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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Batteriezelle, die zumindest einen Pol umfasst, und einem elektrischen Verbindungselement zum elektrischen Verbinden des zumindest einen Pols mit zumindest einer weiteren Komponente der Batterie, wobei das elektrische Verbindungselement elastisch verformbar ausgebildet ist. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
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In Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, werden Traktionsbatterien verwendet, um einen oder mehrere Elektromotoren mit Energie zu versorgen. Derartige Batterien können mehrere Batteriezellen bzw. Einzelzellen umfassen, die beispielsweise elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Kontaktierung der Einzelzellen in der Traktionsbatterie erfolgt heute mit unterschiedlichen Fügeverfahren. Beispielsweise können entsprechende Stromschienen verwendet werden. Diese Stromschienen sind beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen dieser Materialien gefertigt. Die Verbindung zwischen den Stromschienen und den Zellen erfolgt dabei beispielsweise durch Schrauben, Schweißen oder Leitkleben. Dabei muss bei der Kontaktierung darauf geachtet werden, dass die Zellen weder thermisch noch mechanisch zu stark beansprucht werden und dennoch ein guter Übergangswiderstand erreicht wird.
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Die heutzutage verwendeten Fügeverfahren weisen unterschiedliche Nachteile auf. Bei Verschraubungen wird ein relativ großer Bauraum benötigt und zudem wird kein optimaler Übergangswiderstand erreicht. Beim Schweißen werden hohe Anforderungen an die Toleranzen und Positionen der Zellen gestellt. Das Leitkleben erfolgt mit einem heutzutage kostspieligen Material, da die Klebstoffe teure leitfähige Füllstoffe beinhalten. Zudem führt die Verbindung durch Leitkleben ebenso wie die anderen Verbindungsverfahren zu einer relativ starren Verbindung. Falls Batterien in Zukunft auch Kräfte während eines Zusammenstoßes beziehungsweise Crashs aufnehmen müssen, ist es eventuell nötig, dass auch die Zellen gewisse Kräfte tolerieren können. Sind die Terminals starr mit den Stromschienen verbunden, kann dies zu einem Abreißen der Terminals oder einer Beschädigung der Zelle führen.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2011 088 576 A1 ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die über Zellverbinder zusammengeschaltet sind. Der Zellverbinder ist durch einen Hohlkörper aus einem elektrisch nicht leitenden Material gebildet, der ein elektrisch leitendes Fluid enthält.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2012 004 532 A1 eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens zwei Batteriezellen und wenigstens einem Verbindungselement, welches zumindest einen elektrischen Pol einer ersten Batteriezelle mit einem elektrischen Pol wenigstens einer Batteriezelle verbindet. Das Verbindungselement umfasst eine Vielzahl von Einzeldrähten, welche in einem jeweiligen Anschlussbereich kompaktiert sind.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 10 2009 024 513 A1 ein Batteriezellverbinder mit einem ersten zum Anschluss an einen Batteriepol einer ersten Batterie gebildeten Anschlussteil, einem zweiten Anschlussteil und einem zwischen den Anschlussteilen angeordneten, die Anschussteile elektrisch miteinander kontaktierenden Verbindungsteil bekannt. Das Verbindungsteil kann voneinander beabstandete Rippen aufweisen und somit flexibel ausgebildet sein.
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Die
DE 20 2010 012 555 U1 beschreibt einen Batteriezellverbinder mit einem ersten zum Anschluss an einen Batteriepol einer ersten Batterie gebildeten Anschlussteil, einem zweiten Anschlussteil, einem zwischen den Anschlussteilen angeordneten, die Anschlussteile elektrisch miteinander kontaktierenden Verbindungsteil, wobei das Verbindungsteil einen wellenförmigen Längsschnitt zwischen den Anschlussteilen aufweist.
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Zudem ist aus der
DE 10 2010 030 809 A1 ein Verbinder zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen Batteriezellen-Terminals bekannt. Der Verbinder umfasst wenigstens zwei Verbindungsabschnitte aus jeweils unterschiedlichem Material, die in wenigstens einem Verbindungsbereich durch einander kontaktierende Oberflächen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Dabei liegen Teilchen der aneinander liegenden Oberflächen der beiden Verbindungsabschnitte in einer Grenzschicht durchmischt vor.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie die elektrische Kontaktierung innerhalb einer Batterie eines Kraftfahrzeugs zuverlässiger erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine Batteriezelle, die zumindest einen Pol umfasst, und ein elektrisches Verbindungselement zum elektrischen Verbinden des zumindest einen Pols mit zumindest einer weiteren Komponente der Batterie, wobei das elektrische Verbindungselement elastisch verformbar ausgebildet ist und wobei das elektrische Verbindungselement zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer gebildet ist.
