DE102021004884A1

DE102021004884A1 - Temperierung von Stromableitern

Info

Publication number: DE102021004884A1
Application number: DE102021004884.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Steffens; Michael Stocker
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Temperieren von Stromableitern (S) von benachbarten Einzelzellen (2) eines elektrischen Energiespeichers (1), wobei- die Stromableiter (S) benachbarter Einzelzellen (2) abschnittsweise überlappend angeordnet und mittels Laserschweißens miteinander verbunden werden,- die Stromableiter (S) während des Laserschweißens mittels einer Vorrichtung (3) temperiert bzw. gekühlt werden und- mittels des Laserschweißens erzeugte Fügestellen (F) nach deren Herstellung im Betrieb des elektrischen Energiespeichers (1) weiterhin mittels der Vorrichtung (3) temperiert bzw. gekühlt werden.Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (3) zum aktiven Temperieren von Fügestellen (F) an Stromableitern (S).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Temperieren von Stromableitern von benachbarten Einzelzellen eines elektrischen Energiespeichers.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum aktiven Temperieren von Fügestellen an Stromableitern.
Die CN 110238523 B offenbart eine amorphe Legierung, ein Laserschweißverfahren dazu und eine Schweißhilfsvorrichtung und bezieht sich auf das technische Gebiet des Laserschweißens. Das Laserschweißverfahren der amorphen Legierung umfasst die Schritte, dass ein zu schweißendes Teil einem Laserschweißen unterzogen wird, eine Schweißlinie gekühlt wird und während des Laserschweißens die Wärmeeinbringung nach der Formel E = T * E0 eingestellt wird, wobei die thermische Eingabe E ein Verhältnis von Laserleistung zu Schweißgeschwindigkeit ist. Die Schweißhilfsvorrichtung kann das zu schweißende Teil im Schweißprozess kühlen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Temperieren von Stromableitern von benachbarten Einzelzellen und eine Vorrichtung zum aktiven Temperieren von Fügestellen an Stromableitern anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 1, hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 2 und hinsichtlich der Vorrichtung zum Temperieren durch die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Verfahren zum Temperieren von Stromableitern von benachbarten Einzelzellen eines elektrischen Energiespeichers ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Stromableiter benachbarter Einzelzellen abschnittsweise überlappend angeordnet und mittels Laserschweißens miteinander verbunden werden. Dabei werden die Stromableiter während des Laserschweißens mittels einer Vorrichtung aktiv gekühlt und mittels des Laserschweißens erzeugte Fügestellen werden nach deren Herstellung im Betrieb des elektrischen Energiespeichers weiterhin mittels der Vorrichtung aktiv temperiert. Temperieren kann sowohl Kühlen bei erhöhten Temperaturen wie beispielsweise bei schnellen Ladevorgängen der Batterie als auch leichtes Erwärmen bei tiefen Temperaturen wie beispielsweise im Winter bedeuten.
Durch Anwendung des Verfahrens können verbesserte Schweißverbindungen ausgebildet werden, die einen niedrigeren ohmschen Widerstand aufweisen. Während des Laserschweißens besteht aufgrund der aktiven Kühlung ein thermischer Schutz für die Einzelzellen des elektrischen Energiespeichers, welcher auch als Hochvolt-Batterie bezeichnet wird.
Dadurch, dass die Fügestellen, also die Laserschweißverbindungen auch während des Betriebes des elektrischen Energiespeichers mittels der Vorrichtung temperiert werden, kann eine Leistung während eines Lade- und Entladevorganges der Einzelzellen verbessert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung eines Ausschnittes eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl elektrisch verbundener Einzelzellen und
2 schematisch Schnittdarstellung eines Ausschnittes eines elektrischen Energiespeichers mit einer Vorrichtung zum Temperieren

