DE102014214310A1 - Securing module to contain open arcs on cell connectors - Google Patents

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Gergely Galamb
Christian Schmid-Schoenbein
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherungsmodul (10) für ein mindestens zwei Batteriezellen (120) aufweisendes Batteriemodul (100), mit einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement (11), das zwischen Polanschlüssen (12) der Batteriezellen (120) anordbar ist, und welches die Batteriezellen (120) über eine Leitstrecke (13) elektrisch miteinander verbindet, und einem Sicherungselement (14), das zumindest im Bereich einer geometrisch kürzesten Verbindungsstrecke (15) zwischen den Polanschlüssen (12) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verbindungselement (11) derart ausgestaltet ist, dass die Leitstrecke (13) zwischen den Polanschlüssen (12) verlängert wird und das Sicherungselement (14) in die Verbindungsstrecke (15) hineinragt. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriemodul (100), welches mit einem erfindungsgemäßen Sicherungsmodul (10) ausgestattet ist.The invention relates to a fuse module (10) for a battery module (100) having at least two battery cells (120), with an electrically conductive connecting element (11) which can be arranged between pole connections (12) of the battery cells (120) and which the battery cells ( 120) electrically connects to one another via a guide path (13), and a securing element (14) which is arranged between the pole connections (12) at least in the region of a geometrically shortest connecting path (15). According to the invention it is provided that the connecting element (11) is designed such that the guide path (13) between the pole terminals (12) is extended and the securing element (14) protrudes into the connecting path (15). Furthermore, the invention relates to a battery module (100) which is equipped with a security module (10) according to the invention.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherungsmodul nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 zur Eindämmung von offenen Lichtbögen an elektrisch leitfähigen Verbindungselementen, welche die Polanschlüsse mehrerer Batteriezellen innerhalb eines Batteriesystems miteinander verbinden. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9.The present invention relates to a fuse module according to the preamble of claim 1 for containing open arcs on electrically conductive connecting elements which interconnect the pole terminals of a plurality of battery cells within a battery system. Furthermore, the invention relates to a battery module according to the preamble of claim 9.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist bekannt, dass Hybrid-, Plug-in-Hybrid sowie Elektrofahrzeuge zumindest zeitweise mittels elektrischer Energie betreibbar sind, welche in entsprechenden Energiespeichereinheiten, wie beispielsweise Akkumulatoren oder Batteriesystemen gespeichert wird. Diese Energiespeichereinheiten sind dabei in einem Bereich innerhalb des Fahrzeuges, wie beispielsweise dem Fahrzeugboden, angeordnet, um bei Bedarf elektrische Energie zum Betreiben eines Elektromotors dem Fahrzeug zur Verfügung stellen zu können.It is known from the general state of the art that hybrid, plug-in hybrid and electric vehicles can be operated at least temporarily by means of electrical energy which is stored in corresponding energy storage units, such as accumulators or battery systems. These energy storage units are arranged in an area within the vehicle, such as the vehicle floor, in order to provide electrical energy for operating an electric motor to the vehicle when needed.

Diese Batteriesysteme bestehen in der Regel aus einer Reihenschaltung von etwa 100 Batteriezellen, wobei die einzelnen Zellen über eine definierte elektrische Schwachstelle, sogenannte Schmelzsicherungen verfügen, die bei einem zu hohen Strom durchbrennt. Sobald der Strom durch diese Schwachstelle zu groß wird, erwärmt sich das Metall, schmilzt und trennt idealerweise den Überstrom. Es hat sich gezeigt, dass bei batterieinternen Kurzschlüssen während der Auslösung der Zellsicherung ein derartiger Lichtbogen entstehen kann, dass somit die Zellgehäuse aufgeschmolzen werden können, wobei Sauerstoff in das Zellinnere strömt und dieses explosive Gemisch durch den entstehenden Lichtbogen entzündbar ist. Dies kann zur Folge haben, dass die Zellen bei einer stark exothermen Reaktion zerstört werden und ebenfalls das Batteriegehäuse beschädigt werden kann. Um dieses Problem zu beheben, wird die Sicherung im Stromkreis nicht innerhalb der Zelle, sondern außerhalb der Batteriezelle, jedoch innerhalb des Batteriemoduls angeordnet. Dies ermöglicht es, die Verbindungselemente zwischen den Batteriezellen derart dünn auszugestalten, dass bei einem Kurzschluss diese Komponenten schmelzen und den Strom trennen. Hierfür ist es jedoch notwendig, dass derart hohe Ströme fließen, dass die Verbindungselemente sich auf mehrere 100 °C bis 1.000 °C erwärmen, damit das Verbindungsmaterial schmilzt. Bei diesem Vorgang können bereits isolierende Komponenten innerhalb des Batteriemoduls beschädigt werden. Des Weiteren können bei derartig hohen Spannungen und Strömen die Lichtbögen zwischen den Polanschlüssen mehrere Zentimeter lang werden, sodass diese zwischen den Polanschlüssen selbst bei komplett geschmolzenem Verbindungselement stehen bleiben können, wodurch Schäden an den Batteriezellen entstehen können.These battery systems usually consist of a series circuit of about 100 battery cells, the individual cells have a defined electrical vulnerability, so-called fuses, which burns at too high a current. As soon as the current through this weak point becomes too large, the metal heats up, melts and ideally separates the overcurrent. It has been shown that with battery-internal short circuits during the activation of the cell fuse such an arc can arise, that thus the cell housing can be melted, with oxygen flows into the cell interior and this explosive mixture is ignitable by the resulting arc. This may result in the cells being destroyed in a highly exothermic reaction and also the battery case may be damaged. To remedy this problem, the fuse in the circuit is not placed inside the cell but outside the battery cell, but inside the battery module. This makes it possible to design the connecting elements between the battery cells so thin that, in the event of a short circuit, these components melt and disconnect the current. For this, however, it is necessary that such high currents flow, that the connecting elements heat to several 100 ° C to 1000 ° C, so that the connecting material melts. This process can already damage insulating components within the battery module. Furthermore, at such high voltages and currents, the arcs between the Polanschlüssen can be several centimeters long, so that they can remain between the Polanschlüssen even with completely molten connection element, which can cause damage to the battery cells.

