CN112151729A - 载体结构，电池单元接触系统和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及载体结构，其可用于例如在机动车辆中的电池的电接触。用于电绝缘至少一个第一和一个第二导电部分的载体结构(100，400)包括电绝缘的基体(102，402)，其具有用于保持第一导电部分(104，404)的第一保持结构和用于保持第二导电部分(106)的第二保持结构，以及电绝缘间隔物(110，210，410)，该电绝缘间隔物嵌入基体中的第一和第二导电部分之间的分离区域(108)的至少一部分中，其中，所述间隔物(110，210，410)具有膨胀性材料和/或无机耐高温填料。

Description

载体结构，电池单元接触系统和制造方法
技术领域
本发明涉及载体结构，其可以用在例如机动车辆中的电池的接触系统中。此外，本发明涉及一种具有这种载体结构的电池单元接触系统，并且涉及一种制造方法。
背景技术
保持在电绝缘载体结构上的导电母线通常用于电池的电接触。这些载体结构使这样的母线与其他导电元件(例如，其他母线和触点、金属附件和接地凸耳以及导电接地板)绝缘。已经表明，在温度异常升高的情况下(例如，当发生短路时)，将母线与其他导电部分分开的电绝缘区域通常不够稳定并且会失效。结果是母线和其他导电部分之间的间隔不足，从而可能发生整个电池装置的进一步短路，甚至热失控。由于安装空间有限，并且还由于存在故障时的高热负荷，增加壁厚通常不是可行的解决方案。此外，由于存在故障时的需求，由大多数塑料制成的较厚的绝缘体将熔化，因为传统塑料的熔点在220℃至最高280℃的范围内。但是，例如，为了在电池应用中实现安全的电绝缘，必须确保高达500℃的稳定性。
因此，需要一种载体结构，其即使在高温下也能够在导电部分之间安全可靠地绝缘，但是仍然能够廉价且紧凑地制造。
发明内容
该问题是通过本发明的载体结构、机动车辆电池模块的电池单元接触系统及制造该载体结构的方法解决的。
在此情况下，本发明基于这样的构思，即在导电部分之间的至少部分重叠区域中提供电绝缘的间隔物，该间隔物具有膨胀性材料或无机耐高温填料。根据安装空间，还可以将膨胀间隔物与填充的绝缘间隔物组合使用。
如果电绝缘间隔物具有膨胀性材料，则在温度升高的情况下会改变其体积，否则会导致壳体材料软化并因此导致绝缘失效，从而保持导电部分之间的间隔相同或甚至变大。由此可以确保，在出现故障的情况下不会有进一步的短路。如果在电绝缘间隔物中填充了耐高温填料(例如玻璃、石英或陶瓷材料)，则在发生故障时它会保持尺寸稳定，并防止导电部分彼此无法接受地接近。
特别地，用于电绝缘至少一个第一和一个第二导电部分的载体结构包括电绝缘的基体，该基体具有用于保持导电部分的第一保持结构和与第二导电部分接触的第二保持结构，以及电绝缘间隔物，该绝缘间隔物嵌在基体中位于第一和第二导电部分之间的分离区域的至少一部分中，其中间隔物具有膨胀性材料和/或无机耐高温填料。
在此情况下，膨胀的间隔物，填充有无机耐高温材料的绝缘间隔物或这些间隔物的组合可以被嵌入基体中位于第一导电部分和第二导电部分之间的至少一部分分离区域中。
膨胀物质，例如可膨胀石墨、抗催化的三聚氰胺或三聚氰胺磷酸盐适合用作膨胀性材料。
因此，有利的是，在不额外增加第一和第二电绝缘部分之间的重叠区域中的壁厚的情况下，可以确保，在强加热的情况下，不会发生附加的短路，因为载体材料让位。在着火的情况下，膨胀性材料膨胀，但不会燃烧。此外，膨胀性材料的优点在于，在发生故障的情况下，它会封闭气隙，这会导致提供太低的电绝缘，而且由于缺氧而窒息火焰。
根据本发明的有利实施例，膨胀间隔物具有交联的氰基丙烯酸酯粘合剂，其填充有膨胀性材料。在此情况下，可以使用可商购的廉价粘合剂，将其作为流体前体倒入载体结构中，然后通过紫外线、光、热和/或超声固化。
本发明的另一种实施例提供了一种热和电绝缘的间隔物，该间隔物例如利用交联的氰基丙烯酸酯粘合剂，以便经由添加无机耐高温的填料在电绝缘的基体中达到足够高的耐高温绝缘性。
为了在重叠区域中有针对性地方式扩大第一和第二导电部分之间的间隔，如果发生过多的热量，膨胀间隔物(也无需添加丙烯酸酯粘合剂)可以具有至少部分膨胀性的柱塞元件和耐热筒体元件，柱塞元件在热的作用下在筒体元件内膨胀。筒体元件可以例如具有陶瓷材料，并且优选地应该是不导电的。以该方式，膨胀性间隔物用作致动器，其使两个导电部分彼此远离。
