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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Traktionsbatteriebaugruppen für Hybrid- und Vollelektrofahrzeuge und insbesondere Batteriebaugruppen mit Zellen, bei denen ein Thermoelement auf einer Außenfläche der Zelle angeordnet ist.
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HINTERGRUND
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Die Notwendigkeit, Kraftstoffverbrauch und Emissionen bei Personenkraftwagen und anderen Fahrzeugen zu verringern, ist gut bekannt. Es werden Fahrzeuge entwickelt, bei denen eine Abhängigkeit von Brennkraftmaschinen entweder verringert oder gar nicht vorhanden ist. Elektrifizierte Fahrzeuge stellen einen Fahrzeugtyp dar, der aktuell zu diesem Zweck entwickelt wird.
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Elektrifizierte Fahrzeuge enthalten eine Traktionsbatteriebaugruppe, die als eine Energiequelle für das Fahrzeug fungiert. Die Traktionsbatterie weist möglicherweise Komponenten und Systeme auf, die dazu beitragen sollen, Leistung und Operationen des Fahrzeugs zu verwalten. Die Traktionsbatterie kann außerdem Hochvoltkomponenten aufweisen und kann ein Luft- oder Flüssigkeits-Wärmemanagementsystem zum Steuern der Temperatur der Batterie aufweisen.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einer Ausführungsform weist eine Traktionsbatterie eine Mehrzahl von Zellen auf, die in einer Anordnung angeordnet sind und jeweils einen Beutel mit einer Außenfläche aufweisen. Zu der Traktionsbatterie zählt außerdem eine Platine, die Anschlussaufnahmen aufweist. Ein Thermoelement ist auf der Außenfläche einer der Zellen angeordnet und weist ein erstes und ein zweites Bein auf, die jeweils aus einer Metallschicht ausgebildet sind. Jedes der Beine weist einen Anschluss auf, der sich von dem Beutel weg erstreckt und in eine der Anschlussaufnahmen eingeführt ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform weist eine Traktionsbatterie eine Zellenanordnung auf, bei der mindestens eine Zelle über einen Beutel verfügt, der eine sich von ihm aus erstreckende Lasche definiert. Ein Thermoelement ist auf dem Beutel angeordnet und weist ein erstes und ein zweites Bein auf, die aus einer Metallschicht ausgebildet sind. Ein Anschlussabschnitt des ersten Beins ist auf der Lasche angeordnet.
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Gemäß einer noch anderen Ausführungsform, einem Verfahren zum Aufbringen eines Thermoelements auf eine Zelle mit einem Beutel, beinhaltet das Verfahren ein Aufbringen einer ersten Tinte, die ein erstes Metallpulver aufweist, auf eine Außenfläche des Beutels. Das Verfahren beinhaltet außerdem ein Aufbringen einer zweiten Tinte, die ein zweites Metallpulver aufweist, auf die Außenfläche, sodass die erste und zweite Tinte an einer Verbindungsstelle miteinander in Verbindung kommen. Das erste und zweite Metallpulver sind verschiedenartige Metalle, die dafür ausgestaltet sind, einen thermoelektrischen (bzw. Seebeck-)Effekt hervorzurufen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Schaubild eines beispielhaften Hybridfahrzeugs.
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2 ist eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle mit einem Thermoelement.
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3 ist eine vergrößerte Vorderansicht, die eine Anschlussseite einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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4 ist eine vergrößerte Vorderansicht, die eine Anschlussseite einer Batteriezelle gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.
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5 ist eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle mit mehreren Thermoelementen.
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6 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Traktionsbatteriebaugruppe.
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7 ist eine schematische Veranschaulichung, die eine Steuerplatine und eine Batteriezelle zeigt.
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8 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Aufnahmeplatine und einer Batteriezelle.
