WO2017207699A1 - Batterie und verbindungsplatte für eine batterie - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a battery having a cell arrangement, the cell arrangement having a plurality
  • Battery cells which are electrically conductively connected to each other in an electrical series and parallel connection, wherein the cell array more
  • Battery cells wherein the battery has at least two battery sections and each battery section consists of a plurality of electrically parallel-connected battery cells, and wherein each battery cell has a positive and a negative end terminal.
  • Voltage can be adapted to the respective application.
  • An especially important purpose for the present invention is the use of batteries in electrically powered motor vehicles. But such batteries can also be used in many other applications.
  • the battery cells may be primary or
  • Secondary cells act, the battery is often referred to when using secondary cells as a battery pack. From the prior art are different
  • battery packs with lithium-ion battery cells and nickel-metal hybrid battery cells are used in many applications.
  • battery cells of a battery cell type are used for a battery. It is also possible and convenient for some applications, battery cells
  • the areas of elevated or high temperatures are also referred to as thermal hotspots.
  • Cell arrangement is determined by a variety of factors such as the type of battery cells used, the relative arrangement of the battery cells to each other, the charging or flowing through the battery cells
  • Battery cell influenced.
  • it is considered to provide a battery in which the occurrence of
  • the object is achieved in that the battery cells of the battery sections are aligned so that all the positive end terminals of the battery cells of each battery section lie in a common positive contacting plane and that all negative end terminals of the battery cells of each battery section in a common negative
  • Battery sections are arranged to each other, that end connections a contacting level of a first
  • connection plate is arranged, the at least two thermally and electrically conductive
  • Connecting elements of the connecting plate are electrically and thermally conductively connected to each other, so that the battery cells of the successive battery sections are connected in series via the connecting plate, so that connected to the contacting elements of the connecting plate thermally and electrically conductive
  • Battery cells of a battery section thermal and are electrically connected to each other and so that an electric current and a heat flow are distributed over the entire cell array.
  • an at least partially electrically and thermally conductive connecting plate between battery sections is outstandingly suitable for preventing the occurrence of temperature hotspots within a battery.
  • connection plate is particularly well suited to conduct a current between the battery sections.
  • the current is distributed over a large area, whereby a low resistance is given.
  • a high resistance is to be avoided, since this causes power losses.
  • the connecting plate has the significant advantage that thermal energy can be dissipated from the battery cells particularly well. The thermal energy is distributed over a wide area.
  • a large part of the thermal energy produced in the battery cells is conducted through the entire cell arrangement via the end terminals of the battery cells in the construction according to the invention.
  • the end connections of the batteries are suitable for the transmission of thermal energy in special way, since the end terminals are thermally conductively connected to an interior of the battery and even consist of a thermally and electrically highly conductive material.
  • cooling and heat dissipation via a cell jacket of a battery cell is often less efficient, since the cell jacket is usually made of a thermally and electrically poorly conductive material.
  • Construction achieved that at least by the remaining battery cells, an electric current and a heat flow is distributed evenly within the battery. A uniform distribution of electric current and heat flow helps to avoid hotspots within the battery.
  • the parallel circuit according to the invention it is possible to distribute the current uniformly on the battery cells. An even distribution of electricity contributes to one
  • the battery according to the invention has a significant advantage over conventional batteries in which battery cells are successive
  • the batteries are designed as round cells.
  • Round cells have a cylindrical base body with arranged on the opposite side surfaces
  • the round cells of a battery section according to the invention therefore arranged so that extending between the side surfaces center axes of the round cells in parallel
  • round cells have the advantage over a conventional cuboid coffee bag cell that, within a cell arrangement, between the cells
  • Round cells due to their geometry cavities present are. These cavities are particularly advantageous when it comes to a malfunction within the battery, in which burst one or more battery cells or even explode. In a conventional battery assembly with one or more coffee-bag cells, there is no space within the battery in which the bursting or exploding batteries can expand.
  • the battery cells are arranged so that each battery cell on at least one other battery cell in a
  • each battery cell is adjacent to at least two other battery cells in a cell cladding region.
  • the battery cells are arranged particularly tightly inside the battery. The energy density of the battery can thus be increased by this arrangement.
  • each battery cell is adjacent to at least two other battery cells in a cell cladding region.
  • the battery cells are arranged particularly tightly inside the battery. The energy density of the battery can thus be increased by this arrangement.
  • each battery cell is adjacent to at least two other battery cells in a cell cladding region.
  • Battery cells offset from each other, so that the battery cells in corner areas of a battery section abut two other battery cells and abut in edge regions of a battery section to three other battery cells and so that all battery cells that are not arranged in a corner or a peripheral region abut six other battery cells.
  • the outermost positive end terminals are at one end of the cell assembly with a Plus line arrangement and the negative end terminals at one end of the cell array with a
  • Negative line arrangement connected electrically and thermally conductive.
  • Negative line arrangement serve to dissipate both electrical current and heat from the cell assembly.
  • the positive conductor arrangement and the negative conductor arrangement each comprise an electrically and thermally conductive connection plate.
  • connection plate becomes the outermost positive end connections
  • the positive lead arrangement and the negative lead arrangement are formed as copper plates. This ensures due to the high electrical conductivity of copper, that the current is evenly distributed and low
  • the high thermal conductivity of copper also ensures that thermal energy can be dissipated from the battery. Especially at high currents is the high electrical
  • the copper plate Due to its large area, the copper plate forms an extended star point, which has a particularly low thermal and electrical resistance. By varying the thickness of the copper plate may be a change of their
  • Heat capacity can be effected to optimize the heat distribution within the battery.
  • the outermost positive end connections or the outermost negative end connections are interconnected by an electrically and thermally conductive connection plate having a heat sink structure. As a result, heat can be dissipated particularly good laterally from the battery.
  • the copper plates are formed so that thermal energy and electrical energy over all
  • the copper plates have a material thickness of 4 mm to 6 mm. Copper plates of this dimensioning are for
  • the copper plates have a material thickness of 5 mm to 10 mm. Copper plates of this dimension are optimized for batteries intended for use in electric vehicles.
  • the battery cells and the battery cells are identical to each other.
  • connection plates of the cell assembly Connecting plates of the cell assembly pressed together.
  • the battery cells are firmly pressed together, so that a good electrically and thermally conductive connection can be achieved with the connection plates.
  • the connection plates Preferably, the
  • At least one spindle is provided in the battery, which is guided in a longitudinal direction through the battery.
  • Verpressiana which abut the cell assembly and the components of
  • Screw nuts are pressed against the cell assembly.
  • the battery cells and the connecting plates of the battery cells are identical to a particular embodiment of the invention.
  • the positive-line arrangement and / or the minus-line arrangement can also be cast. Such encapsulation allows the battery cells, the connection plates and optionally the positive lead arrangement and the
  • this invention can be made of a thermally conductive material.
  • thermal energy is easier to dissipate from the cell assembly and can be distributed evenly throughout the battery.
  • the potting preferably consists of a non-electrically conductive material. It is advantageous if the battery cells have no external insulation. Thus, in one embodiment with a non-conductive potting, the battery cells may have a particularly simple construction.
  • thermally conductive connection plate as a circuit board is executed.
  • a circuit board consists of a substrate on which at least one conductor track element and other electrical components can be applied.
  • the electrically and thermally conductive connecting plate is designed as a metal plate.
  • a metal plate is advantageous because most metals have good thermal conductivity and very good electrical conductivity.
  • Metal plate is therefore particularly well suited to switch two battery sections in parallel and in series. Another advantage of using metal plates is that they are very easy and inexpensive to produce.
  • the electrically and thermally conductive connection plate is a
  • a copper plate is particularly suitable for use as an electrically and thermally conductive
  • Connection plate because it has a particularly high thermal and electrical conductivity.
  • connection plate for connecting battery cells in a battery as described above, wherein the connection plate is formed as a circuit board.
  • the board has a non-electrically conductive substrate as well as a front side and a back side, and they are also different from each other
  • each pair of contacting elements comprises a first contact element on the front side and a second contact element on the back side of the board, wherein each first contact element with each second
  • Contacting element is electrically and thermally conductively connected, and wherein each pair of
  • Connection plate is connected.
  • the electrically and thermally conductive connection region can be embodied as a bore in the circuit board, which has an inner edge onto which an electrically and thermally conductive metal layer
  • the metal layer is preferably riveted in the board, vapor-deposited on the inner edge or printed on the inner edge.
  • the contacting elements of each pair of contacting elements are preferably provided facing each other in front and back, so that the smallest possible distance between the
  • a bus system can be provided in order to connect electronic components arranged on the board to one another in terms of data and to a battery management system.
  • a bus system it is possible to use sensors or other components on the circuit boards are provided within a battery.
  • Circuit board is easy to handle, especially if the substrate according to the invention as non-conductive
  • Plastic material is formed, because in this case, it has a low weight.
  • On the board must be at least one electrically and thermally conductive
  • the substrate of the board according to the invention the electrically and thermally
  • the fuse offers an important protection, if unwanted large currents occur inside the board. In this case prevents the
  • the fuse is particularly advantageous when a battery cell is damaged so that their resistance drops sharply. In this case, the electricity increased by the battery cell
  • a fuse is preferably formed by a thermally and electrically conductive material, the like
  • Fuse have a sufficiently small conductor cross-section. According to the fuse should
  • Copper has a particularly good thermal and electrical conductivity, so that the connecting plate a particularly good thermal and electrical
  • an electrical insulator with a high thermal conductivity is provided on the substrate and / or as material of the substrate for the thermal connection between the contacting elements.
  • the electrical insulator with a high thermal conductivity can be used as the
  • Substrate material of the connecting plate may be provided.
  • the electrical insulator according to the invention can also be used to thermally conductive connecting elements
  • connection plate formed.
  • connection plate of flexible and / or elastic
  • Be formed materials For example, a
  • Substrate made of an elastic polymer can be used.
  • the applied on the connection plate electrically and thermally conductive material has a sufficient
  • Connection plate is not damaged, whereby sections of the board could lose or lose their thermal and electrical conductivity.
  • Connection plate is particularly good at the
  • connection plate for example, during compression, such a connection plate can adapt better.
  • the electrically and thermally conductive material applied to the connection plate is preferably provided mirror-inverted on the front and rear of the connection plate.
  • the electrically and thermally conductive material applied to the connecting plate it is also possible according to the invention for the electrically and thermally conductive material applied to the connecting plate to be applied to the front in an arrangement which does not coincide with an arrangement of the electrically and thermally conductive on the rear side in a mirror image.
  • At least one pair of contacting elements is surrounded by an electrical insulator, wherein an electrically and thermally conductive spacing conductor track electrically and thermally conductively connects the pair of contacting elements to the connecting portion.
  • the non-electrically conductive region can be formed according to the invention by the substrate of the board.
  • connection region may be coated by a non-conductive layer. So it can be ensured that the connection plate with
  • electrically and thermally conductive can be contacted.
