum Anwendung in elektrischen Fahrzeugen, in Hybridfahrzeugen oder in stationären Anwendungen wie beispielsweise zur Speicherung regenerativ gewonnener elektrischer Energie finden.
Figurenliste
In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2: eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3: eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4: eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5: ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Batteriemoduls.

In 1 ist ein Batteriemodul 10 schematisch dargestellt. Dabei umfasst das Batteriemodul 10 beispielsweise vier übereinandergestapelte Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17 in einem prismatischen Gehäuse 18. Die einzelne Elektrodeneinheit 14, 15, 16, 17 weist jeweils beispielsweise eine Kathode 142, 152, 162, 172, eine Anode 146, 156, 166, 176 und einen dazwischen angeordneten Separator 144, 154, 164, 174 auf. Dabei kann der Separator 144, 154, 164, 174 aus einem Festkörperelektrolyten, beispielsweise einem Polymerelektrolyten, ausgebildet sein. Für Anoden 146, 156, 166, 176 und Kathoden 142, 152, 162, 172 werden beispielsweise handelsübliche Materialien wie Lithium und Nickel verwendet.
Weiter umfasst das Batteriemodul 10 ein erstes Anschlusselement 11 und ein zweites Anschlusselement 12. Das erste Anschlusselement 11 ist beispielsweise gleich lang wie das zweite Anschlusselement 12 ausgeführt. Beispielsweise sind die Anschlusselemente 11, 12 als Kontaktstifte vorgesehen. Darüber hinaus sind beispielsweise beide Anschlusselemente 11, 12 aus dem Modulgehäuse 18 herausgeführt. Dabei sind die herausgeführten Abschnitte des jeweiligen Anschlusselements 11, 12 vorzugsweise gleich lang. Das erste Anschlusselement 11 weist beispielsweise einen ersten elektrisch isolierenden Abschnitt 112 auf, der an einem Ende mit einem ersten elektrisch leitfähigen Abschnitt 111 und an seinem zweiten Ende mit einem zweiten elektrisch leitfähigen Abschnitt 113 des ersten Anschlusselements 11 verbunden ist. Weiterhin umfasst das erste Anschlusselement 11 weitere elektrisch isolierende Abschnitte 114, 116, 118 und elektrisch leitfähige Abschnitte 115, 117. Dabei sind die elektrisch leitfähigen und isolierenden Abschnitte 111-118 beispielsweise einstückig hergestellt, wobei jeweils ein an sich elektrisch leitfähiger Abschnitt des ersten Anschlusselements 11 unter Ausbildung eines der elektrisch isolierenden Abschnitte 112, 114, 116, 118 mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist. Das elektrisch isolierende Material ist z.B. ein Epoxidharz. Im Gegensatz zum ersten Anschlusselement 11 ist das zweite Anschlusselement 12 durchgängig elektrisch leitfähig ausgebildet und weist somit einen einzigen elektrisch leitfähigen Abschnitt 121 auf. Dabei ist der elektrisch leitfähige Abschnitt 121 beispielsweise als Kupferstift ausgeführt. Der erste elektrische isolierende Abschnitt 112 des ersten Anschlusselements 11 ist beispielsweise am Rand eines Separators 144 zwischen einer Kathode 142 einer ersten Elektrodeneinheit 14 und einer Anode 146 derselben Elektrodeneinheit 14 positioniert und somit dient der elektrischen Isolation der Kathode 142 gegenüber der Anode 146 derselben Elektrodeneinheit 14.
Weiterhin umfasst das Batteriemodul eine Vielzahl an Isolationsfolien 13 zur elektrischen Isolation jeweils zweier übereinandergestapelter Elektrodeneinheiten, wobei eine der Isolationsfolien 13 beispielsweise zwischen der Anode 146 der ersten Elektrodeneinheit 14 und einer Kathode 152 einer zweiten Elektrodeneinheit 15 angeordnet ist. Weist das Modulgehäuse 18 ein Metall auf, beispielsweise Aluminium, ist eine Isolationsfolie 13 zur elektrischen Isolation von Elektroden gegenüber dem Modulgehäuse 18 beispielsweise auf der Kathode 142 der ersten Elektrodeneinheit und auf einer Anode 176 einer vierten Elektrodeneinheit 17 aufgebracht. Dabei könnte ein Abschnitt des zweiten Anschlusselements 12 zwischen der Anode 176 der vierten Elektrodeneinheit 17 und der darüber angeordneten Isolationsfolie 13 elektrisch isolierend sein.
