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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden mehrerer elektrischer Energiespeicher zu einer Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
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Für die Bereitstellung der zum Antrieb eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs benötigten elektrischen Energie können elektrische Energiespeicher verwendet werden, also insbesondere elektrostatische Energiespeicher und/oder elektrochemische Energiespeicher wie etwa galvanischen Zellen (z.B. Lithiumionenzellen, Bleibatterien, Zink/Luft-Zellen, Lithium/Luft-Zellen, Nickel-Metallhydrid-Zellen) und Kondensatoren (z.B. Doppelschichtkondensatoren – Double Layer Condensators, DLC) oder auch Brennstoffzellen. Für die Bereitstellung ausreichender Betriebsspannungen und zur Erfüllung von Energie- und Leistungsanforderungen ist es bekannt, elektrische Energiespeicher miteinander parallel und/oder in Serie zu einer Batterie zu verbinden bzw. zu „verschalten“.
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Eine Vorrichtung zum seriellen oder parallelen Verbinden („Verschalten“) einzelner elektrischer Energiespeicher zu einer Batterie ist beispielsweise aus der Druckschrift
WO 2010/012337 A1 bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung weist einen aus elektrisch isolierendem Material gebildeten Träger mit separaten Aussparungen auf, in welchen elektrisch leitende Kontaktelemente zum elektrischen Verbinden der Zellen angeordnet sind. Zum Kühlen der Energiespeicher wird eine Wärmeleitplatte verwendet. Eine solche Vorrichtung hat den Vorteil, dass eine gewünschte elektrische Verbindung mehrerer Energiespeicher in einem einzigen Arbeitsschritt realisiert werden kann. Jedoch ist ihre Herstellung relativ teuer und aufwendig.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Verbinden mehrerer elektrischer Energiespeicher, also insbesondere elektrochemischer Energiespeicher und/oder elektrostatischer Energiespeicher, zu einer Batterie vorzuschlagen, welche sich kostengünstig herstellen lässt und es erlaubt, die Energiespeicher einfach und schnell miteinander zu verbinden und effektiv zu kühlen. Darüber hinaus soll ein möglichst kostengünstiges und einfach durchführbares Herstellungsverfahren für eine derartige Vorrichtung vorgeschlagen werden.
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Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche geben Ausführungsformen der Erfindung an.
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Dementsprechend umfasst die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Verbinden mehrerer elektrischer Energiespeicher zu einer Batterie, wobei die Vorrichtung mehrere elektrisch leitende Kontaktelemente, einen die Kontaktelemente fixierenden Träger sowie mindestens einen im Träger angeordneten Kühlkanal zum Kühlen der Kontaktelemente umfasst. Dabei weist der Träger ein elektrisch isolierendes Trägermaterial auf, mit dem die Kontaktelemente zumindest bereichsweise umgossen und/oder umspritzt sind.
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Die Vorrichtung erlaubt es, die elektrischen Energiespeicher einfach und schnell miteinander zu verbinden. Durch den Kühlkanal können die Kontaktelemente effektiv gekühlt werden, wobei durch die Verbindung der Kontaktelemente zu den elektrischen Energiespeichern Wärmeenergie von den elektrischen Energiespeichern abfließen kann. Das Umgießen und/oder Umspritzen erlaubt eine einfache und effiziente Herstellung des Trägers.
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Die Kontaktelemente können beispielsweise als Stanzteil aus einem einzigen Stück Blech herausgestanzt werden. Das Blech kann dabei insbesondere Kupfer und/oder Aluminium aufweisen.
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Der mindestens eine Kühlkanal der Vorrichtung kann dazu ausgebildet sein, ein Fluid, insbesondere Luft oder eine Flüssigkeit, als Kühlmittel zu führen. In einem Beispiel ist der Kühlkanal geschlossen ausgeführt. Beispielsweise kann er die Form eines Rohres aufweisen. Der Kühlkanal kann auch zunächst nach oben hin offen sein und durch einen Deckel abgeschlossen werden. Der Querschnitt des Kühlkanals kann beispielsweise rund oder auch eckig sein. Der Kühlkanal ist beispielsweise aus demselben elektrisch isolierenden Trägermaterial hergestellt wie der Rest des Trägers.
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In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens eine Leiterbahn auf, an die die Kontaktelemente angeschlossen sind. Diese Leiterbahn kann dazu dienen, den elektrischen Energiespeichern Energie zuzuführen oder zu entnehmen. Der mindestens eine Kühlkanal kann an einer der mindestens einen Leiterbahn abgewandten Seite der Kontaktelemente angeordnet sein. In einer Ausführungsform ragen die Kontaktelemente an einer der mindestens einen Leiterbahn abgewandten Seite in den Kühlkanal hinein. Der in den Kühlkanal hineinragende Teil der Kontaktelemente kann dabei umgebogen sein, um Kühlfahnen bereitzustellen.
