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Die Erfindung betrifft ein Kontaktierungselement für eine Stromkollektorplatte und eine Stromkollektorplatte.
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Im Stand der Technik sind Hochvolt-Batterien, z. B. für Fahrzeuge, wie Hybrid-, Plugin- oder Elektrofahrzeuge, oder für stationäre Anwendungen, wie Stromversorger oder Stromspeicher, bekannt, die aus vielen in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen gebildet sind.
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Innerhalb einer Batterie sind die Einzelzellen in der Regel in sogenannten Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Einzelzellen einschließlich von Einrichtungen zu deren mechanischer Fixierung, zur Kontaktierung und gegebenenfalls zur Temperierung (Kühlung, Heizung) umfassen. Der oder die Zellblöcke sind wiederum in einem stabilen Batteriegehäuse untergebracht, welches zusätzlich die nötigen Einrichtungen zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie (wie ein battery management system (BMS), Schütze zur Zu- und Abschaltung des Stromes, Sicherungen, Strommesser, etc.) sowie Anschlüsse nach außen für Stromzu- und Stromableitung, Kühlmittelzu- und Kühlmittelabführung, etc.) umfasst.
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Die Einzelzellen sind nebeneinander aufgestapelt und können sich in schalen- bzw. doppelschalenförmigen Haltern befinden. An den Enden des Zellstapels befinden sich in der Regel Einrichtungen zur Zuleitung und Entnahme des Stromes und Endplatten, sogenannte Stromkollektorplatten, welche hierzu mit Kontaktierungselementen, wie HV-Kontakten, versehen sind.
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Die Stromkollektorplatten sind massiv ausgebildet und aus blankem Kupfer- oder Alumaterial. Die Platte ist auf einer Seite mit dem Pol der jeweils letzten Einzelzelle des Zellmoduls verbunden. Auf der anderen Seite bildet die Oberfläche den außenliegenden HV-Kontakt des Zellblocks. Die Platte ist üblicherweise mit thermoplastischem Kunststoff flächig umspritzt. Im Brandfall, der nach Kurzschluss bzw. Überladung von Einzelzellen durch deren thermisches Durchgehen (”thermal runaway”) verursacht werden kann, kann es zu einem Aufschmelzen der Kunststoffumspritzung kommen, so dass die stromführenden HV-Kontakte in Berührung mit den in der Regel auf Masse liegenden Polen und Verbindungsleisten kommen kann, wodurch ein massiver Kurzschluss ausgelöst wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Kontaktierungselement für eine Stromkollektorplatte anzugeben. Zudem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Stromkollektorplatte mit einem solchen verbesserten Kontaktierungselement anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kontaktierungselement für eine Stromkollektorplatte gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Stromkollektorplatte wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Kontaktierungselement für eine Stromkollektorplatte ist gekennzeichnet durch ein metallisches Massivteil, welches teilweise mit einer hochtemperaturfesten Umhüllung versehen ist, wobei die mit einer hochtemperaturfesten Umhüllung versehenen Bereiche zusätzlich mit einem Thermoplast umspritzt sind.
