DE102011077166A1

DE102011077166A1 - Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011077166A1
Application number: DE201110077166
Authority: DE
Inventors: Markus Thurmeier; Philipp Petz; Stephan Zügner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-12-13

Abstract

Vorrichtung, insbesondere Speichermodul, zur Spannungsversorgung, insbesondere zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, mit mehreren Speicherzellen, und mehreren, ein Kühlmodul bildenden, hintereinander angeordneten Kühlprofilen, die Ausnehmungen aufweisen oder zwischeneinander Ausnehmungen bilden, in welchen die Speicherzellen angeordnet sind, wobei Gehäuse der Speicherzellen thermisch leitend mit die Ausnehmungen bildenden Wandungen der Kühlprofile verbunden sind. Die einzelnen Kühlprofile des Kühlmoduls sind elektrisch leitend miteinander verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Hybrid- bzw. reine Elektrofahrzeuge weisen mindestens einen Vvortrieb erzeugenden Elektromotor auf, der von einem elektrischen Speicher (Hochvoltspeicher) mit elektrischer Energie versorgt wird. Ein derartiger Speicher besteht üblicherweise aus mehreren Speichermodulen, wobei jedes der Speichermodule wiederum aus mehreren einzelnen Speicherzellen besteht.
Elektrische Speicher werden vor- bzw. während oder nach der Montage im Fahrzeug einem sogenannten ”Hochvolttest” unterzogen, wobei an Terminals des elektrischen Speichers oder einzelner Speichermodule eine elektrische Testspannung von mehreren Hundert Volt, z. B. 2,7 KV, angelegt wird.
Bei derartigen Hochvolttests, aber auch während des Betriebs elektrischer Speicher, können unter bestimmten Umständen an Kühlprofilen, welche die einzelnen Speicherzellen der Speichermodule umgeben, sogenannte ”parasitäre Kapazitäten” beobachten werden, was auf Potentialunterschiede zwischen einzelnen Kühlprofilen zurückzuführen ist. Derartige Potentialunterschiede können zu ”Schadströmen” führen, welche Elektronikkomponenten des elektrischen Speichers schädigen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung zu schaffen, bei der derartige ”Schadströme” vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere ein Speichermodul, insbesondere zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, welches mehrere Speicherzellen aufweist. Der Begriff ”Speicherzelle” ist äußerst breit zu interpretieren. Er umfasst Batterie- bzw. Akku-Zellen oder andere elektrische ”Speichereinrichtungen”, in denen elektrische Energie gespeichert werden kann. Hierunter zu subsumieren sind z. B. Doppelschichtkondensatoren. Jede der Speicherzellen weist jeweils ein Speicherzellengehäuse auf. Die einzelnen Speicherzellen einer derartigen Vorrichtung bzw. eines derartigen Speichermoduls können parallel oder seriell verschaltet sein.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung weist ferner ein die Speicherzellen kühlendes „Kühlmodul” auf. Ein derartiges Kühlmodul ist durch mehrere hintereinander angeordnete „Kühlprofile” gebildet. Bei den Kühlprofilen kann es sich z. B. um Strangpressprofile aus einem Metallwerkstoff, wie z. B. Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder eine andere Leichtmetall-Legierung, handeln. Die „hintereinander geschachtelten” Kühlprofile des Kühlmoduls weisen jeweils eine oder mehrere Ausnehmungen auf oder bilden zwischen einander Ausnehmungen, in welchen die einzelnen Speicherzellen der Vorrichtung bzw. des Speichermoduls angeordnet sind. Die Kühlprofile halten die Speicherzellen in vorgegebenen Relativpositionen zueinander.
Um eine gute Wärmeabfuhr aus den Speicherzellen an das Kühlmodul zu erreichen, sind die Speicherzellengehäuse thermisch leitend mit die Ausnehmungen bildenden Wandungen der Kühlprofile verbunden. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Speicherzellengehäuse mittels eines thermisch gut leitenden Klebers in die Ausnehmungen des Kühlmoduls eingeklebt sind.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die einzelnen das Kühlmodul bildenden Kühlprofile elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Dadurch ist sichergestellt, dass sich die einzelnen Kühlprofile des Kühlmoduls auf ein- und demselben elektrischen Potential befinden. Potentialunterschiede zwischen den einzelnen Kühlmodulen und hieraus gegebenenfalls resultierende Schadströme werden somit wirksam ausgeschlossen.
Ein derartiger ”Potentialausgleich” kann durch ein Potentialausgleichselement erreicht werden, welches die einzelnen Kühlprofile elektrisch miteinander verbindet. Ein derartiges Potentialausgleichselement kann sehr platzsparend und kostengünstig ausgeführt sein.
