DE102020006274A1 - Flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung, ein Batteriemodul und ein Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Busbaranordnung.Die erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung umfassta) einen ersten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper (2) mit- einer ersten Oberseite (3) und- einer ersten Unterseite (4), umfassend eine erste Zellkontaktfläche (5) und eine zweite Zellkontaktfläche (6),b) einen zweiten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper (7) mit- einer zweiten Oberseite (8) und- einer zweiten Unterseite (9), umfassend eine dritte Zellkontaktfläche (10) und eine vierte Zellkontaktfläche (11), undc) einen elektrisch isolierenden Hohlkörper (12), umfassend einen durchgängigen Kühlkanal (13), wobei der erste leitfähige Körper (2) und der zweite leitfähige Körper (7) in einer Wand des Hohlkörpers (12) so angeordnet sind, dass die Oberseiten (3, 8) der leitfähigen Körper (2, 7) direkt an den Kühlkanal (13) angrenzen und die Unterseiten (4, 9) der leitfähigen Körper (2, 7) eine Außenfläche der Busbaranordnung (1) bilden.
Description
- Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung, ein Batteriemodul und ein Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Busbaranordnung.
- Aus der
US2016190663 ist eine Batterieanordnung mit hohlen Sammelschienen, die einen Durchgang für einen Kühlmittelfluss bilden, bekannt. - Die erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung umfasst
- a) einen ersten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper mit
- - einer ersten Oberseite und
- - einer ersten Unterseite, umfassend eine erste Zellkontaktfläche und eine zweite Zellkontaktfläche,
- b) einen zweiten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper mit
- - einer zweiten Oberseite und
- - einer zweiten Unterseite, umfassend eine dritte Zellkontaktfläche und eine vierte Zellkontaktfläche, und
- c) einen elektrisch isolierenden Hohlkörper, umfassend einen durchgängigen Kühlkanal, wobei der erste leitfähige Körper und der zweite leitfähige Körper in einer Wand des Hohlkörpers so angeordnet sind, dass die Oberseiten der leitfähigen Körper direkt an den Kühlkanal angrenzen und die Unterseiten der leitfähigen Körper eine Außenfläche der Busbaranordnung bilden.
- Unter dem Begriff „Busbaranordnung“ wird eine Anordnung von einem oder mehreren Leitern verstanden, die zum Sammeln und/oder Transportieren und/oder Verteilen von elektrischer Energie dienen.
- Unter dem Begriff „elektrisch leitfähig“ wird eine Fähigkeit eines Körpers verstanden einen elektrischen Strom zu transportieren. Bevorzugt sind darunter solche Körper zu verstehen, die eine elektrische Leitfähigkeit > 105 S/m aufweisen.
- Unter dem Begriff „thermisch leitfähig“ wird eine Fähigkeit eines Körpers verstanden einen Wärmestrom zu transportieren. Bevorzugt sind darunter solche Körper zu verstehen, die eine Wärmeleitfähigkeit > 50 W/(m*K) aufweisen.
- Als „elektrisch isolierend“ werden dagegen Körper mit einer elektrischen Leitfähigkeit < 10-6 S/m angesehen.
- Die erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung ist bevorzugt für einen Einsatz in Batteriemodulen oder Batterien, insbesondere Traktionsbatterien, vorgesehen.
- Dadurch, dass die leitfähigen Körper in einer Wand des Hohlkörpers so angeordnet sind, dass deren Oberseiten direkt an den Kühlkanal angrenzen und deren Unterseiten eine Außenfläche der Busbaranordnung bilden, kann eine thermischen Energie von Batteriezellen, welche mit der Außenfläche der Busbaranordnung in Kontakt stehen, über die leitfähigen Körper zum Kühlkanal abgeführt werden. Gleichzeitig kann über die leitfähigen Körper elektrische Energie zwischen angebundenen Batteriezellen transportiert werden. Dadurch vereint die erfindungsgemäße Busbaranordnung eine elektrische und thermische Funktionalität in einem Bauteil. Dies ermöglicht eine platzsparende Kühlung von Batteriezellen in einer Batterie.
- Bevorzugt ist der elektrisch isolierende Hohlkörper ein Spritzgussbauteil. Dadurch wird eine kostengünstige Fertigung der Busbaranordnung und eine flüssigkeitsdichte Einbindung der leitfähigen Körper in die Wand des elektrisch isolierenden Hohlkörpers ermöglicht.