  • the spacer track can be used as a fuse
  • Beabstandungsleiterbahn as a backup is particularly advantageous, since this can be avoided that act too high currents into the connection area can. In addition, it can be avoided that too high a current in the connection area in one
  • connection area is flat
  • connection region can extend over the entire surface of the substrate, wherein it only passes through the substrate
  • Embodiment of the invention surrounded, is interrupted.
  • the electrical insulators according to the invention for example, the Beabstandungsleiterbahn in the
  • Connection area defined and specified. An areal connection area reduces the electrical resistance between the contacting areas.
  • Connection area can alternatively be part of the area
  • At least one pair of contacting elements is centrally spaced from one another
  • the conductor loop forms part of the connection area.
  • the conductor loop can be arranged continuously in the substrate of the connecting plate, wherein it is on the front and the back of each of a
  • the conductor loop can also be applied to the front and / or the back of the substrate in a thin layer, wherein on the front and the back of a
  • the conductor loop on the front and on the back is applied as a thin layer, it is preferably in one
  • the conductor loop is circular
  • Invention is at least one a pair of
  • Conductor loops is electrically connected, the other pairs of contact elements enclose. Due to the electrically and thermally conductive connection of the conductor loops are indirectly also the pairs of
  • the at least one conductor loop or the at least one further conductor loop can be connected to at least two other conductor loops or outermost further conductor loops, in which the conductor loops or outermost further loops
  • Conductor loops so are areas of the conductor loops on top of each other. If two conductor loops intersect, then the two conductor loops are not only partially overlapping, but each conductor loop also partially runs inside the other conductor loop. If two conductor loops are connected by tracks, this means that the two
  • Conductor loops are spaced from each other and an electrical connection between the spaced conductor loops by at least one
  • additional interconnect is made in the substrate, which runs between the conductor loops.
  • the composite of conductor loops is made in the substrate, which runs between the conductor loops.
  • the contact can serve, for example, for connecting a measuring device.
  • This can be a temperature sensor.
  • a conductor connected to two contacts can be guided along the contacting elements in order to determine the temperature at the contacting elements.
  • the conductor must be electrically insulated from the contacting elements and the conductor loops.
  • an external temperature sensor connected to the contacts can be provided on the printed circuit board, which contact is applied to at least one battery cell, in order to prevent the same
  • the contact can also be used to connect a bus system via the measuring devices provided on the board
  • connection plate can be read and / or controlled.
  • at least one cooling line is provided in the connection plate in order to cool the connection plate and a battery in which the connection plate is inserted. According to the invention, such a
  • Connection plate on both sides have a contacting layer, which are electrically insulated by two insulating layers of a metal core in the interior of the connecting plate.
  • the contacting layer is preferably made of copper, aluminum, silver or a heat and
  • connection plate can be cooled particularly effectively.
  • the metal core is made
  • At least one cooling line may also be provided in a metal plate, for example a copper plate, or in a circuit board.
  • the battery cells inside the battery are in one
  • Casting material introduced Preferably that is
  • the potting material is slightly flexible. It may according to the invention in the potting material to a
  • Battery cells may be provided within a battery section each in an insert element.
  • An insert element is a rectangular or otherwise shaped container into which the composite material and the battery cells can be incorporated.
  • Insert element can be particularly easily mounted in the battery between two connecting plates by pushing it between them.
  • the use of a potting material offers the advantage that heat can be removed from the battery cells particularly efficiently.
  • the battery cells can also be preheated better. This also results in a homogenization of the temperature in the composite panels. Likewise, by a Verguss the battery cells the
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated front view of a battery according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the battery shown in FIG. 1 a
  • Fig. 3 is a schematisehe shown view of a second embodiment of the battery according to the invention in a sectional view transverse to arranged in the battery
  • Fig. 4 is a schematically illustrated view of a fourth embodiment of the battery according to the invention in one Sectional view transverse to arranged in the battery
  • Fig. 5 is a schematically illustrated view of a
  • Fig. 6 is a schematically illustrated view of a
  • Fig. 7 is a schematically illustrated plan view of a first embodiment of the connecting plate of
  • Fig. 8 is a schematically illustrated plan view of a second embodiment of the invention.
  • Fig. 9 is a schematic plan view of a third embodiment of the invention.
  • FIG. 10 shows a schematically illustrated cross-sectional view of a fourth embodiment of the invention
  • FIGS. 1 and 2 schematically show a battery 1 with a cell arrangement 2.
  • 1 shows a front view and
  • FIG. 2 shows a plan view of the battery 1.
  • the battery 1 also has one
  • Battery cell frame and / or a suitable housing are not limited to the particular purpose battery parts.
  • the cell assembly 2 has a plurality of battery cells 3.
  • the battery cells 3 are arranged in a battery row 4 which has a plurality of battery sections 5 connected in series.
  • Each battery section 5 consists of a plurality of battery cells 3 connected in parallel, the battery cells 3 being arranged one above the other and next to one another.
  • the battery cells 3 are designed as round cells.
  • the cell assembly 2 points to the outside
  • Battery sections 5 more positive end terminals 6 and a plurality of negative end terminals 7.
  • the positive end terminals 6 are connected by a positive lead 8 and the negative end terminals 7 by a
  • Negative line 9 electrically and thermally conductively connected to each other.
  • the positive conductor arrangement 8 and the negative conductor arrangement 9 are each electrically conductive plates 10 made of copper.
  • the battery cells 3 of a battery section 5 and the battery cells 3 of an adjacent battery section 5 are connected by positive end terminals 6 and negative
  • connection plates 12 electrically and thermally conductively connected to each other.
  • connection plates 12 By the connection plates 12 inside the battery 1, the battery cells 3 become parallel and in series connected. An electric current and a heat flow are distributed over the entire cell assembly 2 by means of the connection plates 12.
  • the battery cells 3 of a battery cell section 5 rest against each other in cell cladding regions 13. In this way, a particularly compact construction of the battery 1 can be achieved.
  • FIG. 3 shows a schematically illustrated view of a second embodiment of the battery 1 according to the invention in a sectional view transversely to battery cells 3 arranged in the battery 1.
  • a battery section 5 is shown in a cross-sectional view. The single ones
  • Battery cells 3 are arranged in rows to each other and disposed within the battery 1 in a potting material 28. As a result, the battery cells 3
  • the battery cells 3 are each designed without an insulating jacket. This is possible as it is through the
  • Potting material from each other are electrically isolated.
  • a cooling plate 29 is provided in order to dissipate heat even better from the battery cells 3 via the potting material 28 from the battery 1 can.
  • cooling lines 30 are provided in the battery 1. Through this, a coolant can be guided in order to cool the battery 1 and in particular the battery cells 3.
  • 4 shows a schematic view of a second embodiment of the battery 1 according to the invention in a sectional view transversely to battery cells 3 arranged in the battery 1.
  • a battery section 5 is shown in a cross-sectional view. The single ones
  • Battery cells 3 are arranged offset to one another and disposed within the battery 1 in a potting material 28. Also in this embodiment, the
  • Cooling plate 29 is provided. Within the battery 1 run cooling lines 30 for cooling the battery. 1
  • Fig. 5 shows a schematic view of a portion of the second embodiment of the
  • Inventive battery 1 in a sectional view along the arranged in the battery 1 battery cells 3. Inside the battery 1 is a
  • Potting material 28 which encloses the battery cells 3 partially.
  • a cooling duct 30 runs parallel to the battery cells 3.
  • a cooling plate 29 is provided on the housing of the battery 1. The battery cells 3 are
  • the connecting plate 12 has
  • Both the contacting elements 15 and the contacting layer 31 are electrically and thermally very conductive. In the present case, they are made of copper.
  • the connection plate 12 has two insulation layers 32, which have a metal core 33 made of copper opposite to the one
  • the metal core 33 made of copper is capable of heat from the Dissipate connecting plate 12.
  • the metal core 33 is connected to the cooling plate 29. Furthermore, by the construction of the metal core 33 made of copper is capable of heat from the Dissipate connecting plate 12. The metal core 33 is connected to the cooling plate 29. Furthermore, by the construction of the metal core 33 made of copper is capable of heat from the Dissipate connecting plate 12. The metal core 33 is connected to the cooling plate 29. Furthermore, by the
  • Cooling line 30 is also passed through the potting material 28.
  • FIG. 6 shows a schematic view of a portion of a fourth embodiment of the invention
  • Inventive battery 1 in a sectional view along the arranged in the battery 1 battery cells 3. Inside the battery 1 is a
  • Potting material 28 which completely encloses the battery cells 3.
  • the interior of the battery is completely filled with the potting material 28.
  • Battery cell 3 extends a cooling line 30.
  • a cooling plate 29 is provided.
  • the battery cells are on both sides each with a
  • connection plate 12 contacted.
  • the connection plate 12 has contacting elements 15 in one
  • Contacting layer 31 are electrically and thermally very conductive. In the present case, they are made of copper.
  • the connection plate 12 has two insulation layers 32, which have a metal core 33 made of copper opposite to the one
  • the metal core 33 made of copper is capable of heat from the
  • the metal core 33 is connected to the cooling plate 29. Furthermore, by the connection of the metal core 33 to the cooling plate 29. Furthermore, by the connection of the metal core 33 to the cooling plate 29. Furthermore, by the connection of the metal core 33 to the cooling plate 29. Furthermore, by the connection of the metal core 33 to the cooling plate 29. Furthermore, by the connection of the metal core 33 to the cooling plate 29. Furthermore, by the connection of the metal core 33 to the cooling plate 29. Furthermore, by the cooling plate 29.
  • FIG. 7 shows schematically a cross-sectional view of a possible embodiment of the invention
  • Connecting plate 12 Here, the front side 14 of the connecting plate 12 is shown. A back (not
  • the connecting plate 12 is designed as a circuit board, which comprises an electrically non-conductive substrate, in which thermally and electrically conductive elements are integrated.
  • On the front side 14 of the connecting plate 12 are a plurality of thermally and electrically conductive contacting elements 15, each comprising a plurality of contacting points 16. In the middle of each contacting element 15 is a recess 17 in the connecting plate 12.
  • electrically conductive connecting conductor 18 is arranged, the contacting elements 15 on the two sides on the front side 2 and the back (not shown) of
  • Connecting plate 1 connects to each other.
  • the contacting elements 15 are enclosed by thermally and electrically conductive conductor loops 19.
  • the conductor loops 19 serve a particularly advantageous distribution of the electrical current within the
  • connection plate 12 when the connection plate 12 is in a battery 1.
  • the conductor loops 19 are circular, wherein the
  • Conductor loops 19 are located.
  • the conductor loops 19 are each connected by a thermally and electrically conductive spacer track 20 with the Contacting elements 15 electrically connected.
  • the spacer track 20 is as a fuse
  • the conductor loops 19 form a thermal and
  • connection plate 12 electrically conductive connection region 21.
  • a contact 22 is provided on the composite of conductor loops 19.
  • further contacts 23 are provided on a measuring track 24 on the board. At the measuring conductor 24, for example, a temperature sensor can be connected to the measuring conductor 24.
  • connection plate 12 is designed as a circuit board which comprises an electrically nonconductive substrate in which thermally and electrically conductive elements are integrated.
