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
    1. a) einen ersten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper mit
      • - einer ersten Oberseite und
      • - einer ersten Unterseite, umfassend eine erste Zellkontaktfläche und eine zweite Zellkontaktfläche,
    2. 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
    3. 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
    1. a) eine erste erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung,
    2. b) eine zweite erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung,
    3. 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 Busbaranordnung 1 umfasst einen ersten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper, welcher als Kupferplatte 2 mit einer ersten Oberseite 3 und einer ersten Unterseite 4 ausgebildet ist. Die Unterseite des Körpers 2 bildet eine erste Zellkontaktfläche 5 und eine zweite Zellkontaktfläche 6 zur elektrischen, thermischen und mechanischen Anbindung von Batteriezellpolen.
  • Des Weiteren umfasst die flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung 1 einen zweiten elektrisch und thermisch leitfähigen Körper 7. Dieser ist baugleich zum ersten leitfähigen Körper 2 und umfasst eine zweite Oberseite 8 und eine zweite Unterseite 9 mit einer dritten Zellkontaktfläche 10 und einer vierten Zellkontaktfläche 11 zur elektrischen, thermischen und mechanischen Anbindung von Batteriezellpolen.
  • Weiterhin umfasst die flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung 1 einen elektrisch isolierenden Hohlkörper 12 mit einem durchgängigen Kühlkanal 13. Im Ausführungsbeispiel ist der Hohlkörper 12 ein Kunststoffspritzgussbauteil. Dies ermöglicht einen kostengünstigen Herstellungsprozess der Busbaranordnung 1.
  • In einer Wand des Hohlkörpers 12 sind die leitfähigen Körper 2, 7 so angeordnet, dass deren Oberseiten 3, 8 direkt an den Kühlkanal 13 angrenzen und deren Unterseiten 4, 9 eine Außenfläche der Busbaranordnung 1 bilden. Die übrigen Seiten der beiden leitfähigen Körper 2, 7 bilden mit der Wand des Hohlkörpers 12 eine flüssigkeitsdichte Verbindung.
  • Im beschriebenen Aufbau wird mittels der leitfähigen Körper 2, 7 eine thermische Verbindung zwischen den Zellkontaktflächen 5, 6, 10, 11 und dem Kühlkanal 13 hergestellt. Das Plattenmaterial Kupfer ermöglicht aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit von ~380 W/m*K einen effektiven Transport thermischer Energie von den Zellkontaktflächen 5, 6, 10, 11 zum Kühlkanal 13. Gleichzeitig ermöglicht der Aufbau eine serielle Verschaltung von Batteriezellen durch elektrische Anbindung an die Zellkontaktflächen 5 und 6 und/oder 10 und 11.
  • Im Ausführungsbeispiel umfasst der Hohlkörper 12 im Inneren des Kühlkanals 13 mehrere mechanische Verstärkungsstrukturen 14. Diese sind als zylindrische Kunststoffhohlstege ausgebildet, welche in regelmäßigen Abständen im Kühlkanal 13 angeordnet sind. Dabei sind die Kunststoffhohlstege 14 rechtwinklig zum Kühlkanal 13 ausgerichtet und oberhalb der leitfähigen Körper 2, 7 so angeordnet, dass sie mit einer Stirnseite gegen die Oberseiten 3, 8 der der leitfähigen Körper 2, 7 drücken. Durch die mechanischen Verstärkungsstrukturen 14 wird eine Verbesserung einer mechanischen Stabilität des Hohlkörpers 12 und eine verbesserte mechanische Fixierung der leitfähigen Körper 2, 7 in der Wand des Hohlkörpers 12 erzielt.
  • Im Ausführungsbeispiel weisen alle Kunststoffhohlstege 14 in ihrem Inneren jeweils einen durchgängigen Hohlraum 15 auf. Jeder Hohlraum 15 verbindet jeweils einen Anteil einer Oberseite 3, 8 des ersten oder zweiten leitfähigen Körpers 2, 7 mit einer Außenfläche der Busbaranordnung. Durch die durchgängigen Hohlräume 15 der Verstärkungsstrukturen werden so äußere Zugänge zu den Oberseiten 3, 8 der ersten oder zweiten leitfähigen Körper 2, 7 geschaffen. Im Ausführungsbeispiel sind die durchgängigen Hohlräume 15 geradlinig. Dadurch kann ein LASER-Strahl die Oberseiten 3, 8 der ersten oder zweiten leitfähigen Körper 2, 7 erreichen und erhitzen. Dies ermöglicht ein Anschweißen oder Anlöten von Batteriezellkontakten an die Zellkontaktflächen 5, 6, 10, 11.