Aus dem Stand der Technik sind Temperaturschalter für derartige Batteriesysteme bekannt, welche bei einer definierten thermischen Belastung den Strom trennen. Aus der Druckschrift DE 10 2012 215 058 A1 ist ein solcher Temperaturschalter bekannt, der ein Bimetallelement umfasst, welches für eine optimale Wärmeübertragung an dem Batteriezellengehäuse anliegend angeordnet ist. Um einen Lichtbogen zu vermeiden, ist der Temperaturschalter hierbei als Schalter ausgebildet, welcher von dem Bimetallelement betätigbar ist. Temperature switches for such battery systems are known from the prior art, which separate the current at a defined thermal load. From the publication DE 10 2012 215 058 A1 Such a temperature switch is known, which comprises a bimetallic element, which is arranged for optimal heat transfer to the battery cell housing adjacent. In order to avoid an arc, the temperature switch is in this case designed as a switch which can be actuated by the bimetallic element.

Nachteilhaft hat sich hierbei herausgestellt, dass ein solcher Temperaturschalter als Sicherungselement aus Bauraum- und aus Kostensicht nicht rentabel, bzw. aufwendig herzustellen ist. Des Weiteren kann durch eine derartige Vorrichtung nicht sichergestellt werden, dass umliegend angeordnete Komponenten des Batteriesystems bei einer Fehlfunktion unbeschädigt bleiben.Disadvantageously, it has been found that such a temperature switch as a security element from space and cost point of view is not profitable, or consuming to produce. Furthermore, it can not be ensured by such a device that peripherally arranged components of the battery system remain undamaged in the case of a malfunction.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Sicherungsmodul zur Eindämmung von offenen Lichtbögen an Verbindungselementen zwischen den Polanschlüssen von Batteriezellen zumindest teilweise zu vermeiden, sodass die Batteriesysteme gegen Zerstörungen durch Überlastungen geschützt und gleichzeitig Bauraum und Kosten gespart werden können. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sicherungsmodul und ein Batteriemodul welches ein erfindungsgemäßes Sicherungsmodul beinhaltet zu schaffen, mittels welcher Lichtbögen an geschmolzenen Verbindungselementen minimiert werden können und wobei die Batteriezellensicherung außerhalb der Zelle anordbar ist.It is therefore an object of the present invention to at least partially avoid the disadvantages described above in a fuse module for containing open arcs on connecting elements between the pole terminals of battery cells, so that the battery systems can be protected against destruction by overloads and at the same time space and costs can be saved. In particular, it is the object of the present invention to provide a fuse module and a battery module which includes a fuse module according to the invention, by means of which arcs can be minimized to molten connecting elements and wherein the battery cell fuse can be arranged outside the cell.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Sicherungsmodul sowie ein Batteriemodul zur Eindämmung von offenen Lichtbögen an Verbindungselementen eines Batteriesystems mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9, insbesondere aus dem jeweiligen kennzeichnenden Teil. The above object is achieved by a fuse module and a battery module for containing open arcs on connecting elements of a battery system with the features of claims 1 and 9, in particular from the respective characterizing part.

Weitere Merkmale aus der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Sicherungsmodul beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann.Further features of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the fuse module, of course, in connection with the battery module according to the invention and in each case vice versa, so with respect to the disclosure of the individual Invention aspects is always reciprocal reference, or can be.

