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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leitermodul und einen elektrochemischen Energiespeicher, aufweisend ein derartiges Leitermodul.
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Stand der Technik
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Anwendungsgebiete für lithiumbasierte Energiespeicher umfassen neben vollkommen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen ferner elektrische Werkzeuge, elektrische Unterhaltungselektronik, Computer, Mobiltelefone und weitere Anwendungen. Derartige insbesondere elektrochemische Energiespeicher umfassen meist eine oder eine Vielzahl von Batteriezellen.
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Oftmals ist ein Batteriesystem aufgebaut aus einer Mehrzahl von Batteriezellen, die zu einem Modul zusammengefasst werden. Hierbei werden die einzelnen Batteriezellen durch elektrisch leitende Verbindungen miteinander verschaltet, beispielsweise in Serie geschaltet. Da das Modul die Energie beispielsweise einem getakteten Inverter für hohe Leistungsanforderungen bereitstellt, können Ströme mit hohen Spitzen auftreten. Dies kann zu magnetischen Feldern mit hohen Feldstärken führen. Dadurch können in das Batteriesystem Störungen induziert werden, was das Batterie-Management-System (BMS) der Batterie stören kann. Außerdem können diese Störungen durch Abstrahlung beziehungsweise Einstrahlung auch andere elektronische Geräte beeinträchtigen, wie beispielsweise Radiogeräte. Dies trifft insbesondere auf Fahrzeug-Traktionsbatterien zu, die ein Kunststoffgehäuse aufweisen, das keine Schirmung bereitstellt.
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Aus dem Dokument
US 2010/0210318 A1 ist eine mobile Kommunikationsvorrichtung bekannt, welche ein wieder aufladbares Batteriesystem aufweist. Ein derartiges Batteriesystem kann einen Filter, wie etwa einen Ferritkern, aufweisen, der an einer Ausgangsleitung angeordnet sein kann.
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Das Dokument
US 5,471,658 A beschreibt ein Kommunikationssystem, welches eine Batterie aufweist. Außerhalb der Batterie sind ferner Ferritkerne angeordnet.
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Aus dem Dokument
DE 201 08 259 U1 ist ein Batterieladesystem bekannt, welches zum Wiederaufladen einer Batterien dient. Dabei ist eine Batterieladeleitung mit einem Ferritkern versehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Leitermodul, aufweisend wenigstens zwei elektrische Leiterabschnitte, wobei das Leitermodul weiterhin einen die wenigstens zwei Leiterabschnitte zumindest teilweise umspannenden Ferritkern zum Unterdrücken von Gleichtaktstörungen aufweist, wobei der Ferritkern mit den wenigstens zwei elektrischen Leiterabschnitten mechanisch zu einem Bauteil verbunden ist, und wobei die wenigstens zwei elektrischen Leiterabschnitte derart ausgewählt sind, dass bei einem Betrieb des Leitermoduls und in Abwesenheit von Gleichtaktstörungen durch die elektrischen Leiterabschnitte den Ferritkern passierend ein Summenstrom von null fließt.
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Ein vorbeschriebenes Leitermodul ermöglicht es auf besonders vorteilhafte Weise, Störungen, wie insbesondere Gleichtaktstörungen, etwa aufgrund leiter- oder feldgebundener elektromagnetischer Störungen, von elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise Batteriemodulen, durch elektromagnetische Felder signifikant zu reduzieren, wobei es ferner eine besonders vorteilhafte Implementierung in elektronische Systeme, wie beispielsweise Batteriesysteme, erlaubt.
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Dabei kann ein derartiges Leitermodul insbesondere verwendbar sein in jeglicher Anwendung, bei der hohe insbesondere durch Inverter oder DC-DC-Wandler getaktete Ströme über diskrete Leiter, wie beispielsweise Stromschienen (engl. Busbars) beziehungsweise Sammelschienen, laufen. Beispielsweise kann das Leitermodul dazu dienen, verschiedene Komponenten in einem Batteriesystem, wie etwa Zellmodule, BDU (Battery-Disconnect-Unit, auch Junction-Box genannt), Sicherungen, Stromsensoren etc. zu verbinden oder etwa Batteriezellen mit den entsprechenden Kontakten beziehungsweise elektrischen Verbrauchern oder mit weiteren Batteriezellen zu verbinden. Insbesondere kann ein derartiges Leitermodul Anwendung finden in Fahrzeugtraktionsbatterien.
