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Elektrische Schaltkreise, wie sie üblicherweise zur Regelung des Betriebs von rotierenden elektrischen Maschinen, Klimakompressoren und anderen Hochleistungslasten verwendet werden, enthalten typischerweise eine Hochspannungsstromversorgung in Form eines elektrochemischen Batteriepacks. Beispielsweise enthalten elektrische Antriebe typischerweise ein Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhydrid-Batteriepaket, das aus einem oder mehreren Batteriemodulen besteht. Ein Elektromotor wird durch Entladen der einzelnen Batteriemodule mit Energie versorgt, um ein Ausgangsdrehmoment an eine gekoppelte Last zu liefern.
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Ein Batteriepack, der für die Versorgung eines Fahrzeugantriebssystems oder einer anderen Hochspannungslast konfiguriert ist, umfasst eine anwendungsgerechte Anordnung oder einen Stapel einzelner Batteriezellen. In einer typischen Batteriezelle sind relativ dünne Kathoden- und Anodenplatten durch Separatoren in einer Elektrolytflüssigkeit voneinander beabstandet und in einer Außentasche versiegelt. Positive und negative Elektrodenverlängerungen oder Zelllappen jeder der konstituierenden Batteriezellen können in einem kurzen Abstand von einer Kante des Beutels vorstehen, damit die Zelllappen leitend mit einer Hochspannungsstromschiene verbunden werden können.
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Hochspannungs-Batteriepacks neigen dazu, im Dauerbetrieb eine erhebliche Joule-Erwärmung zu erfahren. Diese Erwärmung tritt vor allem an oder entlang von Schweiß- oder Klebeverbindungen auf, die die einzelnen Zellanschlüsse mit den Sammelschienen eines Hochspannungsbusses verbinden. Im Laufe der Zeit kann sich die an diesen und anderen Stellen im Batteriepack erzeugte Wärme nachteilig auf die Leistungseffizienz und die strukturelle Integrität der Batteriezellen auswirken. Ein Beispiel für letzteres ist die hitzebedingte Zersetzung des polymeren Dichtungsmaterials, das die vorstehenden Zellanschlüsse umgibt, so dass die eingeschlossene Elektrolytflüssigkeit aus der Zellentasche austreten kann. Daher werden Wärmemanagementsysteme verwendet, um die Batterietemperatur genau zu regulieren, wobei solche Systeme typischerweise über die kontrollierte Zirkulation eines geeigneten Batteriekühlmittels zu und von den verschiedenen Batteriezellen funktionieren.
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Ein Batteriepack wird hier zusammen mit zugehörigen Verfahren zur Konstruktion und Kühlung eines Batteriepacks mit der offengelegten Konstruktion offenbart. Der Batteriepack, der optional als ein oder mehrere Akkumodule ausgeführt sein kann, steht in thermischer Verbindung mit einem Kühlkörper, der ein allgemein planarer Kühlverteiler oder eine Kühlplatte, ein Gehäuse oder eine Einfassung des Batteriepacks oder ein anderer geeigneter Kühlkörper in verschiedenen Ausführungsformen sein kann. Die Wärmeübertragung zum Kühlkörper erfolgt typischerweise über einen hochohmigen Pfad von den verschiedenen Zellenlaschen-zu-Busbar-Schnittstellen durch das dazwischen liegende Material des Batteriepacks. Infolgedessen können aktuelle Ansätze zur Batteriekühlung eine suboptimale Kühlung und eine potenzielle Verschlechterung des Batteriepacks zur Folge haben.
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Die vorliegende Lehre zielt darauf ab, die Temperaturregelung eines Batteriepacks zu erleichtern, indem bestimmte Endabschnitte eines Satzes von Spannungssammelschienen bei der Konstruktion einer Verbindungsplatine („Interconnect Board“, ICB) mit dielektrischem Material umspritzt werden. Wie Fachleute wissen, wird eine ICB verwendet, um die verschiedenen Batteriezellen miteinander zu verbinden, und kann auch Sensoren, Verarbeitungschips und andere elektronische Komponenten bei der Gesamtsteuerung und -regelung des Batteriepacks unterstützen.
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Die Busbars und die ICB werden also über einen Overmolding-Prozess miteinander integriert, der die aktiven/hochstromfähigen Oberflächen der Busbars für das spätere leitende Verbinden der Zellenlaschen freilässt. Gleichzeitig dient das dielektrische Material, das die distalen Enden der Stromschienen bedeckt, als Teil einer Hochspannungsbarriere zwischen den Stromschienen und dem Kühlkörper, während es gleichzeitig die Wärmeübertragung in den Kühlkörper über eine oder mehrere Klammern, wie hier dargelegt, erleichtert.