Die Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17 des Batteriemoduls 18 sind beispielsweise seriell miteinander elektrisch verschaltet. Dementsprechend ist beispielsweise der zweite elektrisch leitfähiger Abschnitt 113 des ersten Anschlusselements 11 durch Durchbrechungen der Anode 146 der ersten Elektrodeneinheit 14 und der Kathode 152 der zweiten Elektrodeneinheit 15 geführt, wobei die erste Elektrodeneinheit 14 seriell mit der zweiten Elektrodeneinheit 15 verschaltet ist. Dabei fungiert das erste Anschlusselement 11 als positiver Batteriemodulpol und das zweite Anschlusselement 12 als negativer Batteriemodulpol des Batteriemoduls 10.
In 2 ist ein Batteriemodul 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
Das Batteriemodul 10 umfasst in dieser Ausführungsform zwei übereinandergestapelte Elektrodeneinheiten 14, 15 in einem prismatischen Gehäuse 18. Weiter umfasst das Batteriemodul ein erstes Anschlusselement 11, welches beispielsweise einen ersten elektrisch isolierenden Abschnitt 112 umfasst, der mit einem ersten elektrisch leitfähigen Abschnitt 113 des ersten Anschlusselements 11 verbunden ist. Dabei sind der erste elektrisch isolierende und der erste elektrisch leitfähige Abschnitt 112, 113 beispielsweise einstückig hergestellt, wobei ein an sich elektrisch leitfähiger Abschnitt unter Ausbildung eines elektrisch isolierenden Abschnitts des ersten Anschlusselements 11 mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist. Das elektrisch isolierende Material ist z.B. ein Epoxidharz. Jedoch ist es auch möglich, den ersten elektrisch isolierenden Abschnitt 112 mit dem ersten elektrisch leitfähigen Abschnitt 113 unter Ausbildung des ersten Anschlusselements 11 zu verschrauben. Dabei ist der erste elektrisch leitfähige Abschnitt 113 des ersten Anschlusselements 11 durch Durchbrechung einer Anode 146 der ersten Elektrodeneinheit 14 und einer Anode 156 der zweiten Elektrodeneinheit 15 geführt.
Weiterhin umfasst das Batteriemodul 10 ein zweites Anschlusselement 12, welches beispielsweise einen zweiten elektrisch leitfähigen Abschnitt 121 aufweist, der mit einem zweiten elektrisch isolierenden Abschnitt 122 des zweiten Anschlusselements 12 verbunden ist. Dabei sind die Abschnitte 121, 122 des zweiten Anschlusselements 12 wie beim ersten Anschlusselement 11 miteinander verbunden. Der zweite elektrisch leitfähige Abschnitt 121 des zweiten Anschlusselements 12 ist beispielsweise durch Durchbrechungen einer Kathode 142 einer ersten Elektrodeneinheit 14 und einer Kathode 152 einer zweiten Elektrodeneinheit 15 geführt. So ist die erste Elektrodeneinheit 14 parallel mit der zweiten Elektrodeneinheit 15 elektrisch verschaltet. Dabei dient das zweite Anschlusselement 12 der positiven elektrischen Kontaktierung des Batteriemoduls 10, wohingegen das erste Anschlusselement 11 der negativen elektrischen Kontaktierung des Batteriemoduls 10 dient.
Des Weiteren sind in dieser Ausführungsform die elektrisch leitfähigen Abschnitte 113, 121 der Anschlusselemente 11, 12 beispielsweise aus dem Modulgehäuse 18 herausgeführt. Dabei ist der erste elektrisch leitfähige Abschnitt 113 des ersten Anschlusselements 11 aus einer Bodenfläche herausgeführt, während der zweite elektrisch leitfähige Abschnitt 121 des zweiten Anschlusselements 12 beispielsweise aus einem gegenüberliegenden Gehäusedeckel herausgeführt ist.
In 3 ist ein Batteriemodul 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den vorhergehenden Figuren.
Das Batteriemodul 10 umfasst in dieser Ausführungsform vier übereinandergestapelte Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17, die jeweils eine Kathode 142, 152, 162, 172, eine Anode 146, 156, 166, 176 und einen dazwischen angeordneten Separator 144, 154, 164, 174 aufweisen.
Weiter umfasst das Batteriemodul 10 ein erstes Anschlusselement 11, welches beispielsweise einen ersten elektrisch leitfähigen Abschnitt 113 aufweist, der an einem Ende mit einem ersten elektrisch isolierenden Abschnitt 112 und an seinem zweiten Ende mit einem zweiten elektrisch isolierenden Abschnitt 114 des ersten Anschlusselements 11 verbunden ist. Dabei dient der erste elektrisch isolierende Abschnitt 112 der elektrischen Isolation beispielsweise einer Kathode 142 einer ersten Elektrodeneinheit 14 gegenüber einer Anode 146 derselben Elektrodeneinheit 14.