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Das vorbeschriebene Leitermodul umfasst wenigstens zwei elektrische Leiterabschnitte wobei das Leitermodul nicht auf das Vorsehen von zwei elektrischen Leiterabschnitten beschränkt ist. Vielmehr kann auch eine Mehrzahl von größer als zwei an elektrischen Leiterabschnitten vorgesehen sein, wie beispielsweise vier Leiter, die wiederum gemeinsam den Summenstrom null aufweisen.
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Externe Störungen, etwa von einem hochfrequent getakteten Inverter oder DC-DC-Wandler, können leitergebunden oder als elektromagnetisches Feld in das Leitermodul beziehungsweise in eine das Leitermodul umfassende Batterie einstrahlen. Sie können dadurch eine Gleichtaktstörung verursachen, die die signalverarbeitenden Einheiten des Energiespeichers oder benachbarte Bauteile negativ beeinflussen können. Beispielsweise kann es zu Messfehlern in der Batterie kommen, indem die Zellspannungserfassung des Batterie-Management-Systems (BMS) gestört wird. Dies kann sich beispielsweise negativ auf die Ermittlung von Ladezustand (State-of-Charge, SoC) und Alterungszustand (State-of-health, SoH) auswirken. Darüber hinaus können gegebenenfalls die zulässigen Grenzwerte betreffend magnetischer Felder, beispielsweise in Fahrzeugen, überschritten werden. Unter anderem um diesen Grenzwert einzuhalten sind Maßnahmen wie das Leitermodul von Vorteil. Unter Gleichtaktstörungen sind dabei in an sich bekannter Weise Störungen beziehungsweise Beeinflussungen zu verstehen, welche mit gleicher Phase und gleicher Amplitude auf die wenigstens zwei Leiterabschnitte einwirken.
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Um die vorbeschriebenen Effekte wirksam zu reduzieren, ist ein die wenigstens zwei Leiterabschnitte zumindest teilweise umspannender Ferritkern zum Unterdrücken von Gleichtaktstörungen vorgesehen. Unter einem Ferritkern beziehungsweise Ferritfilter kann dabei insbesondere ein Bauteil verstanden werden, welches Ferrit umfasst oder aus diesem besteht und dadurch elektromagnetische Felder in sich konzentrieren und somit der Umgebung entziehen kann, wie dies dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist. Dadurch kann eine besonders effektive Abschirmung elektromagnetischer Felder realisierbar sein. Unter einem die wenigstens zwei Leiterabschnitte zumindest teilweise umspannenden Ferritkern kann dabei ferner verstanden werden ein Ferritkern, der die beiden Leiterabschnitte umringt, wobei es jedoch vom Rahmen der Erfindung umfasst ist, dass der Ferritkern beziehungsweise die Umspannung Unterbrechungen, wie etwa kleinere Luftspalte, aufweisen kann.
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Dadurch, dass ein Ferritkern vorgesehen ist, können die vorgenannten Gleichtakt-Störungen, welche hervorgerufen werden durch magnetische Felder, gedämpft werden, Somit dient das Vorsehen eines Ferritkerns als effektive Maßnahme, um eine nachteilige Beeinflussung von elektronischen Komponenten, wie etwa eines Batteriesystems, zu verhindern.
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Dabei ist eine Abschirmung bei einem vorbeschriebenen Leitermodul insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, da der Ferritkern derart positioniert ist beziehungsweise die wenigstens zwei elektrischen Leiterabschnitte derart ausgewählt sind, dass bei einem störungsfreien Betrieb des Leitermoduls beziehungsweise ohne das Vorliegen von Gleichtaktstörungen durch die elektrischen Leiterabschnitte den Ferritkern passierend ein Summenstrom von null fließt, das heißt, dass die durch den Ferrit umschlossenen Ströme in Summe null betragen, da bei zwei Leitern die Ströme betragsmäßig gleich groß sind aber in entgegengesetzte Richtung fließen. Dies gilt beispielsweise, wenn die beiden Leiterabschnitte als Hinleiter und als Rückleiter zu einem Verbraucher ausgestaltet sind. Ferner liegt dann durch die Leiterabschnitte ein Summenstrom von null vor, wenn keine Gleichtaktstörung vorliegt. Eine Gleichtaktstörung bewirkt dann, dass der Summenstrom kurzfristig von null abweicht, was wiederum nach dem Induktionsgesetz zu einem Magnetfeld im Ferritkern führt, das der Ursache des Magnetfelds entgegenwirkt, so dass wiederum der Gleichtaktstörung entgegengewirkt werden kann.
