DE102021128403A1

DE102021128403A1 - Zellkontaktiersystem und damit aufgebautes Modul oder Pack

Info

Publication number: DE102021128403A1
Application number: DE102021128403.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Schwarz
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2021-10-30
Filing date: 2021-10-30
Publication date: 2023-05-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellkontaktiersystem, durch das elementare Speicherzellen miteinander in Serien- und Parallelschaltungen elektrisch verschaltet sind, um an Polen eines Batteriesystem vorbestimmte elektrische Eigenschaften aufzuweisen.Um ein Zellkontaktiersystemen in einem Gehäuses eines Packs und/oder Moduls zu schaffen, durch das in einer Fertigung Kosten eingespart werden, wird vorgeschlagen, dass eine thermische Anbindung der Stromschiene (4) an ein Gehäusebauteil vorgesehen ist, sowie ein damit aufgebautes Modul oder Pack für ein Batteriesystem.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellkontaktiersystem, durch das elementare Speicherzellen in Form von Rundzellen miteinander in Serien- und Parallelschaltungen elektrisch verschaltet sind, um an Polen eines Batteriesystem vorbestimmte elektrische Eigenschaften aufzuweisen, sowie ein damit aufgebautes Modul oder Pack für ein Batteriesystem.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein Batteriesystem bei aktuellen Anwendungen z.B. in Fahrzeugen zu Land, zu Wasser oder in der Luft, wie auch in stationären Anwendungen z.B. als Zwischenspeicher für Solarstrom, auch in Teilen der Zellkontaktiersysteme, kurz ZKS, hohe Ströme leiten können muss. Dies gilt im Besondere für Stromsammelschienen, die als Bestandteile der Zellkontaktiersysteme zu äußeren Anschlüssen bzw. Polen eines Packs oder Moduls hin führen. Von Batteriemodulen ist bekannt, dass in den darin enthaltenen Zellkontaktiersystemen Stromsammelschienen als besondere Leiter derartiger hoher Ströme von einigen 100 bis sogar ca. 1.000 A vorgesehen sind, die mit dem Zellkontaktiersystemen in einem Kunststoffträger verklebt und/oder verklippst angeordnet sind. Eine derartige Fixierung wird gewählt, um eine Position der jeweiligen Stromsammelschienen z.B. auch bei thermisch hervorgerufener Dehnung fixiert und damit sicher zu halten. Um eine Stromtragfähigkeit derartiger Teile eines Zellkontaktiersystems zu erhöhen ist meist ein erhöhter Querschnitt der Stromsammelschienen vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Zellkontaktiersystemen in einem Gehäuses eines Packs und/oder Moduls zu schaffen, durch das in einer Fertigung Kosten eingespart werden. Auch ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Modul oder Pack für ein Batteriesystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Zellkontaktiersystem durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine thermische Anbindung der Stromschiene an ein Gehäusebauteil vorgesehen ist. Ferner lösen auch die Merkmale von Anspruch 10 die gestellt Aufgabe.
Eine Basis der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, dass ein Wärmeaustausch der Stromsammelschiene und der Umgebungsluft u.a. durch einen Moduldeckel begrenzt wird. Somit kann die entstehende Wärme durch Lade-/Entladevorgänge der Batteriezellen und auch des Zellkontaktiersystems ZKS nicht ausreichend schnell abgeführt werden. Dies führt zu einer Erwärmung der Stromsammelschiene und in einem Extremfall zu einem Derating bzw. einer Leistungsherabsetzung des Batteriesystems mit einer erzwungenen Begrenzung der Ströme und einer unerwünschten Senkung der elektrischen Leistung des betreffenden Batteriesystems auf ein Niveau unterhalb seiner elektrischen Möglichkeiten.