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Durch die teilweise Umhüllung des Massivteils ist in umhüllungsfreien Bereichen ein blanker Anschlusskontakt ermöglicht, insbesondere ein HV-Kontakt. Die Umhüllung kann dabei aus einem dünnen hochtemperaturfesten Material gebildet und mit einem preiswerten und elastischen Thermoplasten umspritzt sein. Dies ermöglicht ein kostengünstiges und weitgehend sicheres Kontaktierungselement. Dabei kann es im Brandfall zwar zu einem Aufschmelzen der Umspritzung kommen, jedoch ist das Risiko von Kurzschlüssen bei einer Berührung des Massivteils mit der elektrischen Masse oder anderen stromführenden Bauteilen eines Zellmoduls aufgrund der darunter liegenden hochtemperaturfesten Umhüllung des Massivteils reduziert oder gar verhindert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für ein Kontaktierungselement mit mindestens einem Anschlusskontakt ohne Umhüllung und ohne Umspritzung,
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2 schematisch in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für ein Kontaktierungselement mit einem Anschlusskontakt mit Umhüllung und mit Umspritzung,
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3 schematisch in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Stromkollektorplatte mit einem Kontaktierungselement,
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4 schematisch in Explosionsdarstellung ein Zellmodul mit einer Mehrzahl von Flachzellen und endseitigen Stromkollektorplatten,
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5 schematisch in Explosionsdarstellung ein teilzusammengesetztes Zellmodul,
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6 schematisch in perspektivischer Darstellung ein zusammengesetztes Zellmodul,
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7 schematisch im Längsschnitt ein zusammengesetztes Zellmodul,
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8 schematisch eine Ausschnittsvergrößerung des Längsschnitt gemäß 7,
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9 schematisch in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für ein Kontaktierungselement mit Stützelement,
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10 schematisch in perspektivischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Stromkollektorplatte mit Stützelement für das Kontaktierungselement,
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11 schematisch in perspektivischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Kontaktierungselement, und
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12 schematisch in perspektivischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Kontaktierungselement.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für ein Kontaktierungselement 1, gebildet aus einem Massivteil 2 mit mindestens einem Anschlusskontakt 3 ohne Umhüllung und ohne Umspritzung.
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1 bis 6 zeigen dabei ein erstes Ausführungsbeispiel für das Kontaktierungselement 1.
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Das Massivteil 2 ist beispielsweise aus einem Aluminium- oder Kupfermaterial gebildet und als eine massive abgewinkelte Schiene, zum Beispiel eine Stromschiene, ausgeführt. Dabei können die Enden der Schiene profiliert, insbesondere gewellt, gebogen oder abgewinkelt ausgebildet, insbesondere an die zu kontaktierende Stelle angepasst sein. Dabei weist das Massivteil 2 eine derartige Form und Gestalt auf, dass dieses leicht elastisch ausgebildet ist. Hierdurch kann das Massivteil 2 an eine anzubringende Struktur angepasst werden.
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1 zeigt das Kontaktierungselement 1 vor einem Beschichten des Massivteils 2.
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2 zeigt das Kontaktierungselement 1 nach teilweiser Beschichtung des Massivteils 2. Die den Anschlusskontakt 3 dienenden Bereiche des Massivteils 2 sind blank. Außerhalb des oder der Anschlusskontakte 3 ist das Massivteil 2 mit einer dünnen hochtemperaturfesten Umhüllung 4 versehen.
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Beispielsweise ist auf das Massivteil 2 eine dünne keramische Schicht aufgebracht. Auch kann ein aus Aluminium gebildetes Massivteil 2 zur Isolation eloxiert werden (anodische Oxydation der obersten Schicht). Weiterhin ist es möglich, das Massivteil 2 dünn mit einem hochtemperaturfesten Kunststoff, wie zum Beispiel mit Polyetheretherketon (kurz PEEK), zu beschichten bzw. zu überziehen oder mit einem faserverstärkten Kunststoff zu beschichten oder mit Glas- oder Keramikfaser zu umwickeln. Vorzugsweise wird die hochtemperaturfeste Umhüllung 4 aus einem Material gebildet, dass einen Schmelzpunkt größer 300°C aufweist.
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Alternativ ist es möglich, das Massivteil 2 dünn mit einem hochgefüllten, insbesondere faserverstärktem Thermoplasten, zum Beispiel PA66 GF50 mit 50% Glasfaserfüllung oder mehr, zu beschichten. Dieser Werkstoff schmilzt bei Hitze nicht vollständig ab, sondern wird pyrolysiert unter Zurücklassung eines Glasfasergerüstes. Durch den geringen Einsatz von hochtemperaturfestem Material bleiben die Kosten im Rahmen und das Bauteil als Ganzes und somit das Kontaktierungselement 1 elastisch.