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Dabei sind die wenigstens zwei Leiterabschnitte aufgrund ihres Potentialunterschieds von einander elektrisch vollständig zu isolieren. Darüber hinaus sollten die elektrischen Leiter eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, welche in Abhängigkeit des Anwendungsgebietes dazu ausreicht, um beispielsweise innerhalb eines Batteriemoduls als Hinleiter beziehungsweise Rückleiter dienen zu können. Derartige beispielsweise als Stromschienen ausgestaltete elektrische Leiterabschnitte sind insbesondere aus einem Metall ausgestaltet. Beispielsweise umfassen derartige Leiterabschnitte Kupfer oder Aluminium oder bestehen aus einem dieser Materialien oder können beispielsweise eine entsprechende elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
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Somit können die wenigstens zwei elektrischen Leiterabschnitte insbesondere mit einer oder einer Mehrzahl an Batteriezellen verbindbar sein. Es kann dabei beispielsweise vorgesehen sein, dass die elektrischen Leiterabschnitte mit derselben Batteriezelle beziehungsweise mit den selben Batteriezellen derart verbunden werden können, dass ein elektrischer Leiterabschnitt in einem Betriebszustand des Leitermoduls beziehungsweise der Batterie als elektrischer Hinleiter verwendbar ist beziehungsweise einen Teil dieses ausbilden kann und dass ein weiterer elektrischer Leiterabschnitt in einem Betriebszustand des Leitermoduls beziehungsweise der Batterie als elektrischer Rückleiter verwendbar ist beziehungsweise einen Teil dieses ausbildet. Jedoch ist es grundsätzlich nicht ausgeschlossen sondern vom Rahmen der Erfindung umfasst, dass die elektrischen Leiterabschnitte unterschiedliche Batteriezellen kontaktieren und/oder gleichermaßen als Hinleiter beziehungsweise als Rückleiter ausgebildet sind, insoweit diese den Ferritkern passierend den Summenstrom von null führen.
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Bei einem vorbeschriebenen Leitermodul ist es ferner vorgesehen, dass der Ferritkern mit den wenigstens zwei elektrischen Leiterabschnitten mechanisch zu einem Bauteil verbunden ist, insbesondere mit einem, mehreren oder oder sämtlichen der vorliegenden Leiterabschnitte fixiert ist. Dadurch kann dem Nachteil begegnet werden, dass ein Ferritfilter oftmals ungünstig zu verbauen ist, da er gegebenenfalls spröde ist und somit ohne Schutzmaßnahmen unter mechanischer Last, wie etwa Vibration oder Schock, beschädigt werden könnte. Durch die vorbeschriebene Anordnung können diese Nachteile des Stands der Technik jedoch umgangen werden, so dass die Langlebigkeit und Verlässlichkeit eines Leitermoduls, wie es vorstehend beschrieben ist, insbesondere verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen besonders hoch sein kann.
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Die vorbeschriebene Anordnung des Ferritkerns, der mit den wenigstens zwei Leiterabschnitten mechanisch zu einem Bauteil verbunden ist, kann dabei insbesondere bedeuten, dass der Ferritkern unmittelbar an dem ersten und/oder dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt befestigt beziehungsweise fixiert ist, oder mittelbar, also unter Zuhilfenahme eines oder mehrere weiterer Bauteile, so dass ein separates Bauteil entsteht, welches die Leiter und den Ferritkern umfasst und als solches verbaubar ist.
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Die vorbeschrieben Lösung ermöglicht somit eine Integration zweier oder mehr elektrischer Leiterabschnitte mit einem Ferritkern in ein zusammenhängendes Bauteil, welches verfahrensbedingt signifikante Vorteile bietet. So ist ein derartiges Bauteil oftmals für eine günstige Fertigung von elektrischen Komponenten besonders vorteilhaft, da es ein besonders einfaches und günstiges Zusammensetzen von elektrischen Systemen ermöglicht. Dies gilt insbesondere im Gegensatz zu dem Verwenden von Einzelteilen, welche zu einem gemeinsamen elektrischen System zusammengefügt werden müssen.
