DE102012219384A1 - Modulverbinder für Batteriepacks, Batteriepack sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Modulverbinder (13) für Batteriepacks bereitgestellt, der ein Rohr (14), das Teil eines Kühlmittelkreislaufs ist, aufweist, an dem im Bereich der beiden Enden jeweils ein Element (17) zur Kontaktierung mit jeweils einem Endterminal eines Moduls (11) befindlich ist. Durch den erfindungsgemäßen Modulverbinder (13) kann ein besonders guter Wärmeübergang bis in die einzelne Zelle hinein über Modulverbinder (13), Zellterminal und Elektrode dargestellt werden. Damit findet ein effizienter Wärmeaustausch zur Kühlung des Zellinneren statt. Ferner werden ein Batteriepack, das Modulverbinder (13) aufweist, sowie ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Modulverbinder für Batteriepacks, einen Batteriepack bestehend aus zumindest zwei Modulen aus zumindest zwei Zellen sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Batteriemodule stellen wiederaufladbare elektrische Energiespeicher dar, die einen breiten Einsatz in tragbaren Konsumgeräten und in automobilen Anwendungen finden, wobei insbesondere Lithium-Ionen-Batterien bzw. -Akkumulatoren und auch Zellen auf Nickel-Metallhydrid (NiMH) Technologiebasis als Schlüsseltechnologie für die teilweise oder vollständige Elektrifizierung von Fahrzeugen gelten.
  • Dabei werden, wie in 1 dargestellt, in der Regel große Menge an Batteriezellen 11 parallel und seriell zu einer Batterie 10 verschaltet. Der Aufbau der Zellen 11 zu einer Batterie 10 geschieht üblicherweise nach einer hierarchischen Struktur, bei der zunächst Zellen 10 zu einem Modul 12 zusammengesetzt werden und zwei oder mehr Module 12 eine Untereinheit (Subunit) ausbilden. Zwei oder mehr Subunits bilden dann wiederum die Batterie 10 aus. Module 12 untereinander bzw. Subunits sind mit elektrisch leitenden Verbindern 13, in der Regel aus Kupfer, verknüpft.
  • Eine Batterie in einem Kraftfahrzeug muss sehr hohe Leistungen bereitstellen (> 10 kW). Dazu fließen teilweise Ströme, vornehmlich beim Entladen, aber auch beim Laden, von > 100A. Zur Minimierung von Verlustleistungen bei diesen Strömen werden die Modulverbinder mit entsprechend großem Querschnitt in Form von kupfernen Metallschienen ausgelegt.
  • Diese Batteriemodule und insbesondere Lithium-Ionen-Batterien bzw. -Akkumulatoren dürfen je nach Leistungsanforderung für einen dauerhaft sicheren und schonenden Betrieb nur in einem bestimmten Temperaturbereich betrieben werden. Unter Berücksichtigung der Leistungsfähigkeit und insbesondere einer möglichst langsamen Alterung, das heißt der mit der Zeit zunehmende Kapazitätsverlust von Zellen, ist beispielsweise, je nach Zusammensetzung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, eine optimale Betriebstemperatur im Bereich zwischen 30 °C und 40 °C gegeben.
  • Der Kapazitätsverlust ist umso schneller, je höher die Betriebstemperatur der Zellen bzw. des Zellinneren, der sogenannten Jellyroll, ist. Um die Alterung zu verzögern, können die Zellen mit Hilfe eines Kühlsystems gekühlt werden. Dies geschieht beispielsweise mittels einer flüssigkeitsdurchströmten Kühlplatte, die Teil eines Kühlsystems ist, auf der die Zellen angeordnet sind. Durch diese Anordnung kann die während des Betriebs der Zellen entstehende Wärme, nämlich Joulesche Wärme, die durch den elektrischen Strom und den inneren Widerstand der Zelle beschrieben werden kann, sowie Wärme, die aufgrund reversibler Vorgänge in der Zelle freigesetzt wird, abgeführt werden.
  • Aus der US 3,989,884 ist ein Hochspannungsenergiekabel bekannt, das eine innere Wasserkühlung aus einem Kühlmittelrohr aufweist, das von einem elektrischen Leiter umgeben ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Modulverbinder in Batterien bzw. Batteriepacks zur Verfügung gestellt, der ein Rohr aufweist, an dem im Bereich der beiden Enden jeweils ein Element zur Kontaktierung mit jeweils einem Endterminal eines Moduls einer Batterie befindlich ist.
  • Das Rohr des Modulverbinders dient zum Transport von Kühlflüssigkeit zwischen den Modulen der Batterie und ist damit Teil des Kühlsystems. Abgesehen davon dient das Rohr auch zur elektrischen Kontaktierung der Module miteinander.
  • Vorzugsweise ist das Rohr gerade, so dass es sich in besonders einfacher Weise herstellen und mit den Elementen zur Kontaktierung verbinden lässt.
  • Die Elemente zur Kontaktierung können als ein Teil beispielsweise als gerades, gewinkeltes oder vorzugsweise gerundetes Blech ausgestaltet sein, das mit dem Rohr verbunden ist und an beiden Seiten des Rohrs übersteht. Das gerundete Blech hat vorzugsweise einen mit dem Rohr korrespondierenden Radius, so dass ein optimaler Wärmeaustausch gewährleistet ist. Die überstehenden Enden des Blechs bilden dann die eigentlichen Elemente zur Kontaktierung aus, die an den Endterminals festgelegt werden.
  • Deren Ausgestaltung wiederum wird durch die Beschaffenheit der Endterminals bestimmt. Vorzugsweise werden die Elemente durch Laschen ausgebildet, die eine Durchgangsöffnung aufweisen, durch die Endterminals geführt und daran fixiert werden, beispielsweise durch Verschrauben.