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In einer beispielhaften Ausführungsform des hier beschriebenen Batteriepackes umfasst der Batteriepack ein Gehäuse, eine Vielzahl von darin angeordneten Batteriezellen, eine längliche Halterung, die mit einem Kühlkörper verbunden ist, und eine ICB-Anordnung (ICBA). In dieser besonderen Ausführungsform hat die ICBA einen parallelen Satz von Stromschienen, von denen jede über entsprechende Batteriezellenanschlüsse leitend mit einer oder mehreren der Batteriezellen verbunden ist. Eine ICB des ICBA ist aus Kunststoff oder einem anderen dielektrischen Material aufgebaut, wobei ein Teil des dielektrischen Materials auf ein distales Ende jeder der Stromschienen umgespritzt ist, um eine Vielzahl von umgespritzten Enden zu bilden. Die umspritzten Enden erstrecken sich zumindest teilweise in eine Halterungstasche der länglichen Halterung, um einen Kühlpfad in den Kühlkörper von jeder der Stromschienen zu bilden. Auf diese Weise werden mehrere parallele Kühlpfade von den parallelen Stromschienen geschaffen, wenn die ICBA mit den Batteriezellen bestückt und über die längliche Halterung mit dem Kühlkörper verbunden wird.
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Die umspritzten Enden der Stromschienen werden mit einem thermischen Interface-Material (TIM) mit dem länglichen Bügel innerhalb der Bügeltasche verbunden. Das TIM und das dielektrische Material bilden zusammen die Hochspannungsbarriere zwischen den Stromschienen und dem Kühlkörper.
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In einigen Ausführungsformen ist die längliche Halterung eine einzelne durchgehende Halterung, die entlang einer Umfangskante des Kühlkörpers angeordnet ist, und die Halterungstasche ist eine einzelne durchgehende Halterungstasche, die so konfiguriert ist, dass sie die umspritzten Enden darin aufnimmt. Die einzelne durchgehende Halterungstasche kann eine vorgegebene Form haben, die zur Aufnahme des TIM geeignet ist, z. B. einen allgemein U-förmigen, L-förmigen oder V-förmigen Querschnitt oder eine andere geeignete Querschnittsform.
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In noch anderen Ausführungsformen umfasst die längliche Halterung mehrere separate längliche Halterungen, d. h. kürzere Halterungssegmente, die durch kurze Abstände voneinander getrennt sind. In solchen Ausführungsformen sind mehrere kleinere Halterungstaschen individuell konfiguriert, um darin ein anderes der umspritzten Enden aufzunehmen.
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Das dielektrische Material der umspritzten Enden kann optional ein entsprechendes Fenster oder eine Durchgangsöffnung definieren, durch die ein vorbestimmter Oberflächenbereich der Stromschienen freigelegt wird.
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Der Batteriepack kann in bestimmten Konfigurationen elektrisch mit einer rotierenden elektrischen Maschine eines elektrischen Antriebsstrangs verbunden und so konfiguriert sein, dass er deren Rotation antreibt.
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Ein ICBA wird hier auch für die Verwendung mit einem Batteriepack mit Batteriezellen offenbart, wobei die Batteriezellen entsprechende Anoden- und Kathodenzellanschlüsse haben. Eine Ausführungsform des ICBA umfasst einen parallelen Satz von Stromschienen, die jeweils erste und zweite distale Enden aufweisen. Die Stromschienen sind so konfiguriert, dass sie während des Zusammenbaus des Batteriepacks leitend mit einer oder mehreren der Zellfahnen verbunden werden.
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Wie oben erwähnt, umfasst der ICBA eine ICB, die aus einem geeigneten dielektrischen Material hergestellt ist, wobei die ICB mit jeder der Stromschienen an dem jeweiligen ersten distalen Ende verbunden ist. Das dielektrische Material der ICB ist auch auf jede der Stromschienen umgespritzt, so dass das dielektrische Material um das jeweilige zweite distale Ende jeder der Stromschienen gewickelt ist, um eine Vielzahl von umgespritzten Enden zu bilden. Die umspritzten Enden sind so konfiguriert, dass sie sich während des Zusammenbaus des Batteriepacks in die Halterungstasche erstrecken, um mehrere parallele Kühlpfade in den Kühlkörper von jeder der Stromschienen zu bilden.
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Ein Verfahren zum Aufbau des Batteriepacks kann das parallele Anordnen einer Vielzahl von Stromschienen umfassen, wobei jede der Stromschienen in dieser Ausführungsform möglicherweise aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebaut ist. Das Verfahren umfasst das Umspritzen eines dielektrischen Materials auf ein distales Ende jeder der Stromschienen, um eine Vielzahl von umgespritzten Enden zu bilden, und das anschließende Befestigen eines anderen distalen Endes jeder der Stromschienen an einer aus dem dielektrischen Material gebildeten ICB. Die ICBA kann mit den Batteriezellen verbunden werden. Danach kann das konstruierte Batteriepaket in noch anderen Ausführungsformen mit einer elektrischen Maschine verbunden werden.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines beispielhaften Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem einschließlich eines gemäß der vorliegenden Offenbarung konstruierten Batteriepacks.
- 2 ist eine schematische perspektivische Ansichtsdarstellung eines Batteriepacks, der als Teil des in 1 dargestellten Kraftfahrzeugs oder in anderen Hochspannungssystemen verwendbar ist.
