DE102011078984A1

DE102011078984A1 - Hochvoltspeicher aus mehreren Energiespeichermodulen und Verfahren zur Herstellung des Hochvoltspeichers

Info

Publication number: DE102011078984A1
Application number: DE102011078984A
Authority: DE
Inventors: Hubertus Goesmann; Philipp Petz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochvoltspeicher zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend: zumindest zwei Energiespeichermodule (1), wobei jedes Energiespeichermodul (1) zumindest zwei Speicherzellen (10) umfasst, wobei jede Speicherzelle (10) zumindest eine elektrochemische Zelle umfasst, wobei der Hochvoltspeicher (101) einen Deckel umfasst, der eine gemeinsame Seitenfläche (109) der zumindest zwei Energiespeichermodule (1) abdeckt, und wobei auf der Innenseite des Deckels (101) Kontaktierungselemente (102) zur elektrischen Verbindung der zumindest zwei Energiespeichermodule untereinander angeordnet sind, so dass zwangsläufig mit dem Öffnen des Deckels (101) die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei Energiespeichermodulen (1) trennbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochvoltspeicher zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Hochvoltspeichers.
In einem üblicherweise als Batterie bezeichneten Hochvoltspeicher zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs kommen meist eine Mehrzahl an Energiespeichermodulen zum Antrieb des Fahrzeugs, beispielsweise von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zum Einsatz. Ein jeweiliges Energiespeichermodul besteht typischerweise aus mehreren gestapelten Speicherzellen. Die einzelnen Speicherzellen enthalten elektrochemische Zellen. Der Stapel aus den einzelnen Speicherzellen wird zu dem Energiespeichermodul verspannt. Die Verspannung dient neben der mechanischen Fixierung der Module zueinander insbesondere dazu, eine Verformung durch Gasdruckänderungen, welche beim Betrieb in den im Inneren der Module angeordneten elektrochemischen Zellen auftreten, entgegenzuwirken.
Mehrere der Energiespeichermodule werden üblicherweise zu einem Hochvoltspeicher zusammengefasst. Dieser Hochvoltspeicher wird sodann von einem Gehäuse gekapselt. Die mehreren Energiespeichermodule müssen untereinander elektrisch verbunden werden. Öffnet der Monteur oder Mechaniker dieses Gehäuse des Hochvoltspeichers, so besteht stets die Gefahr, dass er mit der vollen Spannung des gesamten Hochvoltspeichers in Kontakt kommt. Die Gesamtspannung dieser Hochvoltspeicher, wie sie üblicherweise in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, liegt weit über der zulässigen Berührschutzgrenze von 60 DC Volt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochvoltspeicher zur Spannungsversorgung anzugeben, in dem die Energiespeichermodule effektiv und sicher kontaktiert sind und gleichzeitig eine sichere Montage und Wartung möglich ist. Ferner ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur effektiven und sicheren Kontaktierung der Energiespeichermodule in einem Hochvoltspeicher anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen Hochvoltspeicher zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend zumindest zwei Energiespeichermodule, wobei jedes Energiespeichermodul zumindest zwei Speicherzellen umfasst, wobei jede Speicherzelle zumindest eine elektrochemische Zelle umfasst, wobei der Hochvoltspeicher einen Deckel umfasst, der eine gemeinsame Seitenfläche der zumindest zwei Energiespeichermodule abdeckt, und wobei auf der Innenseite des Deckels Kontaktierungselemente zur elektrischen Verbindung der zumindest zwei Energiespeichermodule untereinander angeordnet sind, so dass zwangsläufig mit dem Öffnen des Deckels die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei Energiespeichermodulen trennbar ist.