Erfindungsgemäß weist das Sicherungsmodul für ein mindestens zwei Batteriezellen aufweisendes Batteriemodul, ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement auf, das zwischen den Polanschlüssen der Batteriezellen anordbar ist und welches die Batteriezellen über eine Leitstrecke elektrisch miteinander verbindet. Des Weiteren weist das erfindungsgemäße Sicherungsmodul ein Sicherungselement auf, das zumindest im Bereich einer geometrisch kürzesten Verbindungsstrecke zwischen den Polanschlüssen angeordnet ist. Das Verbindungselement ist hierbei derart ausgestaltet, dass die Leitstrecke zwischen den Polanschlüssen verlängert wird und das Sicherungselement in die Verbindungsstrecke hineinragt. Mit den Polanschlüssen sind hierbei die untereinander verbundenen Pole der Batteriezellen eines Batteriemoduls zu verstehen. Die Verbindungsstrecke beschreibt die direkte Verbindung zwischen den Polanschlüssen der Batteriezelle, die den geometrisch kürzesten Abstand aufweist. Auf dieser Strecke würde bei einer zu hohen Belastung ein Lichtbogen zwischen den Polanschlüssen entstehen. Erfindungsgemäß wird die elektrisch leitfähige Verbindung jedoch nicht entlang der geometrischen kürzesten Verbindungsstrecke hergestellt, sondern mittels eines Verbindungselementes entlang der Leitstrecke zwischen den Polanschlüssen verlängert. Somit ist die Leitstrecke länger als die kürzesten Verbindungsstrecke. Hierdurch wird der Lichtbogen auf einer längeren Strecke (nämlich der Leitstrecke) als der Direktverbindung zwischen den Polanschlüssen geführt, sodass ein Kontakt mit umliegend angeordneten Bauteilen verhindert werden kann. Vornehmlich wird die geometrisch kürzeste Verbindungsstrecke durch das Sicherungselement komplett unterbrochen. According to the invention, the securing module for a battery module having at least two battery cells, an electrically conductive connecting element which can be arranged between the pole terminals of the battery cells and which electrically connects the battery cells via a conductor. Furthermore, the securing module according to the invention has a securing element which is arranged at least in the region of a geometrically shortest connecting path between the pole connections. The connecting element is in this case designed such that the guide path is extended between the pole terminals and the securing element protrudes into the connecting path. With the Polanschlüssen here are the interconnected poles of the battery cells of a battery module to understand. The connection path describes the direct connection between the pole terminals of the battery cell, which has the shortest geometric distance. On this route, an excessively high load would create an arc between the pole terminals. According to the invention, however, the electrically conductive connection is not produced along the shortest geometric connecting path, but lengthened by means of a connecting element along the guide path between the pole connections. Thus, the route is longer than the shortest link. As a result, the arc is performed over a longer distance (namely, the guide path) than the direct connection between the pole terminals, so that contact with peripherally arranged components can be prevented. Notably, the shortest geometric link is completely interrupted by the fuse element.

Im Rahmen der Erfindung kann das Sicherungselement schalenförmig ausgebildet sein, insbesondere kann das Sicherungselement das Verbindungselement entlang der Leitstrecke hüllenartig umgeben. Hierbei ist es denkbar, dass das Sicherungselement zweiteilig ausgebildet ist, wobei es sich dabei um ein Ober- und ein Unterteil oder zwei Seitenteile handeln kann, welche miteinander befestigt werden können. Des Weiteren ist es denkbar, dass mindestens eines der beiden schalenförmigen Bauteile eine Ausnehmung, insbesondere in Form eines Kanals, für das Verbindungselement aufweist, in der das Verbindungselement eingebettet werden kann. Vorzugsweise werden die beiden Bauteile, die das Sicherungselement bilden, formschlüssig miteinander verbunden, sodass kein Lichtbogen aus dem Sicherungselement austreten kann, sondern die durch den Lichtbogen entstandene Energie von dem Sicherungselement absorbiert wird. Um das Spaltmaß zwischen den beiden Bauteilen möglichst gering zu halten, ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass das Sicherungselement direkt am Verbindungselement befestigt wird. Weiterhin ist es denkbar, die beiden Hälften des Sicherungselementes durch Formschlußverbindungen oder Schraubenverbindungen miteinander zu verbinden.In the context of the invention, the securing element can be designed shell-shaped, in particular the securing element can surround the connecting element along the guide path like a shell. It is conceivable that the securing element is formed in two parts, which may be an upper and a lower part or two side parts, which can be fastened together. Furthermore, it is conceivable that at least one of the two shell-shaped components has a recess, in particular in the form of a channel, for the connecting element, in which the connecting element can be embedded. Preferably, the two components which form the securing element are positively connected with each other, so that no arc can escape from the securing element, but the energy resulting from the arc is absorbed by the securing element. In order to keep the gap between the two components as small as possible, it is conceivable within the scope of the invention that the securing element is fastened directly to the connecting element. Furthermore, it is conceivable to connect the two halves of the securing element by form-locking connections or screw connections with each other.