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Die Batterie kann mehrere Batteriezellen umfassen, die beispielsweise elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jede der Batteriezellen umfasst zumindest einen Pol zur äußeren elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle. Üblicherweise umfasst jede der Batteriezellen zwei Pole, zwischen denen eine Zellspannung anliegt. Das elektrische Verbindungselement dient zum elektrischen Verbinden eines Pols der Batteriezelle mit einer weiteren stromführenden Komponente der Batterie. Das elektrische Verbindungselement umfasst ein elektrisch leitfähiges Elastomer. Das elektrisch leitfähige Elastomer kann aus einen elektrisch isolierenden Elastomer gebildet sein, in welches ein Füllstoff eingebracht ist. Das elektrisch leitfähige Elastomer kann also ein Verbundmaterial sein, das elektrisch leitfähig ist. Es handelt sich also um einen elastisch verformbaren Kunststoff, der zusätzlich elektrisch leitfähig ausgebildet ist.
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Durch den Einsatz eines leitfähigen, aber dennoch elastischen Materials können Bewegungen einzelner Bauteile innerhalb der Batterie, die beispielsweise bei einem Zusammenstoß beziehungsweise einem Crash auftreten können, auch an den stromführenden Bauteilen ausgeglichen werden. Außerdem kann durch das elektrische Verbindungselement auch ein Toleranzausgleich hergestellt werden. Darüber hinaus bietet ein elektrisches Verbindungselement, das zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer gebildet ist, den Vorteil, dass es einfach und kostengünstig gefertigt werden kann.
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Bevorzugt umfasst das elektrische Verbindungselement Graphit. Mit anderen Worten umfasst das elektrisch leitfähige Elastomer Graphit. In das Elastomer kann hierzu eine vorbestimmte Menge an Graphit eingebracht sein. Insbesondere ist das Graphit innerhalb des Elastomers gleichmäßig verteilt. Durch das Graphit wird das Elastomer elektrisch leitfähig. Somit ist das elektrische Verbindungselement insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer-Graphit-Verbundmaterial gebildet. Ein derartiges elektrisches Verbindungselement kann einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das elektrische Verbindungselement zusätzlich Partikel aus Metall. Derartige Metallpartikel können zusätzlich zu dem Graphit in das Elastomer eingebettet sein. Beispielsweise können hierbei Partikel aus Nickel, Silber und/oder Kupfer verwendet werden. Durch die Einbettung zusätzlicher Metallpartikel kann die elektrische Leitfähigkeit des Elastomers erhöht werden.
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In einer Ausgestaltung umgibt das elektrische Verbindungselement den zumindest einen Pol der Batteriezelle zumindest bereichsweise. Dabei ist es denkbar, dass an dem elastisch ausgebildeten elektrischen Verbindungselement ein weiteres elektrisch leitfähiges Element angeordnet ist. Dieses elektrisch leitfähige und zugleich elastisch verformbare Verbindungselement kann somit als Toleranzausgleich dienen.
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Bevorzugt ist das elektrische Verbindungselement zumindest bereichsweise zwischen dem zumindest einen Pol der Batteriezelle und einer Stromschiene zum elektrischen Verbinden des zumindest einen Pols der Batteriezelle mit einem Pol einer weiteren Batteriezelle angeordnet. Die Stromschiene kann beispielsweise aus Metall gebildet sein. Somit kann das elektrische Verbindungselement beziehungsweise das elektrisch leitfähige Elastomer ähnlich wie ein Leitkleber eingesetzt werden, mit dem die Stromschiene an den Polen der Batteriezellen befestigt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das elektrische Verbindungselement zwischen dem zumindest einen Pol, der außerhalb des Gehäuses der Batterie angeordnet ist, und einer Elektrode, die innerhalb des Gehäuses der Batterie angeordnet ist, angeordnet. Somit kann durch das elektrische Verbindungselement ein Toleranzausgleich innerhalb der Batteriezelle bereitgestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Batterie zumindest zwei Batteriezellen und das elektrische Verbindungselement ist als Stromschiene zum elektrischen Verbinden der Pole der zumindest zwei Batteriezellen ausgebildet. Somit kann eine elastische Stromschiene bereitgestellt werden, mit der zwei oder mehrere Pole der Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden werden können. Somit wird eine Stromschiene aus einem Elastomer-Graphit-Verbundmaterial verwendet, mit der einerseits Toleranzen ausgeglichen werden können und welche andererseits unempfindlicher gegen äußere Einflüsse ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Batterie zumindest zwei Batteriezellen und eine Stromschiene zum elektrischen Verbinden der Pole der zumindest zwei Batteriezellen, wobei die Stromschiene ein erstes und ein zweites Leitelement umfasst und wobei das elektrische Verbindungselement zwischen dem ersten und dem zweiten Leitelement angeordnet ist. Das erste und das zweite Leitelement können beispielsweise aus einem Metall gefertigt sein. Zwischen diesen beiden Leitelementen ist das elektrische Verbindungselement beziehungsweise das elektrisch leitfähige Elastomer angeordnet. Auf diese Weise kann ein Ausgleichselement aus einem Elastomer-Graphit-Verbundmaterial bereitgestellt werden.