Die erfindungsgemäße Unterbringung der Kontaktierungselemente in einer die Außenhaut des Hochvoltspeichers bildenden Komponente, nämlich dem Deckel, hat folgenden entscheidenden Vorteil: Wird der Deckel abgenommen, dann werden zusammen mit diesem die elektrischen Kontakte entfernt, mit denen die einzelnen Energiespeichermodule untereinander verbunden sind. Somit ist die vom Hochvoltspeicher bereitzustellende Hochspannung nicht mehr verfügbar. Es sind nach Abnehmen des Deckels nur noch die Einzelspannungen der einzelnen Energiespeichermodule verfügbar. Somit wird die Spannung, mit der eine Person in Berührung kommen kann, verringert. Die Montage wird somit einfacher und billiger, da der Hochspannungskreislauf erst nach dem letzten Arbeitsschritt, nämlich dem Aufsetzen des Deckels, geschlossen ist und somit keine speziell geschulten Monteure zum Einsatz kommen müssen. Entsprechender Vorteil gibt sich auch bei Wartungs- und Reparaturarbeiten, da durch Abnehmen des Deckels die Verbindung zwischen den Energiespeichermodulen wieder getrennt wird.
In vorteilhafter Ausbildung ist vorgesehen, dass die Speicherzellen prismatische Speicherzellen sind, die, zu mindestens einer Reihe gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten über Zuganker verspannt sind. Die Endplatten und die Zuganker sind nötig, da sich im Laufe der Lebensdauer ein Gasdruck im Inneren der Speicherzellen aufbaut.
Des Weiteren ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass in einem einzigen Deckel die Kontaktierungselemente zur elektrischen Verbindung aller Energiespeichermodule des Hochvoltspeichers angeordnet sind, wobei der Deckel eine gemeinsame Seitenfläche aller Energiespeichermodule abdeckt. Bevorzugt kann somit durch Abnehmen nur eines Deckels die Verbindung zwischen allen Energiespeichermodulen getrennt werden. Insbesondere sind zumindest zwei, insbesondere zumindest vier, insbesondere zumindest sechs, Energiespeichermodule in einem Hochvoltspeicher vereint.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass die Energiespeichermodule mittels des Deckels elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind.
Bevorzugt sind die einzelnen Speicherzellen des jeweiligen Energiespeichermoduls untereinander ebenfalls elektrisch seriell und/oder parallel verbunden, so dass die Speicherzellen im jeweiligen Energiespeichermodul zu einem Anschlusskontakt erster Polarität und einem Anschlusskontakt zweiter Polarität zusammengeführt sind. Die beiden Anschlusskontakte eines jeden Energiespeichermoduls liegen bevorzugt auf einer Seite. Ferner sind bevorzugt alle Energiespeichermodule so angeordnet, dass alle Anschlusskontakte auf einer Seite des Hochvoltspeichers liegen. An dieser Seitenfläche wird sodann der Deckel zum Kontaktieren aufgesetzt. Dabei treten die in dem Deckel angeordneten Kontaktierungselemente in Kontakt mit den Anschlusskontakten erster und zweiter Polarität der Energiespeichermodule.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Deckel die gemeinsame Seitenfläche der zumindest zwei Energiespeichermodule vollständig abdeckt. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die zumindest zwei Energiespeichermodule gemeinsam in einem Gehäuse aufgenommen sind. Der Deckel bildet sodann einen Bestandteil des Gehäuses. Besonders bevorzugt ist der Deckel mit dem Gehäuse fest verbindbar, insbesondere verschraubbar.
Sowohl der Deckel als auch das Gehäuse bestehen bevorzugt aus Aluminium-Druckguss oder glasfaserverstärktem Kunststoff oder kohlefaserverstärktem Kunststoff. Die im Inneren des Deckels angeordneten Kontaktierungselemente sind bei Verwendung von Aluminium-Druckguss bevorzugt gegenüber der Außenhaut des Deckels isoliert.