Des Weiteren ist es denkbar, dass das Sicherungselement elektrisch und/oder thermisch isolierend ausgestaltet ist. Hierbei kann es sich z. B. um elektrisch isolierende und hochtemperaturstabile Schalen handeln, die das Verbindungselement zumindest großflächig umhüllen. Eine elektrische und/oder thermische Isolierung, die um das Verbindungselement angeordnet werden kann, sorgt dafür, dass Lichtbögen keine umliegenden Komponenten beschädigen können und die Energie des Lichtbogens absorbiert werden kann. Furthermore, it is conceivable that the fuse element is configured electrically and / or thermally insulating. This may be z. B. act to electrically insulating and high-temperature stable shells, which envelop the connecting element at least over a large area. Electrical and / or thermal insulation, which can be arranged around the connecting element, ensures that arcs can not damage surrounding components and the energy of the arc can be absorbed.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass das Sicherungselement und das Verbindungselement miteinander verbindbar sind, insbesondere dass das Sicherungselement in Form einer Beschichtung auf das Verbindungselement auftragbar ist. Hierbei kann das Verbindungselement direkt mit einem temperaturstabilen Isolationsmaterial beschichtet werden. Die isolatorisch wirkende Beschichtung kann z. B. durch Sintern mit dem Verbindungselement verbunden werden. Weiterhin ist es denkbar, dass die Beschichtung durch Klebverbindungen oder durch Aufpressen unter hohem Druck auftragbar ist. Die das Verbindungselement entlang der Leitstrecke umgebende Isolationsschicht ermöglicht es, dass der Lichtbogen nicht mehr den direkten Weg zwischen den Polanschlüssen nehmen kann, sondern auf einen längeren Weg gezwungen wird. Somit erlischt der Lichtbogen durch den vergrößerten Abstand zwischen den Polanschlüssen. In the context of the invention, it is further possible that the securing element and the connecting element are connectable to each other, in particular that the securing element in the form of a coating on the connecting element can be applied. In this case, the connecting element can be coated directly with a temperature-stable insulating material. The isolatorisch acting coating can, for. B. be connected by sintering with the connecting element. Furthermore, it is conceivable that the coating can be applied by adhesive bonds or by pressing under high pressure. The insulating layer surrounding the connecting element along the guide path makes it possible for the arc to no longer be able to take the direct path between the pole connections, but is forced onto a longer path. Thus, the arc extinguishes due to the increased distance between the pole terminals.

Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass das Sicherungselement gepressten und/oder gesinterten Quarzsand aufweist. Unter Quarzsand soll an dieser Stelle z. B. Löschsand verstanden werden, welcher für Sicherungen unter anderem in der Hoch- und Niederspannung im Bereich der Energieversorgung bekannt ist. Der Quarzsand wird unter hoher Hitzeeinwirkung und hohem Druck in die gewünschte Geometrie geformt. Die besonderen Vorteile ergeben sich unter anderem durch die gute Wärmeleitfähigkeit, einer hohen Temperaturstabilität sowie die sehr guten elektrischen Isolationseigenschaften aufgrund der hohen Kriechstromfestigkeit, welche den Einsatz als Sicherung begünstigen. So liegt z. B. der Schmelzpunkt von Kupferleitungen bei etwa 1.000 °C, die Sintertemperatur von Quarzsand liegt hingegen bei über 1500 °C, sodass dahingehend genügend Sicherheitsreserven bezüglich der Temperaturstabilität bestehen. According to the invention, it is conceivable that the securing element has pressed and / or sintered quartz sand. Under quartz sand should at this point z. B. extinguishing sand to be understood, which is known for fuses among other things in the high and low voltage in the field of energy supply. The quartz sand is shaped under high heat and high pressure in the desired geometry. The special advantages are, inter alia, the good thermal conductivity, a high temperature stability and the very good electrical insulation properties due to the high tracking resistance, which favor the use as a backup. So is z. For example, the melting point of copper lines at about 1,000 ° C, the sintering temperature of quartz sand is, however, at about 1500 ° C, so there are sufficient safety reserves with respect to the temperature stability.

Des Weiteren ist es denkbar, dass durch das Sicherungselement flüssiges Schmelzmaterial, welches bei Erreichen des Schmelzpunktes des Verbindungselementes entsteht, absorbierbar ist. Hierbei macht man es sich zum Vorteil, dass die poröse Struktur des Sicherungselementes flüssiges Metall in den freien Poren aufnehmen kann. Diese entstehen durch Lufteinschlüsse innerhalb des Isolationsmaterials, welche z. B. bei der Herstellung von gepressten und/oder gesinterten Quarzsandformkörpern entstehen. Das Verbindungselement ist erfindungsgemäß als eine Schmelzsicherung in einer Überstromschutzeinrichtung ausgebildet, die beim Abschmelzen des Verbindungselementes den Stromkreis unterbricht, wenn die Stromstärke einen bestimmten Wert überschreitet. Die offenporige Ausgestaltung des Sicherungselementes ermöglicht durch die Aufnahme des verflüssigten Metalls, dass die Schmelze keine leitende Brücke bilden kann und somit die Entstehung eines Lichtbogens begünstigt. Furthermore, it is conceivable that liquid melting material, which is formed when the melting point of the connecting element is reached, is absorbable by the securing element. This makes it an advantage that the porous structure of the fuse element can absorb liquid metal in the free pores. These arise due to air pockets within the insulation material, which z. B. in the production of pressed and / or sintered Quarzsandformkörpern arise. The connecting element according to the invention is designed as a fuse in an overcurrent protection device, which interrupts the circuit during melting of the connecting element when the current exceeds a certain value. The open-pored design of the securing element allows by the inclusion of the liquefied metal, that the melt can form no conductive bridge and thus favors the formation of an arc.