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9 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren zum Aufbringen eines Thermoelements auf eine Batteriezelle zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele darstellen, und dass andere Ausführungsformen unterschiedliche und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sollen hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend verstanden werden, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage dienen, um Fachleute zu lehren, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise anzuwenden. Wie Fachleute verstehen werden, können verschiedene mit Bezug auf irgendeine der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen zu erstellen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Durch die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen werden repräsentative Ausführungsformen für übliche Anwendungen bereitgestellt. Allerdings könnten verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung im Einklang stehen, für bestimmte Anwendungen oder Realisierungen erwünscht sein.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines üblichen batterieelektrischen Fahrzeugs (battery-electric vehicle, BEV). Bestimmte Ausführungsformen können jedoch im Zusammenhang mit Plug-in-Hybridelektrofahrzeugen realisiert werden. Das Fahrzeug 12 weist eine oder mehrere elektrische Maschinen 14 auf, die mechanisch mit einem Getriebe 16 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 14 können in der Lage sein, als ein Motor oder ein Generator zu funktionieren. Wenn das Fahrzeug ein Hybridelektrofahrzeug ist, ist das Getriebe 16 mechanisch mit einer Kraftmaschine verbunden. Das Getriebe 16 ist über eine Antriebswelle 20 mechanisch mit den Rädern 22 verbunden. Durch die elektrischen Maschinen 14 können eine Antriebs- und Verzögerungsfähigkeit bereitgestellt werden. Die elektrischen Maschinen 14 fungieren auch als Generatoren und können für Vorteile im Hinblick auf Kraftstoffsparsamkeit sorgen, indem durch Nutzbremsung Energie zurückgewonnen wird.
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Eine Traktionsbatterie bzw. ein Batteriepack 24 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 14 genutzt werden kann. Die Traktionsbatterie 24 stellt üblicherweise einen Hochvolt-Ausgangsgleichstrom aus einer oder mehreren Batteriezellenanordnungen in der Traktionsbatterie 24 bereit, die manchmal als Batteriezellenstapel bezeichnet werden. Die Batteriezellenanordnungen können eine oder mehrere Batteriezellen aufweisen.
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Die Batteriezellen (beispielsweise prismatische, Beutel-, zylinderförmige Zellen oder eine beliebige andere Art von Zelle) wandeln gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Die Zellen können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) aufweisen. Durch einen Elektrolyten kann ermöglicht werden, dass sich während eines Entladens Ionen zwischen der Anode und der Kathode bewegen und dann während eines Wiederaufladens zurückkehren. Durch Anschlüsse kann ermöglicht werden, dass Strom zur Verwendung durch das Fahrzeug aus der Zelle fließt.
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Es stehen unterschiedliche Batteriepack-Ausgestaltungen zur Verfügung, um einzelne Fahrzeugvariablen zu berücksichtigen, darunter Packaging-Zwänge und Energiebedarf. Die Batteriezellen können mithilfe eines Wärmemanagementsystems thermisch geregelt werden. Zu Beispielen für Wärmemanagementsysteme zählen Luftkühlsysteme, Flüssigkeitskühlsysteme sowie eine Kombination aus Luft- und Flüssigkeitskühlsystem.
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Die Traktionsbatterie 24 kann durch einen oder mehrere Schütze (nicht gezeigt) elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 26 verbunden sein. Der eine oder mehrere Schütze isolieren, wenn sie geöffnet sind, die Traktionsbatterie 24 gegenüber anderen Komponenten und verbinden, wenn sie geschlossen sind, die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten. Das Leistungselektronikmodul 26 kann elektrisch mit den elektrischen Maschinen 14 verbunden sein und kann die Fähigkeit bieten, elektrische Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 24 und den elektrischen Maschinen 14 zu übertragen. Zum Beispiel kann eine übliche Traktionsbatterie 24 eine Gleichspannung (DC-Spannung) liefern, während die elektrischen Maschinen 14 zum Funktionieren möglicherweise eine Drei-Phasen-Wechselspannung (AC-Spannung) benötigen. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in eine Drei-Phasen-Wechselspannung umwandeln, wie sie von den elektrischen Maschinen 14 benötigt wird. In einem generatorischen Modus kann das Leistungselektronikmodul 26 die Drei-Phasen-Wechselspannung von den elektrischen Maschinen 14, die als Generatoren fungieren, in die von der Traktionsbatterie 24 benötigte Gleichspannung umwandeln.