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Bevorzugt sind das erste Leitelement zumindest teilweise aus Kupfer und das zweite Leitelement zumindest teilweise aus Aluminium gefertigt. Das erste Leitelement kann auch aus einer Kupferlegierung gefertigt sein. Das zweite Leitelement kann auch aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein. Somit eignet sich die Verwendung einer solchen Stromschiene insbesondere für die Kontaktierung von Batteriepolen, die üblicherweise entweder aus Kupfer oder Aluminium gefertigt sind.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst die erfindungsgemäße Batterie. Das Kraftfahrzeug kann als Elektrofahrzeug oder als Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Insbesondere ist die Batterie hierbei als Traktionsbatterie ausgebildet und dient zur elektrischen Versorgung zumindest einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs.
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Die zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen gelten sinngemäß für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Batterie mit einem elektrischen Verbindungselement, das zwischen einem Pol der Batteriezelle und einer Elektrode der Batteriezelle angeordnet ist;
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2 eine Batterie mit einem elektrischen Verbindungselement, das zwischen einem Pol der Batteriezelle und einer Stromschiene der Batterie angeordnet ist;
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3 eine Stromschiene für eine Batterie, die aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer gebildet ist; und
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4 eine Stromschiene für eine Batterie, die ein elektrisch leitfähiges Elastomer umfasst.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Die in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen unterschiedliche Verwendungen für elektrische Verbindungselemente 26 in Batterien 10. Insbesondere können die elektrischen Verbindungselemente 26 für Batterien 10 in Kraftfahrzeugen, die als Traktionsbatterien ausgebildet sind, verwendet werden. Bevorzugt kann die Batterie 10 in Elektrofahrzeugen Einsatz finden.
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Das elektrische Verbindungselement 26 ist aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer gebildet. Das elektrische Verbindungselement 26 kann beispielsweise aus einem Silikon, einem Kautschuk oder einem Gummi gefertigt sein. Zudem kann das elektrische Verbindungselement 26 Graphit bzw. Partikel aus Graphit umfassen. Darüber hinaus kann das elektrische Verbindungselement 26 Partikel aus Metall, wie beispielsweise Nickel, Silber und/oder Kupfer umfassen. Das Graphit und/oder die Metallpartikel können hierzu in das flüssige Elastomer eingebracht werden und gleichmäßig verteilt werden. Anschließend kann das Elastomer in der gewünschten Form ausgehärtet bzw. vulkanisiert werden. Nach dem Aushärten des Elastomers ergibt sich ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement, das zusätzlich elastisch verformbar ausgebildet ist.
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1 zeigt eine Batterie 10 für ein Kraftfahrzeug in einer geschnittenen Seitenansicht. Die Batterie 10 umfasst üblicherweise mehrere Batteriezellen, die beispielsweise elektrisch in Reihe geschaltet sind. In 1 ist ein Schnitt durch eine der Batteriezellen 12 der Batterie 10 ausschnittsweise dargestellt.