Vorteilhaft kann das Verbindungselement und das Sicherungselement außerhalb der Batteriezelle angeordnet werden. Bei dieser Anordnung wird das Sicherungselement zwar außerhalb der Batteriezelle, jedoch innerhalb des Batteriemoduls angeordnet. Somit kann die Stromtragfähigkeit vom Verbindungselement derart ausgeführt werden, dass bei einem Kurzschluss dieses schmelzen und somit den Strom trennen kann. Hierbei verhindert das Sicherungselement, dass durch die Materialschmelze andere Komponenten in der Umgebung der Zelle beschädigt werden. Es ist des Weiteren denkbar, dass sich das Sicherungselement über die komplette Leitstrecke erstreckt. Somit wird verhindert, dass ein Lichtbogen zwischen den Polanschlüssen und entlang des leitenden Verbindungselementes entsteht. Weiterhin von Vorteil ist, dass bei einem Schmelzen des Verbindungselementes entlang der kompletten Leitstrecke das Schmelzmaterial durch das Sicherungselement komplett aufgenommen werden kann, sodass auch hierdurch die Entstehung eines Lichtbogens unterbunden werden kann.Advantageously, the connecting element and the securing element can be arranged outside the battery cell. In this arrangement, the fuse element is indeed arranged outside the battery cell, but within the battery module. Thus, the current carrying capacity of the connecting element can be carried out such that, in the event of a short circuit, it can melt and thus disconnect the current. In this case, the securing element prevents the molten material from damaging other components in the vicinity of the cell. It is also conceivable that the securing element extends over the complete guide track. Thus, it is prevented that an arc between the pole terminals and along the conductive connecting element is formed. It is also advantageous that, when the connecting element melts along the entire guide path, the melting material can be completely absorbed by the securing element, so that the formation of an arc can also be prevented as a result.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Batteriemodul beansprucht, welches einen Moduldeckel und zumindest zwei Batteriezellen sowie zumindest ein erfindungsgemäßes Sicherungsmodul aufweist. Weiterhin weist das Batteriemodul zumindest zwei Polanschlüsse auf, welche an den Batteriezellen angeordnet sind und mit einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement verbunden werden, das zwischen den Polanschlüssen der Batteriezellen anordbar ist, und welches die Batteriezellen über eine Leitstrecke elektrisch miteinander verbindet. Das erfindungsgemäße Sicherungselement wird hierbei im Bereich der geometrisch kürzesten Verbindungsstrecke zwischen den Polanschlüssen angeordnet. Hierbei ist das Sicherungsmodul gemäß den zuvor aufgeführten Merkmalen ausgestaltet. According to a further aspect of the invention, a battery module is claimed, which has a module cover and at least two battery cells and at least one inventive fuse module. Furthermore, the battery module has at least two pole terminals, which are arranged on the battery cells and are connected to an electrically conductive connecting element, which can be arranged between the pole terminals of the battery cells, and which electrically connects the battery cells via a conductor. The securing element according to the invention is in this case arranged in the region of the geometrically shortest connecting path between the pole terminals. Here, the security module is configured according to the features listed above.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass das erfindungsgemäße Sicherungsmodul bzw. Sicherungselement an dem Moduldeckel innerhalb des Batteriemoduls anordbar ist. In the context of the invention, it is further conceivable that the fuse module or fuse element according to the invention can be arranged on the module cover within the battery module.

Bei dem beschriebenen Batteriemodul ergeben sich somit sämtliche Vorteile, die bereits zu dem erfindungsgemäßen Sicherungsmodul beschrieben worden sind. Darüber hinaus ermöglicht die Anordnung des Sicherungselementes an dem Moduldeckel innerhalb des Batteriemoduls, eine bauraumbegünstigende Gestaltung des Batteriemoduls sowie die Beschädigung von weiteren Batteriemodulen und Bauteilkomponenten innerhalb eines Batteriesystems. In the case of the battery module described, all the advantages that have already been described for the fuse module according to the invention thus result. In addition, the arrangement of the fuse element on the module cover within the battery module, a design space favorable design of the battery module and the damage of other battery modules and component components within a battery system.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele Preferred embodiments

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Further, measures improving the invention will become apparent from the following description of some embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the claims, the description or the drawings resulting features and / or advantages, including structural details and spatial arrangements may be essential to the invention both in itself and in various combinations.

Es zeigen schematisch:They show schematically:

1 schematische Ansicht eines Batteriemoduls mit Batteriezellen und einem erfindungsgemäßen Sicherungsmodul 1 schematic view of a battery module with battery cells and a fuse module according to the invention

2 schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungsmoduls 2 schematic view of a first embodiment of the security module according to the invention

3 schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungsmoduls 3 schematic view of a second embodiment of the security module according to the invention

4 schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherungsmoduls 4 schematic view of a third embodiment of a fuse module according to the invention

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 4 jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.Elements with the same function and mode of action are in the 1 to 4 each provided with the same reference numerals.