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung eines Ausschnittes eines elektrischen Energiespeichers 1 mit einer Mehrzahl elektrisch verbundener Einzelzellen 2. Insbesondere sind die Einzelzellen 2 seriell elektrisch miteinander verschaltet. Hierzu werden Stromableiter S benachbarter Einzelzellen 2 überlappend angeordnet und anschließend mittels Laserschweißens miteinander verbunden, insbesondere gefügt. Dabei sind Stromableiter S der einen Polarität beispielsweise aus Kupfer und Stromableiter S der anderen Polarität beispielsweise aus Aluminium gebildet.
Bei dem elektrischen Energiespeicher 1, auch als Hochvolt-Batterie bezeichnet, handelt es sich insbesondere um eine Fahrzeugbatterie eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder eines mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug.
Im Allgemeinen ist bekannt, dass an Fügestellen F, d. h. an Schweißverbindungen, elektrischer Kontaktierungen aufgrund resultierender, elektrischer Widerstände und eines Stromflusses eine vergleichsweise starke und gegebenenfalls auch kritische Wärmeentwicklung, also eine Temperaturerhöhung, auftritt. Diese bedingt, insbesondere in sogenannten Batteriemodulen, eine Einschränkung einer elektrischen Gesamtleistung.
Um die elektrische Gesamtleistung des elektrischen Energiespeichers 1 zu optimieren, ist vorgesehen, die Fügestellen F bei deren Erzeugung sowie anschließend im Betrieb des elektrischen Energiespeichers 1 mittels einer Vorrichtung 3 zu temperieren. Insbesondere werden die Fügestellen F mittels der Kühlvorrichtung 3 gekühlt, da sich die Fügestellen F, also die Schweißverbindungen in Form von Schweißnähten, im Betrieb der Einzelzellen 2 und somit im Betrieb des elektrischen Energiespeichers 1 vergleichsweise stark erhitzen.
Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei Einzelzellen 2 an einem Zellrahmen 4 angeordnet, welcher zumindest abschnittsweise hohl ausgebildet ist.
Eine Kanalstruktur K der Zellrahmen 4, deren Oberseite eine Auflagefläche der zu verbindenden Stromableiter S bildet, kann zur Temperierung der Fügestellen F genutzt werden, wobei die Vorrichtung 3 in die Zellrahmen 4 integriert ist. Die Kanalstruktur K wird von einem Medium M, beispielsweise einem Kältemittel einer Klimaanlage, durchströmt. Dabei bildet die Kanalstruktur K einen Kühlkreislauf.
Beispielsweise kann die Vorrichtung 3 auch in die Zellrahmen 4 eingeschoben werden oder auch unter Verwendung von Wärmeleitpaste und ohne Zellrahmen 4 unter einer Fügestelle F eingebracht werden, z. B. bei einer sogenannten 2P-Verschaltung unterhalb eines nicht näher gezeigten Zellverbinders.
In einem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Ausschnitt elektrisch seriell miteinander verschalteter Einzelzellen 2 mit der Vorrichtung 3 gezeigt, welche separat ausgebildet und in Bezug auf das Batteriemodul eingeschoben ist. Dabei wird die Vorrichtung 3 unter und/oder über den Fügestellen F eingeschoben und angeordnet. Die Vorrichtung 3 stellt einen Mehrfach-Kühlfinger in Form eines Kühlkammes dar, wobei die Vorrichtung 3 abschnittsweise, insbesondere im Bereich der Fügestellen F, mit diesen thermisch in Wirkverbindung steht.
Weiterhin weist die Vorrichtung 3 zusätzlich oder alternativ zu der Kanalstruktur K der Zellrahmen 4 eine Kanalstruktur K auf, die von dem Kühlmedium M durchströmt wird.
Denkbar ist auch, dass die Kanalstruktur K der Zellrahmen 4 fluidisch mit der Kanalstruktur K der separat ausgebildeten Vorrichtung 3 gekoppelt ist, so dass eine Kühlleistung der Kühlvorrichtung 3 optimiert werden kann.
Unabhängig von einer Ausführungsform der Kühlvorrichtung 3 ist diese dazu ausgebildet, die Fügestellen F sowohl bei deren Erzeugen mittels Laserschweißens als auch während des Betriebes des elektrischen Energiespeichers 1, d. h. bei einem Laden- und Entladevorgang, zu kühlen, so dass eine Leistung des Energiespeichers 1 verbessert werden kann. Insbesondere wird mittels der Vorrichtung 3 durch die Kühlwirkung ein thermischer Schutz der Einzelzellen 2 zumindest während des Schweißprozesses realisiert.
Mittels der Vorrichtung 3 erfolgt also eine direkte und aktive Temperierung der Fügestellen F in Form der Schweißnähte. Zudem weist die Vorrichtung 3, wie oben beschrieben, eine Doppelfunktion auf, wobei die Vorrichtung 3 insbesondere für modular ausgebildete Energiespeicher 1 geeignet ist.
Die Vorrichtung 3 kann auch für eine elektrische Parallelverschaltung der Einzelzellen 2 eingesetzt werden.
Durch eine wegen der Anordnung der Vorrichtung 3 verbesserte Kühlwirkung kann eine Gesamtleistung des elektrischen Energiespeichers 1 über einen längeren Zeitraum sowohl im Betrieb als auch beim Laden erhöht werden, so dass eine höhere Ladegeschwindigkeit erreicht werden kann.
Beispielsweise kann die Vorrichtung 3 zur Zusatzkühlung der Einzelzellen 2 vorgesehen sein, wobei die Kühlvorrichtung 3 vergleichsweise einfach und ohne großen Aufwand in einen bestehenden Kühlkreislauf integriert werden kann.
Während des Laserschweißens kann durch Anordnung der Vorrichtung 3 eine Taktzeit verringert werden, da durch die Kühlung während des Schweißprozesses mit erhöhter Schweißleistung und Geschwindigkeit gefügt werden kann.
Somit besteht für die vergleichsweise temperaturempfindlichen Einzelzellen 2 während des thermischen Fügens ein verbesserter thermischer Schutz, wobei die Vorrichtung 3 vergleichsweise flexibel an einen modularen Aufbau des elektrischen Energiespeichers 1 angepasst werden kann.
Durch Anordnung der Vorrichtung 3 in unmittelbarer Nähe der Fügestellen F besteht ein vergleichsweise guter Wirkungsgrad der elektrischen Kontaktierung, also des Stromflusses.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
2: Einzelzelle
3: Kühlvorrichtung
4: Zellrahmen
F: Fügestelle
K: Kanalstruktur
M: Kühlmedium
S: Stromableiter