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens (vergleiche 2) zur Herstellung der beschriebenen flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung 1 erläutert. In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens werden der erste und der zweite leitfähige Körper 2, 7 in einer Spritzgussform (nicht gezeigt) in dafür vorgesehenen Aufnahmen positioniert. Die Spritzgussform ist so gestaltet, dass die Oberseiten 3, 8 und Unterseiten 4, 9 des ersten und eines zweiten leitfähigen Körpers 2, 7 direkt an Oberflächen der Spritzgussform angrenzen. In der Anordnung sind die Oberseiten 3, 8 und Unterseiten 4, 9 des ersten und eines zweiten leitfähigen Körpers 2, 7 von einem Gussraum der Spritzgussform separiert und verbleiben bei Kunststoffspritzvorgängen kunststofffrei. In einem zweiten Schritt des Verfahrens S2 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 Körper 2, 7 ausschließlich deren Ober- und Unterseiten 3, 4, 8, 9. Beim Erkalten der Kunststoffmasse entsteht so ein stabiler und flüssigkeitsdichter Verbund zwischen dem Kunststoff und den leitfähigen Körpern 2, 7.
  • Die so hergestellte flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung 1 kann als Bestandteil von erfindungsgemäßen Batteriemodulen 16 eingesetzt werden. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Batteriemoduls 16 ist in 3 dargestellt. Es umfasst eine erste und eine zweite flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung 1, 17 und eine Mehrzahl von Batteriezellen 18. Jede Batteriezelle 18 hat einen ersten Pol 19 auf einer ersten Batteriezellseite, der elektrisch, thermisch und mechanisch an eine Zellkontaktfläche 5, 6, 10, 11 der ersten Busbaranordnung 1 angebunden ist. Darüber hinaus haben alle Batteriezellen 18 jeweils einen zweiten Pol 20, der auf einer zweiten Batteriezellseite angeordnet und elektrisch, thermisch und mechanisch an eine Zellkontaktfläche 5, 6, 10, 11 der zweiten Busbaranordnung 17 angebunden ist. Im Ausführungsbeispiel liegen die ersten und zweiten Pole 19, 20 an gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen 18. Benachbarte Batteriezellen 18 sind im Batteriemodul 16 entgegengesetzt ausgerichtet. Durch die Anbindung an die leitfähigen Körper 2, 7 entsteht durch die entgegengesetzte Ausrichtung eine serielle Batteriezellenverschaltung im Batteriemodul 16.
  • Im Ausführungsbeispiel werden die Kühlkanäle 13, 21 der ersten Busbaranordnung 1 und der zweiten Busbaranordnung 17 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 Kühlkanal 13 der ersten flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung 1 und eine zweite Kühlmittelflussrichtung in einem Kühlkanal 21 der zweiten flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung 17 gegenläufig sind. In 3 sind die Kühlmittelflussrichtungen durch Pfeile dargestellt. Durch die entgegengesetzte Kühlmittelflussrichtung wird im Ausführungsbeispiel eine homogegen Kühlung aller Batteriezellen 18 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)

  1. 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.
  2. Flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1) gemäß Anspruch 1, wobei der elektrisch isolierende Hohlkörper (12) ein Spritzgussbauteil ist.
  3. Flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und der zweite leitfähige Körper (2, 7) Metallplatten sind.
  4. 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.
  5. Flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlkörper (12) im Inneren des Kühlkanals (13) mechanische Verstärkungsstrukturen (14) umfasst.
  6. 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.
  7. 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.
  8. Batteriemodul (16), umfassend a) eine erste flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, b) eine zweite flüssigkeitsgekühlte Busbaranordnung (17) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, 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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