In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 100 aufgezeigt, welches eine Hauptsicherung im Stromkreis sowie mehrere Batteriezellen 120 und ein erfindungsgemäßes Sicherungsmodul 10 aufweist. Das Batteriemodul 100 weist hierbei beispielhaft vier in Reihe geschaltete Batteriezellen 120 auf, wobei das Sicherungsmodul 10 derart angeordnet ist, dass nicht die maximale Spannung des Batteriemoduls, sondern lediglich die halbe Packspannung anliegt. Dieses ermöglicht es das Sicherungsmodul 10 deutlich kompakter auszugestalten und somit den Bauraum deutlich zu reduzieren. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Länge eines Lichtbogens zum größten Teil durch die Spannung bestimmt wird, sodass bei halber Packspannung auch die Lichtbogenlänge reduziert werden kann, wodurch eine Beschädigung benachbarter Komponenten deutlich reduziert werden kann.In 1 schematically is a battery module according to the invention 100 which shows a main fuse in the circuit as well as several battery cells 120 and a fuse module according to the invention 10 having. The battery module 100 Here, by way of example, has four battery cells connected in series 120 on, with the fuse module 10 is arranged such that not the maximum voltage of the battery module, but only half the pack voltage is applied. This allows it the security module 10 significantly more compact design and thus significantly reduce the space. Further advantages result from the fact that the length of an arc is largely determined by the voltage, so that at half the voltage of the package, the arc length can be reduced, whereby damage to adjacent components can be significantly reduced.

In 2 ist schematisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungsmoduls aufgezeigt, welche zwei Polanschlüsse 12, ein Verbindungselement 11 entlang der Leitstrecke 13 und ein Sicherungselement 14 aufweist. Weiterhin ist die Verbindungsstrecke 15 aufgezeigt, welche die geometrisch kürzeste Verbindung zwischen den beiden Polanschlüssen 12 darstellt. Das Längenverhältnis der Leitstrecke 13 zu der Verbindungsstrecke 15 ist – wie zu erkennen ist – deutlich vergrößert. Das Sicherungselement 14 ragt in die Verbindungsstrecke zwischen den beiden Polanschlüssen hinein und unterbricht somit die geometrisch kürzeste Verbindungsstrecke 15 zwischen den beiden Polanschlüssen 12, sodass ein Lichtbogen zwischen den beiden Polanschlüssen 12 entlang der Verbindungsstrecke 15 nicht zustande kommen kann. Das Verbindungselement 11 entlang der Leitstrecke 13 kann hierbei unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen aufweisen, entscheidend hierbei ist, dass die Leitstrecke im Vergleich zu der Verbindungsstrecke 15 eine entsprechende Längenzunahme aufweist. Auch das Sicherungselement 14 kann erfindungsgemäß eine Vielzahl an geometrischen Ausgestaltungsformen annehmen, vorausgesetzt die direkte Verbindungsstrecke 15 wird durch das Sicherungselement 14 unterbrochen.In 2 schematically a first embodiment of the fuse module according to the invention is shown, which two pole terminals 12 , a connecting element 11 along the route 13 and a fuse element 14 having. Furthermore, the link is 15 shown, which is the shortest geometric connection between the two pole terminals 12 represents. The aspect ratio of the route 13 to the link 15 is - as can be seen - significantly enlarged. The fuse element 14 protrudes into the connecting path between the two pole terminals and thus interrupts the shortest geometric link 15 between the two pole terminals 12 , so that an arc between the two pole terminals 12 along the link 15 can not come about. The connecting element 11 along the route 13 This may have different geometric configurations, it is crucial that the guide line compared to the link 15 has a corresponding increase in length. Also the fuse element 14 According to the invention can assume a variety of geometric configurations, provided the direct link 15 is through the fuse element 14 interrupted.

