DE102012202694A1 - Housing for module of traction battery for e.g. passenger car, has electrochemical cells including electrodes, and fixing elements arranged adjacent to each opening for fastening bus bar, where openings are provided adjacent to electrodes - Google Patents
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Abstract
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft eine modular aufgebaute Traktionsbatterie mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die in einem Gehäuse angeordnet sind und über zumindest eine Stromschiene miteinander verbunden sind.The invention relates to a modular traction battery having a plurality of electrochemical cells, which are arranged in a housing and are connected to one another via at least one busbar.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Elektromotorisch angetriebene Personenkraftfahrzeuge (sogenannte Elektrofahrzeuge) weisen in der Regel elektrochemische Energiespeicher, insbesondere Akkumulatoren, auf, aus denen im Wesentlichen die zum Antrieb des Fahrzeugs notwendige Energie entnommen oder beispielsweise durch Ladevorgänge auch eingespeist werden kann.Electric motor driven passenger vehicles (so-called electric vehicles) generally have electrochemical energy storage devices, in particular accumulators, from which substantially the energy required to drive the vehicle can be taken or, for example, also be charged by charging processes.
Dabei ist zum Bereitstellen einer elektrischen Energie, abhängig von der konkreten Ausgestaltung des elektromotorischen Antriebs, eine Spannung von mehreren hundert Volt üblich. Um derartige Spannungen bereitzustellen wird in der Regel eine Vielzahl von elektrochemischen Akkumulatorzellen zu einer Traktionsbatterie elektrisch miteinander verschaltet.In this case, a voltage of several hundred volts is customary for providing an electrical energy, depending on the specific configuration of the electromotive drive. In order to provide such voltages, a plurality of electrochemical accumulator cells is usually electrically interconnected to form a traction battery.
Ein Beispiel für die Verschaltung der einzelnen Zellen offenbart das
Ein derartiger Aufbau hat den Nachteil, dass es bei der Herstellung einer Bond-Verbindung zwischen der Sammelplatte und den Elektroden zu Schwingungen zwischen dem Gehäuse und der Sammelplatte kommen kann, so dass man entweder bei der Wahl der Betriebsparameter des Bond-Verfahrens limitiert ist oder es zu Qualitätseinbußen bei den erzeugten Bond-Verbindungen kommen kann. Gleichzeitig ist die Sammelplatte in keiner Weise im Hinblick auf den insbesondere bei Elektrofahrzeugen notwendigen Leichtbau optimiert. Auch ein variables Verschalten der im Gehäuse angeordneten Zellen ist mit der offenbarten Sammelplatte nicht, oder nur sehr eingeschränkt möglich.Such a construction has the disadvantage that in the manufacture of a bonding connection between the collecting plate and the electrodes, vibrations may occur between the housing and the collecting plate, so that one is limited in the choice of operating parameters of the bonding method or it this can lead to a loss of quality in the bond connections produced. At the same time, the collecting plate is in no way optimized with regard to the lightweight construction that is particularly necessary in the case of electric vehicles. Also, a variable interconnection of the cells arranged in the housing is not possible with the disclosed collecting plate, or only to a very limited extent.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine modulare Traktionsbatterie bereitzustellen, bei der durch die Gestaltung des Gehäuses und der zur Verbindung der im Gehäuse angeordneten elektrochemischen Zellen vorgesehenen Stromschiene die zuvor genannten Probleme des Standes der Technik überwunden werden.The object of the present invention is therefore to provide a modular traction battery in which the design of the housing and the power rail provided for connecting the electrochemical cells arranged in the housing overcome the aforementioned problems of the prior art.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gehäuse gemäß den Ansprüchen 1–5, einer Stromschiene gemäß den Ansprüchen 6–11, einem Modul gemäß den Ansprüchen 12–16 und einer zumindest ein erfindungsgemäßen Modul aufweisende Traktionsbatterie entsprechend dem Anspruch 17.The object is achieved by a housing according to claims 1-5, a busbar according to claims 6-11, a module according to claims 12-16 and at least one module according to the invention traction battery according to claim 17.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus der Beschreibung, den Figuren und den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen.Preferred embodiments will become apparent from the description, the figures and the respective dependent subclaims.
Ein erfindungsgemäßes Gehäuse für ein Modul einer Traktionsbatterie ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt und so gestaltet, dass eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen innerhalb des Gehäuses angeordnet werden kann. Bevorzugt ist das Gehäuse des Moduls als zweiteiliges, kastenförmiges Bauteil aufgebaut, in dem die elektrochemischen Zellen angeordnet werden. Ein derartiges Gehäuse kann beispielsweise kostengünstig als Spritzgießbauteil hergestellt werden.An inventive housing for a module of a traction battery is preferably made of a plastic material and designed so that a plurality of electrochemical cells can be arranged within the housing. Preferably, the housing of the module is constructed as a two-part, box-shaped component, in which the electrochemical cells are arranged. Such a housing can for example be produced inexpensively as injection molding.