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3 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Stromkollektorplatte 5 mit einem Kontaktierungselement 1. Dabei ist das Kontaktierungselement 1 derart an der Stromkollektorplatte 5 angeordnet, dass die Anschlusskontakte 3 außenliegende Kontakte der Stromkollektorplatte 5 bilden. Das an der Stromkollektorplatte 5 angebrachte Kontaktierungselement 1 ist dabei zusätzlich außerhalb der Bereiche der Anschlusskontakte 3 mit einem Thermoplast 6, insbesondere einem elastischen Thermoplast, zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, flächig umspritzt. Dabei kann das Kontaktierungselement 1 und die Stromkollektorplatte 5 vorzugsweise mit einem thermoplastischen Kunststoff mit einem Schmelzpunkt größer 120°C, insbesondere von 140°C oder größer, insbesondere von 160°C oder 220°C bereichsweise, insbesondere die Anschlusskontakte 3 aussparend, umspritzt werden.
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4 zeigt schematisch in Explosionsdarstellung ein Zellmodul 7 (auch Zellblock genannt) mit zwei endseitig angeordneten Stromkollektorplatten 5 und dazwischen angeordneten Doppelzellmodulen 8 mit Flachzellen 9. Das Zellmodul 7 ist aus fünf Doppelzellmodulen 8 aus je zwei Flachzellen 9, insbesondere Lithium-Ionen-Pouchzellen, und einem Zellhalter 10, insbesondere einem Rahmen, gebildet.
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Der Zellhalter 10 ist rahmenförmig ausgestaltet und aus Kunststoff in Doppelschalenform ausgeführt, der die empfindlichen Flachzellen 9 vor äußeren mechanischen Einflüssen abschirmt und diese elektrisch isoliert. Auf eine Trennwand 10.1 des Zellhalters 10 werden flächig je zwei Flachzellen 9 geklebt, womit ein Doppelzellmodul 8 gebildet wird.
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Die elektrische Verschaltung, insbesondere Reihenschaltung, der Flachzellen 9 im Block und somit im Zellmodul 7 erfolgt durch direkte Verbindung von aufeinander zu gebogenen Ableitern 9.1. An den Enden des Zellmoduls 7 aus den fünf Doppelzellmodulen 8 sind die als Endplatten ausgebildeten Stromkollektorplatten 5 angeordnet. Die Stromkollektorplatten 5 umfassen das Massivteil 2 mit den außenliegenden Anschlusskontakten 3, die im zusammengebauten Zustand HV-Kontakte des Zellmoduls 7 bilden. Die Massivteile 2 sind in die Stromkollektorplatten 5 eingespritzt. Die außenliegenden Anschlusskontakte 3 ermöglichen die Stromeinleitung und -entnahme aus dem Zellmodul 7.
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5 zeigt das Zellmodul 7 im teilweise zusammengesetzten Zustand. Das Zellmodul 7 wird vorn und hinten durch Druckplatten 11 (auch Druckbrillen genannt) abgeschlossen, die mit vier seitlich am Zellmodul 7 entlang laufenden Verbindungsleisten 12 verschweißt sind und die Druckvorspannung aufbringen.
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Das Massivteil 2 der Kontaktierungselemente 1 der Stromkollektorplatten 5 wird vor der Umspritzung mit dem Thermoplast 6 mit der dünnen hochtemperaturfesten Umhüllung 4 versehen. Sowohl der Thermoplast 6 als auch die hochtemperaturfesten Umhüllung 4 sind nicht im Bereich des Ableiters 9.1 der anzuschließenden Flachzelle 9 sowie im Bereich des Anschlusskontaktes 3 aufgebracht.
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6 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung das zusammengesetzte Zellmodul 7 mit endseitigen Druckplatten 11 und Stromkollektorplatten 5 sowie zwischen den Stromkollektorplatten 5 angeordneten Doppelzellmodulen 8 mit einer Mehrzahl von Flachzellen 9.
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7 zeigt schematisch im Längsschnitt das zusammengesetzte Zellmodul 7. 8 zeigt schematisch eine Ausschnittsvergrößerung des Längsschnitt gemäß 7.
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8 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für ein mehrteiliges Kontaktierungselement 10. Das Kontaktierungselement 10 umfasst ein Massivteil 20 und ein gitter- oder skelettförmiges Stützelement 21 für das Massivteil 20. Das Stützelement 21 ist bis an die Ränder der hochtemperaturfesten Umhüllung 4 geführt und angeformt.