- 3 ist eine schematische perspektivische Ansichtsdarstellung einer Verbindungsplatinen-Baugruppe, die als Teil des in 2 dargestellten Batteriepacks verwendet werden kann.
- 4 ist eine teilweise aufgelöste perspektivische Ansichtsdarstellung eines Teils des in 2 dargestellten Batteriepacks.
- 5 ist eine schematische Seitenansicht des ICBA von 3.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In diesem Abschnitt werden repräsentative Anwendungen von Geräten und zugehörigen Methoden gemäß der vorliegenden Anwendung beschrieben. Verschiedene repräsentative Ausführungsformen werden zur Verfügung gestellt, um den Kontext zu liefern und das Verständnis der beschriebenen Lehren zu unterstützen. Der Fachmann wird verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente der offengelegten Lösungen durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom beabsichtigten Erfindungsumfang, wie er in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist, abzuweichen.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Komponenten in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist in 1 schematisch ein Kraftfahrzeug 10 mit einem elektrischen Antriebsstrang 11 dargestellt. Der elektrische Antriebsstrang 11 umfasst ein Hochspannungsbatteriepaket (BHV) 12. In einigen Ausführungsformen kann das Batteriepaket 12 aus einem oder mehreren konstituierenden Batteriemodulen 12M aufgebaut sein, wobei in 1 zwei solcher Batteriemodule 12M dargestellt sind. In anderen Ausführungsformen ist der Batteriepack 12 nicht modular, d. h. er ist als einzelner Batteriepack 12 aufgebaut und funktioniert als solcher.
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Für die Zwecke der vorliegenden Offenlegung werden daher die Begriffe „Batteriepack“ und „Akkumodul“ austauschbar verwendet, wobei eines oder mehrere der Akkumodule 12M möglicherweise als Batteriepack 12 in verschiedenen Konfigurationen fungieren.
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Jedes Batteriemodul 12M ist so konfiguriert, wie hierin unter Bezugnahme auf die 2-5 beschrieben, um mehrere parallele direkte Kühlpfade zu einem geeigneten Kühlkörper bereitzustellen, der sich innerhalb oder in der Nähe des Batteriepacks 12 befindet. Solche Pfade fallen mit Hochstrombereichen zusammen, die mit der Jouleschen Erwärmung innerhalb der Batteriemodule 12M verbunden sind, und erstrecken sich von einzelnen Zell-zu-Sammelschienen-Verbindungen 31 (siehe 2) zu einem solchen Kühlkörper, z. B. einer residenten Kühlplatte 200, wie in einer nicht einschränkenden beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Die übertragene Wärme wird dadurch vom Batteriepack 12 abgeleitet.
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Der Batteriepack 12 von 1 kann in einigen Anwendungen verwendet werden, um Statorwicklungen (nicht dargestellt) einer rotierenden elektrischen Maschine 14 des elektrischen Antriebsstrangs 11 an Bord des Kraftfahrzeugs 10 mit Energie zu versorgen, z. B. ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug, wie dargestellt, oder ein Hybrid-Elektrofahrzeug, das das Drehmoment der elektrischen Maschine 14 in Verbindung mit einer anderen Antriebsmaschine 13 verwendet, typischerweise, aber nicht notwendigerweise ein Verbrennungsmotor. Diejenigen, die über gewöhnliche Fachkenntnisse verfügen, werden verstehen, dass das Batteriepaket 12 und/oder ein oder mehrere Batteriemodule 12M als Bordstromversorgung in anderen Anwendungen und für andere Zwecke verwendet werden können, beispielsweise an Bord anderer Fahrzeugtypen, wie z.B., aber nicht beschränkt auf Flugzeuge, Wasserfahrzeuge oder Schienenfahrzeuge, oder in nichtfahrzeuggebundenen Anwendungen, wie z.B. in Kraftwerken, Hebezeugen, mobilen Plattformen, Robotern und dergleichen. Daher soll die beispielhafte Ausführungsform von 1 nur eine mögliche Systemverwendung des Batteriepacks 12/Batteriemodule 12M veranschaulichen.
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Jedes Batteriemodul 12M kann eine entsprechende der Kühlplatten 200 oder andere Kühlkörper, die neben oder entlang einer Hauptoberfläche der Batteriemodule 12M angeordnet sind, enthalten und/oder gemeinsam nutzen. Während die Kühlplatte 200 in einer typischen Konfiguration dargestellt ist, in der der Kühlkörper die Kühlplatte 200 ist und sich gemeinsam mit einer Unterseite oder einem Boden der Batteriemodule 12M erstreckt, kann die tatsächliche Position des jeweiligen Kühlkörpers in anderen Anwendungen variieren. Darüber hinaus kann der Batteriepack 12 eine relativ flache „Pfannkuchen“-Form haben, wie dargestellt, mit einer beliebigen Anzahl möglicher Außenformen oder Seitenverhältnisse, einschließlich der dargestellten rechteckigen Form von 1. Eine solche flache Konfiguration kann zur Reduzierung des Bauraums in bestimmten Ausführungsformen des Kraftfahrzeugs 10 geeignet sein.