  • thermally and electrically conductive elements are integrated on the front 14 and on the back (not shown) of the connecting plate 12 are several thermally and electrically
  • Contacting elements 15 each comprise a flat contacting region 25 made of a thermally and electrically conductive material.
  • Contacting area 25 is on both sides of the
  • Connection plate 12 exposed, so that it for an electrical and thermal contact with a
  • Battery cell 3 is suitable. In the middle of each
  • Contacting element 15 is a recess 17 in the connecting plate 12. On the inside of the
  • Recess 17 is a thermally and electrically conductive Connecting conductor 18 is arranged, the
  • Connecting plate 1 connects to each other.
  • the contacting region 25 is surrounded by an electrical insulator 26 in which a spacing conductor track 20 is arranged.
  • the spacer track 20 connects the contacting region 25 with a surface
  • the spacer track 20 is dimensioned as a fuse.
  • the areally formed connecting region 21 achieves a particularly good conduction of current and heat between the contacting regions 25 of the connecting plate 12.
  • a plurality of contacts 22 on the connecting plate 12 are formed on the surface
  • Connection area 21 is provided. Furthermore, the
  • connection plate 12 is designed as a circuit board which comprises an electrically non-conductive substrate in which thermally and electrically conductive elements are integrated.
  • On the front 14 and on the back (not shown) of the connecting plate 12 are several thermally and electrically
  • Die Contacting elements 15 each comprise a flat contacting region 25 made of a thermally and electrically conductive material.
  • Contacting area 25 is on both sides of the
  • Connection plate 12 exposed, so that it for an electrical and thermal contact with a
  • Battery cell 3 is suitable. In the middle of each
  • Contacting element 15 is a recess 17 in the connecting plate 12. On the inside of the
  • Recess 17 is a thermally and electrically conductive connecting conductor 18 is arranged, which the
  • Connecting plate 1 connects to each other.
  • the contacting region 25 is surrounded by an electrical insulator 26 in which a spacing conductor track 20 is arranged.
  • the spacer track 20 connects the contacting region 25 with a surface
  • Spacing conductor 20 is dimensioned as a fuse. At each contacting area 25 are several
  • Transition regions 34 is a particularly good line of
  • connection plate 12 each have a plurality of contacts 22 provided on two conductor loops 19. Furthermore, the
  • Fig. 10 shows a schematically illustrated
  • connection plate 12 of the battery 1 has two contacting layers 31, which are provided with a plurality of contacting elements 15. These contacting elements 15 are flat elevations, resulting from the
  • Contacting layer 31 and the contacting elements 15 are made of an electrically and thermally conductive material. At each contacting layer 31 is a
  • Insulating layer 32 is provided, which has a metal core 33 in the interior of the connecting plate 12 with respect to the
  • the contacting layers 31 are connected to one another by web elements 35, which are guided over the insulating layers 32 and the metal core 33. Thus, the contacting layers 31 are connected to each other both thermally and electrically conductive. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1) mit einer Zellanordnung (2), wobei die Zellanordnung (2) mehrere Batteriezellen (3) aufweist, die in einer elektrischen Reihen- und Parallelschaltung elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind, wobei die Zellanordnung (2) mehrere Batteriereihen (4) mit elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen (3) aufweist, wobei die Batterie mindestens zwei Batterieabschnitte (5) aufweist und jeder Batterieabschnitt (5) aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Batteriezellen (3) besteht, und wobei jede Batteriezelle (4) einen positiven und einen negativen Endanschluss (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei aufeinanderfolgenden Batterieabschnitten (4) eine zumindest teilweise elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte (12) angeordnet ist, die mindestens zwei thermisch und elektrisch leitfähige Kontaktierungselemente aufweist, und dass die Endanschlüsse der Batteriezellen (4) der zwei aufeinanderfolgenden Batterieabschnitte (5) mit der Verbindungsplatte (12) elektrisch und thermisch leitfähig über die Kontaktierungselemente verbunden sind, sodass die Batteriezellen (3) der aufeinanderfolgenden Batterieabschnitte (5) parallel und in Reihe geschaltet werden und sodass ein elektrischer Strom und ein Wärmestrom über die gesamte Zellanordnung (2) verteilt werden.

Description

E-SEVEN SYSTEMS TECHNOLOGY MANAGEMENT LTD
Batterie und Verbindungsplatte für eine Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Zellanordnung, wobei die Zellanordnung mehrere
Batteriezellen aufweist, die in einer elektrischen Reihen- und Parallelschaltung elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind, wobei die Zellanordnung mehrere
Batteriereihen mit elektrisch in Reihe geschalteten
Batteriezellen aufweist, wobei die Batterie mindestens zwei Batterieabschnitte aufweist und jeder Batterieabschnitt aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Batteriezellen besteht, und wobei jede Batteriezelle einen positiven und einen negativen Endanschluss aufweist.
Derartige Batterien sind aus dem Stand der Technik
hinreichend bekannt und kommen zu vielen Zwecken zum
Einsatz. Aus dem Stand der Technik sind Batterien in unterschiedlichen Größen und mit einer unterschiedlichen Anzahl parallel und in Reihe geschalteter Batteriezellen bekannt, wodurch die von der Batterie bereitgestellte
Kapazität und die durch die Batterie bereitgestellte
Spannung an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden kann. Ein insbesondere auch für die vorliegende Erfindung wichtiger Einsatzzweck ist die Verwendung von Batterien bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen. Derartige Batterien können aber auch auf vielen anderen Einsatzgebieten zur Verwendung kommen. Bei den Batteriezellen kann es sich um Primär- oder
Sekundärzellen handeln, wobei die Batterie bei Verwendung von Sekundärzellen häufig auch als Akku-Pack bezeichnet wird. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche
Batteriezellenarten bekannt, die sich vor allem durch die für die Batteriezellen verwendeten Elektrodenmaterialien und Elektrolyten unterscheiden. Derzeit kommen in vielen Anwendungen Akku-Packs mit Lithium-Ionen-Batteriezellen und Nickel-Metallhybrid-Batteriezellen zum Einsatz.
Üblicherweise werden für eine Batterie Batteriezellen eines Batteriezellentyps verwendet. Es ist für einige Anwendungen aber auch möglich und zweckmäßig, Batteriezellen
unterschiedlicher Batteriezellentypen einzusetzen. Insbesondere bei großen Batterien, beispielsweise zum
Betrieb elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge, bei denen eine Vielzahl von Batteriezellen eingesetzt wird, treten innerhalb der Batterie unter anderem beim Laden mit
vergleichsweise hohen Stromstärken Bereiche mit hohen
Temperaturen auf, durch die der Lade- beziehungsweise
Entladevorgang der in dem Bereich hoher Temperatur
angeordneten Batteriezellen sowie deren Lebensdauer
beeinflusst wird. Die Bereiche erhöhter beziehungsweise hoher Temperaturen werden auch als Temperaturhotspots bezeichnet. Die Temperaturverteilung innerhalb der
Zellanordnung wird durch eine Vielzahl von Faktoren wie beispielsweise die Art der verwendeten Batteriezellen, die relative Anordnung der Batteriezellen zueinander, der durch die Batteriezellen fließende Lade- beziehungsweise
Entladestrom und den Alterungszustand der jeweiligen
Batteriezelle beeinflusst. Als Aufgabe der Erfindung wird es angesehen, eine Batterie bereitzustellen, bei der das Auftreten von
Temperaturhotspots innerhalb der Batterie vermieden wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Batteriezellen der Batterieabschnitte so ausgerichtet sind, dass sämtliche positiven Endanschlüsse der Batteriezellen des jeweiligen Batterieabschnitts in einer gemeinsamen positiven Kontaktierungsebene liegen und dass sämtliche negativen Endanschlüsse der Batteriezellen des jeweiligen Batterieabschnitts in einer gemeinsamen negativen
Kontaktierungsebene liegen, dass die mindestens zwei
Batterieabschnitte so zueinander angeordnet sind, dass Endanschlüsse einer Kontaktierungsebene eines ersten
Batterieabschnitts unmittelbar gegenüberliegend zu
Endanschlüssen einer Kontaktierungsebene eines zweiten Batterieabschnitts angeordnet sind, dass zwischen
mindestens zwei aufeinanderfolgenden Batterieabschnitten eine zumindest teilweise elektrisch und thermisch
leitfähige Verbindungsplatte angeordnet ist, die mindestens zwei thermisch und elektrisch leitfähige
Kontaktierungselemente aufweist, die thermisch und
elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind, und dass die Endanschlüsse der Batteriezellen der zwei
aufeinanderfolgenden Batterieabschnitte über die
Kontaktierungselemente der Verbindungsplatte elektrisch und thermisch leitfähig miteinander verbunden sind, sodass die Batteriezellen der aufeinanderfolgenden Batterieabschnitte über die Verbindungsplatte in Reihe geschaltet sind, sodass die mit den Kontaktierungselementen der Verbindungsplatte thermisch und elektrisch leitfähig verbundenen
Batteriezellen eines Batterieabschnitts thermisch und elektrisch leitend miteinander verbunden sind und sodass ein elektrischer Strom und ein Wärmestrom über die gesamte Zellanordnung verteilt werden.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass sich eine zumindest teilweise elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte zwischen Batterieabschnitten hervorragend dazu eignet, um das Auftreten von Temperaturhotspots innerhalb einer Batterie zu vermeiden. Eine elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte zwischen den
Batterieabschnitten weist dabei mehrere Vorteile auf. Zum einen ist eine solche Verbindungsplatte besonders gut dazu geeignet, einen Strom zwischen den Batterieabschnitten zu leiten. Der Strom verteilt sich auf eine große Fläche, wodurch ein geringer Widerstand gegeben ist. Ein hoher Widerstand ist zu vermeiden, da dies Leistungsverluste bedingt. Zum anderen bietet die Verbindungsplatte den bedeutenden Vorteil, dass sich über sie thermische Energie aus den Batteriezellen besonders gut abführen lässt. Die thermische Energie wird dabei flächig verteilt. Ein
elektrischer Strom und ein Wärmestrom werden mittels der Verbindungsplatten zusätzlich über die gesamte
Zellanordnung verteilt. Die Verbindungsplatten
gewährleisten dabei eine ganz besonders gute Wärmeleitung zwischen den Batteriezellen unterschiedlicher
Batterieabschnitte .
Ein großer Teil der in den Batteriezellen hervorgerufenen thermischen Energie wird bei dem erfindungsgemäßen Aufbau über die Endanschlüsse der Batteriezellen durch die gesamte Zellenanordnung geleitet. Die Endanschlüsse der Batterien eignen sich zur Übertragung der thermischen Energie in besonderer Weise, da die Endanschlüsse thermisch leitend mit einem Inneren der Batterie verbunden sind und selbst aus einem thermisch und elektrisch gut leitenden Material bestehen. Dahingegegen ist eine Kühlung und Wärmeabfuhr über einen Zellmantel einer Batteriezelle häufig weniger effizient, da der Zellmantel üblicherweise aus einem thermisch und elektrisch schlecht leitenden Material besteht .