Des Weiteren ist der erste elektrisch leitfähige Abschnitt 113 des ersten Anschlusselements 11 durch Durchbrechungen der Anode 146 der ersten Elektrodeneinheit 14 und der Anode 156 einer zweiten Elektrodeneinheit 15 geführt. So sind die Elektrodeneinheiten 14, 15 parallel miteinander elektrisch verschaltet. Weiterhin ist der erste elektrisch leitfähige Abschnitt 113 des ersten Anschlusselements 11 durch Durchbrechung einer Kathode 162 einer dritten Elektrodeneinheit 16 und einer Kathode 172 einer vierten Elektrodeneinheit 17 geführt. Dies führt zu einer parallelen Verschaltung der dritten Elektrodeneinheit 16 mit der vierten Elektrodeneinheit 17, während die erste und die zweite Elektrodeneinheit 14, 15 seriell mit der dritten und der vierten Elektrodeneinheit 16, 17 verschaltet sind. Somit entsteht eine Kombination aus serieller und paralleler Verschaltung der Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17. Das erste Anschlusselement 11, welches an dessen beiden Enden mit einem elektrisch isolierenden Abschnitt 112, 114 ausgestaltet ist, fungiert in dieser Ausführungsform als Hilfsmodulpol des Batteriemoduls 10.
Der elektrischen Kontaktierung beispielsweise mit weiteren Batteriemodulen dient im Batteriemodul 10 ein zweites Anschlusselement 12, welches einen dritten elektrisch isolierenden Abschnitt 122 zwischen einem zweiten elektrisch leitfähigen und einem dritten elektrisch leitfähigen Abschnitt 121, 123 des zweiten Anschlusselements 12 umfasst. Dabei ist der zweite elektrisch leitfähige Abschnitt 121 des zweiten Anschlusselements 12 durch Durchbrechungen der Kathode 142 der ersten Elektrodeneinheit 14 und einer Kathode 152 der zweiten Elektrodeneinheit 15 geführt. So fungiert ein beispielsweise aus einem Modulgehäuse 18 herausgeführter Teil des zweiten elektrisch leitfähigen Abschnitts 121 des zweiten Anschlusselements 12 als positiver Batteriemodulpol des Batteriemoduls 10. Dahingegen ist der dritte elektrisch leitfähige Abschnitt 123 des zweiten Anschlusselements 12 durch Durchbrechungen einer Anode 166 der dritten Elektrodeneinheit 16 und einer Anode 176 der vierten Elektrodeneinheit 17 geführt. Dabei ist ein beispielsweise aus dem Modulgehäuse 18 herausgeführter Teil des dritten elektrisch leitfähigen Abschnitts 123 des zweiten Anschlusselements 12 als negativer Batteriemodulpol des Batteriemoduls 10 ausgeführt.
In 4 ist ein Batteriemodul 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den vorhergehenden Figuren.
Das Batteriemodul 10 umfasst in dieser Ausführungsform vier übereinandergestapelte Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17, die jeweils eine Kathode 142, 152, 162, 172, eine Anode 146, 156, 166, 176 und einen dazwischen angeordneten Separator 144, 154, 164, 174 aufweisen.
Weiter umfasst das Batteriemodul 10 ein erstes Hilfsanschlusselement 110, welches beispielsweise einen ersten elektrisch leitfähigen Abschnitt 1102 aufweist. Dabei ist der erste elektrisch leitfähige Abschnitt 1102 des ersten Hilfsanschlusselements 110 durch Durchbrechungen einer Anode 146 einer ersten Elektrodeneinheit 14 und einer Kathode 152 einer zweiten Elektrodeneinheit 15 geführt. So ist die erste Elektrodeneinheit 14 seriell mit der zweiten Elektrodeneinheit 15 elektrisch verschaltet. Um einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 146 und der Kathode 152 zu vermeiden, ist ein erster elektrisch isolierender Abschnitt 1101 des ersten Hilfsanschlusselements 110 beispielsweise im Bereich der Kathode 142 und eines Separators 144 der ersten Elektrodeneinheit 14 vorgesehen. Darüber hinaus ist ein zweiter elektrisch leitfähiger Abschnitt 1104 des ersten Hilfsanschlusselements 110 durch Durchbrechungen einer Anode 166 einer dritten Elektrodeneinheit 16 und einer Kathode 172 einer vierten Elektrodeneinheit 17 geführt. Dies führt zu einer seriellen Verschaltung der dritten Elektrodeneinheit 16 mit der vierten Elektrodeneinheit 17. Zur elektrischen Isolation der Kathode 172 gegenüber einer Anode 176 derselben Elektrodeneinheit 17 dient beispielsweise ein dritter elektrisch isolierender Abschnitt 1105 des ersten Hilfsanschlusselements 110.