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Neben einem Bereitstellen von Energie zum Antrieb kann die Traktionsbatterie 24 Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme liefern. Zu einem üblichen System zählt ein DC/DC-Wandlermodul 28, das die Hochvolt-Ausgangsgleichspannung der Traktionsbatterie 24 in eine Niedervolt-Versorgungsgleichspannung umwandelt, die mit anderen Fahrzeugkomponenten kompatibel ist. Andere Hochvoltlasten wie beispielsweise Klimaverdichter und elektrische Heizvorrichtungen können ohne die Verwendung eines DC/DC-Wandlermoduls 28 direkt an die Hochvoltversorgung angeschlossen sein. Bei einem üblichen Fahrzeug können die Niedervoltsysteme elektrisch mit dem DC/DC-Wandler oder einer Hilfsbatterie 30 (z.B. eine 12-Volt-Batterie) verbunden sein.
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Ein Batterieenergiesteuermodul (battery energy control module, BECM) 33 kann mit der Traktionsbatterie 24 in Verbindung stehen. Das BECM 33 kann als ein Steuergerät für die Traktionsbatterie 24 fungieren und kann außerdem ein elektronisches Überwachungssystem aufweisen, das Temperatur und Ladezustand jeder der Batteriezellen verwaltet. Die Traktionsbatterie 24 kann einen Temperatursensor 31 wie beispielsweise einen Thermistor oder eine andere Temperaturanzeige aufweisen. Der Temperatursensor 31 kann in Verbindung mit dem BECM 33 stehen, um die Traktionsbatterie 24 betreffende Temperaturdaten bereitzustellen.
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Das Fahrzeug 12 kann mithilfe einer externen Energiequelle 36 wiederaufgeladen werden. Die externe Energiequelle 36 kann das Stromnetz oder eine lokale Energiequelle (z.B. Solarenergie) sein. Die externe Energiequelle 36 ist elektrisch mit einer Fahrzeugladestation 38 verbunden. Durch die Ladevorrichtung 38 können Schaltungen und Bedienelemente zum Regeln und Handhaben der Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Energiequelle 36 und dem Fahrzeug 12 bereitgestellt werden. Die externe Energiequelle 36 kann die Ladevorrichtung 38 mit elektrischer Gleichstrom- oder Wechselstromenergie versorgen. Die Ladevorrichtung 38 kann einen Stecker 40 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Bei dem Ladeanschluss 34 kann es sich um einen beliebigen Anschlusstyp handeln, der derart ausgestaltet ist, dass er Energie von der Ladevorrichtung 38 empfängt. Der Ladeanschluss 34 kann elektrisch mit einem bordseitigen Energieumwandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Energieumwandlungsmodul 32 kann die von der Ladevorrichtung 38 zugeführte Energie konditionieren, um der Traktionsbatterie 24 die angemessenen Spannungs- und Strompegel zuzuführen. Das Energieumwandlungsmodul 32 kann mit der Ladevorrichtung 38 eine Verbindung eingehen, um die Energiezufuhr zu dem Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der Stecker 40 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Vertiefungen des Ladeanschlusses 34 ineinandergreifen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Ladestation eine Induktionsladestation sein. Hier kann das Fahrzeug einen Empfänger aufweisen, der mit einem Sender der Ladestation Daten austauscht, um drahtlos elektrischen Strom zu empfangen.
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Die verschiedenen erörterten Komponenten können ein oder mehrere Steuergeräte zum Steuern und Überwachen des Betriebs der Komponenten aufweisen. Die Steuergeräte können über einen seriellen Bus (z.B. ein Controller Area Network, CAN) oder über dedizierte elektrische Leitungen Daten austauschen. Zu dem Steuergerät zählen im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speicher (z.B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) sowie Softwarecode zum Zusammenwirken untereinander, um eine Reihe von Operationen auszuführen. Das Steuergerät weist außerdem vorgegebene Daten bzw. „Look-up-Tabellen“ auf, die auf Berechnungen und Testdaten beruhen und in dem Speicher gespeichert sind. Das Steuergerät kann mit anderen Fahrzeugsystemen und -steuergeräten über eine oder mehrere kabelgebundene oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung üblicher Busprotokolle (z.B. CAN und LIN) Daten austauschen. In dem vorliegenden Dokument kann sich eine Bezugnahme auf „ein Steuergerät“ auf ein oder mehrere Steuergeräte beziehen.