Wenn das Gehäuse zweiteilig, aus beispielsweise einem unteren Gehäuseteil und einem oberen Gehäuseteil aufgebaut ist, kann das untere und/oder das obere Gehäuseteil Ausnehmungen zur formschlüssigen Aufnahme und Fixierung der elektrochemischen Zellen aufweisen. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen so gestaltet, dass eine einzelne elektrochemische Zelle in jeweils einer Ausnehmung positioniert werden kann. Alternativ wäre es aber auch möglich, eine Ausnehmung so zu gestalten, dass mehrere elektrochemische Zellen in einer Ausnehmung angeordnet werden und diese beispielsweise über zwischen den Zellen angeordnete zusätzliche Distanzstücke voneinander beabstandet werden. Durch die Anordnung dieser Ausnehmungen kann sowohl die Lage der Zellen relativ zueinander als auch relativ zu den Gehäuseteilen definiert werden.If the housing is constructed in two parts, for example, a lower housing part and an upper housing part, the lower and / or the upper housing part may have recesses for the positive reception and fixing of the electrochemical cells. Preferably, the recesses are designed so that a single electrochemical cell can be positioned in each case a recess. Alternatively, it would also be possible to design a recess such that a plurality of electrochemical cells are arranged in a recess and these are spaced apart, for example, by means of additional spacers arranged between the cells. The arrangement of these recesses, both the position of the cells can be defined relative to each other and relative to the housing parts.
Die im weiteren Verlauf allgemein für ein Gehäuse vorgenommene Beschreibung der Erfindung ist ohne weiteres auch auf einen einzelnen Gehäuseteil eines mehrteiligen Gehäuses übertragbar und damit ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfasst.The description of the invention, which is generally made hereinafter for a housing, can easily be applied to a single housing part of a multi-part housing and thus also encompasses the concept of the invention.
Um die thermische Ausdehnung der Zellen zu kompensieren kann zwischen den Zellen und dem Gehäuse zusätzlich ein Toleranzen ausgleichendes Material, vorzugsweise ein kompressibles Material angeordnet werden und/oder ausgebildet sein.In order to compensate for the thermal expansion of the cells can be compensated between the cells and the housing in addition to a tolerances Material, preferably a compressible material are arranged and / or be formed.
Wenn die elektrochemischen Zellen jeweils an ihren distalen Enden eine Elektrode aufweisen, beispielsweise bei zylindrischen Zellen, können alle Zellen im Gehäuse gleichsinnig, das heißt das zum Beispiel alle Kathoden auf einer Gehäuseseite, oder in Gruppen gegensinnig zueinander, wenn die Gesamtheit aller Zellen mehrere Gruppen aufweist, bei denen innerhalb einer Gruppe alle Zellen gleichsinnig, in Bezug auf andere Gruppen aber gegensinnig, gerichtet sind, angeordnet werden. Alternativ können elektrochemische Zellen Verwendung finden, die so gestaltet sind, dass sich sowohl die Anode als auch die Kathode auf einer Seite der Zellen befinden (beispielsweise im Fall von prismatischen Zellen).If the electrochemical cells each have an electrode at their distal ends, for example in cylindrical cells, all the cells in the housing can be in the same direction, that is, for example, all cathodes on one side of the housing, or in opposite directions in groups, if the total of all cells has multiple groups in which all cells within a group are directed in the same direction, but in relation to other groups in opposite directions. Alternatively, electrochemical cells may be used which are designed so that both the anode and the cathode are on one side of the cells (for example in the case of prismatic cells).
Unabhängig von der Anordnung und der Art der Zellen im Gehäuse ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gehäuse benachbart zu den einzelnen Elektroden der Zellen mit Öffnungen versehen ist.Regardless of the arrangement and the type of cells in the housing, the invention provides that the housing is provided adjacent to the individual electrodes of the cells with openings.
Wenn alle im Gehäuse angeordneten Zellen im Hinblick auf die Ausrichtung ihrer Elektroden gleichsinnig orientiert sind, werden alle oder eine Gruppe von im Gehäuse befindlichen Zellen über eine Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden. Bei mehreren Gruppen werden jeweils alle Zellen der Gruppe parallel miteinander verbunden. Entsprechend werden bei mehreren Gruppen mit unterschiedlicher Orientierung der Elektroden jeweils alle Zellen einer Gruppe parallel miteinander verbunden.When all the cells arranged in the housing are oriented in the same direction with respect to the alignment of their electrodes, all or a group of cells located in the housing are electrically connected to one another via a parallel connection. With several groups, all cells of the group are connected in parallel. Accordingly, in the case of several groups with different orientation of the electrodes, in each case all cells of a group are connected in parallel to one another.