根据本发明的有利发展，电绝缘间隔物具有玻璃作为填料。结果，电绝缘间隔物保持完整，并且，只要其另外包含膨胀性材料，其尺寸在膨胀状态下是稳定的。此外，玻璃颗粒或玻璃珠形成热绝缘和电绝缘并且防止氧气到达膨胀间隔物的可燃部分，例如粘合剂，使得防止或至少延迟了其燃烧。对于本领域技术人员显而易见的是，所有其他合适的无机电绝缘和耐高温填料，例如石英或陶瓷同样可以使用。
以特别有利的方式，电绝缘间隔物具有中空玻璃珠作为填料，该中空玻璃珠例如填充有空气，因此提供了甚至更好的热绝缘性。
例如，间隔物可以作为侧向支撑元件嵌入在载体结构的格子结构中。特别地，间隔物可以侧向地布置在电池单元接触系统的两个母线之间，使得在过热的情况下，母线之间的气隙和爬电路径得以保持和填充，或者甚至机械地稳定了载体结构。
由于膨胀性材料导致间隔物的体积相对较强地膨胀，因此对于第一导电部分和第二导电部分的安全分离足够的是，处于非触发状态的膨胀间隔物占据小于重叠区域的50％。因此，间隔物仅需要少量的空间和材料。
根据本发明的一有利的改进方案，膨胀间隔物形成为，使得膨胀间隔物通过热的作用扩大了第一和第二导电部分之间的间隔。结果，可以实现的是，如果需要，可以补偿壳体材料的恶化的绝缘特性，并且在每种情况下可以避免第一导电部分和第二导电部分之间的短路。
然而，通常也可以经由电绝缘间隔物来保证为了防止短路而需要的安全间隔。在此情况下，即使在强烈的热作用之后，绝缘间隔物在其电和热绝缘功能方面也保持完整。
根据示例性的应用环境，第一导电部分是电池装置的电压传导条。通过根据本发明的间隔物，这样的母线例如与接地的导电部分例如焊接凸耳或接地板保持分离。替代地，也可以提供与另一个电压传导的母线分开。
特别地，本发明涉及一种特别是电动或混合动力车辆的机动车辆电池模块的电池单元接触系统，其中，该电池单元接触系统具有根据本发明的载体结构和多个单独形成的第一接触元件，用于在每种情况下接触机动车辆电池模块的两个相邻的电池单元，其中，接触元件彼此相邻地布置成第一排，并且在每种情况下都被附接到载体结构的一侧，此外还包括多个单独形成的第二接触元件，它们彼此相邻地布置成第二排并且设置在载体结构的与第一排相对的一侧上，使得用于在每种情况下接触机动车辆电池模块的两个相邻电池单元的接触元件被定位在载体结构的两侧上。
此外，本发明涉及一种根据本发明的用于制造载体结构的方法，该方法具有以下步骤：
提供载体结构；
将电绝缘间隔物引入载体结构的凹部中，该间隔物具有膨胀性材料和/或无机耐高温填料。
通过将电绝缘间隔物作为可流动的前体引入并且随后将电绝缘间隔物的可流动的前体进行固化，可以实现特别简单的制造。
例如，固化可流动的前体的步骤包括引入超声能量。在此情况下使用超声的优点在于，即使在难以接近的位置，特别是在紫外线辐射或光无法到达的位置，也可以容易地进行固化。此外，还可以提供的是，可流动的前体具有触变性，并且超声能量用于在处理过程中短期增加流动性。
如果可流动的前体具有丙烯酸酯基单组分粘合剂，则使用特别完善的材料。
根据本发明的有利发展，可以提供的是，电绝缘间隔物包括作为膨胀性材料的膨胀物质，该膨胀物质选自包括可膨胀石墨、三聚氰胺或其混合物的组，和/或膨胀间隔物还包括填料，该填料选自包括石英颗粒、玻璃颗粒、玻璃珠和中空玻璃珠或它们的混合物的组。
附图说明
为了更好地理解本发明，借助于在以下附图中描绘的实施例来更详细地解释本发明。在此情况下，相同的部件用相同的附图标记和相同的部件名称表示。此外，示出和描述的不同实施例的一些特征或特征的组合也可以构成独立的、创造性的或根据本发明本身的解决方案。在图中：
图1示出了根据第一示例性实施例的载体结构的示意性截面图；
图2示出了根据第二示例性实施例的载体结构的示意性截面图；
图3示出了图2的细节；
图4示出了根据另一示例性实施例的载体结构的示意性细节图；
图5示出了根据另一示例性实施例的载体结构的示意性透视图；
图6示出了图5的载体结构的平面图；
图7示出了电池单元接触系统的载体板的示意性细节图。
具体实施方式
在下文中参考附图，特别是首先参考图1和2中的示意性截面图，将更详细地解释本发明。要指出的是，在所有附图中，尺寸比，特别是层厚比不一定按真实比例复制。此外，对于本领域技术人员显而易见的是，根据本发明的原理不仅可以用于电池单元接触系统，而且还可以用于其中通过载体结构彼此绝缘的导电部分在发生过热的情况下要彼此分离的其他应用领域。