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Wie in 2 gezeigt, weist die Traktionsbatterie 24 eine Mehrzahl von Zellen 50 auf, die in einer oder mehreren Anordnungen angeordnet sind. Die Zelle 50 kann, wie veranschaulicht, eine Beutelzelle sein, oder es kann sich um eine andere Art von Zelle handeln. Die Zelle 50 weist einen Beutel 52 auf, in dem die inneren Komponenten der Zelle untergebracht sind. Der Beutel 52 weist eine Außenfläche bzw. -haut 54 auf. Die Zelle 50 kann ein Paar Hauptseiten 56 sowie Nebenseiten 58 aufweisen, die sich zwischen den Hauptseiten erstrecken. Die Anschlüsse 60 der Zelle erstrecken sich von einer oder mehreren der Nebenseiten 58 aus. Die Nebenseite, von der aus sich die Anschlüsse 60 erstrecken, ist als die Anschlussseite 62 der Zelle 50 bekannt.
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Die Zellen 50 erzeugen während eines Ladens und Entladens der Batterie 24 Wärme. Um die Batterie 24 richtig zu steuern, empfangen ein oder mehrere Fahrzeugsteuergeräte ein Signal, das die Temperatur der Batterie 24 anzeigt. Bei zahlreichen Lösungen nach dem Stand der Technik wird für das Batteriepack eine Durchschnittstemperatur ermittelt und die Durchschnittstemperatur als eine Eingabe für das Steuergerät verwendet. Diese Systeme verfügen höchstens über eine Handvoll Sensoren (üblicherweise Thermistoren), die in ausgewählten Bereichen angeordnet sind. Das Problem beim Verwenden einer durchschnittlichen Batterietemperatur besteht darin, dass sich jede der Zellen ungleichmäßig erwärmen und drastisch andere Temperaturen als andere Zellen in der Anordnung aufweisen kann. Die verschiedenen Abschnitte der einzelnen Zellen 50 erwärmen sich ebenfalls ungleichmäßig.
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Üblicherweise erzeugen die Zellen 50 zu der Anschlussseite 62 hin mehr Wärme als in anderen Bereichen der Zelle. Um einen Batteriebetrieb zu optimieren und eine ausgedehnte Batterielebensdauer sicherzustellen, ist es von Vorteil, über ein genaues Bild der Temperatur des Batteriepacks 24 und jeder Zelle 50 zu verfügen.
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Ein Thermoelement 64 kann als ein Temperatursensor für die Zellen 50 verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen weist jede Zelle in der Anordnung ein Thermoelement 64 auf. Bei anderen Ausführungsformen weisen nur einige der Zellen ein Thermoelement 64 auf. Thermoelemente sind kostengünstig und weisen im Vergleich zu anderen aktuell verwendeten Temperatursensoren einen geringen Platzbedarf auf. Aus diesem Grund kann im Vergleich zu anderen Arten von Temperatursensoren eine größere Anzahl von Thermoelementen in dem Batteriepack 24 enthalten sein. Das Thermoelement 64 kann auf der Außenhaut 54 einer der Hauptseiten 56 angeordnet sein. Das Thermoelement 64 weist ein erstes Bein 66 und ein zweites Bein 68 auf, die an einer Verbindungsstelle 70 verbunden sind. Die Beine sind auch als Leiterbahnen bekannt. Das erste und zweite Bein sind aus verschiedenartigen Metallen ausgebildet, die dafür geeignet sind, einen thermoelektrischen Effekt (auch als Seebeck-Effekt bekannt) hervorzurufen. Zu geeigneten Metallen zählen Nickel-Kupfer, Chromel-Konstantan, Chromel-Alumel, Eisen-Konstantan, Platin-Rhodium, Kupfer-Konstantan sowie zahlreiche andere. Das Thermoelement 64 weist außerdem einen ersten Anschluss 72, der mit dem ersten Bein 66 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 74 auf, der mit dem zweiten Bein 68 verbunden ist. Der erste und zweite Anschluss 72, 74 sind entweder direkt oder indirekt elektrisch mit dem Steuergerät verbunden.