Falls die Batteriezellen hinsichtlich ihrer thermischen Leitfähigkeit und ihres elektrischen Widerstands
gleichmäßig dimensioniert sind, ergibt sich eine
gleichmäßige Verteilung des elektrischen Stroms und des Wärmestroms innerhalb der Batteriezellen. Ist die
Wärmeleitfähigkeit und/oder der Widerstand einer oder mehrerer Batteriezellen vermindert, so wird durch den
Aufbau erreicht, dass zumindest durch die verbleibenden Batteriezellen ein elektrischer Strom und ein Wärmestrom innerhalb der Batterie gleichmäßig verteilt wird. Eine gleichmäßige Verteilung des elektrischen Stroms und des Wärmestroms trägt dazu bei, Hotspots innerhalb der Batterie zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird es ermöglicht, thermische Energie aus den Batteriezellen über die einzelnen Batterieabschnitte hinweg zwischen den Batterieabschnitten und den einzelnen Batteriezellen zu verteilen. Ferner wird es durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung ermöglicht, den Strom gleichmäßig auf die Batteriezellen zu verteilen. Eine gleichmäßige Verteilung des Stroms trägt zu einer
gleichmäßigen Wärmeverteilung innerhalb der Batterie bei, da eine Batteriezelle durch einen höheren Strom stärker erwärmt wird. Ändert sich die Temperatur einer Batteriezelle, so ändert sich auch ihr Widerstand. Somit beeinflussen sich der elektrische Widerstand und die
Temperatur der Batteriezellen innerhalb einer Batterie gegenseitig. Daraus folgt, dass es besonders wichtig ist, sowohl den elektrischen Strom als auch die thermische
Energie innerhalb einer Batterie gleichmäßig auf deren Batteriezellen zu verteilen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird es ermöglicht, die vorab beschriebenen Wechselwirkungseffekte und damit auch die Entstehung von Hotspots innerhalb der Batterie zu vermeiden. Somit weist die erfindungsgemäße Batterie einen bedeutenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Batterien auf, bei denen Batteriezellen aufeinanderfolgender
Batterieabschnitte nicht über Verbindungsplatten
miteinander verbunden werden.
Gemäß eine besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die Batterien als Rundzellen ausgebildet. Rundzellen weisen einen zylinderförmigen Grundkörper mit an auf den einander gegenüberliegenden Seitenflächen angeordneten
Endanschlüssen auf. Bei Verwendung von Rundzellen werden die Rundzellen eines Batterieabschnitts erfindungsgemäß daher so angeordnet, dass sich zwischen den Seitenflächen erstreckende Mittelachsen der Rundzellen parallel
zueinander ausgerichtet sind, wobei die Endanschlüsse jeweils in einer Kontaktierungsebene liegen. Rundzellen weisen innerhalb einer Batterieanordnung gegenüber einer herkömmlichen quaderförmigen Coffee-Bag-Zelle den Vorteil auf, dass innerhalb einer Zellanordnung zwischen den
Rundzellen aufgrund deren Geometrie Hohlräume vorhanden sind. Diese Hohlräume sind besonders dann von Vorteil, wenn es innerhalb der Batterie zu einer Fehlfunktion kommt, bei der eine oder mehrere Batteriezellen aufplatzen oder sogar explodieren. Bei einer herkömmlichen Batterieanordnung mit einer oder mehreren Coffee-Bag-Zellen verbleibt innerhalb der Batterie kein Raum, in dem sich die aufplatzenden oder explodierenden Batterien ausdehnen können. Die
überschüssige Energie kann nicht abgeführt werden, wodurch bei einer Batterieanordnung mit vielen Zellen im
schlimmsten Fall eine Explosion der gesamten Batterie droht. Bei einer Zellanordnung auf der Grundlage von
Rundzellen ist diese Gefahr deutlich vermindert.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die Batteriezellen so angeordnet, dass jede Batteriezelle an mindestens einer weiteren Batteriezelle in einem
Zellmantelbereich anliegt. Bei einem solchen Aufbau sind die Batteriezellen besonders eng innerhalb der Batterie angeordnet. Die Energiedichte der Batterie kann durch diese Anordnung folglich erhöht werden. Vorzugsweise liegt jede Batteriezelle an mindestens zwei anderen Batteriezellen in einem Zellmantelbereich an. Vorzugsweise sind die
Batteriezellen versetzt zueinander angeordnet, sodass die Batteriezellen in Eckbereichen eines Batterieabschnitts an zwei anderen Batteriezellen anliegen und in Randbereichen eines Batterieabschnitts an drei anderen Batteriezellen anliegen und sodass alle Batteriezellen, die nicht in einem Eckbereich oder einem Randbereich angeordnet sind, an sechs anderen Batteriezellen anliegen.
Vorzugsweise sind die äußersten positiven Endanschlüsse an einem Ende der Zellanordnung mit einer Plusleitungsanordnung und die negativen Endanschlüsse an einem Ende der Zellanordnung mit einer
Minusleitungsanordnung elektrisch und thermisch leitfähig verbunden. Die Plusleitungsanordnung und die
Minusleitungsanordnung dienen dazu, sowohl elektrischen Strom als auch Wärme aus der Zellanordnung abzuführen.
Besonders bevorzugt umfassen die Plusleitungsanordnung und die Minusleitungsanordnung jeweils eine elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte. Durch eine
elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte werden die äußersten positiven Endanschlüsse
beziehungsweise die äußersten negativen Endanschlüsse sternförmig miteinander verschaltet. Vorzugsweise sind die Plusleitungsanordnung und die Minusleitungsanordnung als Kupferplatten ausgebildet. Hierdurch ist aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer gewährleistet, dass der Strom gleichmäßig verteilt wird und niedrige
Widerstandsverluste in der Plusleitungsanordnung und der Minusleitungsanordnung auftreten. Durch die hohe thermische Leitfähigkeit von Kupfer ist zudem gewährleistet, dass thermische Energie aus der Batterie abgeführt werden kann. Besonders bei großen Strömen ist die hohe elektrische
Leitfähigkeit von Kupfer von Bedeutung. Aufgrund ihrer großen Fläche bildet die Kupferplatte einen erweiterten Sternpunkt, der einen besonders niedrigen thermischen und elektrischen Widerstand hat. Durch eine Variation der Dicke der Kupferplatte kann eine Veränderung von deren
Wärmekapazität bewirkt werden, um die Wärmeverteilung innerhalb der Batterie zu optimieren. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die äußersten positiven Endanschlüsse beziehungsweise die äußersten negativen Endanschlüsse durch eine elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte verschaltet, die eine Kühlkörperstruktur aufweist. Hierdurch kann Wärme besonders gut seitlich aus der Batterie abgeführt werden.
Vorzugsweise sind die Kupferplatten so ausgebildet, dass thermische Energie und elektrische Energie über alle
Batteriezellen der Batterie gleichmäßig verteilt werden kann. Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung weisen die Kupferplatten eine Materialdicke von 4 mm bis 6 mm auf. Kupferplatten dieser Dimensionierung sind für
Batterien optimiert, die eine Stromversorgung im
stationären Bereich bereitstellen. Gemäß eine weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Kupferplatten eine Materialdicke von 5 mm bis 10 mm auf. Kupferplatte dieser Dimensionierung sind für Batterien optimiert, die für den Einsatz in Elektrofahrzeugen vorgesehen sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Batteriezellen und die
Verbindungsplatten der Zellanordnung miteinander verpresst. Durch die Verpressung werden die Batteriezellen fest aneinander gedrückt, sodass eine gute elektrisch und thermisch leitfähige Verbindung mit den Verbindungsplatten erreicht werden kann. Vorzugsweise sind auch die
Plusleitungsanordnung und die Minusleitungsanordnung mit den Batteriezellen und den Verbindungsplatten verpresst. Vorzugsweise ist in der Batterie mindestens eine Spindel vorgesehen, die in einer Längsrichtung durch die Batterie hindurchgeführt ist. An den Enden der Spindel können erfindungsgemäß Verpresselemente vorgesehen sein, die an der Zellanordnung anliegen und die Komponenten der
Zellanordnung gegeneinander verpressen. Als
Verpresselemente können vorteilhafterweise Platten
vorgesehen sein, die über auf der Spindel aufsitzende
Schraubenmuttern gegen die Zellanordnung gepresst werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die Batteriezellen und die Verbindungsplatten der
Zellanordnung miteinander vergossen. Zusätzlich können erfindungsgemäß auch die Plusleitungsanordnung und/oder die Minusleitungsanordnung vergossen sein. Ein solcher Verguss erlaubt es, die Batteriezellen, die Verbindungsplatten und optional die Plusleitungsanordnung und die
Minusleitungsanordnung in einer Position zu fixieren, in der diese elektrisch und thermisch leitfähig miteinander verbunden sind. Der Verguss ist ferner insofern
vorteilhaft, als dass dieser erfindungsgemäß aus einem thermisch leitfähigen Material gefertigt sein kann. Somit lässt sich Wärmeenergie einfacher aus der Zellanordnung abführen und kann sich innerhalb der gesamten Batterie gleichmäßig verteilen.
Der Verguss besteht vorzugsweise aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Batteriezellen keine Außenisolierung aufweisen. Somit können bei einer Ausführungsform mit einem nichtleitenden Verguss die Batteriezellen einen besonders einfachen Aufbau aufweisen .
Es ist besonders bevorzugt, wenn die elektrisch und
thermisch leitfähige Verbindungsplatte als Platine ausgeführt ist. Eine Platine besteht aus einem Substrat auf der mindestens ein Leiterbahnelement sowie sonstige elektrische Bauelemente aufgebracht sein können. Somit lassen sich mittels einer Verbindungsplatte, die als
Platine ausgeführt ist, diverse vorteilhafte
Zusatzfunktionen implementieren.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte als Metallplatte ausgeführt. Eine Metallplatte ist vorteilhaft, denn die meisten Metalle weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit auf. Eine
Metallplatte eignet sich somit ganz besonders gut dazu, um zwei Batterieabschnitte parallel und in Reihe zu schalten. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz von Metallplatten besteht darin, dass sich diese sehr einfach und kostengünstig herstellen lassen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist die elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte eine
Kupferplatte. Eine Kupferplatte eignet sich ganz besonders zum Einsatz als elektrisch und thermisch leitfähige
Verbindungsplatte, denn sie weist eine besonders hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit auf.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verbindungsplatte zur Verbindung von Batteriezellen in einer wie vorangehend beschriebenen Batterie, bei der die Verbindungsplatte als eine Platine ausgebildet ist. Die Platine weist ein nicht elektrisch leitfähiges Substrat sowie eine Vorderseite und eine Rückseite auf, wobei sie außerdem voneinander
beabstandete Paare von elektrisch und thermisch leitfähigen Kontaktierungselementen aufweist, wobei jedes Paar von Kontaktierungselementen ein erstes Kontaktlerungselement auf der Vorderseite und ein zweites Kontaktlerungselement auf der Rückseite der Platine umfasst, wobei jedes erste Kontaktlerungselement mit jedem zweiten
Kontaktlerungselement elektrisch und thermisch leitfähig verbunden ist, und wobei jedes Paar von
Kontaktierungselementen mit jedem anderen Paar von
Kontaktierungselementen über einen elektrisch und
thermischen leitfähigen Verbindungsbereich auf der
Verbindungsplatte verbunden ist. Somit findet eine
Durchkontaktierung zwischen Batteriezellen statt, die vorder- und rückseitig an der der Platine vorgesehen sind.