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Stromschienen sind gegeneinander hochohmig isoliert und auch nach außen mit einem Material aufweisend einen elektrischen Isolationswiderstand beispielsweise im Giga-Ohm-Bereich. Beispielsweise kann als elektrisch isolierendes Material ein Kunststoff verwendet werden, wie er für die Isolation von elektrischen Leitungen, beispielsweise von Kabeln, dem Fachmann bekannt ist. Insbesondere diese Ausgestaltung kann ein besonders einfaches Herstellungsverfahren mit an sich bekannten Verfahrensschritten ermöglichen. Beispielsweise kann in dieser Ausgestaltung auf industriell bekannte Verfahren der Kunststofftechnik zurückgegriffen griffen werden, wie beispielsweise Spritzgießen, Extrudieren oder Aufschrumpfen eines Schlauchs, um die elektrischen Leiterabschnitte sowie den Ferritfilter in vorteilhafter Weise mit nur einem Arbeitsgang mit einem Kunststoffmaterial zu ummanteln. Der so erzeugte Verbund kann dann problemlos in ein elektrisches System wie beispielsweise in einen Batterieverbund eingebaut werden.
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Ferner ist für eine derartige Integration des Ferritfilters nur ein kleiner Bauraum notwendig, so dass diese Maßnahme auch bei beengten Platzverhältnissen problemlos angewendet werden kann. Ferner ist ein Integrieren des Filters zwischen den einzelnen Batteriezellen ohne zusätzliche aufwändige Arbeitsschritte möglich, so dass die Montage der Batterie beziehungsweise eines Batteriemoduls vereinfacht werden kann.
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Zusammenfassend schafft ein vorbeschriebenes Leitermodul eine kostengünstige Lösung, um durch magnetische Felder verursachte Störungen, etwa bei einer Batterie beziehungsweise eine Beeinflussung der den Energiespeicher Bauteile effektiv verhindern zu können.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung kann der Ferritkern mit wenigstens einem elektrischen Leiterabschnitt formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden sein. Beispielsweise kann der Ferritkern mit einem ersten elektrischen Leiterabschnitt und einem zweiten elektrischen Leiterabschnitt formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden sein. Dabei ist es besonders von Vorteil, dass in dieser Ausgestaltung ein besonders einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren und ferner eine besonders stabile Anordnung realisierbar sein können, wobei letzteres insbesondere für mobile Anwendungen von Vorteil sein kann.
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Eine stoffschlüssige Verbindung kann dabei beispielsweise ausgestaltet sein, indem der Ferritfilter und der entsprechende Leiterabschnitt oder die entsprechenden Leiterabschnitte durch einen Klebstoff miteinander verbunden sind. Bezüglich des Formschlusses können beispielsweise an sich bekannte Befestigungsmittel angewandt werden. Dabei sind die vorstehend genannten Beispiele in keiner Weise beschränkend.
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Grundsätzlich können beispielsweise der Ferritkern und einer oder beide der elektrischen Leiterabschnitte, etwa ausgebildet als Stromschiene, jeweils mit Kunststoff umspritzt werden, so dass der Kunststoff zum Einen eine Isolation bewirkt und ferner eine formschlüssige Verbindung zwischen Ferritkern und Leiterabschnitt gewährleistet.