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Bei den Beinen des Thermoelements 64 kann es sich um Metallstreifen oder -drähte oder um eine aus getrockneter Tinte oder Farbe ausgebildete metallische Schicht handeln. Die metallische Schicht ist elektrisch leitend und flexibel. Bei einer Ausführungsform ist jedes der Beine aus einer metallischen Schicht ausgebildet, die auf die Außenhaut 54 des Beutels 52 gemalt, gedruckt oder gezeichnet ist. Die metallische Schicht kann auf den Beutel 52 mithilfe von Tintenstrahldruck, Siebdruck aufgebracht werden oder kann unter Verwendung eines Stifts oder Pinsels von Hand aufgebracht werden. Der Beutel 52 ist ein flexibles, nichtmetallisches und nichtleitendes Material wie beispielsweise Aluminium-Polymer-Laminat. Die Schicht muss außerdem flexibel und in der Lage sein, an der Außenhaut des Beutels 52 haftenzubleiben. Ein Dünnschicht-Thermoelement ist äußerst dünn (um Größenordnungen dünner als herkömmliche Thermoelemente) und weist keinen wesentlichen „Dicke-Fußabdruck“ (thickness footprint) auf. Daher kann im Vergleich zu anderen Temperatursensoren und Thermoelementen auf Grundlage von Draht oder Metallstreifen eine größere Anzahl von Dünnschicht-Thermoelementen verwendet werden.
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Jede der metallischen Tinten oder Farben kann aus Metallpulver, einem Bindemittel und einem Lösungsmittel bestehen. Bei dem Metallpulver kann es sich um feinteilige Granulate oder dünne Plättchen handeln. Das Metallpulver und das Bindemittel machen die trockenen Bestandteile der Tinte aus, und das Lösungsmittel macht den nassen Bestandteil aus. Bei den trockenen Bestandteilen kann es sich jeweils um 79 bis 99 Trockengewichtsprozent Metallpulver und 1 bis 21 Trockengewichtsprozent Bindemittel handeln.
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Bei dem Bindemittel kann es sich um ein beliebiges filmbildendes Polymer handeln. Zu möglichen Bindemitteln zählen: Polyvinylidenfluorid (PVDF), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylonitril (PAN), Polyvinylsäure (PVA), Polyacrylsäure (PAA) sowie Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR). Die Lösungsmittel können flüchtig oder nichtflüchtig sein. Zu möglichen Lösungsmitteln zählen N-Methylpyrrolidon (NMP), Wasser, Alkohol und Aceton. Bei dem Lösungsmittel kann es sich um ein Gemisch aus verschiedenen Lösungsmitteln handeln wie beispielsweise ein Wasser-Aceton-Gemisch.
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Die Tinte oder Farbe wird hergestellt, indem die trockenen Bestandteile zusammengemischt werden und eine wirksame Menge Lösungsmittel hinzugefügt wird, um eine Flüssigphase zu bilden, die auf den Beutel 52 gedruckt oder gemalt werden kann. Die Tinte oder Farbe wird dann getrocknet, um eine Schicht auszubilden. Die Tinte oder Farbe kann bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur getrocknet werden. Die Beutel sind heißverklebt; daher muss jegliches Trocknen bei erhöhter Temperatur bei weniger als 200 Grad Celsius durchgeführt werden, um ein Beschädigen der Nähte zu verhindern.
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Der erste und zweite Anschluss 72, 74 können auch aus einer metallischen Schicht ausgebildet oder können ein Metallstreifen sein. Bei einer in 3 veranschaulichten Ausführungsform ist jeder der Anschlüsse aus einem massiven Metallstreifen ausgebildet, der elektrisch mit der metallischen Schicht eines entsprechenden Beins verbunden ist. Der erste Anschluss 72 kann aus demselben Metall wie die Schicht des ersten Beins hergestellt sein, und der zweite Anschluss 74 kann aus demselben Metall wie die Schicht des zweiten Beins 68 hergestellt sein. Wenn zum Beispiel das Metallpulver des ersten Beins 66 Kupfer ist, ist der erste Anschluss 72 aus einem Kupfer hergestellt. Die Anschlüsse können mit der Schicht mithilfe von Ultraschallschweißen, Festklemmen, Klebstoff, Crimpen oder anderen bekannten Verfahren verbunden sein. Bei einigen Ausführungsformen werden zuerst die Anschlüsse an dem Beutel 52 befestigt, und anschließend werden die Beine des Thermoelements 64 derart auf den Beutel gedruckt, dass ein Abschnitt jedes Beins auf einen entsprechenden Anschluss gedruckt wird. Alternativ wird zuerst das Thermoelement auf den Beutel aufgebracht, und anschließend werden die Anschlüsse derart befestigt, dass jeder Anschluss einen Abschnitt eines entsprechenden Beins überlagert. Jeder der Anschlüsse 72, 74 kann einen Abschnitt 76 aufweisen, der sich über den Rand 78 des Beutels 52 hinaus erstreckt.