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Die Batteriezelle 12 umfasst ein Gehäuse 14 beziehungsweise eine Zellhülle. Innerhalb des Gehäuses 14 ist eine Elektrode 16 angeordnet, die auch als Stromsammler bezeichnet werden kann. Darüber hinaus umfasst die Batteriezelle 12 einen Pol 18. Der Pol 18 ist mit einem Terminal 20 elektrisch verbunden Das Terminal 20 dient der äußeren elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 12. Darüber hinaus ist zwischen dem Terminal 20 und dem Gehäuse 14 ein erstes Isolationselement 22 angeordnet. Im Inneren des Gehäuses 14 ist ein zweites elektrisches Isolationselement 24 angeordnet. Zwischen der Elektrode 16 und dem Pol 18 der Batteriezelle ist ein elektrisches Verbindungselement 26 angeordnet. Das elektrische Verbindungselement 26 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Inneren des Gehäuses 14 der Batteriezelle 12 angeordnet.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann das elektrische Verbindungselement 26 verwendet werden, um flexible Terminals beziehungsweise Pole 18 zu realisieren. Wenn der Pol 18 bzw. das Terminal 20 mit einer weiteren Komponente über eine Stromschiene 20 elektrisch verbunden wird, kann das elektrische Verbindungselement 26 somit in einem gewissen Rahmen Toleranzen ausgleichen. Ein solcher Ansatz wäre insbesondere bei Fügeverfahren, die einen hohen Anspruch an die Positionsgenauigkeit der Bauteile haben, vorteilhaft. In diesem Ausführungsbeispiel kann das elektrische Verbindungselement 26, das aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer gebildet ist, auch eine Dichtungsfunktion übernehmen. Das elektrische Verbindungselement 26 kann zugleich als Dichtelement ausgebildet sein, das innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Verschmutzungen oder Flüssigkeit in das Innere des Gehäuses 14 der Batteriezelle 12 eindringen können.
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2 zeigt eine Batterie 10 in einer weiteren Ausführungsform. Auch hier ist eine geschnittene Seitenansicht einer Batteriezelle 12 ausschnittsweise dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Elektrode 16 durch das Gehäuse 14 der Batteriezelle 12. Vorliegend ist das elektrische Verbindungselement 26 zwischen dem Pol 18 der Batteriezelle 12 und einer Stromschiene 28 angeordnet. Die Stromschiene 28 dient dem elektrischen Verbinden des Pols 18 der Batteriezelle 12 mit einem Pol einer weiteren Batteriezelle. Durch die Anordnung des elektrischen Verbindungselements 26 zwischen dem Pol 18 und der Stromschiene 28 können Relativbewegungen zwischen den einzelnen Bauteilen zugelassen und eine gewisse Dämpfungsfunktion zwischen den Bauteilen bereitgestellt werden. Im Vergleich zu einem leitfähigen Klebstoff ist die elektrische Verbindung durch das elektrische Verbindungselement 26 je nach Wahl des leitfähigen Füllstoffs kostengünstiger. Zudem kann die Kontaktierung hierbei automatisiert erfolgen. Beispielsweise kann das Elastomer im flüssigen Zustand mittels einer Befülleinrichtung in den Raum zwischen Pol 18 und Stromschiene 28 eingebracht werden und anschließend ausgehärtet werden.
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3 zeigt ein elektrisches Verbindungselement 26 in einer weiteren Ausführungsform. Hierbei ist die elektrische Verbindungselement 26 als Stromschiene 28 ausgebildet, die der elektrischen Kontaktierung von zwei Polen 18 von Batteriezellen 12 dient. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die komplette Stromschiene 28 aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer gebildet. Eine derartige Stromschiene 28 kann Relativbewegungen zwischen den verbundenen Bauteilen zulassen und eine Dämpfungsfunktion zwischen den Bauteilen bereitstellen. Somit kann verhindert werden, dass äußere Kräfte nahezu unvermindert auf andere Batteriezellen 12 übertragen werden. Eine Beschädigung des Terminals 20 der Batteriezelle 12 mit einem potentiell darauf folgenden Havariefall kann zudem verhindert werden. Des Weiteren kann die Stromschiene 28 in beliebiger Form kostengünstig hergestellt werden.
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4 zeigt ein elektrisches Verbindungselement 26 in einer weiteren Ausführungsform. Auch in diesem Beispiel ist das elektrische Verbindungselement 26 als Stromschiene 28 ausgebildet. Das elektrische Verbindungselement 26 umfasst ein erstes Leitelement 30 und ein zweites Leitelement 32. Das erste Leitelement 30 kann beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt sein. Das zweite Leitelement 32 kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein. Zwischen dem ersten Leitelement 30 und dem zweiten Leitelement 32 ist das elektrische Verbindungselement 26 angeordnet, das aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer gebildet ist. Somit kann durch das elektrische Verbindungselement 26 ein Ausgleichselement innerhalb der Stromschiene 28 bereitgestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011088576 A1 [0004]
- DE 102012004532 A1 [0005]
- DE 102009024513 A1 [0006]
- DE 202010012555 U1 [0007]
- DE 102010030809 A1 [0008]