- Vorzugsweise umfasst der elektrisch isolierende Hohlkörper eine mechanische Verstärkungsstruktur im Inneren des Kühlkanals, die einen durchgängigen Hohlraum umfasst, welcher einen Anteil einer Oberseite des ersten und/oder zweiten leitfähigen Körpers mit einer Außenfläche der Busbaranordnung verbindet.
- Durch den durchgängigen Hohlraum wird ein äußerer Zugang zu einer Oberfläche des ersten und/oder zweiten leitfähigen Körper geschaffen, durch welchen beispielsweise ein LASER-Strahl diese Oberseite erreichen und erhitzen kann. Dies ermöglicht ein Anschweißen oder Anlöten von Batteriezellen an die Zellkontaktflächen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Busbaranordnung umfasst die Schritte:
- S1: Positionieren eins ersten und eines zweiten leitfähigen Körpers in einer Spritzgussform, wobei die Spritzgussform so ausgebildet ist, dass Oberseiten und Unterseiten des ersten und eines zweiten leitfähigen Körpers von einem Gussraum der Spritzgussform derart separiert sind, dass sie bei Kunststoffspritzvorgängen kunststofffrei bleiben;
- S2: Spritzgießen einen elektrisch isolierenden Kunststoffs in die Spritzgussform.
- Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst
- a) eine erste erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung,
- b) eine zweite erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung,
- c) eine Mehrzahl von Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle einen ersten Pol umfasst, welcher elektrisch, thermisch und mechanisch an eine Zellkontaktfläche der ersten Busbaranordnung angebunden ist, und wobei jede Batteriezelle einen zweiten Pol umfasst, welcher elektrisch, thermisch und mechanisch an eine Zellkontaktfläche der zweiten Busbaranordnung angebunden ist, wobei die erste und die zweite flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung miteinander so verbunden sind, dass eine erste Kühlmittelflussrichtung im Kühlkanal der ersten flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung und eine zweite Kühlmittelflussrichtung in einem Kühlkanal der zweiten flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung gegenläufig sind.
- Durch die thermischen Anbindungen jeder Batteriezelle an die erste und die zweite Busbaranordnung und die gegenläufigen Kühlmittelflussrichtungen wird eine gleichmäßige Kühlung aller Batteriezellen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls erreicht.
- Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Busbaranordnung, -
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens und -
3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls. - Die in
1 gezeigte flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung1 umfasst einen ersten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper, welcher als Kupferplatte2 mit einer ersten Oberseite3 und einer ersten Unterseite4 ausgebildet ist. Die Unterseite des Körpers2 bildet eine erste Zellkontaktfläche5 und eine zweite Zellkontaktfläche6 zur elektrischen, thermischen und mechanischen Anbindung von Batteriezellpolen. - Des Weiteren umfasst die flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung
1 einen zweiten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper7 . Dieser ist baugleich zum ersten leitfähigen Körper2 und umfasst eine zweite Oberseite8 und eine zweite Unterseite9 mit einer dritten Zellkontaktfläche10 und einer vierten Zellkontaktfläche11 zur elektrischen, thermischen und mechanischen Anbindung von Batteriezellpolen. - Weiterhin umfasst die flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung
1 einen elektrisch isolierenden Hohlkörper12 mit einem durchgängigen Kühlkanal13 . Im Ausführungsbeispiel ist der Hohlkörper12 ein Kunststoffspritzgussbauteil. Dies ermöglicht einen kostengünstigen Herstellungsprozess der Busbaranordnung1 . - In einer Wand des Hohlkörpers
12 sind die leitfähigen Körper2 ,7 so angeordnet, dass deren Oberseiten3 ,8 direkt an den Kühlkanal13 angrenzen und deren Unterseiten4 ,9 eine Außenfläche der Busbaranordnung1 bilden. Die übrigen Seiten der beiden leitfähigen Körper2 ,7 bilden mit der Wand des Hohlkörpers12 eine flüssigkeitsdichte Verbindung. - Im beschriebenen Aufbau wird mittels der leitfähigen Körper