  • Alternativ zu vorgenannter Ausführungsform können die Elemente zur Kontaktierung auch separat an dem Rohr festgelegt sein.
  • Das Rohr ist an den Enden derart ausgeformt, dass sich jeweils ein Schlauch des Kühlsystems daran festlegen lässt. Die Schläuche sind dabei nicht leitend, wie auch das verwendete Kühlmittel.
  • Zwischen dem jeweiligen Schlauch und dem Ende des Rohrs kann eine Dichtung angeordnet sein.
  • Der erfindungsgemäße Modulverbinder besteht aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise einem geeigneten Metall, wie Aluminium oder Kupfer, besonders bevorzugt aus Kupfer.
  • Der erfindungsgemäße Modulverbinder ist insbesondere zur Überbrückung größerer Strecken von mehr als 50 cm im Batteriepack geeignet, da dabei die Kombination mehrerer Funktionen in einem Bauteil besonders zum Tragen kommt.
  • Die Funktionen sind:
    • – elektrische Leitung / Ladungstransport von einem Modul zum nächsten,
    • – Kühlmitteltransport,
    • – Wärmeaustausch zur Kühlung der Batterie.
  • Durch die Kombination mehrerer Funktionen in einem Bauteil kann ein besonders guter Wärmeübergang bis in die einzelne Zelle hinein über Modulverbinder, Zellterminal und Elektrode dargestellt werden. Damit findet ein effizienter Wärmeaustausch zur Kühlung des Zellinneren bzw. der sogenannten Jellyroll statt.
  • Gegenstand der Erfindung sind zudem eine Batterie bzw. ein Batteriepack, die bzw. das erfindungsgemäße Modulverbinder aufweist, wobei die Zellen vorzugsweise Lithium-Ionen-Zellen sind, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren erfindungsgemäßen Batteriepack.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in einer schematischen Ansicht eine Batterie nach dem Stand der Technik,
  • 2 in einer Seitenansicht ein erfindungsgemäßer Modulverbinder,
  • 3 in einer Aufsicht der erfindungsgemäße Modulverbinder nach 2, und
  • 4 in einer perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßer Modulverbinder nach einer zweiten Ausführungsform.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 2 ist ein erfindungsgemäßer Modulverbinder 13 dargestellt, der ein gerades Rohr 14 sowie ein Blech 15 aufweist, das mit dem Rohr 14 verbunden ist und das Rohr 14 an beiden Enden überragt. An den Enden des Rohrs 14 sind Kühlmittelschläuche 16 festgelegt. Das Blech 15 ist an den Enden, die jeweils ein Element 17 zur Kontaktierung bilden, zweimal abgewinkelt, um auf das Niveau von den nicht dargestellten Endterminals eines ebenfalls nicht dargestellten Moduls 11 zu gelangen.
  • In der Aufsicht des Modulverbinders 13 gemäß 3 ist ersichtlich, dass die Enden des Blechs 15 bzw. die Elemente 17 jeweils mit einer Durchgangsbohrung 18 versehen sind, die zur Festlegung eines Endterminals dienen.
  • 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Modulverbinders 13, bei der das Blech 15 wie das Rohr 14 gerundet ist, so dass beide Elemente des Modulverbinders 13 eine möglichst große Kontaktfläche aufweisen. Die Enden des gerundeten Blechs 15 können in geeigneter, hier jedoch nicht dargestellter Form zur Ausbildung der Elemente 17 zur Kontaktierung von Endterminals ausgestaltet sein.
  • Der erfindungsgemäße Modulverbinder bietet folgende Vorteile: Es gibt einen direkten Kühlmittel-Leiter-Kontakt. Damit kann Wärme besonders gut abgeführt werden. Der kostenaufwendige Einsatz von Kupfer beim Modulverbinder lohnt sich stärker, da gleichzeitig noch eine Kühlleitung geformt wird. Durch Kühlung des Modulverbinders besteht eine guter Wärmeübergang bis in die Zellen hinein (Jellyrolls) über Zellverbinder, Zellterminals und Elektroden, die alle so konstruiert sind, dass die elektrischen und damit in der Regel auch die thermischen Kontaktwiderstände minimiert sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 3989884 [0007]

Claims (8)

  1. Modulverbinder für Batteriepacks, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulverbinder (13) ein Rohr (14) zum Transport von Kühlflüssigkeit aufweist, an dem im Bereich der beiden Enden jeweils ein Element (17) zur Kontaktierung mit jeweils einem Endterminal eines Moduls (11) befindlich ist.
  2. Modulverbinder nach Anspruch 1, wobei die Elemente (17) zur Kontaktierung durch ein gerades, gewinkeltes oder gerundetes Blech (15) ausgebildet sind, das mit dem Rohr (14) verbunden ist und an beiden Seiten des Rohrs (14) übersteht.
  3. Modulverbinder nach Anspruch 1, wobei die Elemente (17) zur Kontaktierung separat am Rohr (14) festgelegt sind.
  4. Modulverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elemente (17) zur Kontaktierung eine Durchgangsöffnung (18) aufweisen.
  5. Modulverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Modulverbinder (13) aus Aluminium oder Kupfer besteht.
  6. Batteriepack bestehend aus zumindest zwei Modulen (11) aus zumindest zwei Zellen (10), wobei die Module (11) mit Modulverbindern (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verbunden sind.
  7. Batteriepack nach Anspruch 6, wobei die Zellen Lithium-Ionen-Zellen sind.
  8. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriepack gemäß Anspruch 6 oder 7.
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