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Wie Fachleute wissen, wird bei der Batteriekühlung an Bord des Kraftfahrzeugs 10 und anderer Systeme, die mit dem elektrischen Antriebsstrang 11 ausgestattet sind, das Batteriekühlmittel, das in 1 mit FF dargestellt ist, häufig mit Hilfe von Lüftern, Pumpen, Ventilen, Kühlern, Radiatoren und anderen Komponenten durch und/oder um die einzelnen Batteriemodule 12M über ein Netzwerk von Kühlrohren geleitet. Um den benötigten Bauraum und die Komplexität weiter zu reduzieren, nutzen einige Kühlsysteme die direkte leitende Kühlung, indem sie die Batteriemodule auf oder neben einer Kühlplatte positionieren, wobei die Kühlplatte 200 von 1 repräsentativ ist. Bei einigen Konfigurationen ist ein direkter Kontakt mit der Kühlplatte 200 nicht möglich, so dass eine andere Struktur, wie z. B. das Gehäuse 20 (siehe 2), anstelle der Kühlplatte 200 oder zusätzlich zu dieser verwendet werden kann. Angesichts des einzigartigen inneren Aufbaus der Batteriemodule 12M und der Konfiguration einer typischen Kühlplatte bleibt die Wärmeübertragung jedoch suboptimal. Die vorliegende Offenbarung zielt daher darauf ab, dieses und andere Probleme innerhalb von Batteriepacks 12 mit einem oder mehreren Batteriemodulen 12M, die wie in 2-5 dargestellt aufgebaut sind, zu lösen.
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In der nicht einschränkenden Ausführungsform von 1 wird der elektrische Antriebsstrang 11 über die zugehörige Antriebsstrang-Steuerschaltung (nicht dargestellt) gesteuert, um das von der Antriebsmaschine 13 und/oder der/den rotierenden elektrischen Maschine(n) 14 erzeugte Drehmoment zu erzeugen und an eine angetriebene Last zu übertragen, die in 1 die vorderen Antriebsräder 16F und/oder die hinteren Antriebsräder 16R umfasst. Alternativ kann das Motordrehmoment von der elektrischen Maschine 14 ausschließlich zum Anlassen und Starten der Antriebsmaschine 13 verwendet werden, wenn die Antriebsmaschine 13 einen Verbrennungsmotor verkörpert. Das Batteriepaket 12 im Kraftfahrzeug 10 oder anderen Systemen kann eine Lithium-Ionen-, Nickel-Metallhydrid- oder eine andere anwendungsgeeignete Hochenergie-Batteriechemie verwenden. Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann das Batteriepaket 12 Folienbeutel-, Platten- oder Dosenbatteriezellen enthalten, die in einem Zellenstapel angeordnet und elektrisch verbunden sind, um eine Ausgangsspannung auf einem Niveau bereitzustellen, das für die Versorgung der elektrischen Maschine 14 ausreicht, z. B. 300 VDC oder mehr oder 60 VDC oder mehr bei bestimmten Antriebsvorgängen. Somit kann „Hochspannung“ unterschiedliche Bedeutungen in verschiedenen Ausführungsformen haben, wobei „Hochspannung“ im Allgemeinen Spannungspegel über den typischen 12-15VDC Hilfs-/Niederspannungspegeln beinhaltet.
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Um eine relativ hohe Ausgangsspannung zu erreichen, können die Batteriemodule 12M in einer bestimmten geometrischen Konfiguration, wie z. B. der flachen Konfiguration von 1 und 2, angeordnet und über einen Hochspannungsbus des Kraftfahrzeugs 10 miteinander verbunden werden. Eine solche Verbindung verbindet die einzelnen Batteriemodule 12M mit der Leistungselektronik und einem Wärmemanagementsystem. Das vereinfachte Wärmemanagementsystem ist schematisch so dargestellt, dass es eine Kühlmittelpumpe (P) 17 umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie Batteriekühlmittel (Pfeil FF) zu und von der Kühlplatte 200 in dieser Ausführungsform, die wie unten beschrieben angepasst ist, und möglicherweise durch die Batteriemodule 12M zirkulieren lässt. Die Wärmeträgerflüssigkeit fließt dann aus dem Batteriepaket 12 durch einen Kühler (C) 19, um die Kühlung des Batteriepakets 12 zu unterstützen, wobei der umgekehrte Vorgang ebenfalls möglich ist, wenn eine Erwärmung des Batteriepakets 12 erforderlich ist.