2 ,7 eine thermische Verbindung zwischen den Zellkontaktflächen5 ,6 ,10 ,11 und dem Kühlkanal13 hergestellt. Das Plattenmaterial Kupfer ermöglicht aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit von ~380 W/m*K einen effektiven Transport thermischer Energie von den Zellkontaktflächen5 ,6 ,10 ,11 zum Kühlkanal13 . Gleichzeitig ermöglicht der Aufbau eine serielle Verschaltung von Batteriezellen durch elektrische Anbindung an die Zellkontaktflächen5 und6 und/oder10 und11 . - Im Ausführungsbeispiel umfasst der Hohlkörper
12 im Inneren des Kühlkanals13 mehrere mechanische Verstärkungsstrukturen14 . Diese sind als zylindrische Kunststoffhohlstege ausgebildet, welche in regelmäßigen Abständen im Kühlkanal13 angeordnet sind. Dabei sind die Kunststoffhohlstege14 rechtwinklig zum Kühlkanal13 ausgerichtet und oberhalb der leitfähigen Körper2 ,7 so angeordnet, dass sie mit einer Stirnseite gegen die Oberseiten3 ,8 der der leitfähigen Körper2 ,7 drücken. Durch die mechanischen Verstärkungsstrukturen14 wird eine Verbesserung einer mechanischen Stabilität des Hohlkörpers12 und eine verbesserte mechanische Fixierung der leitfähigen Körper2 ,7 in der Wand des Hohlkörpers12 erzielt. - Im Ausführungsbeispiel weisen alle Kunststoffhohlstege
14 in ihrem Inneren jeweils einen durchgängigen Hohlraum15 auf. Jeder Hohlraum15 verbindet jeweils einen Anteil einer Oberseite3 ,8 des ersten oder zweiten leitfähigen Körpers2 ,7 mit einer Außenfläche der Busbaranordnung. Durch die durchgängigen Hohlräume15 der Verstärkungsstrukturen werden so äußere Zugänge zu den Oberseiten3 ,8 der ersten oder zweiten leitfähigen Körper2 ,7 geschaffen. Im Ausführungsbeispiel sind die durchgängigen Hohlräume15 geradlinig. Dadurch kann ein LASER-Strahl die Oberseiten3 ,8 der ersten oder zweiten leitfähigen Körper2 ,7 erreichen und erhitzen. Dies ermöglicht ein Anschweißen oder Anlöten von Batteriezellkontakten an die Zellkontaktflächen5 ,6 ,10 ,11 . - Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens (vergleiche
2 ) zur Herstellung der beschriebenen flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung1 erläutert. In einem ersten SchrittS1 des Verfahrens werden der erste und der zweite leitfähige Körper2 ,7 in einer Spritzgussform (nicht gezeigt) in dafür vorgesehenen Aufnahmen positioniert. Die Spritzgussform ist so gestaltet, dass die Oberseiten3 ,8 und Unterseiten4 ,9 des ersten und eines zweiten leitfähigen Körpers2 ,7 direkt an Oberflächen der Spritzgussform angrenzen. In der Anordnung sind die Oberseiten3 ,8 und Unterseiten4 ,9 des ersten und eines zweiten leitfähigen Körpers2 ,7 von einem Gussraum der Spritzgussform separiert und verbleiben bei Kunststoffspritzvorgängen kunststofffrei. In einem zweiten Schritt des VerfahrensS2 wird eine Schmelze eines elektrisch isolierenden Kunststoffes in die Spritzgussform eingespritzt. Die Kunststoffschmelze verteilt sich dabei im Gussraum und umschließt alle Seiten der ersten und zweiten leitfähigen Körper2 ,7 ausschließlich deren Ober- und Unterseiten3 ,4 ,8 ,9 . Beim Erkalten der Kunststoffmasse entsteht so ein stabiler und flüssigkeitsdichter Verbund zwischen dem Kunststoff und den leitfähigen Körpern2 ,7 . - Die so hergestellte flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung
1 kann als Bestandteil von erfindungsgemäßen Batteriemodulen16 eingesetzt werden. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Batteriemoduls16 ist in3 dargestellt. Es umfasst eine erste und eine zweite flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung1 ,17 und eine Mehrzahl von Batteriezellen18 . Jede Batteriezelle18 hat einen ersten Pol19 auf einer ersten Batteriezellseite, der elektrisch, thermisch und mechanisch an eine Zellkontaktfläche5 ,6 ,10 ,11 der ersten Busbaranordnung1 angebunden ist. Darüber hinaus haben alle Batteriezellen18 jeweils einen zweiten Pol20 , der auf einer zweiten Batteriezellseite angeordnet und elektrisch, thermisch und mechanisch an eine Zellkontaktfläche5 ,6 ,10 ,11 der zweiten Busbaranordnung17 angebunden ist. Im Ausführungsbeispiel liegen die ersten und zweiten Pole19 ,20 an gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen18 . Benachbarte Batteriezellen18 sind im Batteriemodul16 entgegengesetzt ausgerichtet. Durch die Anbindung an die leitfähigen Körper2 ,7 entsteht durch die entgegengesetzte Ausrichtung eine serielle Batteriezellenverschaltung im Batteriemodul16 . - Im Ausführungsbeispiel werden die Kühlkanäle