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Dabei können das Massivteil 20 und das Stützelement 21 einteilig oder mehrteilig ausgebildet und aus dem gleichen Material gebildet sein. Alternativ sind diese aus verschiedenen Materialien gebildet. Insbesondere ist das Massivteil 20 aus Aluminium oder Kupfer gebildet. Das Stützelement 21 ist bevorzugt aus dem Material der hochtemperaturfesten Umhüllung 4 gebildet. Mit anderen Worten: Die bereichsweise hochtemperaturfeste Umhüllung 4 wird nicht nur flächig auf das Massivteil 20 aufgebracht, sondern als das Stützelement 21 am Massivteil 20 ausgeformt. 8 zeigt ein gitterförmiges Stützelement 21, das am Massivteil 20 angeformt ist.
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Durch das Stützelement 21, ebenfalls auch aus einem hochtemperaturfesten Material gebildet, kann das Massivteil 20 und somit die Stromschiene auch nach einem möglichen vollständigen Abschmelzen des Thermoplast 6 der Stromkollektorplatte 50 in Position gehalten werden.
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Das Stützelement 21 und auch die hochtemperaturfeste Umhüllung 4 sind beispielsweise aus einem Glasfaser- oder Keramikmaterial gebildet und gleichzeitig in einem Spritzgussvorgang an dem Massivteil 20 angespritzt. Das Stützelement 21 kann anschließend beim Spritzvorgang zum Aufbringen des Thermoplast 6 die Positionierung des Massivteils 20 und damit der Stromschiene in der Spritzgussform übernehmen, so dass separate Fixierelemente in der Form hierfür entfallen.
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Weiterhin wird durch das Stützelement 21 die mechanische Stabilität der Stromkollektorplatte 50 vergrößert, so dass die Druckplatte 11 entsprechend kleiner ausgeführt werden kann.
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10 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung das Kontaktierungselement 10 mit dem Massivteil 20 und dem an diesen angeformten Stützelement 21, die von einem Thermoplast 6 umspritzt sind und die Stromkollektorplatte 50 bilden. Dabei weisen gitterförmige Enden 22 des Stützelements 21 aus dem Thermoplast 6 heraus.
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11 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für einen Sammelleiter 13, der zur Zu- und Ableitung des Stroms am Anschlusskontakt 3 des Kontaktierungselements 1 angebracht ist. Ebenso kann der Sammelleiter 13 am alternativen Kontaktierungselement 10 angebracht sein (nicht näher dargestellt).
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Bild 12 zeigt den Sammelleiter 13 im Detail. Der Sammelleiter 13 ist mittels einer Befestigung 14 am außenliegenden Anschlusskontakt 3 des Kontaktierungselements 1 des Zellmoduls 7 befestigt. Der Sammelleiter 13 weist ein inneres Massivteil 2 aus Aluminium oder Kupfer auf, das mit einer hochtemperaturfesten Umhüllung 4 und auf dieser mit einem Thermoplast 6 in analoger Weise umhüllt ist, wie das Kontaktierungselement 1 oder 10.
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Darüber hinaus können in nicht näher dargestellter Art und Weise Stromschienen innerhalb des Zellmoduls 7 und innerhalb einer Batterie aus mehreren Zellmodulen 7 zur Zu- und Ableitung von Strom oder zur elektrischen Verbindung von Flachzellen 9 und/oder Zellmodulen 7 analog zum Kontaktierungselement 1, 10 oder zum Sammelleiter 13 aus einem massiven Metallteil mit einem hochtemperaturfesten Material umhüllt und auf diesem mit einem thermoplastischen Kunststoff vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 10
- Kontaktierungselement
- 2, 20
- Massivteil
- 21
- Stützelement
- 22
- Enden des Stützelements
- 3
- Anschlusskontakt
- 4
- hochtemperaturfeste Umhüllung
- 5, 50
- Stromkollektorplatte
- 6
- Thermoplast
- 7
- Zellmodul
- 8
- Doppelzellmodul
- 9
- Flachzellen
- 9.1
- Ableiter
- 10
- Zellhalter
- 10.1
- Trennwand
- 11
- Druckplatten
- 12
- Verbindungsleisten
- 13
- Sammelleiter
- 14
- Befestigung