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In einer Ausführungsform ist der Träger als ein Deckel oder als ein Boden des Gehäuses für die Batterie ausgestaltet. Dies erlaubt, in einem Arbeitsschritt die elektrischen Energiespeicher miteinander zu verbinden und die Batterie gegenüber einer Umwelt abzudichten.
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Der mindestens eine Kühlkanal kann an einem Anfang eine Anschlusseinrichtung zum Anschließen eines Kühlmittelzulaufs aufweisen. Genauso kann an einem Ende des mindestens einen Kühlkanals eine Anschlusseinrichtung zum Anschließen eines Kühlmittelablaufs vorgesehen sein. Durch diese Anschlusseinrichtungen wird es sehr einfach, den mindestens einen Kühlkanal in einen Kühlkreislauf einzubinden.
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Das Trägermaterial, aus dem der gemeinsame Träger hergestellt ist, kann beispielsweise als ein Thermoplast ausgestaltet sein. Thermoplasten bieten den Vorteil, dass sie leicht verarbeitbar sind und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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Zusätzlich umfasst die vorliegende Erfindung eine Batterie mit mehreren elektrischen Energiespeichern, die mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbinden mehrerer elektrischer Energiespeicher verbunden sind. Diese Batterie kann insbesondere für ein Fahrzeug verwendet werden.
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Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbinden mehrerer elektrischer Energiespeicher zu einer Batterie. Gemäß dem Verfahren wird ein Blech bereitgestellt. Dieses Blech wird bearbeitet, um mehrere elektrisch leitende Kontaktelemente zum Verbinden mehrerer elektrischer Energiespeicher zu einer Batterie herzustellen. Insbesondere kann das Blech gestanzt werden. Die Kontaktelemente werden mit einem elektrisch isolierenden Trägermaterial zumindest bereichsweise umgossen und/oder umspritzt, um so einen die Kontaktelemente fixierenden Träger mit mindestens einem Kühlkanal zum Kühlen der Kontaktelemente herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig und einfach durchführbar.
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Der Schritt des Bearbeitens kann dabei den Schritt umfassen, dass die Kontaktelemente an einer Seite umgebogen werden, um so Kühlfahnen bereitzustellen.
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Die vorliegende Erfindung wurde zum Teil mit Bezug auf eine Vorrichtung und zu einem anderen Teil mit Bezug auf ein Verfahren erläutert. Sofern nichts anderes angegeben ist, sind die Ausführungen mit Bezug auf die Vorrichtung analog auf das erfindungsgemäße Verfahren und die Ausführungen im Hinblick auf das Verfahren analog auf die Vorrichtung anwendbar. Das bedeutet, dass insbesondere das Verfahren die entsprechenden Schritte aufweist, um die Merkmale der Vorrichtung herzustellen. Um die Beschreibung nicht unnötig zu verlängern, wird auf die Wiederholung der Verfahrensschritte zur Herstellung der Vorrichtungsmerkmale verzichtet. Dennoch sollen diese Verfahrensschritte als offenbart gelten.
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Im Folgenden werden weitere Details und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Figuren erläutert. Dabei zeigen
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1 ein aus einem Blech hergestelltes erstes Halbzeug;
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2 ein aus dem ersten Halbzeug hergestelltes zweites Halbzeug;
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3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ansicht;
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4 die Ausführungsform aus 3 in einer zweiten Ansicht;
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5 die Ausführungsform aus 3 in einer dritten Ansicht;
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6 einen ersten Ausschnitt aus 5;
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7 einen zweiten Ausschnitt aus 5;
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8 einen dritten Ausschnitt aus 5;
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9 eine Detailansicht der Enden der Leiterbahnen;
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10 eine schematische Darstellung von verbundenen elektrischen Energiespeichern, die mittels einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden sind, und
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11 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In den nachfolgenden Erläuterungen werden gleiche und wirkungsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen benannt.