Zur Verbindung wird erfindungsgemäß eine flache Stromschiene aus einem elektrisch leitfähigen Material verwendet, beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, vorzugsweise jedoch aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.For connection according to the invention, a flat busbar made of an electrically conductive material is used, for example made of copper or a copper alloy, but preferably of aluminum or an aluminum alloy.
Die Kontaktierung der Stromschiene mit den einzelnen Elektroden der Zellen kann auf verschiedenste Arten und Weisen erfolgen, beispielsweise durch Press-, Schraub-, Löt- oder Schweißverbindungen.The contacting of the busbar with the individual electrodes of the cells can be done in various ways and ways, for example by pressing, screwing, soldering or welding connections.
Besonders bevorzugt geschieht die Kontaktierung durch einen bekannten Drahtbond-Prozess. Dabei wird die Elektrode durch die Öffnung im Gehäuse über einen dünnen Draht mit der Stromschiene verbunden, wobei in einem ersten Verfahrensschritt der Draht an seinem einen Ende mit der Elektrode einer Zelle und in einem darauffolgenden Verfahrensschritt an einem zum ersten Bauteil benachbarten Abschnitt mit der Stromschiene verbunden, vorzugsweise verschweißt wird und dabei vorzugsweise gleichzeitig abgelängt wird.Particularly preferably, the contacting is done by a known Drahtbond process. In this case, the electrode is connected through the opening in the housing via a thin wire to the busbar, wherein connected in a first method step, the wire at one end to the electrode of a cell and in a subsequent process step at a portion adjacent to the first component with the busbar , is preferably welded, and preferably simultaneously cut to length.
Derartige Bond-Prozesse können hochgradig automatisiert durchgeführt werden. Dabei ist es zur korrekten Führung und Positionierung der Bondwerkzeuge und des Bonddrahtes im Verbindungsprozess vorteilhaft, wenn die Elektroden der elektrochemischen Zellen möglichst vollständig für ein optisches Erkennungssystem sichtbar sind. Aus diesem Grund sollten weder das Gehäuse noch die Stromschiene die Elektroden wesentlich verdecken.Such bonding processes can be performed highly automated. It is advantageous for the correct guidance and positioning of the bonding tools and of the bonding wire in the connection process when the electrodes of the electrochemical cells are as completely as possible visible to an optical recognition system. For this reason, neither the housing nor the bus bar should substantially obscure the electrodes.
Damit eine Schädigung der erzeugten Verbindungsstellen des Bonddrahtes an den Elektroden der im Gehäuse fixierten elektrochemischen Zellen und an der Stromschiene wirksam vermieden werden kann, muss verhindert werden, dass das Gehäuse und die Stromschiene während des Bondens zueinander in Schwingung geraten.In order that damage to the bond points of the bonding wire produced at the electrodes of the electrochemical cells fixed in the housing and to the busbar can be effectively avoided, it is necessary to prevent the housing and the busbar from vibrating with each other during bonding.
Dies kann insbesondere vermieden werden, wenn am Gehäuse benachbart zu jeder Öffnung zumindest ein Fixierelement angeordnet ist, das zur Befestigung der Stromschiene dient.This can be avoided in particular if at least one fixing element, which serves to fasten the busbar, is arranged on the housing adjacent to each opening.
Die Fixierelemente können vielfältig gestaltet sein, beispielsweise als Stifte, Gewindestangen, Nieten, Rastpins oder ähnliches.The fixing can be designed diverse, such as pins, threaded rods, rivets, locking pins or the like.
Durch eine derartige Anordnung der Fixierelemente entsteht ein zum Raster der Öffnungen im Gehäuse verschobenes Raster von Fixierelementen, welches zusätzlich die Anordnung mehrerer oder je nach Modul unterschiedlicher Stromschienen auf dem Gehäuse ermöglicht, ohne dass das Gehäuse jeweils individuell gefertigt oder angepasst werden muss.Such an arrangement of the fixing results in a grid of the openings in the housing displaced grid of fixing elements, which additionally allows the arrangement of several or depending on the module different busbars on the housing, without the housing must be individually manufactured or adapted.
Vorteilhafterweise sind die Fixierelemente jeweils zu allen benachbarten Öffnungen identisch beabstandet angeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht es, deutlich weniger Fixierelemente vorzusehen als Öffnungen im Gehäuse vorhanden sind, da ein Fixierelement immer die Festlegung der Stromschiene in Bezug auf die umgebenden Öffnungen gewährleisten kann. Hierdurch kann bei der Fertigung des Gehäuses Material eingespart werden und es werden gegebenenfalls auch weniger Fixierungsschritte zur endgültigen Verbindung von Stromschiene und Gehäuse benötigt. Gleichzeitig kann die Anbindung der Stromschiene an das Gehäuse unabhängig von ihrer konkreten Ausgestaltung, beispielsweise ihrer Form, qualitativ homogen gestaltet werden. In Bezug auf den Verbindungsprozess der Zellen mit der Stromschiene ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass die Fixierelemente minimal von allen Öffnungen beabstandet sind und sich so günstige Verhältnisse im Hinblick auf Kontaktierungswege und Zugänglichkeit der Öffnungen ergeben.Advantageously, the fixing elements are each arranged identically spaced apart from all adjacent openings. This embodiment makes it possible to provide significantly fewer fixing elements than openings in the housing, since a fixing element can always ensure the fixing of the busbar with respect to the surrounding openings. As a result, can be saved in the manufacture of the housing material and it may also be required less fixation steps for the final connection of busbar and housing. At the same time, the connection of the busbar to the housing, regardless of their specific design, such as their shape, are made qualitatively homogeneous. With regard to the connection process of the cells to the busbar, there is the additional advantage that the fixing elements are minimally spaced from all openings and thus result in favorable conditions with regard to contacting paths and accessibility of the openings.