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Bei einer in 4 veranschaulichten anderen Ausführungsform ist der erste Anschluss 72’ aus derselben metallischen Schicht wie das erste Bein 66’ ausgebildet, und der zweite Anschluss 74’ ist aus derselben metallischen Schicht wie das zweite Bein 68’ ausgebildet. Der Beutel 52’ weist eine vorstehende Lasche 80 auf, die sich über den Hauptumfangsrand 82 der Anschlussseite 62’ hinaus erstreckt. Der erste und zweite Anschluss 72’, 74’ sind auf der vorstehenden Lasche 80 angeordnet. Das erste und zweite Bein 66’, 68’ erstrecken sich von einem Außenrand der Lasche 80 hin zu einem inneren (oder zentralen) Abschnitt der Außenhaut 54 des Beutels 52. Bei einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der vorstehenden Lasche 80 um ein Paar vorstehende Laschen, die jeweils einen der Anschlüsse aufweisen. Der erste und zweite Anschluss 72’, 74’ können eine dickere Schicht aufweisen, um für Robustheit und Zuverlässigkeit beim Verbinden der Anschlüsse mit Verbindern zu sorgen.
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Bei einer Ausführungsform ist die Lasche ein Opfersubstrat, das verwendet wird, um die Tinte zu unterstützen, bis diese getrocknet ist. Sobald die Tinte getrocknet ist, wird die Opferlasche entfernt, und zurück bleibt ein aus der Schicht (d.h. getrockneter Tinte) ausgebildeter Anschluss. Zusätzliche Beschichtungen mit Tinte können in dem Anschlussabschnitt der Beine aufgebracht werden, um die Festigkeit des Dünnschicht-Anschlusses zu erhöhen. Die Opferlasche kann aus Wachs, Teflon® oder einer beliebigen anderen Struktur hergestellt sein, die sich ohne Beschädigen des Dünnschicht-Anschlusses entfernen lässt.
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Das Thermoelement 64 ist auf der Außenhaut 54 in einem Bereich angeordnet, wo eine Temperaturmessung wünschenswert ist. Die Zellen 50 erzeugen üblicherweise die maximale Wärmemenge in der Nähe der Anschlussseite 62. Daher kann es wünschenswert sein, die Thermoelement-Verbindungsstelle dort anzuordnen, wie in 2 gezeigt. Allerdings kann es auch wünschenswert sein, die Temperatur der kühleren Bereiche der Zelle zu ermitteln, um sicherzustellen, dass alle Abschnitte der Zelle über einem minimalen Betriebstemperatur-Schwellenwert liegen. Da Thermoelemente billig und relativ klein sind, kann eine einzelne Zelle 51 mehrere Thermoelemente aufweisen, wie in 5 gezeigt. Durch ein Vorhandensein mehrerer Thermoelemente kann das Temperaturdifferenzial der einzelnen Zellen ermittelt werden. Ein erstes Thermoelement 90 ist in der Nähe der Anschlussseite der Zelle angeordnet und misst eine Temperatur der heißen Stelle. Das zweite Thermoelement 92 ist in dem zentralen Bereich des Anschlusses angeordnet und misst eine Temperatur einer Stelle mit einer Zwischentemperatur. Ein drittes Thermoelement 94 ist in der Nähe eines unteren Randes der Zelle angeordnet und misst eine Temperatur der kühleren Stelle. Durch Vergleichen dieser drei Temperaturmessungen kann das Steuergerät ein Temperaturdifferenzial über die Zelle 50 ermitteln.