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1 zeigt ein erstes Halbzeug zur Herstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das erste Halbzeug 1 kann beispielsweise aus einem Blech ausgestanzt worden sein, das z. B. aus Kupfer oder Aluminium besteht. Zu erkennen sind elf Kontaktelemente 2 sowie Verbindungsstege 3, welche einen die Kontaktelemente 2 fixierenden Halterahmen ausbilden. Jedes der Kontaktelemente 2 weist jeweils zwei Endstücke 4 und 5 auf, welche an zwei einander entgegengesetzten Seiten der Kontaktelemente 2 angeordnet sind. Mit dem einen der beiden Endstücke 5 ist jedes der Kontaktelemente 2 mit einem der Verbindungsstege 3 verbunden. Mit dem anderen Endstück 4 ist jedes Kontaktelement mit einer Leiterbahn 6 verbunden, wobei die Leiterbahnen 6 ebenso wie die Endstücke 4 und 5 gleichzeitig mit den Kontaktelementen 2 und den Verbindungsstegen 3 aus einem Blech herausgestanzt worden sind. Das erste Halbzeug 1 hat in diesem Beispiel eine Dicke von etwa 0,6 mm. Die Kontaktelemente 2 haben beispielsweise eine Breite von 2 cm und eine Länge von 6 cm. Die Leiterbahnen können eine Breite von etwa 0,6 mm und eine Querschnittsfläche von etwa 0,36 mm2 aufweisen. Es sei an dieser Stelle betont, dass die genannten Abmaße nur beispielhaft genannt sind und an die Auslegung der Energiespeicher angepasst werden können.
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2 zeigt ein zweites Halbzeug 7, das aus dem ersten Halbzeug 1 hergestellt wurde. Die Verwendungsstege 3 wurden entfernt. Gleichzeitig wurden die Kontaktelemente 2 derartig umgebogen, dass sie jetzt eine U-Form aufweisen. Jeweils zwei Schenkel 8 eines jeden Kontaktelements 2 ragen aus der ursprünglichen Ebene des ersten Halbzeuges 1 im Wesentlichen senkrecht heraus. Die Schenkel 8 weisen somit in eine zur bevorzugten Fügerichtung R der Vorrichtung entgegengesetzte Richtung. Durch diese Form und Ausrichtung eignen sich die Kontaktelemente 2 besonders gut zum einfachen und gleichzeitigen Herstellen von Klemmverbindungen oder Ultraschall- oder Laserschweißverbindungen zwischen den Kontaktelementen 2 und Elektrodenkontakten von Energiespeicherzellen. Die Endstücke 5 wurden umgebogen, um entsprechende Kühlfahnen 9 bereitzustellen. Auch die Leiterbahnen 6 wurden an einem Ende umgebogen, um auf diese Weise eine Verbindungseinrichtung 10 zu schaffen. Über die Verbindungseinrichtung 10 kann den elektrischen Energiespeichern Energie zugeführt oder auch entnommen werden.
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Die 3 illustriert eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbinden mehrerer elektrischer Energiespeicher zu einer Batterie. Die Vorrichtung 11 umfasst das in 2 dargestellte zweite Halbzeug 7. An einer den Leiterbahnen 6 abgewandten Seite der Kontaktelemente 2 ist jeweils ein Kühlkanal 12 angeordnet, der die Kühlfahnen 9 der Kontaktelemente 2 umfasst. Über den Leiterbahnen 6 befindet sich ein Element, das mehrere Befestigungspunkte 13 für Elektronikbauteile zur Verfügung stellt. Über der Verbindungseinrichtung 10 befindet sich eine Schutzeinrichtung 14. Das zweite Halbzeug 7 befindet sich in einem Träger 15, der aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial besteht und die Kontaktelemente 2 fixiert. Die Kühlkanäle 12 bestehen aus demselben Trägermaterial und sind einstückig mit dem Träger 15 ausgestaltet. Bei dem Trägermaterial kann es sich beispielsweise um einen Thermoplasten handeln.
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4 zeigt die in 3 gezeigte Ausführungsform einer Vorrichtung 11 noch einmal in einer anderen Ansicht, in der die in 3 nicht zu sehenden Leiterbahnen 6 angedeutet sind.
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In der 5 ist die Vorrichtung 11 ohne Schutzeinrichtung 14 dargestellt, so dass die Verbindungseinrichtung 10 der Leiterbahnen 6 sichtbar ist. Durch Kreise sind ein erster Ausschnitt 16, ein zweiter Ausschnitt 17 und ein dritter Ausschnitt 18 markiert, die in den 6 bis 8 noch einmal vergrößert dargestellt sind und im Folgenden erläutert werden sollen.
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In 6 sind die Kühlfahnen 9 gut zu erkennen, die sich im Kühlkanal 12 befinden. Die Kühlfahnen 9 sind thermisch mit den Kontaktelementen 2 verbunden, so dass die Kontaktelemente 2 über die Kühlfahnen 9 gekühlt werden können. Die Wärme fließt also von den Kontaktelementen 2 zu den Kühlfahnen 9, die die Wärme an ein im Kühlkanal 12 fließendes Fluid abgeben.