Eine Entwärmung der Stromsammelschiene findet stets über die Umgebung statt, wobei eine thermische Anbindung der Stromschiene an ein Gehäusebauteil zur Ableitung von Verlustwärme aus der Stromschiene heraus aktuell eben nicht gezielt genutzt, sondern eher behindert wird. Eine thermische Anbindung der Stromschiene an ein Gehäusebauteil wird also erfindungsgemäß zur Steigerung einer Entwärmung der Stromschiene durch eine thermische Anbindung der Stromschiene an mindestens eines der Bauteile des Gehäuses genutzt. Der Fall einer thermisch erzwungenen Leistungsherabsetzung wird damit vermieden und ein mögliches Niveau der elektrischen Möglichkeiten des betreffenden Batteriesystems ist voll nutzbar. Zudem können in einem aktuellen Modulaufbau unter Kosteneinsparung Bauteile und/oder Verfahrensschritte entfallen, insbesondere separate Verklebungen von Stromsammelschienen in oder an einem jeweiligen Träger oder Gehäuse.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach ist das Zellkontaktiersystem derart aufgebaut, dass eine thermische Anbindung der Stromschiene an ein Gehäusebauteil mit großer thermischer Masse vorgesehen ist. Insbesondere ist eine Anbindung an einen Rand oder Rahmen des Gehäuses vorgesehen, der im Vergleich mit einem Deckel eine deutlich größere thermische Masse darstellt. Damit wird ein gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserter Entwärmungseffekt erzielt, da ein vergleichsweise größerer Wärmestrom aus der Stromsammelschiene gerichtet abgeleitet wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Zellkontaktiersystem derart aufgebaut, dass beide Stromsammelschienen eine thermische Anbindung an ein Gehäusebauteil aufweisen. Dabei kann es sich um das gleiche Gehäusebauteil handeln, vorzugsweise einen Rand oder Rahmen des Gehäuses. Es ist aber auch möglich, dass zwei unterschiedliche Teile des Gehäuses genutzt werden, beispielsweise voneinander räumlich getrennte Teile des Rahmens.
Vorzugsweise sind beide Stromsammelschienen an ein gekühltes Bauteil des Gehäuses thermisch angebunden. Durch eine thermische Anbindung der Stromsammelschienen beider Polaritäten an einem gekühlte Gehäusebauteil kann die entstehende Wärme noch besser abtransportiert werden, als allein durch eine thermische Anbindung an einem Gehäusebauteil mit hoher thermischer Masse. Das Zellkontaktiersystem ZKS wird dadurch auch ohne Vergrößerung von Leitungsquerschnitten elektrisch leistungsfähiger.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein wärmeleitendes Medium zumindest abschnittsweise zwischen der Stromsammelschiene und einem angrenzenden Gehäusebauteil zur Intensivierung der thermischen Anbindung der Stromsammelschiene vorgesehen.
In Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine thermische Schnittstelle der Stromsammelschiene mit einem Gehäuserahmen ein Wärmeleitpad und/oder einen Wärmeleitkleber.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Stromsammelschiene eine dünne elektrisch isolierende Beschichtung in Form einer Lackbeschichtung oder eine Folie aus einem rein aromatischen Polyimid oder einem Epoxidharz auf, über die die Stromsammelschiene auf oder an einem Gehäuserand fixiert ist, vorzugweise mit einer Kleberschicht. Grundsätzlich muss zwingend eine elektrische Isolierung zwischen jeder Stromsammelschiene und dem Gehäuse bzw. dem Gehäuserand hergestellt werden. Der Wärmeaustausch von der Stromsammelschiene her wird nun nur noch durch die thermische Masse des Gehäuses begrenzt, so dass der auch durch die geringe thermische Masse eines Moduldeckels hervorgerufene Nachteil des Standes der Technik vernachlässigt werden kann.
Vorteilhafterweise umfasst ein Modul oder Pack für ein Batteriesystem, das ein Gehäuse umfasst, in dem elementare Speicherzellen durch ein Zellkontaktiersystem miteinander in vorbestimmter Weise in Form von Reihen- und Parallelschaltungen elektrisch verbunden sind, ein Zellkontaktiersystem, das entsprechend einer der vorhergehend angegebenen Ausführungsformen ausgebildet ist.
Zusammenfassend ermöglicht ein vorstehend skizziertes Zellkontaktiersystem durch eine verstärkte thermische Ankopplung der Stromsammelschienen an ein Gehäuseteil eine verbesserte Entwärmung. Damit sind die Stromsammelschienen auch ohne vergrößerte Querschnittsflächen für höhere Stromdichten tragfähig, wobei neben Material und Bauraum auch durch gesenkten Aufwand der Verklebung Fertigungsschritte eingespart werden können. Ein Modul oder Pack für ein Batteriesystem ist mit einem vorstehend skizzierten Zellkontaktiersystem damit entsprechend elektrisch leistungsfähiger und in der Fertigung sogar preiswerter als vergleichbare Batteriesystem ohne die genannten erfindungsgemäßen Merkmale.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