In der 3 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungsmoduls gezeigt, bei welcher in Vergleich zu der ersten Ausführungsform (2) das Sicherungselement 14 schalenförmig ausgebildet ist und aus einem Oberteil 14.1 und einem Unterteil 14.2 besteht. Das Verbindungselement 11 entlang der Leitstrecke 13 ist ähnlich wie in der ersten Ausführungsform (2) in der Länge im Vergleich zu der Verbindungsstrecke 15 deutlich vergrößert. Auch hierbei verbindet das Verbindungselement 11 die beiden Polanschlüsse 12 miteinander. Das Unterteil 14.2 des Sicherungselementes 14 weist in dieser Ausführungsform eine Ausnehmung 16 auf, in der das Verbindungselement 11 eingebettet werden kann. Das Oberteil 14.1 und das Unterteil 14.2 des Sicherungselementes 14 erstrecken sich hierbei zumindest entlang der direkten Verbindungsstrecke 15 und schließen das Verbindungselement 14 auf dieser Strecke komplett ein. Die hüllenartige Ausgestaltung entlang der Leitstrecke 13 verhindert hierbei das Übergreifen eines Lichtbogens auf weitere Komponenten innerhalb des Batteriemoduls. Weiterhin verhindert es, dass bei Schmelzen des Verbindungselementes 11 Schmelzpartikel zu Schäden führen können. Erfindungsgemäß ist es weiterhin denkbar, dass auch das Oberteil 14.1 eine Ausnehmung 16 für das Verbindungselement 11 aufweist, in der das Verbindungselement 11 entlang der Leitstrecke 13 aufgenommen werden kann. Vorzugsweise werden die beiden Teilelemente 14.1 und 14.2 formschlüssig miteinander verbunden, sodass kein Lichtbogen aus dem Sicherungselement austreten kann, sondern die durch den Lichtbogen entstandene Energie von dem Sicherungselement absorbiert werden kann. Dementsprechend ist es von Vorteil, das Spaltmaß zwischen dem Oberteil 14.1 und dem Unterteil 14.2 möglichst gering zu halten. Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass das Sicherungselement 14 direkt am Verbindungselement 11 befestigt werden kann. Weiterhin ist es denkbar, die beiden Hälften 14.1 und 14.2 des Sicherungselementes 14 durch Formschlussverbindungen oder Schraubenverbindungen miteinander zu verbinden, wobei die beiden Hälften 14.1 und 14.2 dementsprechend nicht dargestellte Bohrungen bzw. Durchgangslöcher aufweisen. Weiterhin ist es denkbar, dass die beiden Hälften 14.1 und 14.2 weitere geometrische Formen, wie z. B. zwei Kreishälften aufweisen können, welche miteinander verbunden werden. Auch hierbei ist es denkbar, dass zumindest innerhalb eines der beiden Kreishälften eine Ausnehmung 16 zur Aufnahme des Verbindungselementes 11 vorgesehen ist.In the 3 a second embodiment of the fuse module according to the invention is shown, in which in comparison to the first embodiment ( 2 ) the fuse element 14 is cup-shaped and made of a top 14.1 and a lower part 14.2 consists. The connecting element 11 along the route 13 is similar to the first embodiment ( 2 ) in length compared to the link 15 significantly enlarged. Here, too, connects the connecting element 11 the two pole connections 12 together. The lower part 14.2 of the fuse element 14 has a recess in this embodiment 16 on, in which the connecting element 11 can be embedded. The top 14.1 and the lower part 14.2 of the fuse element 14 extend here at least along the direct link 15 and close the connector 14 completely on this route. The envelope-like configuration along the Leitstrecke 13 prevents the spread of an arc to other components within the battery module. Furthermore, it prevents melting of the connecting element 11 Melt particles can cause damage. According to the invention, it is also conceivable that the upper part 14.1 a recess 16 for the connecting element 11 in which the connecting element 11 along the route 13 can be included. Preferably, the two sub-elements 14.1 and 14.2 positively connected with each other, so that no arc can escape from the fuse element, but the resulting from the arc energy can be absorbed by the fuse element. Accordingly, it is advantageous, the gap between the upper part 14.1 and the lower part 14.2 keep as low as possible. In the context of the invention, it is also conceivable that the securing element 14 directly on the connecting element 11 can be attached. Furthermore, it is conceivable, the two halves 14.1 and 14.2 of the fuse element 14 by connecting form-locking connections or screw connections with each other, the two halves 14.1 and 14.2 accordingly not shown holes or through holes. Furthermore, it is conceivable that the two halves 14.1 and 14.2 other geometric shapes, such. B. may have two circular halves, which are interconnected. Again, it is conceivable that at least within one of the two circular halves a recess 16 for receiving the connecting element 11 is provided.

Die 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sicherungsmoduls 10, bei dem das Sicherungselement 14 in Form einer Beschichtung 14.3 auf das Verbindungselement 11 entlang der Leitstrecke 13 aufgebracht ist. Die Beschichtung 14.3 kann hierbei entlang der kompletten Leitstrecke 13 zwischen den Polanschlüssen 12 auf das Verbindungselement aufgetragen sein. Weiterhin ist es möglich, die Beschichtung 14.3 lediglich auf einen Teilabschnitt der Leitstrecke 13 aufzubringen, sodass Material eingespart werden kann. Das Verbindungselement 11 weist in 4 ebenfalls eine im Vergleich zur direkten Verbindungsstrecke 15 vergrößerte Länge auf. Die isolatorisch wirkende Beschichtung 14.3 umgibt das Verbindungselement 11 in seinem kompletten Umfang, sodass der Lichtbogen nicht mehr den direkten Weg zwischen den Polanschlüssen 12 nehmen kann, sondern auf einem längeren Weg entlang der Leitstrecke 13 gezwungen wird. Somit erlischt der Lichtbogen durch den vergrößerten Abstand zwischen den Polanschlüssen 12. Die Beschichtung kann hierbei ähnlich wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel in 3 gepressten und/oder gesinterten Quarzsand aufweisen, welcher eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Temperaturstabilität, eine sehr gute elektrische Isolationseigenschaft aufgrund der hohen Stromfestigkeit aufweist. Wie auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 14.3 derart ausgestaltet, dass bei Aufschmelzen des Verbindungselementes 11 die Materialschmelze durch die Beschichtung 14.3 aufgenommen werden kann. The 4 shows a third embodiment of a fuse module according to the invention 10 in which the fuse element 14 in the form of a coating 14.3 on the connecting element 11 along the route 13 is applied. The coating 14.3 can do this along the entire route 13 between the pole connections 12 be applied to the connecting element. Furthermore, it is possible the coating 14.3 only on a section of the route 13 apply, so that material can be saved. The connecting element 11 points in 4 also one compared to the direct link 15 enlarged length. The isolatorisch acting coating 14.3 surrounds the connection element 11 in its entire circumference, so that the arc is no longer the direct path between the pole terminals 12 but take a longer path along the guide route 13 is forced. Thus, the arc extinguishes due to the increased distance between the pole terminals 12 , The coating can be similar to that in the second embodiment in FIG 3 pressed and / or sintered quartz sand, which has a good thermal conductivity, high temperature stability, a very good electrical insulation property due to the high current resistance. As in the second embodiment, the coating 14.3 designed such that when melting the connecting element 11 the Material melt through the coating 14.3 can be included.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012215058 A1 [0004] DE 102012215058 A1 [0004]