Hierbei sind verschiedene konstruktive Ausgestaltungen denkbar. Als Potentialausgleichselement kann beispielsweise ein elektrisch leitender Streifen, z. B. ein Blech aus Kupfer oder aus einem anderem elektrischen Material verwendet werden, welches auf die einzelnen Kühlprofile aufgeklebt oder in anderer Weise elektrisch leitend mit den einzelnen Kühlprofilen verbunden ist. Bei dem Potentialausgleichselement kann es sich auch um einen z. B. aus einem elastischen Material, insbeosndere aus einem schaumartigen Material, bestehenden, „elektrisch leitenden Streifen” handeln, der von außen auf die Kühlmodule aufgeklebt oder in anderer Weise daran befestigt ist. Alternativ dazu kann als Potentialausgleichselement auch eine elektrisch leitende Schiene o. ä. verwendet werden, die elektrisch leitend mit den einzelnen Kühlprofilen verbunden ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Speichermodul zusammen mit mindestens einem weiteren Speichermodul in zugeordnete „Kompartimente” (Ausnehmungen bzw. Schächte) einer „Kühleinrichtung” eingesetzt, wobei einander gegenüberliegende bzw. hintereinander angeordnete Wände der Kühleinrichtung derart zusammengespannt sind, dass eine dem Potentialausgleichselement zugewandte Wand der Kühleinrichtung das Potentialausgleichselement gegen die Kühlprofile des Kühlmoduls drückt. Durch die Verspannung der Wände der Kühleinrichtung wird sichergestellt, dass das Potentialausgleichselement elektrisch gut leitend an Außenseiten der Kühlprofile anliegt.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Ein Speichermodul; und
2 eine Kühleinrichtung, in die insgesamt acht der in 1 gezeigten Speichermodule eingesetzt werden können.
1 zeigt ein Speichermodul 1 zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs. Das Speichermodul 1 weist zwölf Speicherzellen 2–13 auf, die paarweise hintereinander geschachtelt angeordnet sind. Die Speicherzellen 2–13 können seriell oder parallel miteinander zu dem Speichermodul 1 verschaltet sein.
Zur Kühlung der Speicherzellen 2–13 ist ein Kühlmodul 14 vorgesehen, das bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus sieben Kühlprofilen 15–21 besteht, wobei die Kühlprofile 15 und 21 als „Außenkühlprofile” und die dazwischen angeordneten Kühlprofile 16–20 als „Mittelkühlprofile” bezeichnet werden können.
Die einzelnen Kühlprofile 15–21 können z. B. als Strangpressprofile ausgeführt sein. Sie können z. B. aus Aluminium, einer Aluminium-Legierung oder einer anderen Leichtmetall-Legierung oder aus einem anderen thermisch gut leitenden Material hergestellt sein.
Jeweils zwei aufeinanderfolgende Kühlprofile bilden zwischen sich zwei Ausnehmungen aus. So bilden beispielsweise die beiden Mittelkühlprofile 17, 18 zwischen sich zwei Ausnehmungen 22, 23 aus, in welche die Speicherzellen 8 bzw. 9 eingesetzt sind.
Die Speicherzellen 2–13 weisen jeweils ein Speicherzellengehäuse auf, das mittels einer das Speicherzellengehäuse schlauch- oder ringartig umschließenden Isolierung elektrisch gegenüber dem Kühlmodul 14 bzw. den Kühlprofilen 15–21 isoliert ist. Die Speicherzellen 2–13 können mittels eines thermisch gut leitenden Klebers in die durch die Kühlprofile 15–21 gebildeten Ausnehmungen eingeklebt sein. Dadurch wird ein guter Wärmeübergang zwischen den Speicherzellen 2–13 und den Kühlprofilen 15–21 sichergestellt.
Um Potentialunterschiede und somit Schadströme zwischen einzelnen Kühlprofilen 15–21 zu vermeiden, sind diese durch ein „Potentialausgleichselement” 24 elektrisch leitend miteinander verbunden. Das Potentialausgleichselement 24 kann z. B. ein aus einem elektrisch leitenden Material bestehender Streifen, z. B. ein Aluminium- oder Kupferblech o. ä., sein. Das Potentialausgleichselement 24 kann von außen her auf die Kühlprofile aufgeklebt oder in anderer Weise elektrisch leitend damit verbunden sein, z. B. durch verschrauben, vernieten etc.
Die einzelnen Speicherzellen 2–13 eines derartigen Speichermoduls 1 weisen auf der in 1 gezeigten Oberseite elektrische Kontakte 2a, 3a...., 13a und auf ihrer Unterseite ebenfalls Kontakte (in 1 nicht zu sehen) auf. Die einzelnen Speicherzellen 2–13 des Speichermoduls 1 können über ein Zellkontaktierungssystem 25, 26 (vgl. 2) seriell oder parallel miteinander verschaltet sein.
2 zeigt eine Kühleinrichtung 27 mit insgesamt acht so genannten „Kompartimenten” 28–35 auf, in die jeweils ein Speichermodul 1, wie es in 1 gezeigt ist, eingesetzt wird.
Die einzelnen Speichermodule 1 werden elektrisch seriell oder parallel zu einem „Hochvoltspeicher” verschaltet. Die Kühleinrichtung 27 ist bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen quaderförmig gestaltet und weist jeweils zwei paarweise gegenüberliegende Wände 27a, 27b bzw. 27c und 27d auf.
Nach dem Einsetzen der Speichermodule 1 in die Kompartimente 28–35 werden die Wände 27c, 27d über Zugstangen oder Zugdrähte (nicht dargestellt) zusammengespannt. Im Betrieb eines Hochvoltspeichers können nämlich aufgrund chemischer Vorgänge, die in den Speicherzellen ablaufen, beträchtliche Drücke in den Speicherzellen entstehen, die zu einer Verformung (Ausbeulung) der Speicherzellengehäuse führen würden. Um dies zu vermeiden, werden die Speichermodule 1 mittels der erwähnten Zugstangen oder Zugdrähte zusammengespannt.
Ein sich hierdurch ergebender Effekt ist, dass die außen an den Kühlprofilen der Speichermodule angeordneten Potentialausgleichselemente 24 gegen die Kühlprofile gedrückt werden, wodurch eine gute elektrische Verbindung und somit ein definiertes, gemeinsames Potential aller Kühlprofile 15–21, d. h. ein Potentialausgleich zwischen den Kühlprofilen 15–21 erreicht wird.