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6 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Traktionsbatteriebaugruppe 24. Die Baugruppe 24 weist eine Zellenanordnung 100 mit einer Mehrzahl von Zellen 50 und einer Mehrzahl von Thermoplatten 102 auf, die mit den Zellen 50 verzahnt angeordnet sind. Jede der Zellen 50 weist ein Halteteil 104 auf, das die Nebenseiten der Zelle umgibt und dazu beiträgt, die Zelle in der Anordnung 100 zu sichern. Jede der Thermoplatten 102 weist eine Einlass- und eine Auslassöffnung auf, die mit einem der Verteiler 114 verbunden werden. Beim Betrieb zirkuliert Kühlmittel durch die Verteiler und Thermoplatten, um eine Temperatur der Anordnung 100 zu regeln. Eine Steuerplatine 106 ist auf einer Seite der Anordnung 100 angeordnet. Die Steuerplatine 106 ist beispielsweise auf der Anschlussseite der Anordnung 100 angeordnet. Die Steuerplatine kann Schlitze zum Aufnehmen der Anschlüsse 60 von jeder der Zellen aufweisen. Die Anschlüsse sind mit den Hochvolt-Busverbindungen der Steuerplatine 106 mithilfe von Schweißnähten, Verflechten oder anderen Mitteln elektrisch verbunden. Die Steuerplatine 106 ist elektrisch mit einem oder mehreren der Fahrzeugsteuergeräte verbunden. Zu der Baugruppe 24 zählt auch ein Gehäuse, das die inneren Komponenten der Traktionsbatterie 24 umgibt. Das Gehäuse kann eine untere 108, eine obere 110 und eine vordere Abdeckung 112 aufweisen.
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Eine oder mehrere der Zellen 50 weisen ein Thermoelement wie beispielsweise das Thermoelement 64 auf. Die Traktionsbatteriebaugruppe 24 kann einen oder mehrere Anschlussdrähte (nicht gezeigt) aufweisen, die eine Verbindung mit den Anschlüssen der Thermoelemente herstellen, um die Thermoelemente elektrisch mit einem oder mehreren der Fahrzeugsteuergeräte zu verbinden. Um für ein effizienteres Packaging zu sorgen, können die Anschlussdrähte durch eine Platine ersetzt werden, die elektrisch mit jedem der Thermoelemente und einem oder mehreren der Fahrzeugsteuergeräte verbunden ist.
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Bei der Platine kann es sich um eine separate Komponente handeln, oder sie kann einstückig mit der Steuerplatine 106 ausgeführt sein. 7 veranschaulicht eine Steuerplatine 116, die sowohl Hochvolt-Busverbindungen für die Zellenanschlüsse als auch Busverbindungen für die Thermoelementanschlüsse aufweist. Eine Zelle 118 weist ein Paar Zellenanschlüsse 120 auf, die sich von einer Anschlussseite der Zelle aus erstrecken. Ein Thermoelement 122 ist auf einer Außenhaut der Zelle 118 angeordnet. Das Thermoelement 122 kann einem der vorstehend beschriebenen Thermoelemente ähnlich sein. Das Thermoelement 122 weist einen ersten Anschluss 124 und einen zweiten Anschluss 126 auf.
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Die Steuerplatine 116 weist Zellenanschlussaufnahmen 128 auf, die jeweils dafür ausgestaltet sind, einen der Zellenanschlüsse 120 aufzunehmen. Die Steuerplatine 116 weist außerdem Thermoelementaufnahmen 130 auf, die jeweils dafür ausgestaltet sind, einen der ersten oder zweiten Anschlüsse 124, 126 des Thermoelements 122 aufzunehmen. Die Aufnahmen 130 weisen einen oder mehrere elektrische Kontakte zum elektrischen Verbinden mit den Anschlüssen 124, 126 auf.
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8 veranschaulicht eine andere Traktionsbatteriebaugruppe 140. Die Baugruppe 140 weist eine Mehrzahl von Zellen 142 auf, die jeweils Zellenanschlüsse 144 aufweisen, die sich von einem oberen Rand der Zelle aus erstrecken. Eine oder mehrere der Zellen 142 weisen ein Thermoelement 146 mit Anschlüssen 148 auf, die in der Nähe des unteren Randes 156 der Zelle angeordnet sind. Die Anschlüsse 148 des Thermoelements 146 können sich über einen Rand 156 der Zelle 142 hinaus erstrecken. Die Traktionsbatteriebaugruppe 140 weist außerdem eine Aufnahmeplatine 150 mit einer Mehrzahl von Schlitzen 152 auf. In jedem der Schlitze 152 wird der Rand 156 einer der Zellen 142 aufgenommen. Die Schlitze 152 sind derart angeordnet, dass durch sie jede der Zellen 142 innerhalb der Traktionsbatterie 140 im richtigen Abstand angeordnet wird. Jeder der Schlitze weist elektrische Kontakte 154 auf, die derart angeordnet sind, dass sie mit einem der Anschlüsse 148 des Thermoelements 146 in Verbindung kommen. Die Aufnahmeplatine 150 kann eine Schaltungsanordnung aufweisen, die elektrisch mit jedem der elektrischen Kontakte 154 und mit einem oder mehreren der Fahrzeugsteuergeräte verbunden ist.