图1以示意性截面图示出了根据本发明的载体结构100，其是电池单元接触系统的一部分。
锂离子电池的电池单元接触系统包括单元连接器和单元保持器，连接器集成到单元保持器中作为坚固的激光焊接层结构。可替代地，单元连接器也可以通过超声焊接或电磁脉冲焊接(EMPT焊接)连接到锂离子单元上。因此，也可以使用所谓的“袋单元”。各个电池单元经由单元连接器彼此串联和并联连接。它们负责电流的传导，吸收单元力并在适当的地方容纳传感器。此外，该系统通常包括具有热和电监控的控制接口。
如在图1中示意性地描绘的，载体结构100包括基体102，该基体至少部分地由电绝缘材料例如塑料制成。第一导电部分104例如由电压传导的母线或电池单元触点形成。此外，第二导电部分106包括在更大的面积上与基体102接触的导电焊接凸片106A和/或接地板106B。
尽管在图1中示出了第二导电部分106的两个变型，但是当然也可以仅存在一个或两个以上的第二导电部分。
为了使第一导电部分104和第二导电部分106彼此电绝缘，基体102具有分离区域108，分离区域108布置在第一导电部分104和第二导电部分106之间的重叠区域中。然而，对防火性能的实验研究表明，现有的分离区域108在高于500℃的温度下不能保持足够稳定，无法安全地防止第一导电部分和第二导电部分之间发生电短路。分离区域108的塑料频繁地燃烧或如此显著软化，以至于发生短路。
为了解决该问题，本发明在每种情况下在第一导电部分104和第二导电部分106之间的重叠区域中提供了附加的电绝缘间隔物110。根据本发明，间隔物110A，110B包括耐高温绝缘材料或膨胀性材料，或者替代地耐高温无机材料和膨胀性材料的组合，它们在热的作用下保持电绝缘并机械稳定，或膨胀。具有物理耐热和电绝缘作用的玻璃状或陶瓷状填料适合作为耐高温无机绝缘材料。例如，可膨胀的石墨和三聚氰胺(2,4,6-三氨基-1,3,5-三嗪)及其衍生物适合作为膨胀性填料。众所周知，膨胀性材料应理解为是一种物质，其例如在暴露于火焰中时会起泡，从而由有机和/或无机材料形成阻燃、耐热和电绝缘的泡沫。
根据本发明，将与无机绝缘和/或膨胀性材料混合的丙烯酸酯粘合剂用作基础材料。商购可得的单组分、无溶剂的异氰酸酯丙烯酸酯粘合剂，例如可以以商品名
Figure BDA0002557329800000061
DU 8050购自Panacol-Elosol GmbH，被证明是一种特别经济的实施例。诸如此类的粘合剂会在紫外线辐射下或在湿气影响下经过较长时间段而固化。
为了实现在第一导电部分104和第二导电部分106之间的进一步改善的分离，可以提供，氰基丙烯酸酯粘合剂与球形玻璃颗粒，特别是与充气或真空填充的中空玻璃珠混合。例如，该质量块可以包含60-90体积％的玻璃珠。
在着火的情况下，玻璃珠形成隔热层，并防止氧气到达其中的粘合剂。以该方式，就可以实现该装置满足，例如，在中华人民共和国进行的授权测试，在该测试中必须在500℃下保持15分钟的安全运行。
参照图2和图3，现在将详细说明本发明的另一个有利实施例。
来自图2的载体结构100与图1所示的装置的不同之处在于构造成不同的膨胀间隔物210。根据该替代实施例，膨胀间隔物210具有致动器功能，从而在发生火灾时不仅保持了所需的距离，而是第一导电部分104和第二导电部分106A之间的间隔甚至进一步扩大了。
如在图3中详细可见，间隔物210具有往复柱塞状结构。在载体结构100的基体102上布置有筒体元件112，在该筒体元件中设有柱塞元件114。柱塞元件114支撑在基体102的分离区域108A上，并且其本身可以是膨胀的或绝缘的。在过热的情况下，其沿箭头118的方向膨胀并推动分离区域108A，使得第一导电部分104和第二导电部分106A之间的间隔尺寸增大。
替代地，柱塞元件本身不必是膨胀的，而是可以位于布置在筒体元件112的底板区域116中的膨胀性材料上。在此情况下，区域116中的膨胀性材料沿箭头118的方向推动柱塞元件114推动，如果发生过热。进而，第一导电部分104和第二导电部分106A之间的间隔因此增大，从而可以避免第一导电部分104和第二导电部分106A之间的短路。