Claims (10)

Sicherungsmodul (10) für ein mindestens zwei Batteriezellen (120) aufweisendes Batteriemodul (100), mit einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement (11), das zwischen Polanschlüssen (12) der Batteriezellen (120) anordbar ist, und welches die Batteriezellen (120) über eine Leitstrecke (13) elektrisch miteinander verbindet, und einem Sicherungselement (14), das zumindest im Bereich einer geometrisch kürzesten Verbindungsstrecke (15) zwischen den Polanschlüssen (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (11) derart ausgestaltet ist, dass die Leitstrecke (13) zwischen den Polanschlüssen (12) verlängert wird und das Sicherungselement (14) in die Verbindungsstrecke (15) hineinragt.Fuse module ( 10 ) for at least two battery cells ( 120 ) battery module ( 100 ), with an electrically conductive connecting element ( 11 ) connected between pole terminals ( 12 ) of the battery cells ( 120 ) and which the battery cells ( 120 ) via a route ( 13 ) electrically interconnects, and a fuse element ( 14 ), which at least in the region of a geometrically shortest link ( 15 ) between the pole terminals ( 12 ), characterized in that the connecting element ( 11 ) is configured such that the guide line ( 13 ) between the pole terminals ( 12 ) and the fuse element ( 14 ) in the link ( 15 ) protrudes. Sicherungsmodul (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (14) schalenförmig ausgebildet ist, insbesondere das Verbindungselement hüllenartig umgibt.Fuse module ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the securing element ( 14 ) is cup-shaped, in particular the connecting element surrounds like a shell. Sicherungsmodul (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (14) elektrisch und/oder thermisch isolierend ausgestaltet ist.Fuse module ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the securing element ( 14 ) is designed electrically and / or thermally insulating. Sicherungsmodul (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (14) und das Verbindungselement (11) miteinander verbindbar sind, insbesondere in Form einer Beschichtung (14.2) auftragbar ist. Fuse module ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the securing element ( 14 ) and the connecting element ( 11 ) are connectable to each other, in particular in the form of a coating ( 14.2 ) is orderable. Sicherungsmodul (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (14) gepressten und/oder gesinterten Quarzsand aufweist.Fuse module ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the securing element ( 14 ) has pressed and / or sintered quartz sand. Sicherungsmodul (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Sicherungselement (14) flüssiges Schmelzmaterial absorbierbar ist.Fuse module ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that by the securing element ( 14 ) liquid melt material is absorbable. Sicherungsmodul (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (11) und das Sicherungselement (14) außerhalb der Batteriezelle (120) anordbar sind.Fuse module ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting element ( 11 ) and the security element ( 14 ) outside the battery cell ( 120 ) can be arranged. Sicherungsmodul (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (14) über die komplette Leitstrecke (13) sich erstreckt.Fuse module ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the securing element ( 14 ) over the complete route ( 13 ) extends. Batteriemodul (100) mit einem Moduldeckel (110), und zumindest zwei Batteriezellen (120) und einem Sicherungsmodul (10), und mit zumindest zwei Polanschlüssen (12), welche an den Batteriezellen (120) angeordnet sind, mit einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement (11), das zwischen den Polanschlüssen (12) der Batteriezellen (120) anordbar ist, und welches die Batteriezellen (120) über eine Leitstrecke (13) elektrisch miteinander verbindet, und einem Sicherungselement (14), das im Bereich der geometrisch kürzesten Verbindungsstrecke (15) zwischen den Polanschlüssen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungsmodul (10) gemäß den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8 ausgestaltet ist. Battery module ( 100 ) with a module cover ( 110 ), and at least two battery cells ( 120 ) and a security module ( 10 ), and with at least two pole terminals ( 12 ), which on the battery cells ( 120 ) are arranged with an electrically conductive connecting element ( 11 ) connected between the pole terminals ( 12 ) of the battery cells ( 120 ) and which the battery cells ( 120 ) via a route ( 13 ) electrically interconnects, and a fuse element ( 14 ), which is located in the region of the shortest geometric path ( 15 ) is arranged between the pole terminals, characterized in that the security module ( 10 ) is configured according to the features of one of claims 1 to 8. Batteriemodul (100) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (14) an dem Moduldeckel (110) anordbar ist.Battery module ( 100 ) according to claim 9, characterized in that the securing element ( 14 ) on the module cover ( 110 ) can be arranged.
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