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In 7 sind die Schenkel 8 des Kontaktelements 2 gut zu erkennen. Am Endstück 4 des Kontaktelements 2 können Temperatursensoren angeordnet werden, um die Temperatur der Kontaktelemente und damit die Temperatur der Energiespeicher zu überwachen. Gut zu sehen ist auch ein Befestigungspunkt 13, an dem z. B. eine Elektronikplatine befestigt werden kann.
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In der 8 ist noch einmal ein Kontaktelement 2 mit seinen Schenkeln 8 im Detail dargestellt. An den Endstücken 4 der Kontaktelemente können, wie bereits erwähnt, Sensoren für die Temperaturüberwachung angeordnet sein. Auf der anderen Seite der Kontaktelemente erstreckt sich der Kühlkanal 12, in dem sich die Kühlfahnen 9 befinden.
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9 illustriert die Verbindungseinrichtung 10 im Detail. Die Verbindungseinrichtung 10 besteht aus mehreren Enden von Leiterbahnen 6, die mit den entsprechenden Kontaktelementen 2 verbunden sind, die wiederum einen Zugang zu den elektrischen Energiespeichern gewährleisten. Dadurch kann über die Verbindungseinrichtung 10 den Energiespeichern Energie zugeführt werden oder ihnen auch entnommen werden.
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In 10 ist verdeutlicht, wie mehrere elektrische Energiespeicher mit Hilfe der Vorrichtung 11 miteinander verbunden werden können. In 10 sind mehrere Ableiter 19 von elektrischen Energiespeichern zu sehen. Jeweils zwei dieser Ableiter 19 sind parallel miteinander über einen Ableiterkontakt 20 verbunden. Die Ableiterkontakte 20 sind wiederum über Kontaktelemente 2 miteinander verschaltet.
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In der 11 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbinden mehrerer elektrischer Energiespeicher zu einer Batterie dargestellt. Zunächst wird in Schritt S1 ein Blech bereitgestellt. Dieses kann beispielsweise aus Kupfer oder auch Aluminium bestehen. In einem weiteren Schritt S2 wird dieses Blech gestanzt, um das in 1 dargestellte erste Halbzeug 1 zu erzeugen. Dieses wird in einem weiteren Schritt S3 bearbeitet, um das in 2 dargestellte zweite Halbzeug 7 herzustellen. In diesem Schritt erfolgt unter anderem eine Trennung der Kontaktelemente 2 von den Verbindungsstegen 3 und die Kontaktelemente 2 sowie die Endstücke 5 werden gebogen, um die Schenkel 8 bzw. die Kühlfahnen 9 bereitzustellen. Weitere Biegeverformungen werden durchgeführt, um dem zweiten Halbzeug 7 die in 2 gezeigte Form zu geben. In Schritt S4 werden die Kontaktelemente dann mit einem elektrisch isolierenden Trägermaterial zumindest bereichsweise umgossen und/oder umspritzt, um einen die Kontaktelemente fixierenden Träger mit mindestens einem Kühlkanal zum Kühlen der Kontaktelemente herzustellen.
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Die mit Bezug auf die Figuren gemachten Erläuterungen sind rein illustrativ und nicht beschränkend zu verstehen. An ihnen können viele Änderungen vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich, wie er in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist, zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Halbzeug
- 2
- Kontaktelement
- 3
- Verbindungssteg
- 4
- Endstück des Kontaktelements
- 5
- Endstück des Kontaktelements
- 6
- Leiterbahn
- 7
- zweites Halbzeug
- 8
- Schenkel
- 9
- Kühlfahne
- 10
- Verbindungseinrichtung
- 11
- Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
- 12
- Kühlkanal
- 13
- Befestigungspunkt
- 14
- Schutzeinrichtung
- 15
- Träger
- 16
- erster Ausschnitt
- 17
- zweiter Ausschnitt
- 18
- dritter Ausschnitt
- 19
- Ableiter
- 20
- Ableiterkontakt
- S1
- Bereitstellen eines Bleches
- S2
- Bearbeiten des Bleches, um ein erstes Halbzeug herzustellen
- S3
- Bearbeiten des ersten Halbzeuges, um ein zweites Halbzeug herzustellen
- S4
- zumindest bereichsweises Umgießen und/oder Umspritzen der Kontaktelemente mit einem elektrisch isolierenden Trägermaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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