Vorteilhafterweise weist ein einzelnes Energiespeichermodul im vollen Ladezustand eine Spannung von weniger als 60 DC Volt auf. Dadurch liegt, nach Abziehen des Deckels, die maximale Spannung des offenen Hochvoltspeichers unterhalb der Berührgrenze von 60 DC Volt.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Hochvoltspeichers zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei der Hochvoltspeicher zumindest zwei Energiespeichermodule umfasst, wobei jedes Energiespeichermodul zumindest zwei Speicherzellen umfasst, wobei jede Speicherzelle zumindest eine elektrochemische Zelle umfasst, wobei der Hochvoltspeicher einen Deckel umfasst, der eine gemeinsame Seitenfläche der zumindest zwei Energiespeichermodule abdeckt, wobei auf der Innenseite des Deckels Kontaktierungselemente zur elektrischen Verbindung der zumindest zwei Energiespeichermodule untereinander angeordnet sind, und wobei zur Herstellung des Hochvoltspeichers der Deckel aufgesetzt wird und gleichzeitig mit dem Aufsetzen des Deckels die zumindest zwei Energiespeichermodule elektrisch verbunden werden.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Hochvoltspeichers beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Hochvoltspeichers.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 Speicherzellen des erfindungsgemäßen Hochvoltspeichers gemäß dem Ausführungsbeispiel,
2 ein Energiespeichermodul des erfindungsgemäßen Hochvoltspeichers gemäß dem Ausführungsbeispiel,
3 ein Energiespeichermodul mit Speicherzellenkontaktierungselement des erfindungsgemäßen Hochvoltspeichers gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
4 einen Deckel mit Kontaktierungselementen des erfindungsgemäßen Hochvoltspeichers gemäß dem Ausführungsbeispiel.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 bis 4 genauer erläutert.
In 1 ist eine einzelne prismatische Speicherzelle 10 eines in seiner Gesamtheit später dargestellten Energiespeichermoduls 1 in perspektivischer Darstellung zu sehen. Die Speicherzelle 10 besteht typischerweise aus einer oder mehreren einzelnen elektrochemischen Zellen, welche in der hier gewählten Darstellung im Inneren der Speicherzelle 10 im Verborgenen liegen. Auf einer Vorderseite 13 weist die Speicherzelle 10 ein Anschlussterminal 11 erster Polarität und ein Anschlussterminal 12 zweiter Polarität auf. Auf der in der Figur nicht dargestellten Rückseite 14 der Speicherzelle 10 sind keine Anschlussterminals vorgesehen. Eines der Anschlussterminals 11, 12, typischerweise der Plus-Pol der Speicherzelle, kann elektrisch mit einem Gehäuse der Speicherzelle 10 verbunden sein.
Da in dem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul 1 mehrere der Speicherzellen 10 zumindest in einer Reihe gestapelt hintereinander angeordnet werden, werden zumindest gegenüberliegende Hauptflächen 15, 16 mit einem elektrisch isolierenden Material versehen. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Klebefolie 20 auf die Hauptflächen 15, 16 aufgebracht. Alternativ könnte auf die Hauptflächen 15, 16 auch ein elektrisch isolierender Kleber aufgebracht werden. Ebenso wäre die Verwendung eines Schrumpfschlauchs, der auf die mit Kleber versehenen Hauptflächen 15, 16 aufgebracht wird, denkbar.
Bei dem Energiespeichermodul 1 gemäß 2 und 3 werden die Speicherzellen 10 in lediglich beispielhaft zwei Speicherzellen-Reihen 60, 61 angeordnet. Die Verspannung der zu einer Reihe gestapelten Speicherzellen 10 erfolgt im Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Endplatten 30, 35 und Zugankern 40 bis 42. Die Zuganker 40, 41, 42 verlaufen parallel und sind derart zueinander beabstandet, dass jeweils ein Aufnahmebereich für die jeweilige Speicherzellen-Reihe 60, 61 geschaffen ist. Jede der Speicherzellen-Reihen ist damit seitlich von zwei Zugankern 40, 41 bzw. 41, 42 umgeben.