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

CN 110238523 B [0003]

Claims

Verfahren zum Temperieren von Stromableitern (S) von benachbarten Einzelzellen (2) eines elektrischen Energiespeichers (1), dadurch gekennzeichnet, dass - die Stromableiter (S) benachbarter Einzelzellen (2) abschnittsweise überlappend angeordnet und mittels Laserschweißens miteinander verbunden werden, - die Stromableiter (S) während des Laserschweißens mittels einer Vorrichtung (3) temperiert bzw. gekühlt werden und - mittels des Laserschweißens erzeugte Fügestellen (F) nach deren Herstellung im Betrieb des elektrischen Energiespeichers (1) weiterhin mittels der Vorrichtung (3) temperiert werden.
Vorrichtung zum Temperieren von Stromableitern (S) von benachbarten Einzelzellen (2) eines elektrischen Energiespeichers (1), dadurch gekennzeichnet, dass - die Stromableiter (S) benachbarter Einzelzellen (2) abschnittsweise überlappend angeordnet sind, - die Vorrichtung ausgebildet ist, die Stromableiter (S) miteinander zu verbinden, - eine Vorrichtung (3) vorgesehen ist, welche ausgebildet ist, die zu verschweißenden Stromableiter (S) während des Laserschweißens zu temperieren bzw. zu kühlen und - die Vorrichtung (3) zusätzlich dazu ausgebildet ist, eine mittels des Laserschweißens erzeugte Fügestelle (F) der miteinander verschweißten Stromableiter (S) im Betrieb des elektrischen Energiespeichers (1) zu temperieren.
Vorrichtung (3) zum aktiven Temperieren von Fügestellen (F) an Stromableitern (S), gekennzeichnet durch eine kammartig ausgebildeten Kanalstruktur (K), welche von einem Medium (M) durchströmt ist.