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Alternativ kann der Ferritkern beispielsweise in seinem Inneren ein Kunststoffteil mit zwei beispielsweise spaltförmigen Aussparungen aufweisen, in die die Leiterabschnitte wie insbesondere die Stromschienen unisoliert oder isoliert direkt formschlüssig eingeschoben werden können.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Ferritkern die wenigstens zwei Leiterabschnitte vollständig umspannen. Insbesondere kann der Ferritkern bei dem Vorliegen von mehr als zwei elektrischen Leiterabschnitten, durch welche den Ferritkern passierend der Summenstrom von null fließt, der Ferritkern sämtliche der vorgenannten Leiterabschnitte vollständig umspannen. Beispielsweise kann der Ferritkern als Ringkern ausgestaltet sein, der die elektrischen Leiterabschnitte vollständig umspannt. Eine derartige Ausgestaltung, beispielsweise mit einer Ausbildung des Ferritkerns als Ringkern, kann den Vorteil aufweisen, dass der Ferritkern die elektrischen Leiterabschnitte auf besonders einfache Weise vollständig umspannen kann, und so eine besonders effektive Reduzierung störender Einflüsse ermöglicht werden kann. Darüber hinaus kann insbesondere bei einem zwischen den Batteriezellen angeordneten Ringkern das Herstellungsverfahren besonders einfach sein, so dass diese Ausgestaltung eine besonders kostengünstige Lösung bereitstellen kann. Ein Ringkern kann dabei in an sich bekannter Weise ein ringförmig ausgestalteter Ferritkern sein.
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Diese Ausgestaltung kann weiterhin von Vorteil sein, da durch eine derartige Anordnung des Ferritkerns und der damit einhergehenden besonders effektiven Schutzwirkung bereits ein vergleichsweise kleiner Ferritkern ausreichend sein kann, so dass ein elektronisches System wie beispielsweise ein elektrochemischer Energiespeicher besonders kostengünstig herstellbar sein kann.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann zwischen den elektrischen Leiterabschnitten wenigstens ein Abstandshalter angeordnet sein. Durch einen Abstandshalter kann sichergestellt werden, dass zum Einen die elektrischen Leiterabschnitte sich nicht elektrisch kontaktieren, wodurch Kurzschlüsse sicher verhindert werden können. Darüber hinaus können ein oder mehrere Abstandshalter insbesondere für das Herstellungsverfahren von Vorteil sein, da so auf besonders einfache Weise eine besonders definierte Struktur erzeugbar sein kann, da die Abstandshalter die Leiterabschnitte zueinander fixieren können. Eine derartige definierte Struktur kann dabei helfen, dass der Ferritkern die Gleichtaktstörungen besonders effektiv dämpfen beziehungsweise verhindern kann.
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Beispielsweise kann wenigstens ein Abstandshalter als Querstrebe ausgestaltet sein, welche in das Gesamtbauteil mechanisch integriert ist, also insbesondere mechanisch mit wenigstens einem der elektrischen Leiterabschnitte verbunden ist. Insbesondere bei einer Verwendung einer Querstrebe als Abstandshalter kann ein besonders kostengünstiges Herstellungsverfahren ermöglicht werden. Denn Streben sind kostengünstig herstellbar und dabei auf besonders einfache Weise in das System integrierbar. Unter einer Querstrebe kann dabei im Sinne der Erfindung insbesondere ein derartiges Bauteil verstanden werden, welches im Wesentlichen in einem rechten Winkel zu der Längserstreckung der elektrischen Leitung verläuft und dabei an seinen beiden Enden jeweils eine der Leitungen oder etwa eine die Leitungen umgebende Isolierung kontaktiert.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Ferritkern mehrteilig ausgestaltet sein. Dabei kann der Ferritkern beispielsweise zwei Halbringe beziehungsweise zwei Halbschalen aufweisen. Beispielsweise kann je ein Leiterabschnitt mit einem Teil des Ferritkerns, etwa einer Hälfte, beispielsweise einer Halbschale, verbunden beziehungsweise fixiert sein, so dass die beiden Ferritteile magnetisch schlüssig gefügt werden können und so wiederum ein Umschließen der beiden Leiter durch den zusammengefügten Ferritkern realisierbar ist. Dabei kann es bei einem Montieren der wenigstens zwei Teile des Ferritkerns von Bedeutung sein, das zwischen diesen nur ein vernachlässigbarer Luftspalt besteht.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Leitermoduls wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energiespeicher, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein elektrochemischer Energiespeicher, aufweisend wenigstens eine Batteriezelle, die mit einem wie vorstehend im Detail beschrieben ausgestalteten Leitermodul elektrisch verbunden ist.