Die Verschweißung als Verbindung zwischen den Zugankern 40, 41, 42 und den Endplatten 30, 35 stellt ein schnelles, sicheres und etabliertes Verbindungsverfahren im Bereich der Automobiltechnik dar. Prinzipiell könnte die Herstellung der mechanischen Verbindung der in 2 gezeigten Komponenten auch auf alternative Weise erfolgen, beispielsweise durch Verschraubung oder jede beliebige andere form- und/oder kraftschlüssige Verbindung. Während die Zuganker 40, 42 zur Verschweißung mit der Endplatte 30 mit deren Stirnseiten bündig in Anlage gebracht und verschweißt werden, wird der Zuganker 41, der im Bereich seiner beiden gegenüberliegenden Enden jeweils eine Nut zur Bereitstellung jeweiliger Durchstecklaschen aufweist, in korrespondierende Aussparungen der Endplatte 30, 35 gesteckt und dann von der anderen Seite her verschweißt.
Die Positionierung und Ausrichtung der insgesamt zwölf Speicherzellen 10 ist derart, dass die Vorderseiten mit den Anschlussterminals 11, 12 in einer Ebene angeordnet sind. Auf die Anschlussterminals ist ein Speicherzellenkontaktierungselement 90 aufgesetzt (3). Dieses Speicherzellenkontaktierungselement 90 verbindet die einzelnen Anschlussterminals 11, 12 des Energiespeichermoduls 1 untereinander. Die Anschlussterminals 11 erster Polarität werden durch das Speicherzellenkontaktierungselement 90 zusammengeführt auf einen Anschlusskontakt 83 erster Polarität. Die Anschlussterminals 12 zweiter Polarität werden durch das Speicherzellenkontaktierungselement 90 zusammengeführt auf einen Anschlusskontakt 84 zweiter Polarität. Die beiden Anschlusskontakte 83, 84 sind seitlich (Seitenfläche 109) des Speicherzellenkontaktierungselements 90 und somit seitlich des Energiespeichermoduls 1 ausgebildet. Diese Seitenfläche 109, an der sich die Anschlusskontakte 83, 84 befinden, ist definiert durch die Breite B und die Höhe H des Energiespeichermoduls 1.
4 zeigt einen Deckel 101. Dieser Deckel 101 bildet einen Bestandteil der Außenhaut des gesamten Hochvoltspeichers. Bevorzugt wird der Deckel 101 von oben auf die Energiespeichermodule 1 aufgesetzt. Im Inneren des Deckels 101 sind Kontaktierungselemente 102 ausgebildet. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel dient der Deckel 101 zur Kontaktierung von vier Energiespeichermodulen 1. Dementsprechend umfasst der Deckel 101 acht Kontaktierungselemente 102. Gleichzeitig mit dem Anbringen des Deckels 101 auf die gemeinsame Seitenfläche 109 treten die Kontaktierungselemente 102 in elektrisch leitenden Kontakt mit den Anschlusskontakten 83, 84 der Energiespeichermodule.