Der elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsbereich kann erfindungsgemäß als eine Bohrung in der Platine ausgeführt sein, die einen Innenrand aufweist, auf den eine elektrisch und thermisch leitfähige Metallschicht
aufgebracht ist. Die Metallschicht ist vorzugsweise in der Platine vernietet, auf den Innenrand aufgedampft oder auf den Innenrand aufgedruckt. Die Kontaktierungselemente jedes Paars von Kontaktierungselementen sind vorzugsweise vorder- und rückseitig einander gegenüber vorgesehen, sodass ein kleinstmöglicher Abstand zwischen den
Kontaktierungselementen vorliegt .
In der Batterie kann beim Einsatz einer Platine
erfindungsgemäß ein Bussystem vorgesehen sein, um auf der Platine angeordnete elektronische Komponenten datenleitend miteinander und mit einem Batteriemanagementsystem zu verbinden. Mittels eines Bussystems ist es möglich, auf Sensoren oder sonstige Bauelemente, die auf den Platinen innerhalb einer Batterie vorgesehen sind, zuzugreifen.
Hierdurch wird es ermöglicht, mittels lediglich einer Verbindungsleitung Sensordaten aus den Platinen auszulesen und sonstige Bauelemente auf den Platinen anzusteuern.
Durch die erfindungsgemäße Verbindungsplatte können zwei Batterieabschnitte einer Batterie zueinander parallel und in Reihe geschaltet werden und es wird eine hohe
elektrische und thermische Leitfähigkeit zwischen den
Endanschlüssen der Batteriezellen gewährleistet. Eine
Platine lässt sich leicht handhaben, insbesondere dann, wenn das Substrat erfindungsgemäß als nichtleitendes
Kunststoffmaterial ausgebildet ist, denn in diesem Fall weist sie ein niedriges Gewicht auf. Auf der Platine muss mindestens ein elektrisch und thermisch leitfähiges
Material vorgesehen sein, doch dieses kann so dimensioniert werden, dass eine ausreichende elektrische und thermische Leitfähigkeit erreicht wird. Durch das Substrat der Platine kann erfindungsgemäß das elektrisch und thermisch
leitfähige Material mechanisch stabilisiert werden.
Zwischen mindestens einem Paar von Kontaktierungselementen und dem Verbindungsbereich kann erfindungsgemäß eine
Sicherung vorgesehen sein. Die Sicherung bietet dabei einen wichtigen Schutz, falls ungewollt große Ströme innerhalb der Platine auftreten. In diesem Falle verhindert die
Sicherung einen zu hohen Stromfluss, der einzelne
Batteriezellen beschädigen könnte. Die Sicherung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine Batteriezelle so beschädigt wird, sodass ihr Widerstand stark abfällt. In diesem Fall erhöht sich der Strom, der durch die
Batteriezelle fließt, sehr stark. Dadurch wird die Sicherung ausgelöst, sodass ein weiterer Stromfluss durch die beschädigte Batteriezelle unterbunden wird. Eine
Beschädigung anderer Batteriezellen durch zu hohe Ströme kann somit vermieden werden.
Eine Sicherung wird vorzugsweise durch ein thermisch und elektrisch leitfähiges Material gebildet, das so
dimensioniert ist, dass es bei einem zu großen Strom durchbrennt bzw. beschädigt wird und somit im Fehlerfall eine Batteriezelle von anderen Batteriezellen elektrisch isoliert. Damit die Sicherung im Fehlerfall auslöst, muss das elektrisch und thermisch leitfähige Material der
Sicherung einen ausreichend geringen Leiterquerschnitt aufweisen. Erfindungsgemäß sollte die Sicherung so
dimensioniert werden, dass sie einen maximalen
Leiterquerschnitt aufweist, der dazu geeignet ist, eine maximale thermische Leitfähigkeit der Sicherung zu
gewährleisten, wobei der maximale Leiterquerschnitt durch denjenigen maximalen Leiterquerschnitt begrenzt wird, der eine Auslösung der Sicherung im Fehlerfall einer
Batteriezelle gewährleistet.
Ganz besonders bevorzugt bestehen die
Kontaktierungselemente und der Verbindungsbereich aus Kupfer. Kupfer weist eine besonders gute thermische und elektrische Leitfähigkeit auf, sodass die Verbindungsplatte eine besonders gute thermische und elektrische
Leitfähigkeit aufweist, selbst wenn nur eine
vergleichsweise geringe Menge an leitfähigem Material auf dem Substrat aufgebracht ist. Es ist vorteilhaft, wenn auf dem Substrat und/oder als Material des Substrats zur thermischen Verbindung zwischen den Kontaktierungselementen ein elektrischer Isolator mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit vorgesehen ist.
Hierdurch wird die thermische Leitfähigkeit der Platine weiter erhöht, ohne dass die Menge des elektrisch und thermisch leitfähigen Materials auf der Platine erhöht werden muss. Der elektrische Isolator mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit kann dabei als das
Substratmaterial der Verbindungsplatte vorgesehen sein. Der elektrische Isolator kann erfindungsgemäß ferner eingesetzt werden, um thermisch leitfähige Verbindungselemente
zwischen den Kontaktierungselementen zu bilden.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist die
Verbindungsplatte flexibel ausgebildet. Hierzu kann die Verbindungsplatte aus flexiblen und/oder elastischen
Materialien ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein
Substrat aus einem elastischen Polymer verwendet werden. Das auf der Verbindungsplatte aufgebrachte elektrisch und thermisch leitfähige Material weist eine ausreichende
Flexibilität auf, wenn es sich um ein Metall handelt.
Jedoch muss die Menge des aufgebrachten Metalls so
dimensioniert werden, dass es beim Verbiegen der
Verbindungsplatte nicht beschädigt wird, wodurch Abschnitte der Platine ihre thermische und elektrische Leitfähigkeit einbüßen oder verlieren könnten. Eine flexible
Verbindungsplatte lässt sich besonders gut bei der
Herstellung und der Reparatur einer erfindungsgemäßen
Batterie handhaben. Einer teilweisen Verformung einer
Batterie beispielsweise auch beim Verpressen kann sich eine solche Verbindungsplatte besser anpassen. Das auf der Verbindungsplatte aufgebrachte elektrisch und thermisch leitfähige Material ist vorzugsweise vorder- und rückseitig auf der Verbindungsplatte spiegelbildlich vorgesehen. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, dass das auf der Verbindungsplatte aufgebrachte elektrisch und thermisch leitfähige Material vorderseitig in einer Anordnung aufgebracht ist, die mit einer Anordnung des elektrisch und thermisch leitfähigen auf der Rückseite nicht spiegelbildlich übereinstimmt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Paar von Kontaktierungselementen von einem elektrischen Isolator umgeben, wobei eine elektrisch und thermisch leitfähige Beabstandungsleiterbahn das Paar von Kontaktierungselementen elektrisch und thermisch leitfähig mit dem Verbindungsbereich verbindet. Der nicht elektrisch leitfähige Bereich kann erfindungsgemäß durch das Substrat der Platine gebildet werden. Durch diesen Aufbau ist ein Kontaktierungsbereich, der die Kontaktierungselemente umfasst, wohldefiniert von dem Verbindungsbereich
abgeschlossen. Erfindungsgemäß kann der Verbindungsbereich von einer nichtleitenden Schicht überzogen sein. So kann sichergestellt werden, dass die Verbindungsplatte mit
Batteriezellen nur über die Kontaktierungsbereiche
elektrisch und thermisch leitend kontaktiert werden kann.
Die Beabstandungsleiterbahn kann als Sicherung
dimensioniert sein. Eine Dimensionierung der
Beabstandungsleiterbahn als Sicherung ist besonders vorteilhaft, da hierdurch vermieden werden kann, dass zu hohe Ströme bis in den Verbindungsbereich hinein wirken können. Darüber hinaus kann es vermieden werden, dass ein zu hoher Strom im Verbindungsbereich in einen
Kontaktierungsbereich geleitet wird. Zwischen zwei
Kontaktierungsbereichen auf einer Verbindungsplatte sind somit erfindungsgemäß stets zwei Sicherungen vorgesehen, wodurch ein besonderes elektrisches Sicherheitsniveau erreicht wird.
Vorzugsweise ist der Verbindungsbereich flächig
ausgebildet. Hierbei kann sich der Verbindungsbereich erfindungsgemäß über die gesamte Fläche des Substrats erstrecken, wobei er lediglich durch die
Kontaktierungsbereiche und durch elektrische Isolatoren, die die Kontaktierungsbereiche gemäß einer besonderen
Ausführungsform der Erfindung umgeben, unterbrochen wird. Durch die elektrischen Isolatoren kann erfindungsgemäß beispielsweise die Beabstandungsleiterbahn in dem
Verbindungsbereich definiert und vorgegeben werden. Ein flächiger Verbindungsbereich verringert den elektrischen Widerstand zwischen den Kontaktierungsbereichen . Der
Verbindungsbereich kann alternativ auch teilflächig
ausgeführt sein, wobei um die elektrischen Isolatoren erfindungsgemäß flächige Leiterschleifen herumgeführt sind, die miteinander elektrisch und thermisch leitfähig
verbunden sind.
Es ist besonders bevorzugt, wenn mindestens ein Paar von Kontaktierungselementen mittig beabstandet zu einer
elektrisch und thermisch leitfähigen Leiterschleife
angeordnet ist, die das mindestens eine Paar von
Kontaktierungselementen umschließt. Die Leiterschleife bildet dabei einen Teil des Verbindungsbereichs. Erfindungsgemäß kann die Leiterschleife durchgehend in dem Substrat der Verbindungsplatte angeordnet sein, wobei sie auf der Vorder- und der Rückseite jeweils von einer
isolierenden Schicht überzogen ist. Die Leiterschleife kann jedoch auch auf der Vorder- und/oder der Rückseite des Substrats in einer dünnen Schicht aufgebracht sein, wobei sie auf der Vorder- und der Rückseite von einer
isolierenden Schicht überzogen ist. Ist die Leiterschleife auf der Vorder- und auf der Rückseite als dünne Schicht aufgebracht, so ist sie vorzugsweise in einer
spiegelbildlichen Anordnung auf der Vorder- und der
Rückseite vorgesehen.
Bei einer mittigen Beabstandung weist das Paar von
Kontaktierungselementen zu gegenüberliegenden Kanten der umgebenden Leiterschleife jeweils den gleichen Abstand auf. Vorzugsweise ist die Leiterschleife kreisförmig
ausgebildet. In diesem Fall ist das Paar von
Kontaktierungselementen als mittig beabstandet anzusehen, wenn es im Zentrum des durch die Leiterschleife gebildeten Kreises angeordnet ist. Es ist aber auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leiterschleifen von einer Kreisform abweichende Formen wie beispielsweise eine elliptische Form, eine rechteckige Form oder eine
Knochenform aufweisen.