图4示出了根据本发明的载体结构400的另一有利构造的细节图。载体结构400的基体402具有底板元件420和盖元件422。第一导电部分404，在这里特别是电池触点位于底板元件420中。盖元件422具有容座424，在该图中未示出的焊接凸耳被引入该容座中，作为第二导电部分。在正常操作期间，焊接凸耳和电池触点404经由分离区域408彼此电绝缘。
为了确保即使在过热和着火的情况下，焊接凸耳也不会危险地靠近电池触点404，根据本发明，绝缘间隔物410A以这种方式布置在底板元件420和盖元件422之间，使得如果绝缘间隔物410A被加载压力，则分离区域408将焊接凸耳保持在其合适位置。箭头418的方向在此示出了通过焊接凸耳的力的作用方向。在这种情况下，图4所示的绝缘间隔物410也可以由陶瓷材料构成。
如在上述实施例中，与膨胀性材料混合的丙烯酸酯粘合剂被用作膨胀间隔物410A的基础材料。商购可得的单组分、无溶剂的异氰酸酯丙烯酸酯粘合剂，例如可以以商品名
Figure BDA0002557329800000071
DU 8050购自Panacol-Elosol GmbH，被证明是一种特别经济的实施例。
为了实现在第一导电部分104和第二导电部分106之间的进一步改善的分离，可以提供，氰基丙烯酸酯粘合剂与球形玻璃颗粒，特别是与充气或真空填充的中空玻璃珠混合。
同样在该实施例中(类似于图1和图2的装置)，可以在电池触点404和第二导电部分(这里未示出)之间提供另一绝缘或膨胀间隔物410B，该第二导电部分抵靠底板元件420。绝缘的或膨胀的间隔物410B容纳在底板元件420的凹部中，并且在着火的情况下，稳定了电池触点与第二导电部分(例如接地板)之间的距离。
绝缘或膨胀间隔物410B再次优选地由氰基丙烯酸酯粘合剂制造，该氰基丙烯酸酯粘合剂填充有玻璃状或膨胀物质，例如可膨胀石墨或三聚氰胺或两者的组合。
原则上使用氰基丙烯酸酯粘合剂作为膨胀间隔物的基础物质还具有以下优点：对载体结构的塑料材料的粘合性非常好，使得可以获得非常好的抗振性。
作为底板元件420和覆盖元件422的基体402的第二实施例具有以下优点：在完全安装该装置之前，氰基丙烯酸酯粘合剂可进行UV固化。
在下文中将参考前述附图更详细地讨论根据本发明的载体结构100，400的制造。在第一步中，最初，基体102，402由塑料制成，例如作为注射模制部件。如图4和5所示，基体有利地形成为两部分，分别是底板元件420和盖元件422。
在将底板元件420和盖元件422连接在一起之前，将绝缘或膨胀间隔物110，410的可流动的前体引入到相应的凹部中，例如通过喷嘴将材料倒入。然而，特别地，如果使用玻璃珠填充的氰基丙烯酸酯粘合剂，则这样做时会出现流动性不足的问题。为了增加在喷嘴区域中的流动性，可以通过在该位置施加超声能量来利用氰基丙烯酸酯粘合剂的触变性。
随后，注入到凹部中的材料通过紫外线或超声波能量进行固化。
然后才安装导电部分并组装整个装置。
图6示出了来自图5的底板元件420的示意性平面图。电绝缘间隔物410B被保持在底板元件420中的对应的平坦容座424中。尽管在前面的描述中，描述了一种方法，其中电绝缘间隔物410B以可流动的前体的形式被引入到容器424中并且随后被固化，间隔物410B也可以作为预制部件被插入到容器424中并且例如通过压配合来保持。
图7示出了用于机动车辆电池的电池单元接触系统700的细节，作为根据本发明的电绝缘间隔物的进一步可能的应用。电池单元接触系统700具有被构造为框架702的电绝缘基体。第一导电部分704和第二导电部分706，例如两个母线，被彼此相邻地装配在该框架上位于一个平面中。为了防止在过热的情况下在第一导电部分704和第二导电部分706之间形成短路，根据本发明，在侧向设置电绝缘间隔物710。根据本发明，电绝缘间隔物710设置有膨胀性材料和/或无机高耐热材料。
以这样的方式，在过热的情况下，可以可靠地支撑分离区域708，并且保留了必要的电绝缘。特别是在膨胀性填料的情况下，保持并填充母线之间的气隙和爬电路径。
附图标记列表
附图标记 描述
100,400 载体结构
102,402 基体
104,404,704 第一导电部分
106,406,706 第二导电部分
108,408,708 分离区域
110,210 间隔物
112 筒体元件
114 柱塞元件
116 筒体元件的底板区域
118 方向箭头
420 底板元件