Der Deckel 101 ist bevorzugt aus Aluminium-Druckguss ausgeführt. Im Inneren des Deckels befindet sich eine plattenförmige Isolierung 103. Zwischen dem Deckel 101 und der Isolierung 103 verlaufen Leitungen, die die Kontaktierungselemente 102 im Inneren des Deckels 101 untereinander verbinden. Des Weiteren zeigt der Deckel 101 einen weiteren Anschluss 104 für eine weitere elektrische Leitung.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeichermodul
10: Speicherzelle
11: Anschlussterminal erster Polarität
12: Anschlussterminal zweiter Polarität
13: Vorderseite
14: Rückseite
15: Hauptfläche
16: Hauptfläche
20: Klebefolie
30: Endplatte
35: Endplatte
40: Zuganker
41: Zuganker
42: Zuganker
60: Speicherzellen-Reihe
61: Speicherzellen-Reihe
83: Anschlusskontakt
84: Anschlusskontakt
90: Speicherzellenkontaktierungselement
101: Deckel
102: Kontaktierungselemente
103: innenliegende Isolierung
104: Weitrer Anschluss
105: Verbindungsfläche
109: Seitenfläche
B: Breite
H: Höhe

Claims

Hochvoltspeicher zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend: – zumindest zwei Energiespeichermodule (1), – wobei jedes Energiespeichermodul (1) zumindest zwei Speicherzellen (10) umfasst, – wobei jede Speicherzelle (10) zumindest eine elektrochemische Zelle umfasst, – wobei der Hochvoltspeicher einen Deckel (101) umfasst, der eine gemeinsame Seitenfläche (109) der zumindest zwei Energiespeichermodule (1) abdeckt, und – wobei auf der Innenseite des Deckels (101) Kontaktierungselemente (102) zur elektrischen Verbindung der zumindest zwei Energiespeichermodule (1) untereinander angeordnet sind, so dass zwangsläufig mit dem Öffnen des Deckels (101) die elektrische Verbindung zwischen den zumindest zwei Energiespeichermodulen (1) trennbar ist.
Hochvoltspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (10) prismatische Speicherzellen (10) sind, die, zu mindestens einer Reihe (60, 61) gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten (30, 35) über Zuganker (40 bis 42) verspannt sind.
Hochvoltspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einzigen Deckel (101) die Kontaktierungselemente (102) zur elektrischen Verbindung aller Energiespeichermodule (1) des Hochvoltspeichers angeordnet sind, wobei der Deckel (101) eine gemeinsame Seitenfläche (109) aller Energiespeichermodule abdeckt.
Hochvoltspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodule (1) mittels des Deckels (101) elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind.
Hochvoltspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (10) des jeweiligen Energiespeichermoduls (1) untereinander elektrisch seriell und/oder parallel verbunden sind, so dass die Speicherzellen (10) im jeweiligen Energiespeichermodul (1) zu einem Anschlusskontakt erster Polarität (83) und einem Anschlusskontakt (84) zweiter Polarität zusammengeführt sind.
Hochvoltspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (101) die gemeinsame Seitenfläche (109) der zumindest zwei Energiespeichermodule (1) vollständig abdeckt.
Hochvoltspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Deckel (101) angeordneten Kontaktierungselemente (102) gegenüber dem Deckel (101) isoliert sind.
Hochvoltspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein die zumindest zwei Energiespeichermodule (1) aufnehmendes Gehäuse, insbesondere aus Aluminiumdruckguss, wobei der Deckel (101), insbesondere aus Aluminiumdruckguss, als Bestandteil des Gehäuses ausgebildet ist.
Hochvoltspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelnes Energiespeichermodul (1) im vollen Ladezustand eine Spannung von weniger als 60 DC Volt aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Hochvoltspeichers zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, – wobei der Hochvoltspeicher zumindest zwei Energiespeichermodule (1) umfasst, – wobei jedes Energiespeichermodul (1) zumindest zwei Speicherzellen (10) umfasst, – wobei jede Speicherzelle (10) zumindest eine elektrochemische Zelle umfasst, – wobei der Hochvoltspeicher einen Deckel (101) umfasst, der eine gemeinsame Seitenfläche (109) der zumindest zwei Energiespeichermodule (1) abdeckt, – wobei auf der Innenseite des Deckels (101) Kontaktierungselemente (102) zur elektrischen Verbindung der zumindest zwei Energiespeichermodule (1) untereinander angeordnet sind, und – wobei zur Herstellung des Hochvoltspeichers der Deckel (101) aufgesetzt wird und gleichzeitig mit dem Aufsetzen des Deckels (101) die zumindest zwei Energiespeichermodule (1) elektrisch verbunden werden.