Vorzugsweise ist mindestens eine Leiterschleife von
mindestens einer weiteren Leiterschleife umschlossen, wobei sich unmittelbar umschließende Leiterschleifen elektrisch und thermisch leitfähig miteinander verbunden sind. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch die Verwendung mehrerer sich umschließender Leiterschleifen je Paar von Kontaktierungselementen die positiven Effekte auf die Temperaturentwicklung innerhalb der Batterie weiter erhöht werden können.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist mindestens eine ein Paar von
Kontaktierungselementen umschließende Leiterschleife beziehungsweise mindestens eine ein Paar von
Kontaktierungselementen umschließende äußere Leiterschleife so auf der Platine angeordnet, dass sie mit mindestens zwei Leiterschleifen beziehungsweise äußersten weiteren
Leiterschleifen elektrisch leitend verbunden ist, die andere Paare von Kontaktierungselementen umschließen. Durch die elektrisch und thermisch leitfähige Verbindung der Leiterschleifen sind indirekt auch die Paare von
Kontaktierungselementen miteinander verbunden. Wird die Verbindungsplatte mit mehreren Batteriezellen einer
Batterie vorder- und rückseitig über die
Kontaktierungselemente der Verbindungsplatte verbunden, erfolgt somit eine Parallel- und Reihenschaltung der
Batteriezellen .
Erfindungsgemäß kann die mindestens eine Leiterschleife beziehungsweise die mindestens eine weitere Leiterschleife mit mindestens zwei anderen Leiterschleifen bzw. äußersten weiteren Leiterschleifen verbunden sein, indem sich die Leiterschleifen beziehungsweise äußersten weiteren
Leiterschleifen tangieren, überlappen, schneiden oder durch Leiterbahnen miteinander verbunden sind, sodass sie einen Verbund von Leiterschleifen bilden. Wenn sich zwei
Leiterschleifen tangieren, so berühren sie sich lediglich an einer Verbindungsstelle. Überlappen sich zwei
Leiterschleifen, so liegen Bereiche der Leiterschleifen übereinander. Schneiden sich zwei Leiterschleifen, so liegen die beiden Leiterschleifen nicht nur teilweise übereinander, sondern jede Leiterschleife verläuft auch teilweise im Inneren der jeweils anderen Leiterschleife. Wenn zwei Leiterschleifen durch Leiterbahnen miteinander verbunden sind, so bedeutet dies, dass die beiden
Leiterschleifen beabstandet voneinander angeordnet sind und eine elektrische Verbindung zwischen den voneinander beabstandeten Leiterschleifen durch mindestens eine
zusätzliche Leiterbahn im Substrat hergestellt wird, die zwischen den Leiterschleifen verläuft. Vorzugsweise ist an dem Verbund von Leiterschleifen
mindestens ein Kontakt vorgesehen. Hierbei handelt es sich um einen zusätzlichen Kontakt, der nicht zur Kontaktierung durch eine Batteriezelle vorgesehen ist. Der Kontakt kann beispielsweise zum Anschluss einer Messvorrichtung dienen. Hierbei kann es sich um einen Temperaturfühler handeln. Ein mit zwei Kontakten verbundener Leiter kann erfindungsgemäß an den Kontaktierungselementen entlang geführt werden, um die Temperatur an den Kontaktierungselementen zu ermitteln. Dabei muss der Leiter von den Kontaktierungselementen und den Leiterschleifen elektrisch isoliert sein. Ferner kann erfindungsgemäß an der Leiterplatte ein mit den Kontakten verbundener externer Temperaturfühler vorgesehen sein, der an mindestens einer Batteriezelle anliegt, um deren
Temperatur unmittelbar zu messen. Erfindungsgemäß kann der Kontakt auch zum Anschluss eines Bussystems dienen, über das auf der Platine vorgesehene Messvorrichtungen
ausgelesen und/oder angesteuert werden können. Besonders bevorzugt ist in der Verbindungsplatte mindestens eine Kühlleitung vorgesehen, um die Verbindungsplatte und eine Batterie, in der die Verbindungsplatte eingebracht ist, zu kühlen. Erfindungsgemäß kann die eine solche
Verbindungsplatte beidseitig eine Kontaktierungsschicht aufweisen, die durch zwei Isolierungsschichten von einem Metallkern im Inneren der Verbindungsplatte elektrisch isoliert werden. Die Kontaktierungsschicht ist vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium, Silber oder einem wärme- und
elektrisch leitfähigem Verbundwerkstoff hergestellt. Durch den Metallkern ist mindestens eine Kühlleitung
hindurchgeführt, durch die ein Kühlmittel geleitet werden kann. Hierdurch lässt sich die Verbindungsplatte besonders effektiv kühlen. Vorzugsweise ist der Metallkern aus
Kupfer, Aluminium oder einem wärmeleitfähigen
Verbundwerkstoff ausgeführt. Erfindungsgemäß kann
mindestens eine Kühlleitung auch in einer Metallplatte, beispielsweise einer Kupferplatte, oder in einer Platine vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Batteriezellen innerhalb der Batterie in ein
Vergussmaterial eingebracht. Vorzugsweise ist das
Vergussmaterial elektrisch isolierend, weist aber eine besonders gute thermische Leitfähigkeit auf. Ganz besonders bevorzugt ist das Vergussmaterial leicht flexibel. Es kann sich erfindungsgemäß bei dem Vergussmaterial um einen
Verbundwerkstoff handeln. Wenn die Batteriezellen
elektrisch voneinander isoliert sind, so können sie jeweils ohne Isoliermantel vorgesehen sein. Dadurch kann Wärme noch besser aus den Batteriezellen abgeführt werden. Mehrere Batteriezellen können innerhalb eines Batterieabschnitts jeweils in einem Einsatzelement vorgesehen sein. Bei einem Einsatzelement handelt es sich um einen rechteckigen oder andersartig geformten Behälter, in den der Verbundwerkstoff und die Batteriezellen eingebracht sein können. Das
Einsatzelement kann besonders einfach in der Batterie zwischen zwei Verbindungsplatten montiert werden, indem es zwischen diese geschoben wird. Die Verwendung eines Vergussmaterials bietet den Vorteil, dass Wärme besonders effizient aus den Batteriezellen abgeführt werden kann. Die Batteriezellen können auch besser vorgewärmt werden. Es ergibt sich hierdurch auch eine Homogenisierung der Temperatur in den Verbundplatten. Ebenso wird durch einen Verguss der Batteriezellen die
ProduktSicherheit gesteigert, denn die Batterie wird durch den Verguss mechanisch stabilisiert.
Es zeigt: Fig. 1 eine schematisch dargestellte Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Batterie,
Fig. 2 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf die in Figur la dargestellte Batterie,
Fig. 3 eine schematisehe dargestellte Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie in einer Schnittansicht quer zu in der Batterie angeordneten
Batteriezellen,
Fig. 4 eine schematisch dargestellte Ansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie in einer Schnittansicht quer zu in der Batterie angeordneten
Batteriezellen,
Fig. 5 eine schematisch dargestellte Ansicht eines
Abschnitts der zweiten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Batterie in einer Schnittansicht längs entlang in der Batterie angeordneten Batteriezellen,
Fig. 6 eine schematisch dargestellte Ansicht eines
Abschnitts einer vierten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Batterie in einer Schnittansicht längs entlang in der Batterie angeordneten Batteriezellen,
Fig. 7 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Verbindungsplatte der
erfindungsgemäßen Batterie,
Fig. 8 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Verbindungsplatte der erfindungsgemäßen Batterie,
Fig. 9 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Verbindungsplatte der erfindungsgemäßen Batterie und
Fig. 10 eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Verbindungsplatte .
In den Figuren 1 und 2 ist schematisch eine Batterie 1 mit einer Zellanordnung 2 dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht und Fig. 2 eine Draufsicht der Batterie 1. Üblicherweise weist die Batterie 1 auch einen
Batteriezellenrahmen und/oder ein geeignetes Gehäuse auf. Diese und weitere übliche zusätzliche und an den jeweiligen Einsatzzweck anpassbaren Batterieteile sind nicht
dargestellt.
Die Zellanordnung 2 weist mehrere Batteriezellen 3 auf. Die Batteriezellen 3 sind in einer Batteriereihe 4 angeordnet, die mehrere in Reihe geschaltete Batterieabschnitte 5 aufweist. Jeder Batterieabschnitt 5 besteht aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Batteriezellen 3, wobei die Batteriezellen 3 übereinander und nebeneinander angeordnet sind. Die Batteriezellen 3 sind als Rundzellen ausgeführt .
Die Zellanordnung 2 weist an den außenliegenden
Batterieabschnitten 5 mehrere positive Endanschlüsse 6 sowie mehrere negative Endanschlüsse 7 auf. Die positiven Endanschlüsse 6 sind durch eine Plusleitungsanordnung 8 und die negativen Endanschlüsse 7 durch eine
Minusleitungsanordnung 9 elektrisch und thermisch leitend miteinander verbunden. Bei der Plusleitungsanordnung 8 und der Minusleitungsanordnung 9 handelt es sich jeweils um elektrisch leitende Platten 10 aus Kupfer.
Die Batteriezellen 3 eines Batterieabschnitts 5 sowie die Batteriezellen 3 eines benachbarten Batterieabschnitts 5 sind durch positive Endanschlüsse 6 und negative
Endanschlüsse 7 jeweils über eine Verbindungsplatte 12 elektrisch und thermisch leitend miteinander verbunden. Durch die Verbindungsplatten 12 innerhalb der Batterie 1 werden die Batteriezellen 3 parallel und in Reihe geschaltet. Ein elektrischer Strom und ein Wärmestrom werden mittels der Verbindungsplatten 12 über die gesamte Zellanordnung 2 verteilt.
Die Batteriezellen 3 eines Batteriezellenabschnitts 5 liegen in Zellmantelbereichen 13 aneinander an. Auf diese Weise kann ein besonders kompakter Aufbau der Batterie 1 erreicht werden. In der Zeichnung ist exemplarisch ein Zellmantelbereich 13 einer Batteriezelle 3 mit einem
Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 3 zeigt eine schematisch dargestellte Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie 1 in einer Schnittansicht quer zu in der Batterie 1 angeordneten Batteriezellen 3. Dabei wird ein Batterieabschnitt 5 in einer Querschnittsansicht gezeigt. Die einzelnen
Batteriezellen 3 sind reihig zueinander angeordnet und innerhalb der Batterie 1 in einem Vergussmaterial 28 angeordnet. Hierdurch sind die Batteriezellen 3
gegeneinander elektrisch isoliert und Wärme kann direkt von diesen über das Vergussmaterial 28 abgeführt werden. Die Batteriezellen 3 sind jeweils ohne einen Isoliermantel ausgeführt. Dies ist möglich, da sie durch das
Vergussmaterial voneinander elektrisch isoliert werden. Auf einer Außenseite der Batterie 1 ist ein Kühlblech 29 vorgesehen, um Wärme noch besser von den Batteriezellen 3 über das Vergussmaterial 28 aus der Batterie 1 abführen zu können. Ferner sind in der Batterie 1 Kühlleitungen 30 vorgesehen. Durch diese kann ein Kühlmittel geführt werden, um die Batterie 1 und insbesondere die Batteriezellen 3 zu kühlen . Fig. 4 zeigt eine schematische dargestellte Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie 1 in einer Schnittansicht quer zu in der Batterie 1 angeordneten Batteriezellen 3. Dabei wird ein Batterieabschnitt 5 in einer Querschnittsansicht gezeigt. Die einzelnen
Batteriezellen 3 sind versetzt zueinander angeordnet und innerhalb der Batterie 1 in einem Vergussmaterial 28 angeordnet. Auch bei dieser Ausführungsform sind die
Batteriezellen 3 jeweils ohne einen Isoliermantel
ausgeführt. Auf einer Außenseite der Batterie 1 ist ein
Kühlblech 29 vorgesehen. Innerhalb der Batterie 1 verlaufen Kühlleitungen 30 zur Kühlung der Batterie 1.