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Andere übliche Komponenten des Wärmemanagementsystems werden der Einfachheit halber weggelassen, einschließlich Wege- und Wärmeausdehnungsventile, Thermostate, Heizkörper, Wärmetauscher usw. Während die zugehörige Leistungselektronik in 1 der Einfachheit halber weggelassen wurde, umfassen solche Komponenten typischerweise ein Wechselrichtermodul, das pulsweitenmodulierte (PWM) Halbleiterschalter verwendet, um eine Gleichspannung aus dem Batteriepack 12 in eine Wechselspannung (VAC) für die Stromversorgung der elektrischen Maschine 14 umzuwandeln, einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler oder ein Hilfsstrommodul, um das Spannungsniveau aus dem Batteriepack 12 auf Hilfsniveaus (z. B. 12-15 VDC) zu reduzieren, die für die Stromversorgung der elektrischen Hilfssysteme an Bord des Fahrzeugs 10 ausreichen.
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Bezug nehmend auf 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Batteriemoduls 12M dargestellt, bei der die äußere Staubschutzabdeckung und die innere Montageplatte zur besseren Veranschaulichung entfernt wurden. Das Batteriemodul 12M umfasst eine äußere Umhüllung oder ein Gehäuse 20, in dem ein Zellstapel 22 angeordnet ist. Wie am besten in 4 gezeigt und in der Technik gut verstanden, umfasst der Zellstapel 22 eine Vielzahl von Batteriezellen 24, und somit sind die Batteriezellen 24 gestapelt oder anderweitig zweckmäßig innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet, das wiederum nominelle obere, untere und seitliche Wände für eine gegebene Ausrichtung haben kann. Jede jeweilige Batteriezelle 24 hat ein Paar von Zellenlaschen 124, die separate Kathoden- und Anodenelektrodenerweiterungen der jeweiligen Batteriezelle 24 bilden, z. B. an gegenüberliegenden Enden der Batteriezellen 24 in der dargestellten Konfiguration.
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Unter kurzer Bezugnahme auf 3 umfasst das Batteriemodul 12M auch eine Verbindungsplatinen-Baugruppe (ICBA) 25 als integralen Bestandteil seiner Konstruktion. Gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst die ICBA 25 eine parallele Mehrzahl von leitenden Stromschienen 26 eines Hochspannungsbusses. Die Stromschienen 26 können optional als langgestreckte Metallplatten mit einem jeweiligen ersten und zweiten distalen Ende E1 und E2 und einer jeweiligen Längsachse A26 ausgeführt sein, wobei die Längsachsen A26 des gemeinsamen Satzes von Stromschienen 26 zueinander parallel sind. Die Stromschienen 26 sind aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material, z. B. Kupfer und/oder Aluminium, aufgebaut. Optional können die Stromschienen 26 mit einer dünnen Schicht aus Nickel, Zinn oder einem anderen anwendungsgeeigneten Element beschichtet werden, um das Schweißen zu erleichtern und andere mögliche Leistungsvorteile wie verbesserte Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit usw. zu bieten. Schließlich werden die Stromschienen 26 leitend mit einer entsprechenden der Batteriezellen 24 von 4 über die Zellenlaschen 124 davon, z. B. durch Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder eine andere geeignete leitende Verbindung Prozess verbunden, wie von denjenigen von gewöhnlichen Geschicklichkeit in der Technik zu schätzen wissen werden.
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Die ICBA 25 von 2 umfasst auch eine flexible oder starre Verbindungsplatine (ICB) 28, die aus einem geeigneten dielektrischen/elektrisch nicht leitenden Material besteht. Wie hier verwendet, ist das dielektrische Material auch thermisch leitfähig, um die Wärmeübertragung gemäß der vorliegenden Lehre zu erleichtern. Montageflansche 27 mit entsprechenden Montagebohrungen 29 können als Teil der ICB 28 enthalten sein, um eine sichere Montage des ICBA 25 am Batteriemodul 12M von 2 zu ermöglichen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das dielektrische Material aus Kunststoff bestehen, z. B. aus Nylon oder Polypropylen. In anderen Ausführungsformen kann ein thermisch leitfähiges Kunststoffharz oder Polymer verwendet werden. Beispielsweise können Zusätze wie Graphit, Graphen oder keramische Füllstoffe mit einem dielektrischen Grundmaterial verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit des ICB 28 weiter zu verbessern.
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Wie in 2 und 3 gezeigt, ist die ICB 28 mit den damit umspritzten oder daran befestigten Stromschienen 26 am jeweiligen ersten distalen Ende E1 verbunden, z. B. mit einem geeigneten Befestigungselement 30 wie einer Schraube, Niete oder einem Pflock. Am gegenüberliegenden distalen Ende E2 der Stromschienen 26 wird das dielektrische Material, das verwendet wird, um den Rest der ICB 28 zu bilden, auf bestimmte Abschnitte jeder der Stromschienen 26 umgespritzt. Wenn also die ICB 28 vollständig geformt ist, wickelt sich das dielektrische Material um das jeweilige zweite distale Ende E2 jeder der Stromschienen 26, um eine Vielzahl von umgespritzten Enden 32 zu bilden, wobei eine umgespritzte Oberfläche 28M der umgespritzten Enden 32 eine dielektrische Materialschicht über einem darunter liegenden Oberflächenbereich einer der Stromschienen 26 bildet.