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Unter einem elektrochemischen Energiespeicher kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein elektrochemisches Bauteil verstanden werden, welches Energie, wie insbesondere elektrische Energie, speichern und in gewünschter Weise abgeben kann. Insbesondere kann ein elektrochemischer Energiespeicher eine Batterie beziehungsweise ein Akkumulator sein. Beispielsweise kann der Energiespeicher ein Lithium-basierter Energiespeicher sein. Von einem Lithium-basierten Energiespeicher sind dabei etwa Lithium-Batterien wie auch Lithium-Ionen-Batterien umfasst. Grundsätzlich können Batterien in an sich bekannter Weise etwa umfassen Nickel-Metall-Hydrid, Li-Ionen, Li-Luft, Li-Schwefel, wobei die Erfindung in für den Fachmann ersichtlicher Weise nicht auf die vorgenannten Beispiele beschränkt ist.
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Der elektrochemische Energiespeicher umfasst dabei in einer Ausgestaltung einen oder eine Mehrzahl an Batteriezellen, die mit dem Leitermodul elektrisch verbunden sind. Das Leitermodul kann somit ebenfalls Bestandteil des Energiespeichers und in die Leitungsstruktur desselben eingebunden sein. Dabei kann es verschiedene Ausgestaltungen geben, die für sich oder in einer Kombination besonders vorteilhaft sein können.
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Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass ein elektrischer Leiterabschnitt als Hinleiter zu einem von dem Energiespeicher gespeisten externen Verbraucher verwendbar ist und dass ein weiterer elektrischer Leiterabschnitt als Rückleiter von dem externen Verbraucher verwendbar ist. In dieser Ausgestaltung kann es somit vorgesehen sein, dass der Ferritkern einen Hinleiter und einen Rückleiter zu einem von dem Energiespeicher gespeisten externen Verbraucher abschirmt. Durch den Hinleiter fließt dabei bei einem Entladen des Energiespeichers Strom zu dem Verbraucher beziehungsweise in den Verbraucher, wohingegen durch den Rückleiter bei einem Entladen des Energiespeichers Strom von dem Verbraucher zu der Batteriezelle beziehungsweise dem Stapel an Batteriezellen fließt.
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Somit kann es vorgesehen sein, dass die Leiterabschnitte zwischen einem Zellstapel und einem elektrischen Anschluss des Energiespeichers verschaltet sind. Dabei kann der Ferritkern beispielsweise mit Bezug auf den Rückleiter vor der einzigen oder ersten Batteriezelle des Zellstapels und mit Bezug auf den Hinleiter nach der einzigen oder letzten Batteriezelle des Stapels angeordnet sein. Es kann ferner vorgesehen sein, dass zwischen dem Ferritkern und der einzigen oder ersten Batteriezelle und der einzigen oder letzten Batteriezelle keine weiteren Zellstapel oder andere Bauteile angeordnet sind, so dass der Ferritkern mit Bezug auf den Hinleiter und den Rückleiter unmittelbar vor beziehungsweise hinter dem Zellstapel angeordnet ist.
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Das Leitermodul kann ferner derart angeordnet sein, dass die Leiterabschnitte elektrisch zwischen zwei Zellstapeln beziehungsweise zwischen zwei Batteriezellen verschaltet sind. In anderen Worten fließt der Strom sowohl in dem Hinleiter als auch in dem Rückleiter vor als auch nach dem Leitermodul durch eine Batteriezelle, so dass das Leitermodul zwischen zwei Batteriezellen beziehungsweise zwischen zwei Zellstapeln angeordnet ist.
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Ferner kann auch eine Mehrzahl an Leitermodulen an verschiedenen Positionen des Energiespeichers vorgesehen sein beziehungsweise kann eine oder mehrere der vorgenannten Ausgestaltungen mit einer oder mehreren der vorgenannten oder anderen Ausgestaltung der Leitermodule kombinierbar sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Wichtig ist dabei lediglich, dass, wie dies vorstehend erläutert ist, die elektrischen Leiterabschnitte derart ausgewählt sind, dass bei einem störungsfreien Betrieb des Leitermoduls beziehungsweise des Energiespeichers entlang dem Ferritkern durch sämtliche den Ferritkern passierende, beispielsweise mit dem Ferritkern verbundene und etwa von dem Ferritkern umrahmte Leiterabschnitte der Summenstrom null fließt.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Energiespeichers wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Leitermodul, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.