Weiterhin umfasst das Batteriemodul 10 ein erstes Anschlusselement 11, welches beispielsweise einen dritten elektrisch leitfähigen Abschnitt 113 aufweist, der an einem Ende mit einem vierten elektrisch isolierenden Abschnitt 112 und an seinem zweiten Ende mit einem fünften elektrisch isolierenden Abschnitt 114 des ersten Anschlusselements 11 verbunden ist. Dabei ist der dritte elektrisch leitfähige Abschnitt 113 durch eine Durchbrechung einer Anode 156 der zweiten Elektrodeneinheit 15 und ein vierter elektrisch leitfähiger Abschnitt 115 des ersten Anschlusselements 11 durch eine Durchbrechung einer Anode 176 der vierten Elektrodeneinheit 17 geführt. So sind die erste und die zweite Elektrodeneinheit 14, 15 parallel mit der dritten und der vierten Elektrodeneinheit 16, 17 elektrisch verschaltet. Dabei fungiert das erste Anschlusselement 11 als negativer Batteriemodulpol des Batteriemoduls 10.
Der positiven elektrischen Kontaktierung des Batteriemoduls 10 mit weiteren Batteriemodulen dient ein zweites Anschlusselement 12, welches beispielsweise einen fünften elektrisch leitfähigen Abschnitt 121 aufweist. Dabei ist der fünfte elektrisch leitfähige Abschnitt 121 mit einem sechsten elektrisch isolierenden Abschnitt 122 des zweiten Anschlusselements 12 verbunden, welcher wiederum an seinem zweiten Ende mit einem sechsten elektrisch leitfähigen Abschnitt 123 zusammengebracht ist. Zur elektrischen Isolation zweier gegenpoliger Elektroden 162, 166 der dritten Elektrodeneinheit 16 sowie zweier gegenpoliger Elektroden 172, 176 der vierten Elektrodeneinheit 17 dient ein siebter elektrisch isolierender Abschnitt 124 des zweiten Anschlusselements 12.
In 5 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagram eines Verfahrens 50 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls am Beispiels des Batteriemoduls 10 gemäß 1 dargestellt.
Zunächst werden beispielsweise in einem Verfahrensschritt a) vier Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17 übereinander gestapelt. Daraufhin wird in einem Verfahrensschritt b) beispielsweise jeweils eine Durchbrechung in Kathoden 142, 152, 162, 172 und in Anoden 146, 156, 166 der Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17 eingebracht. Dabei kann der Verfahrensschritt b) vor oder nach dem Verfahrensschritt a) durchgeführt werden.
Weiterhin wird in einem Verfahrensschritt c) beispielsweise ein erstes Anschlusselement 11 in die Durchbrechungen der Elektroden 142, 152, 162, 172 und in Anoden 146, 156, 166 derart eingeführt, dass beispielsweise eine erste Elektrodeneinheit 14 mittels eines durch die Durchbrechungen der Anode 146 und der Kathode 152 geführten zweiten elektrisch leitfähigen Abschnitts 113 seriell mit einer zweiten Elektrodeneinheit 15 elektrisch verschaltet ist. Dabei weist das erste Anschlusselement 11 zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt 112, 114, 116, 118 auf, der mit einem elektrisch leitfähigen Abschnitt 111, 113, 115, 117 des ersten Anschlusselements 11 verbunden ist. Der mindestens eine elektrisch isolierende Abschnitt 112, 114, 116, 118 des ersten Anschlusselements 11 wird beispielsweise erzeugt, indem ein an sich elektrisch leitfähiger Abschnitt des ersten Anschlusselements 11 mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet wird. Alternativ wird beispielsweise ein vorgefertigter erster elektrisch isolierender Abschnitt 112 mit einem ersten elektrisch leitfähigen Abschnitt 111 des ersten Anschlusselements 11 versch rau bt.
Die Anzahl und die Positionierung der elektrisch isolierenden und leitfähigen Abschnitte des ersten Anschlusselements 11 sowie eines zweiten Anschlusselements 12 werden entsprechend von technischen Anforderungen an eine Gesamtspannung oder -kapazität des Batteriemoduls 10 durchgeführt. Dabei wird die Gesamtspannung des Batteriemoduls 10 durch eine serielle Verschaltung der darin enthaltenden Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17 gezielt erhöht, wohingegen die Gesamtkapazität des Batteriemoduls 10 durch eine parallele Verschaltung der Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17 erhöht wird. Die Festlegung der elektrischen Verschaltung der Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17 wird in einem Vorbereitungsverfahrensschritt ausgeführt, welcher beispielsweise vor dem Verfahrensschritt a) oder zwischen den Verfahrensschritten a), b) erfolgt.