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In bestimmten Ausführungsformen kann das dielektrische Material der ICB 28 umspritzt werden, um ein oder mehrere Fenster oder Durchgangsöffnungen 34 in der Nähe jedes der umspritzten Enden 32 zu definieren. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform können die Durchgangsöffnungen 34 für jede der Stromschienen 26 mehrere nebeneinander liegende Durchgangsöffnungen 34 umfassen, die, wie dargestellt, ungefähr gleich groß oder unterschiedlich groß und/oder geformt sein können. Die Durchgangsöffnungen 34 erstrecken sich durch die umspritzte Oberfläche 28M, um Fenster durch die umspritzte Oberfläche 28M zu bilden, wodurch ein Teil des Oberflächenbereichs der Stromschienen 26 an den zweiten distalen Enden E2 freigelegt wird. Wie zu erkennen sein wird, kann das Vorhandensein der optionalen Durchgangsöffnungen 34 eine zusätzliche Wärmeübertragung von den Sammelschienen 26 und in das thermische Schnittstellenmaterial (TIM) 42 erleichtern, das optional in einer Halterungstasche 40P einer länglichen Halterung 40 angeordnet ist, wie unten mit Bezug auf 5 beschrieben. Angrenzend an einige der umspritzten Enden 32 können Verlängerungen 35 von Vorsprungsbereichen der ICB 28, die nicht mit einer entsprechenden Stromschiene 26 umspritzt sind, für eine zusätzliche Positionierung und strukturelle Unterstützung verwendet werden, wobei solche Verlängerungen 35 Rippen 136 umfassen, die so konfiguriert sein können, dass sie in die längliche Halterung 40 eingreifen.
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Wiederum Bezug nehmend auf 2 kann die Kühlplatte 200 entlang einer Außenfläche 20-S des Batteriemoduls 12M angeordnet und so konfiguriert sein, dass sie Batteriekühlmittel (Pfeil FF von 1) hindurchleitet. Die Konstruktion des inneren Kühlmittelverteilers der Kühlplatte 200 ist in der Technik wohlbekannt und wird dementsprechend hier der Einfachheit halber nicht weiter beschrieben. In Ausführungsformen, in denen die Kühlplatte 200 nicht in der Nähe vorhanden ist, können andere Kühlkörper in der unten beschriebenen Weise verwendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die oben erwähnten Wände des Gehäuses 20. Ein solcher alternativer Ansatz kann, wie zu erkennen sein wird, Stromschienen 26 und eine ICB 28 mit einer anderen Form erfordern. Da bei einer typischen Verwendung des Batteriepacks 12 das Gehäuse 20 auf der Kühlplatte 200 aufliegt oder mit dieser in thermischer Verbindung steht, wird die vom Gehäuse 20 aufgenommene Wärme letztlich an die Kühlplatte 200 abgeleitet.
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Außerhalb des Akkupakets 12 definiert mindestens ein länglicher Bügel 40 mit einer Längsachse A40 eine entsprechende Bügeltasche 40P (siehe 5). Die längliche Halterung 40 ist in einigen Ausführungsformen eine einzelne durchgehende Halterung 40 und kann aus einem geeigneten starren oder flexiblen Material bestehen, z. B. Aluminium, Kunststoff, Thermoplast oder einem flexiblen Polymer. Eine solche Halterung 40 würde sich vollständig entlang eines Umfangsrandes der Kühlplatte 200 oder entlang eines ähnlichen Randes eines anderen Kühlkörpers, z. B. des Gehäuses 20, erstrecken. Alternativ kann die längliche Halterung 40 in mehrere kleinere Halterungen 140 unterteilt werden, wie in einem Phantomlinienformat dargestellt, z. B. um das Gewicht zu reduzieren oder ein gewünschtes strukturelles Verhalten zu erreichen.
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In beiden Ausführungsformen definiert die längliche Halterung 40 oder 140 eine entsprechende Halterungstasche 40P, entweder als einzelne durchgehende Halterungstasche 40P oder als mehrere diskrete Halterungstaschen 40P. Während in den verschiedenen Figuren eine allgemein U-förmige Tasche oder Mulde dargestellt ist, sind auch andere Formen denkbar, vorausgesetzt, dass der durch eine solche Klammer 40 oder 140 definierte Hohlraum in der Lage ist, den TIM 42 zu halten und es dem TIM 42 zu ermöglichen, aus einem flüssigen Zustand zu erstarren. Beispielhafte alternative Formen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf V-förmige und L-förmige Halterungen 40 oder 140.