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9 veranschaulicht ein Verfahren 200 zum Ausbilden eines Thermoelements auf einer Zelle. Das Thermoelement kann entweder vor oder nach der Herstellung der Zelle auf dem Beutel angebracht werden. Bei einem anderen Beispiel wird das Thermoelement auf den Beutel aufgebracht, bevor die elektrochemischen Komponenten montiert werden. Das Beutelmaterial wird möglicherweise vor einem Aufbringen des Thermoelements vorbereitet – durch Entfetten des Beutels oder Aufrauen der Außenfläche des Beutels, wo das Thermoelement angebracht wird. Bei Schritt 202 wird eine erste Tinte (die ein erstes Metallpulver enthält) auf die Haut des Beutels aufgebracht. Die Tinte kann mithilfe von Drucken oder Malen aufgebracht werden, wie vorstehend beschrieben. Die Tinte kann in einem ersten Streifen aufgebracht werden, der ein erstes Bein des Thermoelements bildet. Der Tintenstreifen kann sich von einem Rand der Zelle zu einem inneren Abschnitt hin erstrecken, wo eine Temperaturmessung gewünscht wird. Bei Schritt 204 wird eine zweite Tinte (die ein zweites Metallpulver enthält) derart auf die Außenfläche des Beutels aufgebracht, dass die erste und zweite Tinte an einer Verbindungsstelle miteinander in Verbindung kommen. Das erste und zweite Metallpulver sind verschiedenartige Metalle, die dafür geeignet sind, einen thermoelektrischen Effekt hervorzurufen. Die zweite Tinte kann auch in einem zweiten Streifen aufgebracht werden, der ein zweites Bein des Thermoelements bildet. Der zweite Tintenstreifen kann sich von einem Rand der Zelle zu dem inneren Abschnitt hin erstrecken und an einer Verbindungsstelle enden. Bei Schritt 206 werden die Tinten entweder bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur unterhalb von 200 °C trocknen gelassen. Nach einem Trocknen der Tinte kann der Beutel durch ein Paar Kalanderwalzen geführt werden, um die erste und zweite Tinte zu komprimieren. Durch dieses Kalandrieren kann die elektrische Leitfähigkeit der Tinten erhöht werden. Bei einer Ausführungsform wird ein elektrischer Anschluss an dem Außenende des Tintenstreifens angebracht. Der elektrische Anschluss kann ein Metallstreifen sein. Wenn der Beutel eine vorstehende Lasche aufweist (wie in 4 gezeigt), können die erste und zweite Tinte derart auf den Beutel aufgebracht werden, dass die Tintenstreifen an einem Rand der Lasche beginnen und sich in Richtung auf einen mittleren Abschnitt der Zelle hin erstrecken, wo die Tinten an einer Verbindungsstelle miteinander in Verbindung kommen. Nachdem das Thermoelement auf dem Beutel angebracht wurde, werden die elektrochemischen Komponenten sowie andere Komponenten angebracht, um eine fertige Zelle zu bilden.
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Bei einem anderen Beispiel wird das Thermoelement auf den Beutel aufgebracht, nachdem die elektrochemischen Komponenten der Zelle vollständig hergestellt wurden. Hier kann der Beutel an einer Stelle aufgeraut werden, an der das Thermoelement angebracht wird. Als Nächstes wird die erste und zweite Tinte aufgebracht, wie vorstehend beschrieben.
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Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen von den Ansprüchen umfassten Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Wörter dienen eher zur Beschreibung als zur Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Wesensgehalt und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie vorstehend beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen möglicherweise als vorteilhaft oder als im Hinblick auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften gegenüber anderen Ausführungsformen oder Realisierungen nach dem Stand der Technik bevorzugt beschrieben werden, ist für Fachleute erkennbar, dass ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt sein können, um erwünschte Attribute für ein gesamtes System zu erzielen, die von der speziellen Anwendung und Realisierung abhängen. Zu diesen Eigenschaften können, aber ohne einschränkend zu wirken, Kosten, Festigkeit, Dauerhaftigkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. zählen. Daher liegen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Realisierungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