422 盖元件
424 容座
700 电池单元接触系统
702 框架

Claims (15)

1.一种用于使至少一个第一导电部分和一个第二导电部分电绝缘的载体结构，其中，该载体结构(100，400)包括：
电绝缘基体(102，402)，具有用于保持第一导电部分(104，404)的第一保持结构和用于保持第二导电部分(106)的第二保持结构，和
电绝缘间隔物(110，210，410)，嵌入在基体中的第一和第二导电部分之间的分离区域(108)的至少一部分中，其中间隔物(110，210，410)具有膨胀性材料和/或无机耐高温填料。
2.根据权利要求1所述的载体结构，其中，电绝缘间隔物(110，210，410)具有交联的氰基丙烯酸酯粘合剂。
3.根据权利要求1或2所述的载体结构，其中，电绝缘间隔物(110，210，410)具有至少部分地膨胀性的柱塞元件(114)和耐热筒体元件(116)，并且其中，柱塞元件在热作用下在筒体元件内膨胀。
4.根据前述权利要求中任一项所述的载体结构，其中，电绝缘间隔物(110，210，410)具有玻璃、石英和/或陶瓷作为耐高温填料。
5.根据权利要求4所述的载体结构，其中，电绝缘间隔物(110，210，410)具有中空玻璃珠作为填料。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的载体结构，其中，电绝缘间隔物(110，210，410)作为侧向支撑元件嵌入在所述载体结构的格子结构中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的载体结构，其中，电绝缘间隔物占据小于所述分离区域(108，408)的50％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的载体结构，其中，电绝缘间隔物(110，210，410)形成为使得其通过热的作用来增大第一导电部分和第二导电部分之间的间隔。
9.根据前述权利要求中任一项所述的载体结构，其中，第一导电部分(104，404)是电池装置的电压传导条，和/或其中，第二导电部分(106)是焊接凸耳或接地板。
10.一种特别是电动或混合动力车辆的机动车辆电池模块的电池单元接触系统，其中，该电池单元接触系统具有根据权利要求1至9中任一项所述的载体结构(100，400)，以及多个单独形成的用于在每种情况下接触机动车辆电池模块的两个相邻电池单元的第一接触元件，其中，该第一接触元件彼此相邻布置成第一排，并且在每种情况下都附接在载体结构的一侧，此外包括多个单独形成的第二接触元件，该第二接触元件彼此相邻地布置成第二排并且设置在载体结构的与第一排相对的一侧上，使得用于在每种情况下接触机动车辆电池模块的两个相邻电池单元的接触元件位于载体结构的两侧上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造载体结构的方法，其中，该方法具有以下步骤：
提供载体结构(100，400)的基体(102，402)；
将至少一个电绝缘间隔物(110，210，410)引入到载体结构的凹部中，其中，间隔物(110，210，410)具有膨胀性材料和/或无机耐高温填料。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将电绝缘间隔物(110，210，410)作为可流动前体引入，并且随后将电绝缘间隔物的可流动前体固化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，固化所述可流动前体的步骤包括引入UV辐射或超声能量。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述可流动前体具有丙烯酸酯基单组分粘合剂。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的方法，其中，电绝缘间隔物(110，210，410)包括膨胀物质，该膨胀物质选自包括可膨胀石墨、三聚氰胺或其混合物的组，和/或其中电绝缘间隔物还包括填料，该填料选自包括石英、玻璃颗粒、玻璃珠和中空玻璃珠或它们的混合物的组。
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