Claims

Vorrichtung, insbesondere Speichermodul, zur Spannungsversorgung, insbesondere zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, mit mehreren Speicherzellen (2–13), und mehreren, ein Kühlmodul (14) bildenden, hintereinander angeordneten Kühlprofilen (15–21), die Ausnehmungen aufweisen oder zwischen einander Ausnehmungen (22, 23) bilden, in welchen die Speicherzellen (2–13) angeordnet sind, wobei Gehäuse der Speicherzellen thermisch leitend mit die Ausnehmungen bildenden Wandungen der Kühlprofile verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kühlprofile (15–21) des Kühlmoduls (14) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kühlprofile (15–21) durch ein einziges, mit den einzelnen Kühlprofilen (15–21) elektrisch verbundenes Potentialausgleichselement (24) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermodul (1) und mehrere weitere Speichermodule (1) in zugeordnete Kompartimente (28–35) einer Kühleinrichtung (27) eingesetzt sind, wobei Wände (27c, 27d) der Kühleinrichtung (27) derart zusammengespannt sind, dass eine dem Potentialausgleichselement (24) zugewandte Wand der Kühleinrichtung (27) das Potentialausgleichselement (24) gegen die Kühlprofile (15–21) des Kühlmoduls (14) drückt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Potentialausgleichselement (24) um einen elektrisch leitenden Streifen aus einem elastischen, insbesondere schaumartigen Material handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Potentialausgleichselement (24) um eine Schiene oder einen Streifen aus einem elektrisch leitenden Metall handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (24) auf Außenseiten der Kühlprofile (15–21) aufgeklebt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (2–13) mittels eines wärmeleitenden Klebers in die Ausnehmungen (22–23) eingeklebt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (2–13) paarweise hintereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Kühlprofilen um Strangpressprofile, insbesondere aus einem Aluminiumwerkstoff, handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse der Speicherzellen (2–13) elektrisch gegenüber den Kühlprofilen (15–21) isoliert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Gehäuse der Speicherzellen (2–13) eine sich schlauch- oder ringartig um das Gehäuse herum erstreckende Gehäuseisolierung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zellkontaktierungseinrichtung (25, 26) vorgesehen ist, über die die einzelnen Speicherzellen (2–13) elektrisch in Reihe geschaltet sind.