Fig. 5 zeigt eine schematisch dargestellte Ansicht eines Abschnitts der zweiten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Batterie 1 in einer Schnittansicht längs entlang der in der Batterie 1 angeordneten Batteriezellen 3. Innerhalb der Batterie 1 befindet sich ein
Vergussmaterial 28, das die Batteriezellen 3 teilweise umschließt. Parallel zu den Batteriezellen 3 verläuft eine Kühlleitung 30. Auf dem Gehäuse der Batterie 1 ist ein Kühlblech 29 vorgesehen. Die Batteriezellen 3 sind
beidseitig jeweils mit einer Verbindungsplatte 12
kontaktiert. Die Verbindungsplatte 12 weist
Kontaktierungselemente 15 in einer Kontaktierungsschicht 31 auf. Sowohl die Kontaktierungselemente 15 als auch die Kontaktierungsschicht 31 sind elektrisch und thermisch sehr gut leitfähig. Vorliegend sind sie aus Kupfer ausgebildet. Die Verbindungsplatte 12 weist zwei Isolierungsschichten 32 auf, die einen Metallkern 33 aus Kupfer gegenüber der
Kontaktierungsschicht 31 isolieren. Der Metallkern 33 aus Kupfer ist dazu geeignet, Wärme aus der Verbindungsplatte 12 abzuführen. Der Metallkern 33 ist mit dem Kühlblech 29 verbunden. Ferner ist durch den
Metallkern 33 die Kühlleitung 30 hindurchgeführt. Die
Kühlleitung 30 ist auch durch das Vergussmaterial 28 hindurchgeführt.
Fig. 6 zeigt eine schematisch dargestellte Ansicht eines Abschnitts einer vierten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Batterie 1 in einer Schnittansicht längs entlang der in der Batterie 1 angeordneten Batteriezellen 3. Innerhalb der Batterie 1 befindet sich ein
Vergussmaterial 28, das die Batteriezellen 3 vollständig umschließt. Das innere der Batterie ist vollständig mit dem Vergussmaterial 28 ausgegossen. Parallel zu den
Batteriezellen 3 verläuft eine Kühlleitung 30. Auf dem
Gehäuse der Batterie 1 ist ein Kühlblech 29 vorgesehen. Die Batteriezellen sind beidseitig jeweils mit einer
Verbindungsplatte 12 kontaktiert. Die Verbindungsplatte 12 weist Kontaktierungselemente 15 in einer
Kontaktierungsschicht 31 auf. Sowohl die
Kontaktierungselemente 15 als auch die
Kontaktierungsschicht 31 sind elektrisch und thermisch sehr gut leitfähig. Vorliegend sind sie aus Kupfer ausgebildet. Die Verbindungsplatte 12 weist zwei Isolierungsschichten 32 auf, die einen Metallkern 33 aus Kupfer gegenüber der
Kontaktierungsschicht 31 isolieren. Der Metallkern 33 aus Kupfer ist dazu geeignet, Wärme aus der
Verbindungsplatte 12 abzuführen. Der Metallkern 33 ist mit dem Kühlblech 29 verbunden. Ferner ist durch den
Metallkern 33 eine Kühlleitung 30 hindurchgeführt. Die Kühlleitung 30 ist auch durch das Vergussmaterial 28 hindurchgeführt . Fig. 7 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Verbindungsplatte 12. Hierbei wird die Vorderseite 14 der Verbindungsplatte 12 gezeigt. Eine Rückseite (nicht
gezeigt) der Verbindungsplatte 12 ist spiegelbildlich zu der Vorderseite ausgeführt. Die Verbindungsplatte 12 ist als Platine ausgeführt, die ein elektrisch nicht leitendes Substrat umfasst, in welches thermisch und elektrisch leitfähige Elemente integriert sind. Auf der Vorderseite 14 der Verbindungsplatte 12 befinden sich mehrere thermisch und elektrisch leitfähige Kontaktierungselemente 15, die jeweils mehrere Kontaktierungspunkte 16 umfassen. In der Mitte jedes Kontaktierungselements 15 befindet sich eine Aussparung 17 in der Verbindungsplatte 12. An der
Innenseite der Aussparung 17 ist ein thermisch und
elektrisch leitfähiger Verbindungsleiter 18 angeordnet, der die Kontaktierungselemente 15 auf den beiden Seiten auf der Vorderseite 2 und der Rückseite (nicht gezeigt) der
Verbindungsplatte 1 miteinander verbindet.
Die Kontaktierungselemente 15 sind von thermisch und elektrisch leitfähigen Leiterschleifen 19 umschlossen. Die Leiterschleifen 19 dienen einer besonders vorteilhaften Verteilung des elektrischen Stroms innerhalb der
Verbindungsplatte 12, wenn die Verbindungsplatte 12 sich in einer Batterie 1 befindet. Die Leiterschleifen 19 sind kreisförmig ausgebildet, wobei sich die
Kontaktierungselemente 15 jeweils im Zentrum der
Leiterschleifen 19 befinden. Die Leiterschleifen 19 sind jeweils durch eine thermisch und elektrisch leitfähige Beabstandungsleiterbahn 20 mit den Kontaktierungselementen 15 elektrisch leitend verbunden. Die Beabstandungsleiterbahn 20 ist als Sicherung
dimensioniert . Die Leiterschleifen 19 bilden einen thermisch und
elektrisch leitfähigen Verbindungsbereich 21. Zusätzlich ist auf der Verbindungsplatte 12 ein Kontakt 22 an dem Verbund von Leiterschleifen 19 vorgesehen. Außerdem sind auf der Platine weitere Kontakte 23 an einer Messleiterbahn 24 vorgesehen. An der Messleiterbahn 24 kann beispielsweise ein Temperatursensor angeschlossen werden, um die
Temperatur der Verbindungsplatte 12 zu ermitteln.
Fig. 8 zeigt eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Verbindungsplatte 12 der erfindungsgemäßen Batterie 1. Die Verbindungsplatte 12 ist als Platine ausgeführt, die ein elektrisch nicht leitendes Substrat umfasst, in welches thermisch und elektrisch leitfähige Elemente integriert sind. Auf der Vorderseite 14 und auf der Rückseite (nicht gezeigt) der Verbindungsplatte 12 befinden sich mehrere thermisch und elektrisch
leitfähige Kontaktierungselemente 15. Die
Kontaktierungselemente 15 umfassen jeweils einen flach ausgebildeten Kontaktierungsbereich 25 aus einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material. Der
Kontaktierungsbereich 25 ist auf beiden Seiten der
Verbindungsplatte 12 freiliegend, so dass er zu einer elektrischen und thermischen Kontaktierung mit einer
Batteriezelle 3 geeignet ist. In der Mitte jedes
Kontaktierungselements 15 befindet sich eine Aussparung 17 in der Verbindungsplatte 12. An der Innenseite der
Aussparung 17 ist ein thermisch und elektrisch leitfähiger Verbindungsleiter 18 angeordnet, der die
Kontaktierungselemente 15 auf den beiden Seiten auf der Vorderseite 2 und der Rückseite (nicht gezeigt) der
Verbindungsplatte 1 miteinander verbindet.
Der Kontaktierungsbereich 25 ist von einem elektrischen Isolator 26 umgeben, in dem eine Beabstandungsleiterbahn 20 angeordnet ist. Die Beabstandungsleiterbahn 20 verbindet den Kontaktierungsbereich 25 mit einem flächig
ausgebildeten, thermisch und elektrisch leitfähigen
Verbindungsbereich 21. Die Beabstandungsleiterbahn 20 ist als Sicherung dimensioniert.
Durch den flächig ausgebildeten Verbindungsbereich 21 wird eine besonders gute Leitung von Strom und Wärme zwischen den Kontaktierungsbereichen 25 der Verbindungsplatte 12 erreicht. Zusätzlich sind auf der Verbindungsplatte 12 mehrere Kontakte 22 an dem flächig ausgebildeten
Verbindungsbereich 21 vorgesehen. Ferner weist die
Verbindungsplatte 12 Befestigungslöcher 27 auf, die es erlauben, die Verbindungsplatte 12 in einer Zellanordnung 2 zu fixieren.
Fig. 9 zeigt eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der Verbindungsplatte 12 der erfindungsgemäßen Batterie 1. Die Verbindungsplatte 12 ist als Platine ausgeführt, die ein elektrisch nicht leitendes Substrat umfasst, in welches thermisch und elektrisch leitfähige Elemente integriert sind. Auf der Vorderseite 14 und auf der Rückseite (nicht gezeigt) der Verbindungsplatte 12 befinden sich mehrere thermisch und elektrisch
leitfähige Kontaktierungselemente 15. Die Kontaktierungselemente 15 umfassen jeweils einen flach ausgebildeten Kontaktierungsbereich 25 aus einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material. Der
Kontaktierungsbereich 25 ist auf beiden Seiten der
Verbindungsplatte 12 freiliegend, so dass er zu einer elektrischen und thermischen Kontaktierung mit einer
Batteriezelle 3 geeignet ist. In der Mitte jedes
Kontaktierungselements 15 befindet sich eine Aussparung 17 in der Verbindungsplatte 12. An der Innenseite der
Aussparung 17 ist ein thermisch und elektrisch leitfähiger Verbindungsleiter 18 angeordnet, der die
Kontaktierungselemente 15 auf den beiden Seiten auf der Vorderseite 2 und der Rückseite (nicht gezeigt) der
Verbindungsplatte 1 miteinander verbindet.