In einer bevorzugten Ausführungsform ragen die Fixierelemente stiftartig, vorzugsweise senkrecht, mit einem Durchmesser dF aus der mit Öffnungen versehenen Oberfläche des Gehäuses heraus. Der Durchmesser dF ist dabei so gewählt, dass er mit in der Stromschiene angeordneten Ausnehmungen korrespondiert. Durch eine derartige Ausführung ist die Kopplung von Gehäuse und Stromschiene besonders einfach ausführbar, indem die Stromschiene lediglich auf die stiftartig herausragenden Fixierelemente aufgesteckt und im Anschluss gegebenenfalls zusätzlich fixiert wird.In a preferred embodiment, the fixing elements protrude like a pin, preferably vertically, with a diameter d F out of the apertured surface of the housing. Of the Diameter d F is chosen so that it corresponds with arranged in the busbar recesses. By such an embodiment, the coupling of the housing and busbar is particularly simple executable by the busbar is merely plugged onto the pin-like protruding fixing and optionally additionally fixed in connection.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Fixierelemente integral und materialeineinheitlich mit dem Gehäuse ausgebildet sind. Handelt es sich bei dem Gehäuse beispielsweise um ein Kunststoffbauteil das in einem Spritzgießverfahren hergestellt wird, können die Fixierelemente bereits bei der Konstruktion des Gehäuses vorgesehen und gleichzeitig mit diesem im Spritzgießverfahren hergestellt werden. Eine derartige Ausführung des Gehäuses ist besonderes günstig und schnell mit gleichbleibender Qualität herstellbar.It is particularly preferred if the fixing elements are integrally and materially formed unitarily with the housing. If the housing is, for example, a plastic component which is produced in an injection molding process, the fixing elements can already be provided in the construction of the housing and at the same time be manufactured therewith by injection molding. Such an embodiment of the housing is particularly cheap and quickly produced with consistent quality.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die Stromschiene bereits bei der Herstellung des Gehäuses in einem Spritzgießwerkzeug angeordnet. Das in das Spritzgießwerkzeug eingebrachte flüssige Material zur Herstellung des Gehäuses durchdringt die in der Stromschiene angeordneten Ausnehmungen und die Stromschiene wird durch die Verfestigung des Materials sicher und dauerhaft mit dem Gehäuse verbunden.In an advantageous embodiment, the busbar is already arranged in an injection mold during the production of the housing. The introduced into the injection mold liquid material for the production of the housing penetrates the recesses arranged in the busbar and the busbar is securely and permanently connected to the housing by the solidification of the material.
Zur Verbindung des Gehäuses mit der Stromschiene hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn zumindest die Fixierelemente aus einem reversibel schmelzbaren Material, vorzugsweise einem Kunststoff, bestehen. In diesem Fall können die Fixierelemente mit der Stromschiene verschweißt werden, beispielsweise über ein Heizelementstumpf-, ein Laser- oder ein Ultraschallschweißverfahren. Derart wird eine dauerhafte und robuste Verbindung erzeugt und gleichzeitig werden Schwingungen zwischen der Stromschiene und dem Gehäuse vermieden.For connecting the housing to the busbar, it has proven to be particularly advantageous if at least the fixing elements made of a reversibly fusible material, preferably a plastic. In this case, the fixing elements can be welded to the busbar, for example via a Heizelementstumpf-, a laser or an ultrasonic welding process. Such a durable and robust connection is generated and at the same time vibrations between the busbar and the housing are avoided.
Unter reversibel schmelzbarem Material werden hierbei Materialien verstanden, bei denen das Material unter üblichen Betriebsbedingungen, d. h. beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von bis ca. 150°C im festen Aggregatzustand vorliegt und sowohl vor als auch nach einem oder mehreren Schmelzzyklen mit darauffolgenden Erstarrungszyklen die gleichen Eigenschaften aufweist. Dies ermöglicht beispielsweise auch im Reparaturfall den Austausch einer Stromschiene oder aber bei der stofflichen Wiederverwertung der Traktionsbatterie eine einfache Trennung von Gehäuse und Stromschiene.Under reversible fusible material in this case understood materials in which the material under normal operating conditions, d. H. For example, at an ambient temperature of up to about 150 ° C in the solid state and present both before and after one or more melting cycles with subsequent solidification cycles the same properties. This allows, for example, in case of repair, the replacement of a busbar or in the recycling of the traction battery, a simple separation of housing and busbar.
Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Stromschiene kann mit dem zuvor beschriebenen Gehäuse eine einfache und sichere Verbindung von Gehäuse und Stromschiene erreicht werden. Gleichzeitig kann nach der Montage der Stromschiene am Gehäuse ein Schwingen, erzeugt durch Relativbewegungen zwischen Stromschiene und Gehäuse, durch die Anordnung und Art der Fixierelemente in Verbindung mit der Stromschiene wirksam vermieden werden.Regardless of the specific configuration of the busbar can be achieved with the housing described above, a simple and secure connection of housing and busbar. At the same time can be effectively avoided by the arrangement and type of fixing in connection with the busbar after mounting the busbar on the housing swinging, generated by relative movements between busbar and housing.
An einem Gehäuse eines Moduls einer Traktionsbatterie wird erfindungsgemäß eine Stromschiene, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, unmittelbar benachbart zu einer Seite des Gehäuses mit mehreren Öffnungen, angeordnet. Die Stromschiene ist zur Verbindung einer Mehrzahl von im Gehäuse angeordneten elektrochemischen Zellen vorgesehen. Die Stromschiene ist so gestaltet, dass diese bei Anordnung am Gehäuse die Öffnungen nicht verdeckt. Hierzu weist die Stromschiene eine verzweigte Form mit mehreren untereinander verbundenen parallel und/oder senkrecht zueinander angeordneten Bereichen auf.On a housing of a module of a traction battery according to the invention a bus bar, which consists of an electrically conductive material, immediately adjacent to one side of the housing having a plurality of openings arranged. The bus bar is provided for connecting a plurality of electrochemical cells arranged in the housing. The busbar is designed so that it does not obscure the openings when arranged on the housing. For this purpose, the busbar has a branched shape with a plurality of interconnected parallel and / or mutually perpendicular areas.
Unter einer verzweigten Form im erfindungsgemäßen Sinn wird verstanden, dass die Stromschiene einzelne Öffnungen im Gehäuse, im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Sammelplatten, nicht vollständig umgibt.A branched form in the sense of the invention is understood to mean that the bus bar does not completely surround individual openings in the housing, in contrast to the collection plates known from the prior art.
Eine derart gestaltete Stromschiene kann vorteilhaft entlang der zwischen den Öffnungen des Gehäuses bestehenden Stege verlaufen. Die Stromschiene erstreckt sich dabei im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung, wobei sich von der Stromschiene vorzugsweise orthogonal zur Längsrichtung Seitenarme mit weiteren Bereichen erstrecken. Die Stromschiene kann somit beispielsweise eine F-, m-, T- oder L-Form aufweisen.Such a designed busbar can advantageously extend along the existing between the openings of the housing webs. The busbar extends substantially along a longitudinal direction, wherein extending from the busbar preferably orthogonal to the longitudinal direction side arms with other areas. The busbar can thus have, for example, an F, m, T or L shape.
Die Stromschiene weist in den Bereichen zur Verbindung mit dem Gehäuse vorzugsweise Ausnehmungen zur Aufnahme von am Gehäuse angeordneten Fixierelementen mit dem Durchmesser dF auf. Der Durchmesser dA der Ausnehmungen ist dabei größer oder gleich dem Durchmesser der Fixierelemente.In the areas for connection to the housing, the busbar preferably has recesses for receiving fixing elements with the diameter d F arranged on the housing. The diameter d A of the recesses is greater than or equal to the diameter of the fixing elements.