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Beim Verbinden oder Einhängen der ICBA 25 (3) mit dem Rest des Batteriemoduls 12M von 2 nimmt jede Halterungstasche 40P die umspritzten Enden 32 der Stromschienen 26 auf und greift in sie ein. Je nach Konfiguration der Halterung 40 kann dies bedeuten, dass alle umspritzten Enden 32 aus 3 und die Verlängerungen 35 in einer einzigen durchgehenden Halterungstasche 40P aufgenommen werden, oder dass ein anderes der umspritzten Enden 32, möglicherweise ohne die Verlängerungen 35, in einer jeweiligen der kleineren Halterungen 140 aufgenommen wird. Dadurch werden mehrere direkte parallele Kühlpfade zwischen den Stromschienen 26 und dem jeweiligen Kühlkörper gebildet, um die Kühlung der Stromschienen 26 und der damit verbundenen Zellenlaschen 124 zu erleichtern.
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Bezug nehmend auf 5 kann zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom umspritzten Ende 32 der Stromsammelschiene 27 in einen Kühlkörper 300, z. B. das Gehäuse 20 und/oder die oben beschriebene Kühlplatte 200, die TIM 42 innerhalb der Halterungstasche 40P wie gezeigt positioniert werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann das TIM 42 ein wärmeleitender Kleber, eine Paste oder ein Pad sein, z. B. handelsübliche zweikomponentige Epoxidklebstoffe mit einer für die Anwendung geeigneten Wärmeleitfähigkeit. Ein beispielhafter, für Batterieanwendungen geeigneter Wärmeleitfähigkeitsbereich liegt bei 1,5-6 W/mK, wobei die erforderlichen Wärmeleitfähigkeitseigenschaften anwendungsspezifisch sind und der angegebene Bereich somit illustrativ und nicht einschränkend ist. Das TIM 42 kann in und entlang der Halterungstasche(n) 40P aufgebracht werden, um den dadurch definierten Hohlraum, z. B. eine längliche Mulde oder einen Kanal, teilweise zu füllen. Sobald die umspritzten Enden 32 in die Halterungstasche 40P eingesetzt und mit der Halterung 40 in Eingriff sind, bilden der TIM 42 und die umspritzten Oberflächen 28M zusammen eine Hochspannungsbarriere zwischen den Sammelschienen 26 und dem Kühlkörper 300.
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Wie durch gewöhnliche Geschicklichkeit in der Technik zu schätzen wissen, die oben genannten Lehren eignen sich für die Praxis eines Verfahrens zur Konstruktion des Batteriemoduls 12M oben beschrieben. Eine beispielhafte Ausführungsform eines solchen Verfahrens kann die Anordnung einer Vielzahl der oben genannten Stromschienen 26 parallel, d.h. so, dass die Längsachsen A26 der Stromschienen 26 sind gegenseitig parallel über die ICBA 25 von 3.
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Das Verfahren kann auch das Umspritzen der ICB 28 aus 3 auf die Stromschienen 26 umfassen, so dass die ICB 28 um das jeweilige zweite distale Ende E2 jeder der Stromschienen 26 gewickelt wird, um eine Vielzahl der oben beschriebenen umgespritzten Enden 32 zu bilden. Sobald dies geschieht, kann das Verfahren in dieser Ausführungsform das Verbinden des jeweiligen ersten distalen Endes E1 jeder der Stromschienen 26 mit der ICB 28 umfassen, um dadurch die ICBA 25 des in den 1, 2 und 4 dargestellten Batteriemoduls 12M zu bilden. Beispielhafte Techniken zum Verbinden des ersten distalen Endes E1 umfassen Nieten, Verklammern und Gewindeverbindungen, um nur einige Möglichkeiten zu nennen.
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In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren das leitende Verbinden jeder aus einer Vielzahl von Zellenlaschen 124 (siehe 2) mit einer entsprechenden aus der Vielzahl von Sammelschienen 26 umfassen. Auf diese Weise kann man eine Vielzahl von Zell-Sammelschienen-Verbindungen 31 bilden, zum Beispiel durch Ausführen eines Laserschweiß-, Leitfähigkeits- oder Ultraschallschweißverfahrens, um die Zell-Sammelschienen-Verbindungen 31 zu bilden.
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Je nachdem, inwieweit die verschiedenen Komponenten oder Unterbaugruppen des Batteriemoduls 12M selbst zusammengebaut oder in vormontierter Form erworben werden sollen, kann das Verfahren das Bereitstellen des Kühlkörpers 300, z. B. der Kühlplatte 200 der 1, 2, 4 und 5, umfassen. Wie oben erwähnt, umfasst der Kühlkörper 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung mindestens eine Halterung 40 oder 140, die eine oder mehrere Halterungstaschen 40P definiert, oder ist mit dieser verbunden. Das Verfahren kann beinhalten, dass die ICBA 25 mit dem Rest des Batteriemoduls 12M, wie durch den Pfeil A in 4 angedeutet, aufgestapelt wird und dann die Zellenlaschen 124 an die Stromschienen 26 geschweißt werden (siehe 2). Danach können die umspritzten Enden 32 aus 3 in die Halterungstasche(n) 40P eingesetzt werden, wie durch Pfeil B angezeigt, um dadurch parallele Kühlpfade zu bilden, d. h. einen Kühlpfad, der sich von jeder der jeweiligen Zell-Sammelschienen-Verbindungen 31 und dem Kühlkörper 300 erstreckt. In anderen Ausführungsformen kann die Reihenfolge der Verbindung mit dem Kühlkörper 300 und des Anschweißens der Zellenlaschen 124 umgekehrt sein.