Der Kontaktierungsbereich 25 ist von einem elektrischen Isolator 26 umgeben, in dem eine Beabstandungsleiterbahn 20 angeordnet ist. Die Beabstandungsleiterbahn 20 verbindet den Kontaktierungsbereich 25 mit einer flächig
ausgebildeten Leiterschleife 19. Die
Beabstandungsleiterbahn 20 ist als Sicherung dimensioniert. An jedem Kontaktierungsbereich 25 sind mehrere
Kontaktierungspunkte 16 vorgesehen. Um jeden Kontaktierungsbereich 25 sind flächig ausgebildete Leiterschleifen 19 vorgesehen, die jeweils in einem
vergleichsweise großen Übergangsbereich 34 miteinander verbunden sind. Durch die flächig ausgebildeten
Leiterschleifen 19 und die vergleichsweise großen
Übergangsbereiche 34 wird eine besonders gute Leitung von
Strom und Wärme zwischen den Kontaktierungsbereichen 25 der Verbindungsplatte 12 erreicht. Zusätzlich sind auf der Verbindungsplatte 12 jeweils mehrere Kontakte 22 an zwei Leiterschleifen 19 vorgesehen. Ferner weist die
Verbindungsplatte 12 Befestigungslöcher 27 auf, die es erlauben, die Verbindungsplatte 12 in einer Zellanordnung 2 zu fixieren.
Fig. 10 zeigt eine schematisch dargestellte
Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der
Verbindungsplatte 12 der erfindungsgemäßen Batterie 1. Die Verbindungsplatte 12 weist zwei Kontaktierungsschichten 31 auf, die mit mehreren Kontaktierungselemente 15 versehen sind. Bei diesen Kontaktierungselementen 15 handelt es sich um flächige Erhebungen, die sich aus den
Kontaktierungsschichten 31 erstrecken. Jede
Kontaktierungsschicht 31 und die Kontaktierungselemente 15 bestehen aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material. An jeder Kontaktierungsschicht 31 ist eine
Isolierungsschicht 32 vorgesehen, die einen Metallkern 33 im Inneren der Verbindungsplatte 12 gegenüber der
Kontaktierungsschicht 31 elektrisch isoliert. Durch den Metallkern 33 sind zwei Kühlleitungen 30 hindurchgeführt. Durch die Kühlleitungen 30 kann eine Kühlflüssigkeit in geleitet werden, um die Verbindungsplatte 12 zu kühlen. Die Kontaktierungsschichten 31 sind durch Stegelemente 35 miteinander verbunden, die über die Isolierungsschichten 32 und den Metallkern 33 hinweggeführt sind. Somit sind die Kontaktierungsschichten 31 miteinander sowohl thermisch als auch elektrisch leitfähig verbunden. B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E
1. Batterie
2. Zellanordnung
3. Batteriezelle
4. Batteriereihe
5. Batterieabschnitt
6. Positiver Endanschluss
7. Negativer Endanschluss
8. Plusleitungsanordnung
9. Minusleitungsanordnung
10. Elektrisch leitende Platte
11. Dicke der Platten
12. Verbindungsplatte
13. Zellmantelbereich
14. Vorderseite
15. Kontakt ierungselement
16. Kontakt ierungspunkt
17. Aussparung
18. Verbindungsleiter
19. Leiterschleife
20. Beabstandungsleiterbahn
21. Verbindungsbereich
22. Kontakt
23. Weiterer Kontakt
24. Messleiterbahn
25. Kontaktierungsbereich
26. Elektrischer Isolator
27. Befest igungsloch
28. Vergussmaterial
29. Kühlblech
30. Kühlleitung 31. Kontakt ierungsschicht
32. Isolierungsschicht
33. Metallkern
34. Übergangsbereich 35. Stegelement

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Batterie (1) mit einer Zellanordnung (2), wobei die Zellanordnung (2) mehrere Batteriezellen (3) aufweist, die in einer elektrischen Reihen- und Parallelschaltung elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind, wobei die Zellanordnung (2) mehrere Batteriereihen (4) mit elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen (3) aufweist, wobei die Zellanordnung (2) mindestens zwei Batterieabschnitte (5) aufweist und jeder
Batterieabschnitt (5) aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Batteriezellen (3) besteht, und wobei jede Batteriezelle (4) einen positiven und einen negativen Endanschluss (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (4) der Batterieabschnitte (5) so ausgerichtet sind, dass sämtliche positiven
Endanschlüsse (7) der Batteriezellen (4) des jeweiligen Batterieabschnitts (5) in einer gemeinsamen positiven Kontaktierungsebene liegen und dass sämtliche negativen Endanschlüsse (7) der Batteriezellen (4) des jeweiligen Batterieabschnitts (5) in einer gemeinsamen negativen Kontaktierungsebene liegen, dass die mindestens zwei Batterieabschnitte (5) so zueinander angeordnet sind, dass Endanschlüsse (7) einer Kontaktierungsebene eines ersten Batterieabschnitts (5) unmittelbar
gegenüberliegend zu Endanschlüssen (7) einer
Kontaktierungsebene eines zweiten Batterieabschnitts (5) angeordnet sind, dass zwischen mindestens zwei
aufeinanderfolgenden Batterieabschnitten (5) eine zumindest teilweise elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte (12) angeordnet ist, die mindestens zwei thermisch und elektrisch leitfähige Kontaktierungselemente (15) aufweist, die thermisch und elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind, und dass die Endanschlüsse (7) der Batteriezellen (3) der zwei aufeinanderfolgenden Batterieabschnitte (5) über die Kontaktierungselemente (15) der Verbindungsplatte
(12) elektrisch und thermisch leitfähig miteinander verbunden sind, sodass die Batteriezellen (3) der aufeinanderfolgenden Batterieabschnitte (5) über die Verbindungsplatte (12) in Reihe geschaltet sind, sodass die mit den Kontaktierungselementen (15) der
Verbindungsplatte (12) thermisch und elektrisch
leitfähig verbundenen Batteriezellen (3) eines
Batterieabschnitts (5) thermisch und elektrisch leitend miteinander verbunden sind und sodass ein elektrischer Strom und ein Wärmestrom über die gesamte Zellanordnung
(2) verteilt werden.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (3) als Rundzellen ausgebildet sind .
Batterie (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (3) so angeordnet sind, dass jede Batteriezelle (3) an
mindestens einer weiteren Batteriezelle (3) in einem Zellmantelbereich (13) anliegt.
Batterie (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die positiven Endanschlüsse (6) an einem Ende der
Zellanordnung (2) mit einer Plusleitungsanordnung (8) und die negativen Endanschlüsse (7) an einem Ende der Zellanordnung (2) mit einer Minusleitungsanordnung (9) elektrisch und thermisch leitfähig verbunden sind.
Batterie gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Plusleitungsanordnung (8) und die
Minusleitungsanordnung (9) jeweils eine elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte (12) umfassen, die die positiven Endanschlüsse (6) beziehungsweise die negativen Endanschlüsse (7) elektrisch und thermisch leitfähig kontaktiert.
6. Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (3) und die Verbindungsplatten (12) der Zellanordnung (2) miteinander verpresst sind.
7. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (3) und die Verbindungsplatten (12) der Zellanordnung (2)
miteinander vergossen sind.
8. Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch und
thermisch leitfähige Verbindungsplatte (12) eine Platine ist.
9. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrisch und thermisch leitfähige Verbindungsplatte (12) eine Metallplatte ist.
10. Batterie gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte eine Kupferplatte ist.
11. Verbindungsplatte (12) zur Verbindung von Batteriezellen (3) für eine Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbindungsplatte (12) als Platine aus einem nicht leitfähigen Substrat mit einer Vorderseite (2) und einer Rückseite ausgebildet ist, wobei die
Verbindungsplatte (1) voneinander beabstandete Paare von elektrisch und thermisch leitfähigen
Kontaktierungselementen (3) aufweist, wobei jedes Paar von Kontaktierungselementen (3) ein erstes
Kontaktierungselement (3) auf der Vorderseite (2) und ein zweites Kontaktierungselement (3) auf der Rückseite der Verbindungsplatte (1) umfasst, wobei jedes erste Kontaktierungselement (3) mit jedem zweiten
Kontaktierungselement (3) elektrisch und thermisch leitfähig verbunden ist, und wobei jedes Paar von
Kontaktierungselementen (15) mit jedem anderen Paar von Kontaktierungselementen (15) über einen elektrisch und thermisch leitfähigen Verbindungsbereich (21) auf der Verbindungsplatte (12) verbunden ist.
12. Verbindungsplatte (12) nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem Paar von Kontaktierungselementen (15) und dem Verbindungsbereich (21) eine Sicherung vorgesehen ist.
13. Verbindungsplatte (12) nach einem der Ansprüche 11 oder
12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kontaktierungselemente (15) und der Verbindungsbereich (21) aus Kupfer bestehen.
14. Verbindungsplatte (12) nach einem der Ansprüche 11 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat und/oder als Material des Substrats zur thermischen Verbindung zwischen den Paaren von
Kontaktierungselementen (15) ein nicht elektrisch leitfähiges Material mit einer hohen thermischen
Leitfähigkeit vorgesehen ist.
15. Verbindungsplatte (12) nach einem der Ansprüche 11 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsplatte (12) flexibel ausgebildet ist.
16. Verbindungsplatte (12) nach einem der Ansprüche 11 bis
15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Paar von Kontaktierungselementen (15) von einem elektrischen Isolator (26) umgeben ist, wobei eine elektrisch und thermisch leitfähige Beabstandungsleiterbahn (20) das Paar von Kontaktierungselementen (15) elektrisch und thermisch leitfähig mit dem Verbindungsbereich (21) verbindet .
17. Verbindungsplatte (12) nach Anspruch 12 und Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beabstandungsleiterbahn (20) als Sicherung dimensioniert ist.
18. Verbindungsplatte (12) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (21) flächig ausgebildet ist.
19. Verbindungsplatte (12) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Paar von Kontaktierungselementen (3) mittig beabstandet zu einer elektrisch und thermisch leitfähigen Leiterschleife (7) angeordnet ist, die das mindestens eine Paar von
Kontaktierungselementen (3) umschließt.
20. Verbindungsplatte (12) nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (7) kreisförmig ausgebildet ist. 21. Verbindungsplatte (12) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leiterschleife (7) von mindestens einer weiteren Leiterschleife (7) umschlossen ist, wobei sich unmittelbar umschließende Leiterschleifen (7) elektrisch und thermisch leitfähig miteinander verbunden sind.
22. Verbindungsplatte (12) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine ein Paar von Kontaktierungselementen (3) umschließende Leiterschleife (7) beziehungsweise äußerste weitere
Leiterschleife (7) mit mindestens zwei anderen
Leiterschleifen (7) beziehungsweise äußersten weiteren Leiterschleifen (7) elektrisch leitend verbunden ist, die andere Paare von Kontaktierungselementen (3) umschließen.
23. Verbindungsplatte (12) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterschleife (7) beziehungsweise die mindestens eine äußerste weitere Leiterschleife (7) mit mindestens zwei anderen Leiterschleifen (7) beziehungsweise äußersten weiteren Leiterschleifen (7) verbunden ist, indem sich die Leiterschleifen (7) beziehungsweise äußersten weiteren Leiterschleifen (7) tangieren, überlappen, schneiden oder durch Leiterbahnen miteinander verbunden sind, sodass sie einen Verbindungsbereich (21) bilden.
24. Verbindungsplatte (12) nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass an oder elektrisch verbunden mit dem Verbindungsbereich (21) mindestens ein Kontakt (9) vorgesehen ist.
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