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Beispiele und Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Leitermoduls gemäß der Erfindung;
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2. eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Energiespeichers gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Energiespeichers gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In der 1 ist ein eine Ausgestaltung eines Leitermoduls 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein derartiges Leitermodul 10 kann in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung finden. Beispielsweise kann ein derartiges Leitermodul 10 verwendet werden in einem elektrochemischen Energiespeicher 30, 30‘ beziehungsweise in einem Batteriesystem, wie dies in den 2 und 3 im Detail gezeigt ist. Beispielsweise kann ein derartiges Leitermodul 10 beziehungsweise ein mit einem derartigen Leitermodul 10 ausgestatteter Energiespeicher 30, 30‘ Anwendung finden in der in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
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Das Leitermodul 10 umfasst einen ersten elektrischen Leiterabschnitt 12 und einen zweiten elektrischen Leiterabschnitt 14. Dabei kann beispielsweise und in keiner Weise beschränkend der erste elektrische Leiterabschnitt 12 als Hinleiter zu einem von dem Energiespeicher 30, 30‘ versorgten Verbraucher dienen und kann der zweite elektrische Leiterabschnitt 14 als Rückleiter von einem von dem Energiespeicher 30, 30‘ versorgten Verbraucher dienen, wie dies nachstehend mit Bezug auf die 2 und 3 im Detail beschrieben wird. Weiterhin ist ein Ferritkern 16 vorgesehen, der den ersten elektrischen Leiterabschnitt 12 und den zweiten elektrischen Leiterabschnitt 14 voll umspannend angeordnet ist, so dass die magnetische Durchflutung der Leiterabschnitte 12, 14 voll im Kern flussrelevant wird. In anderen Worten kann durch den Ferritkern 16 das Magnetfeld gedämpft werden, welches entsteht durch den durch die Leitungsabschnitte 12, 14 fließenden Strom beziehungsweise können auf die Leiterabschnitte wirkende Gleichtaktstörungen gedämpft werden. Dies folgt insbesondere aus dem Durchflutungsgesetz, welches in an sich bekannter Weise das Kurvenintegral des magnetischen Feldes um eine geschlossene Kurve in Beziehung zu dem Strom setzt, der durch die von dieser Kurve eingeschlossene Fläche fließt.
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Ferner ist der Ferritkern 16 mit dem ersten elektrischen Leiterabschnitt 12 und dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt 14 mechanisch, beispielsweise formschlüssig oder stoffschlüssig, verbunden. Der Ferritkern 16 kann somit beispielsweise als Ringkern ausgestaltet sein und die beiden elektrischen Leiterabschnitte 12, 14 vollständig umspannen. Ferner können als Ferritmaterial beispielsweise und nicht beschränkend Mangan-Zink-Ferrite (MnZn) in der Zusammensetzung MnaZn(1-a)Fe2O4 oder auch Nickel-Zink-Ferrite (NiZn) in der Zusammensetzung NiaZn(1-a)Fe2O4 verwendet werden.
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In einer in keiner Weise beschränkenden Ausgestaltung kann, um zwei als Stromschienen ausgestaltete Leiterabschnitte 12, 14 mit einem typischen Querschnitt von 10mm × 3mm zu integrieren und Platz für Isolationsschichten von 1mm zu haben, ein Innendurchmesser des als Ringkern ausgestalteten Ferritkerns 16 ca. 15mm betragen. Die Länge beziehungsweise Breite des Ferritkerns beträgt typischerweise mindestens den doppelten Durchmesser, also ca. 30mm.
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Es ist ferner zu erkennen, dass zwischen dem ersten elektrischen Leiterabschnitt 12 und dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt 14 zwei als Querstreben ausgestaltete Abstandshalter 18 vorgesehen sind, welche zweckmäßigerweise aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa einem Kunststoff, ausgestaltet sind, um einen Kurzschluss zu verhindern. Dabei sind die elektrischen Leiterabschnitte 12, 14 wie auch der Ferritkern 16 und gegebenenfalls die Abstandshalter 18 von einer elektrischen Isolierung 20 umgeben. Die elektrische Isolierung 20 kann beispielsweise als Kunststoffmantel ausgestaltet sein.
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Die 2 und 3 zeigen dabei jeweils Ausgestaltungen eines mit einem vorbeschriebenen Leitermodul 10 ausgestatteten Energiespeichers 30, 30‘. Dabei ist das Leitermodul 10 jeweils derart angeordnet beziehungsweise sind die Leiterabschnitte derart ausgewählt, dass der Ferritkern 16 zwei derartige elektrische Leiterabschnitte 12, 14 umspannt, wobei durch die Leiterabschnitte 12, 14 bei der Abwesenheit von Gleichtaktstörungen der Summenstrom von null fließt.