13 ,21 der ersten Busbaranordnung1 und der zweiten Busbaranordnung17 von einem elektrisch isolierenden Kühlmittel durchströmt. Dabei sind die erste und die zweite flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung 1,16 miteinander so verbunden, dass eine erste Kühlmittelflussrichtung im Kühlkanal13 der ersten flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung1 und eine zweite Kühlmittelflussrichtung in einem Kühlkanal21 der zweiten flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung17 gegenläufig sind. In3 sind die Kühlmittelflussrichtungen durch Pfeile dargestellt. Durch die entgegengesetzte Kühlmittelflussrichtung wird im Ausführungsbeispiel eine homogegen Kühlung aller Batteriezellen18 erreicht. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 2016190663 [0002]
Claims (8)
- Flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1), umfassend a) einen ersten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper (2) mit - einer ersten Oberseite (3) und - einer ersten Unterseite (4), umfassend eine erste Zellkontaktfläche (5) und eine zweite Zellkontaktfläche (6), b) einen zweiten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper (7) mit - einer zweiten Oberseite (8) und - einer zweiten Unterseite (9), umfassend eine dritte Zellkontaktfläche (10) und eine vierte Zellkontaktfläche (11), und c) einen elektrisch isolierenden Hohlkörper (12), umfassend einen durchgängigen Kühlkanal (13), wobei der erste leitfähige Körper (2) und der zweite leitfähige Körper (7) in einer Wand des Hohlkörpers (12) so angeordnet sind, dass die Oberseiten (3, 8) der leitfähigen Körper (2, 7) direkt an den Kühlkanal (13) angrenzen und die Unterseiten (4, 9) der leitfähigen Körper (2, 7) eine Außenfläche der Busbaranordnung (1) bilden.
- Flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1) gemäß
Anspruch 1 , wobei der elektrisch isolierende Hohlkörper (12) ein Spritzgussbauteil ist. - Flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1) gemäß
Anspruch 1 oder2 , wobei der erste und der zweite leitfähige Körper (2, 7) Metallplatten sind. - Flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Zellkontaktfläche (5, 6, 10, 11) jeweils dazu ausgebildet sind, elektrisch, thermisch und mechanisch mit einem Pol einer Batteriezelle verbunden zu werden.
- Flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlkörper (12) im Inneren des Kühlkanals (13) mechanische Verstärkungsstrukturen (14) umfasst.
- Flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1) gemäß
Anspruch 5 , wobei eine Verstärkungsstruktur (14) einen durchgängigen Hohlraum (15) umfasst, der einen Anteil einer Oberseite (3, 8) des ersten und/oder zweiten leitfähigen Körpers (2, 7) mit einer Außenfläche der Busbaranordnung (1) verbindet. - Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Busbaranordnung (1), umfassend die Schritte: S1: Positionieren eines ersten und eines zweiten leitfähigen Körpers (2, 7) in eine Spritzgussform, wobei die Spritzgussform so ausgebildet ist, dass die Oberseiten (3, 8) und Unterseiten (4, 9) des ersten und eines zweiten leitfähigen Körpers (2, 7) von einem Gussraum der Spritzgussform derart separiert sind, dass sie bei Kunststoffspritzvorgängen kunststofffrei bleiben; S2: Spritzgießen einen elektrisch isolierenden Kunststoffs in die Spritzgussform.
- Batteriemodul (16), umfassend a) eine erste flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis6 , b) eine zweite flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (17) gemäß einem derAnsprüche 1 bis6 , c) eine Mehrzahl von Batteriezellen (18), wobei jede Batteriezelle (18) einen ersten Pol (19) umfasst, welcher elektrisch, thermisch und mechanisch an eine Zellkontaktfläche der ersten Busbaranordnung (1) angebunden ist, und wobei jede Batteriezelle (18) einen zweiten Pol (20) umfasst, welcher elektrisch, thermisch und mechanisch an eine Zellkontaktfläche der zweiten Busbaranordnung (17) angebunden ist, wobei die erste und die zweite flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1, 16) miteinander so verbunden sind, dass eine erste Kühlmittelflussrichtung im Kühlkanal (13) der ersten flüssigkeitsgekühlten Busbaranordnung (1) und eine zweite Kühlmittelflussrichtung in einem Kühlkanal (21) der zweiten flüssigkeitsgekühlten Busbaranordnung (17) gegenläufig sind.
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