Die Breite der Stromschiene dS in Längserstreckung, das heißt parallel zu einer Reihe von Öffnungen im Gehäuse verlaufend, entspricht bevorzugt der Stegbreite zwischen zwei minimal beabstandeten, benachbarten Öffnungen im Gehäuse. Hierdurch kann die Stromschiene zum Erreichen einer geforderten Stromtragfähigkeit besonders flach ausgebildet werden und die Module können damit bauraumoptimiert gestaltet werden. Gleichzeitig ergibt sich bei der Herstellung der Stromschiene ein Vorteil, da die Verarbeitung eines flachen Halbzeugs günstiger ist als die Verarbeitung eines dicken Halbzeugs.The width of the busbar d S in the longitudinal extent, that is to say running parallel to a row of openings in the housing, preferably corresponds to the web width between two minimally spaced, adjacent openings in the housing. In this way, the busbar to achieve a required current carrying capacity can be made particularly flat and the modules can thus be designed space-optimized. At the same time results in the production of the busbar an advantage, since the processing of a flat semi-finished product is cheaper than the processing of a thick semi-finished product.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante weist die Stromschiene in den die Ausnehmungen umgebenden Kontaktierungsbereichen eine Breite dSA auf, die größer ist als die Breite dS in den übrigen Bereichen. Vorzugsweise ist die Breite dSA größer oder gleich der Summe aus dS und dA. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Stromschiene bei konstanter Dicke auch in den Bereichen, in denen Ausnehmungen angeordnet sind, eine ausreichende Stromtragfähigkeit aufweist. In a particularly preferred embodiment, the bus bar in the contacting regions surrounding the recesses has a width d SA which is greater than the width d S in the remaining areas. Preferably, the width d SA is greater than or equal to the sum of d S and d A. This makes it possible to ensure that the busbar has a constant current carrying capacity even in the regions in which recesses are arranged.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschiene ergibt sich, wenn der Übergang von Bereichen mit der Breite dSA zu den übrigen Bereichen mit der Breite dS einen stetigen Verlauf aufweist. Vorzugsweise folgt der Verlauf einer Sinus-Funktion.An advantageous embodiment of the busbar according to the invention results when the transition from regions having the width d SA to the other regions having the width d S has a continuous course. Preferably, the course follows a sine function.
Durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung ist für die Herstellung der Stromschiene nur ein minimaler Materialeinsatz erforderlich, diese ist dadurch besonders leicht, und gleichzeitig ist eine ausreichende Stromtragfähigkeit in allen Bereichen der Stromschiene gewährleistet.Due to the above-described embodiment, only a minimal use of material is required for the production of the busbar, this is particularly easy, and at the same time sufficient current carrying capacity is ensured in all areas of the busbar.
Die Herstellung der Stromschiene kann durch ein Stanz- oder Schneideverfahren aus einem geeigneten Halbzeug, beispielsweise einem Blech, erfolgen. Als Schneideverfahren eignen sich insbesondere Laser- oder Wasserstrahlschneideverfahren.The production of the busbar can be done by a punching or cutting process of a suitable semi-finished product, such as a sheet. Laser cutting or water jet cutting methods are particularly suitable as cutting methods.
Es hat sich zusätzlich herausgestellt, dass erfindungsgemäß gestaltete Stromschienen im Betrieb der Traktionsbatterie eine homogene Temperaturverteilung aufweisen, d. h. es kommt nicht zur Ausbildung von lokalen Temperaturspitzen (sogenannten „hot spots”). Sollte eine Temperierung nötig sein, könnte eine derart gestaltete Stromschiene zusätzlich besonders effektiv aktiv temperiert, beispielsweise gekühlt, werden.It has additionally been found that busbars designed according to the invention have a homogeneous temperature distribution during operation of the traction battery, ie. H. it does not come to the formation of local temperature peaks (so-called "hot spots"). If a tempering be necessary, such a designed busbar could also be especially effective active tempered, for example, cooled.
Bei einer ganz besonders bevorzugte Ausführungsform der Stromschiene weisen die Ausnehmungen in der Stromschiene auf der dem Gehäuse abgewandten Seite einen größeren Durchmesser dA,max auf als auf der dem Gehäuse zugewandten Seite. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausnehmungen hierzu im Querschnitt kegelstumpfförmig oder zumindest abschnittsweise kegelstumpfförmig ausgestaltet. Durch diese Geometrie kann Material der Fixierelemente, die bei der Verbindung der Stromschiene mit dem Gehäuse, beispielsweise durch ein Heizelementstumpfschweißverfahren, aufgeschmolzen werden, sich nahezu vollständig in der Ausnehmung der Stromschiene anordnen, so dass wiederum im Hinblick auf den benötigten Bauraum eine besonders flache Anordnung erzielt wird, die Schmelze die benachbarten Bereiche der Stromschiene nicht undefiniert verunreinigt und zusätzlich eine besonders sichere Verbindung von Stromschiene und Gehäuse generiert wird, wenn das die Stromschiene partiell umgreifende geschmolzene Material ausgehärtet ist.In a very particularly preferred embodiment of the busbar, the recesses in the busbar on the side facing away from the housing on a larger diameter d A, max than on the side facing the housing. In a preferred embodiment, the recesses for this purpose in cross-section frustoconical or at least partially frusto-conical configured. As a result of this geometry, the material of the fixing elements, which are melted when the busbar is connected to the housing, for example by a heating element butt welding process, can almost completely be arranged in the recess of the busbar, so that a particularly flat arrangement is again achieved with regard to the required installation space is, the melt, the adjacent areas of the busbar not undefined contaminated and additionally a particularly secure connection of busbar and housing is generated when the busbar partially encompassing molten material is cured.
Ein erfindungsgemäßes Modul für eine Traktionsbatterie weist eine Ausführungsform eines zuvor beschriebenen Gehäuses mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, sowie eine Ausführungsform einer zuvor beschriebenen Stromschiene auf.An inventive module for a traction battery has an embodiment of a previously described housing with a plurality of electrochemical cells, as well as an embodiment of a previously described busbar.
Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Elementen kann das Modul weiterhin auch eine Temperiervorrichtung und Sensoren, beispielsweise zur Strom-, Spannungs- und/oder Temperaturmessung, aufweisen.In addition to the elements described above, the module can also have a tempering device and sensors, for example for current, voltage and / or temperature measurement.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material der Zentrierelemente während des Verbindens mit der Stromschiene aufgeschmolzen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Zentrierelemente über ein gängiges Schweißverfahren, wie ein Heizelementstumpf-, ein Laser- oder ein Ultraschallschweißverfahren nach der Anordnung der Stromschiene am Gehäuse aufgeschmolzen werden, wobei die aufgeschmolzenen Bereiche sich so anordnen, dass nach dem Aushärten bzw. Erstarren der Fixierelemente die Stromschiene fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Denkbar wäre auch die Stromschiene in einem Spritzgießwerkzeug anzuordnen, wo die Ausnehmungen der Stromschiene vom flüssigen Material des Gehäuses durchdrungen bzw. umgeben wird und nach dessen Aushärten bei den Ausnehmungen Fixierelemente bzw. Fixierelemente ausbilden, wodurch die Stromschiene fest mit dem Gehäuse verbunden ist.In a preferred embodiment, the material of the centering elements is melted during connection to the busbar. This can be done, for example, by melting the centering elements by means of a common welding method, such as a heating element stump, laser or ultrasonic welding method, after the busbar has been arranged on the housing, the molten areas being arranged in such a way that, after hardening or solidification the fixing the busbar is firmly connected to the housing. It would also be conceivable to arrange the busbar in an injection molding tool where the recesses of the busbar are penetrated or surrounded by the liquid material of the housing and form fixing elements or fixing elements after hardening of the recesses, whereby the busbar is firmly connected to the housing.
Vorteilhaft weist ein Modul mehrere Stromschienen auf, von denen jeweils eine zur elektrischen Kontaktierung jeweils einer Gruppe aus einer Teilmenge der im Gehäuse angeordneten elektrochemischen Zellen vorgesehen ist, über Fixierelemente mit dem Gehäuse verbunden sind.Advantageously, a module has a plurality of busbars, one of which is provided for electrically contacting a respective group of a subset of the electrochemical cells arranged in the housing, are connected to the housing via fixing elements.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn unterschiedlich geformte Stromschienen, von denen jeweils eine zur elektrischen Kontaktierung jeweils einer Gruppe der im Gehäuse angeordneten elektrochemischen Zellen vorgesehen ist, über Fixierelemente mit dem Gehäuse verbunden sind.It is particularly advantageous if differently shaped busbars, one of which is provided in each case for making electrical contact with a group of the electrochemical cells arranged in the housing, are connected to the housing via fixing elements.
Besonders bevorzugt weisen eine oder zwei der Stromschienen zumindest eine Potentialkontaktierungsöffnung (beispielsweise eine Einpressöffnung) auf, über die eine Verbindung zur Übergabe oder Übernahme eines Potentials an oder von einem Nachbarmodul hergestellt werden kann. Beispielsweise kann hierzu in die Potentialkontaktierungsöffnung ein Bolzen eingepresst werden, der über eine einfach gestaltete Stromschiene mit dem Nachbarmodul verbunden wird.Particularly preferably, one or two of the busbars have at least one potential contacting opening (for example a press-in opening) via which a connection can be established for the transfer or acceptance of a potential to or from a neighboring module. For example, for this purpose, a bolt can be pressed into the potential contacting opening, which is connected via a simply designed busbar to the neighboring module.
Ganz besonders bevorzugt sind mehrere Potentialkontaktierungsöffnungen randseitig an der Stromschiene angeordnet, so dass abhängig von der Einbaulage ein Bolzen jeweils in der Potentialkontaktierungsöffnung angeordnet werden kann, die dem benachbarten Modul bzw. dem dortigen Potentialübergabepunkt nächstgelegen ist. Quite particularly preferably, a plurality of potential-contacting openings are arranged on the edge of the busbar so that, depending on the installation position, a bolt can be arranged in each case in the potential-contacting opening which is closest to the adjacent module or the potential transfer point there.
Die zuvor genannten Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass die elektrochemischen Zellen sehr variabel miteinander verschaltet werden können, beispielsweise um eine bestimmte elektrische Leistung bei einer bestimmten Spannung bereitzustellen, oder aber eine thermisch optimierte Anordnung zu erreichen.The aforementioned embodiments offer the advantage that the electrochemical cells can be interconnected very variably with one another, for example in order to provide a specific electrical power at a specific voltage, or else to achieve a thermally optimized arrangement.