Weiterhin werden in einem Verfahrensschritt d) die Elektrodeneinheiten 14, 15, 16, 17 in ein beispielsweise prismatisches Modulgehäuse 18 aufgenommen. Dabei weist das Modulgehäuse 18 ein Metall wie beispielsweise Aluminium auf.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul 10 lässt sich vorteilhaft in lithiumhaltigen Batteriesystemen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien, verwenden. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes, Kraftfahrzeugen, Flugmobilität, mobilen elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
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 102014222324 A1 [0005]

Claims

Batteriemodul mit zumindest einer Elektrodeneinheit (14, 15, 16, 17) aufweisend eine positive Elektrode (142, 152, 162, 172) und eine negative Elektrode (146, 156, 166, 176) sowie einen dazwischen angeordneten Separator (144, 154, 164, 174), weiter mit einem ersten Anschlusselement (11), das mit einem ersten Batteriemodulpol verbunden ist, umfassend zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt (112, 114, 116, 118), der mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Abschnitt (111, 113, 115, 117) des ersten Anschlusselements (11) verbunden ist, weiterhin mit einem zweiten Anschlusselement (12), dadurch gekennzeichnet, dass eine der positiven und der negativen Elektroden (142, 146, 152, 156, 162, 166, 172, 176) der zumindest einen Elektrodeneinheit (14, 15, 16, 17) derart in physischem Kontakt mit dem zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt (112, 114, 116, 118) des ersten Anschlusselements (11) steht, dass kein elektrischer Kontakt zwischen der Elektrode (142, 146, 152, 156, 162, 166, 172, 176) und dem ersten Anschlusselement (11) auftritt.
Batteriemodul gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt (112, 114, 116, 118) des ersten Anschlusselements (11) als elektrisch leitfähiger Abschnitt mit einer Beschichtung eines elektrisch isolierenden Materials ausgestaltet ist.
Batteriemodul gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlusselement (12) durchgängig elektrisch leitfähig ist.
Batteriemodul gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlusselement (12) zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt (122, 124) aufweist, der mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Abschnitt (121, 123) des zweiten Anschlusselements (12) verbunden ist.
Batteriemodul gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anschlusselement (11) als positiver Batteriemodulpol und das zweite Anschlusselement (12) als negativer Batteriemodulpol ausgeführt ist.
Batteriemodul gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlusselement (12) an einem Ende als positiver Batteriemodulpol und an seinem zweiten Ende als negativer Batteriemodulpol ausgeführt ist.
Batteriemodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (11, 12) stiftförmig ausgebildet sind.
Batteriemodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modulgehäuse (18) vorgesehen ist, wobei zumindest eines der Anschlusselemente (11, 12) aus dem Modulgehäuse (18) herausgeführt ist.
Batteriemodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Elektrodeneinheit (14, 15, 16, 17) mit weiteren Elektrodeneinheiten (14, 15, 16, 17) mittels den Anschlusselementen (11, 12) seriell oder parallel elektrisch verschaltet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls, wobei in einem Verfahrensschritt a) eine Vielzahl an Elektrodeneinheiten (14, 15, 16, 17) übereinander gestapelt wird und in einem Verfahrensschritt b) zumindest eine Durchbrechung in die Elektrodeneinheiten (14, 15, 16, 17) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt c) ein erstes Anschlusselement (11) aufweisend zumindest einen mit einem elektrisch leitfähigen Abschnitt (111, 113, 115, 117) verbundenen elektrisch isolierenden Abschnitt (112, 114, 116, 118) in die zumindest eine Durchbrechung der Elektrodeneinheiten (14, 15, 16, 17) eingeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfahrensschritt a) oder zwischen dem Verfahrensschritt a) und dem Verfahrensschritt b) in einem Vorbereitungsverfahrensschritt eine serielle, parallele oder eine Kombination aus serieller und paralleler Verschaltung der Elektrodeneinheiten (14, 15, 16, 17) festgelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt d) die Elektrodeneinheiten (14, 15, 16, 17) nach dem Verfahrensschritt c) unter Ausbildung eines Batteriemoduls (10) in ein Modulgehäuse (18) aufgenommen werden.
Verwendung eines Batteriemoduls (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).