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Die oben beschriebenen Halterungen 40 oder 140 können in einigen Ansätzen von einem Lieferanten/Hersteller mit dem Kühlkörper 300 verbunden werden, so dass der Kühlkörper 300 bereits vormontierte Halterungen 40 oder 140 als integralen Bestandteil der Konstruktion der Kühlplatte 200 umfasst. Alternativ können die Halterungen 40 oder 140 mit einem Kühlkörper 300 ohne solche Halterungen 40 oder 140 als Teil des Produktionsprozesses des Batteriemoduls 12M verbunden werden, zum Beispiel durch Schweißen oder leitfähiges Kleben der Halterungen 40 oder 140 entlang einer Umfangskante des Kühlkörpers 300.
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In beiden Ausführungsformen kann der in 5 dargestellte TIM 42 auf die Halterungen 40 oder 140 aufgebracht werden, um die Halterungstasche 40P teilweise zu füllen. Durch die Verfestigung des aufgebrachten TIM 42 wird eine zusätzliche strukturelle Unterstützung bereitgestellt. Die fertige ICBA 25 aus 3 wird dann in die Halterungstasche(n) 40P eingesetzt. Sobald das Batteriemodul 12M auf diese Weise konstruiert ist, kann das Verfahren das Anschließen des Batteriemoduls 12M an eine Last, wie die rotierende elektrische Maschine 14 von 1 in der beispielhaften Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 10, umfassen.
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Die hier offengelegten Lösungen erleichtern die direkte Kühlung der Zellenlaschen 124 und der Busbars 26 von 2 unter Verwendung einer passiven Kühltechnologie, die durch die speziell angepasste Kühlplatte 200 oder einen anderen Kühlkörper 300 und die integrierten HV-Barriere-Eigenschaften der umspritzten Oberflächen 28M und TIM 42 ermöglicht wird. Die vorliegende Lehre bietet eine Möglichkeit, die Auswirkungen der Joule'schen Erwärmung entlang der Schnittstellen zwischen Laschen und Sammelschienen, einschließlich der Verbindungen zwischen Zellen und Sammelschienen 31, mit mehreren parallelen, direkten Wärmepfaden von Hochstromleitern zum Kühlkörper 300 abzuschwächen.
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Wie dem Fachmann klar sein wird, können die vorliegenden Lösungen dazu beitragen, einen Temperaturgradienten über das Batteriemodul 12M zu minimieren und lokale „Hot Spots“ innerhalb des Zellstapels 22 von 2 und 4 zu verhindern. Aufgrund der mechanischen Kopplung des ICBA 25 mit dem Batteriemodul 12M und der Kühlplatte 200 kann die Installation des ICBA 25 in Verbindung mit der Montage des Batteriemoduls 12M erfolgen, um die Herstellung zu rationalisieren. Die Verwendung der Halterungen 40 oder 140 ermöglicht es beispielsweise, dass die Halterungen 40 oder 140 als Positionierungsmerkmale dienen, auf denen der ICBA 25 während bestimmter Montage- oder Fertigungsschritte aufliegen kann.
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Darüber hinaus ist die integrierte elektrische Isolierung der vorgenannten Lösungen flexibel, je nach einer entsprechenden Anforderung an die Hochspannungsbarriere für den Batteriepack 12. Beispielsweise kann die Dicke der umspritzten Schichten 28M (siehe 3) variieren, ebenso wie die besondere Güte, das Material und/oder die Durchschlagsfestigkeit solcher Schichten 28M. Die offengelegte Installation bietet auch strukturelle Vorteile für den Batteriepack 12 von 1. Das heißt, sobald der TIM 42 aushärtet, und da die Halterung 40 oder 140 in einigen Ausführungsformen mit der Kühlplatte 200 oder einem anderen Kühlkörper 300 metallisch verbunden sein kann, werden die ICBA 25 und der Batteriepack 12 effektiv verstärkt, was wiederum für zusätzliche Robustheit sorgt, z. B. bei Stößen/Vibrationen auf der Straße in der nicht einschränkenden Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 10. Diese und andere potenzielle Vorteile werden von denjenigen mit gewöhnlichen Fachkenntnissen im Hinblick auf die vorliegenden Lehren leicht zu schätzen wissen.
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Während die besten Modi zur Ausführung der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit dem Stand der Technik, auf den sich diese Offenbarung bezieht, vertraut sind, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Durchführung der Offenbarung im Rahmen der beigefügten Ansprüche erkennen. Darüber hinaus sind die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Merkmale verschiedener Ausführungsformen nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen zu verstehen. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale mit einem oder mehreren anderen gewünschten Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden kann, was zu anderen Ausführungsformen führt, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen solche anderen Ausführungsformen in den Rahmen des Anwendungsbereichs der beigefügten Ansprüche.