Dabei ist es bevorzugt, wenn die Anzahl der im Modul angeordneten elektrochemischen Zellen einer Zahl entspricht, bei der es sich im mathematischen Sinn um eine „hoch zusammengesetzte Zahl handelt, vorzugsweise um 12, 24, 36, 60 oder 120 Zellen. Besonders bevorzugt ist eine Anzahl von Zellen aus der Menge der „besonders hoch zusammengesetzten Zahlen” (1, 2, 6, 12, 60, 360, 2520), bevorzugt um 12, 60 oder 360 Zellen. Als außerordentlich geeignet im Hinblick auf eine möglichst variable Verschaltung bei der Herstellung von Modulen für Traktionsbatterien haben sich Module mit 60 Zellen erwiesen. Die zuvor beschriebenen Anzahlen von Zellen bieten die Möglichkeit die Zellen im Modul in einem symmetrischen Raster anzuordnen, so dass, durch die große, bzw. maximale Zahl der möglichen ganzzahligen Teiler, durch Verwendung von entsprechend gestalteten erfindungsgemäßen Stromschienen verschiedene Spannungslagen mit einem Modul erzeugt werden können. So wäre es bei der Verwendung von 60 Zellen in einem Modul möglich 4 Gruppen von jeweils 15 Zellen über Stromschienen zu verschalten, alternativ wäre es aber auch möglich andere Spannungslagen zu generieren, indem beispielsweise 2 × 30, 3 × 20, 5 × 12, 6 × 10, ..., 30 × 2 Zellen miteinander über Stromschienen verbunden werden. Hierdurch kann ein Modul, lediglich durch die Verwendung anderer Stromschienen, für verschiedene Anwendungen, beispielsweise Fahrzeugbaureihen, eingesetzt werden.It is preferred if the number of electrochemical cells arranged in the module corresponds to a number which in the mathematical sense is a "highly composite number, preferably 12, 24, 36, 60 or 120 cells. Particularly preferred is a number of cells from the set of "extra high numbers" (1, 2, 6, 12, 60, 360, 2520), preferably 12, 60 or 360 cells. Modules with 60 cells have proved extremely suitable with regard to the most variable possible interconnection in the production of modules for traction batteries. The above-described numbers of cells offer the possibility of arranging the cells in the module in a symmetrical grid, so that, by using large or maximum number of possible integer dividers, by using correspondingly designed bus bars according to the invention different voltage levels can be generated with one module , So it would be possible with the use of 60 cells in a module 4 groups of 15 cells via busbars, alternatively, it would also be possible to generate other voltage levels, for example, 2 × 30, 3 × 20, 5 × 12, 6 × 10, ..., 30 × 2 cells are connected to each other via busbars. This allows a module, only by the use of other busbars, for different applications, such as vehicle series, are used.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeigt ein Modul, bei dem eine Stromschiene mit den Elektroden der elektrochemischen Zellen über einen Bond-Draht elektrisch verbunden ist.A particularly preferred embodiment shows a module in which a bus bar is electrically connected to the electrodes of the electrochemical cells via a bonding wire.
Erfindungsgemäß weist eine Traktionsbatterie ein oder mehrere Module in einer der zuvor genannten Ausführungsformen auf. Eine derartige Traktionsbatterie kann kostengünstig hergestellt werden, ohne dass es bei der Kontaktierung der elektrochemischen Zellen zu Funktionseinbußen kommt. Gleichzeitig kann die Traktionsbatterie sehr variabel aufgebaut sein und ist im Hinblick auf das Gesamtgewicht und den benötigten Bauraum optimiert.According to the invention, a traction battery has one or more modules in one of the aforementioned embodiments. Such a traction battery can be produced inexpensively, without resulting in functionalities in the contacting of the electrochemical cells. At the same time, the traction battery can be constructed very variable and is optimized in terms of the total weight and the required space.
Eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie kommt vorzugsweise in einem Elektrofahrzeug, beispielsweise einem elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeug wie einem Last- oder Personenkraftwagen oder einem elektrisch angetriebenen Fahr- oder Motorkraftrad zum Einsatz. Grundsätzlich wäre es auch denkbar eine derartige Traktionsbatterie zum Antrieb von Flugzeugen, beispielsweise beim Rangieren auf Rollfeldern, oder beliebigen anderen Fahrzeugen einzusetzen.A traction battery according to the invention is preferably used in an electric vehicle, for example a motor vehicle driven by an electric motor, such as a truck or passenger car, or an electrically driven vehicle or motor vehicle. In principle, it would also be conceivable to use such a traction battery for propulsion of aircraft, for example when maneuvering on taxiways, or any other vehicles.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN UND WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES AND WAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Bei dem in
Die zweite Stromschiene
An den Stromschienen
An seinen Ecken weisen die Gehäusehalbschale
Zusätzlich weist die Gehäusehalbschale
Das in
Durch die verzweigte Form der Stromschiene
In den Bereichen, in denen die Ausnehmungen
Die äußere Kontur der Stromschiene
Die dargestellte Stromschiene
Der in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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