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2 zeigt dabei eine Ausgestaltung des Energiespeichers 30, bei der die Leiterabschnitte 12, 14 des Leitermoduls 10 zwischen einem Zellstapel 36 und einem elektrischen Anschluss 34 des Energiespeichers 30 verschaltet sind. Es ist ferner zu erkennen, dass ein elektrischer Leiterabschnitt 12 als Hinleiter zu einem von dem Energiespeicher 30 gespeisten externen Verbraucher 37 verwendbar ist und dass ein weiterer elektrischer Leiterabschnitt 14 als Rückleiter von dem externen Verbraucher 37 verwendbar ist. Dabei ist der Leiterabschnitt 12 ein Hinleiter, da ein Entladestrom zu dem Verbraucher 37 i1(t) von der in der 2 obersten Batteriezelle 32 beziehungsweise von dem Zellstapel 36 durch den Leiterabschnitt 12 fließt, wohingegen der Entladestrom von dem Verbraucher 37 i2(t) zu der in 2 untersten Batteriezelle 32 beziehungsweise zu dem Zellstapel 36 durch den als Rückleiter wirkenden Leiterabschnitt 14 fließt. Dadurch fließt gemäß der Kirschhoff’schen Knotenregel durch das Leitermodul 10 mit seinem Ferritkern 16 beziehungsweise durch die Leiterabschnitte 12, 14 der Summenstrom null, da die Ströme i1(t) und i2(t) betragsmäßig gleich groß sind aber entgegengesetzt fließen, insoweit keine Gleichtaktstörungen vorliegen.
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3 zeigt ferner eine Ausgestaltung, bei der die Leiterabschnitte 12, 14 elektrisch zwischen zwei Zellstapeln 36, 36‘; 36‘‘, 36‘‘‘ verschaltet sind.
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Ein mögliches Herstellungsverfahren für das in 1 gezeigte und als Stromschienenelement ausgestaltete Leitermodul 10 kann folgendermaßen ablaufen. Zur Integration des etwa als Ringkern ausgebildeten Ferritkerns 16 werden die beiden Stromschienen als elektrische Leiterabschnitte 12, 14 zunächst in einer Art und Weise formschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Ferritfilter 16 verbunden, dass die Leiterabschnitte 12, 14 einander nicht berühren. Dies kann beispielsweise durch die entsprechenden Abstandshalter 18, eine Isolationsschicht 20 oder weitere, zusätzliche Elemente realisiert werden. Daraufhin werden industriell bekannte Verfahren der Kunststofftechnik angewandt, wie beispielsweise Spritzgießen, Extrudieren oder Aufschrumpfen eines Schlauches, um die beiden elektrischen Leiterabschnitte 12, 14 sowie den Ferritfilter 16 in mindestens einem Arbeitsgang mit einem Kunststoff zu ummanteln.
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Nun kann der Verbund des Leitermoduls 10 als eigenständiges Element direkt in einem Batteriemodul verbaut werden. Weiterhin ist es denkbar, die beiden etwa als Stromschienen ausgebildeten elektrischen Leiterabschnitte 12, 14 sowie den Ferritfilter 16 ohne zusätzliche Elemente unmittelbar in ein hierfür geeignetes, etwa speziell konstruiertes, Spritzgießwerkzeug einzulegen und dieses mit einer Kunststoffschmelze aufzufüllen.
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Bei einer Herstellung sollte dabei darauf geachtet werden, dass das entsprechende Verfahren das herzustellende Produkt nicht negativ beeinflusst. Beispielsweise sollte bei einer Ummantelung beziehungsweise Applikation eines Kunststoffes das Herstellungsverfahren und der verwendete Kunststoff derart an das Ferritmaterial angepasst werden, dass seine magnetischen Eigenschaften nicht durch eine zu hohe Verarbeitungstemperatur verloren geht oder in unverhältnismäßig großem Maße negativ beeinflusst wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0210318 A1 [0004]
- US 5471658 A [0005]
- DE 20108259 U1 [0006]