1: eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines gemäß eines Ausführungsbeispiels eines Modulgehäuses;
2: eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts von Figur und
3: eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines bekannten Modulgehäuses.

Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend eine ebene Modulschicht als quaderförmiger Körper nur für einen Einsatz von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Verwendung in einem für elektrisch angetriebene Fahrzeuge ausgelegten Batteriemodul mit zylindrischen Zellen dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass in gleicher Weise auch Anpassungen auf andere Raumformen mit Abkehr von ebenen z.B. zu gekrümmten Modulschichten oder mehreckigen Gehäuserahmen hin möglich sind, zur verbesserten Ausnutzung eines vorhandenen Bauraums. Weiter sind Anpassungen an Anwendungen außerhalb eines Einsatzes in terrestrischen Fahrzeugen leicht möglich, insbesondere für stationäre Speichervorrichtungen.
3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines bekannten Modulgehäuses 1. In diesem Modulgehäuse 1 sind elementare Speicherzellen 2 in zylindrischer Bauform in dichter Packung angeordnet und über ein Zellkontaktiersystem 3 in vorbestimmter Weise in Form von Reihen- und Parallel-Verschaltungen miteinander elektrisch verbunden. Das Zellkontaktiersystem 3 läuft in Stromsammelschienen 4 aus. Im Bereich eines Rands 5 des Modulgehäuses 1 ist die Stromsammelschiene 4 unter mit einem Deckel 6 in einem Kunststoffträger 7 verklebt, wobei der Kunststoffträger 7 neben einer Fixierung der elementaren Speicherzellen 2 auch als Träger für das Zellkontaktiersystem 3 dient, dessen Bestandteil die Stromsammelschienen 4 als Sammelleitungen des Stroms zu den nicht weiter dargestellten Polen sind.
In der in 3 dargestellten Situation kann eine über das Zellkontaktiersystem 3 geleitete und auch durch ohmsche Verluste in der Stromsammelschiene 4 selbst erzeugte Wärme über einen Abstand d hinweg nur über den Deckel 6 des Modulgehäuses 1 abgegeben werden. Der Abstand d gibt eine Höhe eines freien Raumes zwischen der Stromsammelschiene 4 und dem Deckel 6 an, der aufgrund seiner Füllung mit Umgebungsluft eine schlechte thermische Leitfähigkeit aufweist.
Eine aktive Kühlung 8 des Modulgehäuses 1 ist von der Stromsammelschiene 4 ebenfalls weit entfernt. Zudem ist die Stromsammelschiene 4 thermisch durch den Kunststoffträger 7 und gleich zwei Kleberschichten 9 bzw. Klebespalte von übrigen Bauteilen des Modulgehäuses 1 getrennt.
1 stellt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Modulgehäuses 1 dar, in dem ein Zellkontaktiersystem 3 in dem Modulgehäuse 1 unter Senkung der Fertigungskosten realisiert ist. Ein Kern dieses Zellkontaktiersystems 3 ist, dass eine thermische Anbindung der Stromschiene 4 an ein Gehäusebauteil vorgesehen ist, hier nämlich des Rands 5 des Modulgehäuses 1. Der Rand 5 weist gegenüber dem Deckel 6 eine deutlich größere thermische Masse auf und ist zur Wärmeabfuhr zudem thermisch sehr gut leitend an eine aktive Kühlung 8 angeschlossen.
Die Abbildung von 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts von 1. Hierin ist zu erkennen, dass die Stromsammelschiene 4 eine dünne elektrisch isolierende Beschichtung 10 in Form einer Folie aufweist, die aus einem rein aromatischen Polyimid besteht, wie z.B. Kapton® oder ein vergleichbares am Markt erhältliches Produkt. Grundsätzlich muss zwingend eine elektrische Isolierung zwischen jeder Stromsammelschiene 4 und dem Modulgehäuse 1 oder hier dem Gehäuserand 5 hergestellt werden, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Hierzu weist ein rein aromatisches Polyimid hervorragende elektrische Eigenschaften auf, nämlich einen sehr hohen Widerstand sowie hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit selbst bei geringer Schichtdicke und hohe Temperaturfestigkeit. Eine Fixierung der Stromsammelschiene 4 auf oder an dem Gehäuserand 5 erfolgt über eine Kleberschicht 9, die an der Beschichtung 10 angebracht ist.
Im Ergebnis zeichnet sich das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel gegenüber dem Stand der Technik durch eine deutlich verbesserte Entwärmung der Stromsammelschiene über den Modulrahmen zu einer Kühlung hin und damit eine höhere Stromtragfähigkeit aus. Diese thermische Anbindung schafft zudem mehr Raum für eine größeren Querschnittsfläche der Stromsammelschiene, wobei die Reduzierung der Anzahl der Verklebungen auch zu Einsparungen von Kosten und Prozesszeit innerhalb der Fertigung eines vorteilhaft verbesserten Moduls oder Packs für ein Batteriesystem führt.
Bezugszeichenliste

1: Modulgehäuse
2: elementare Speicherzelle
3: Zellkontaktiersystem
4: Stromsammelschiene
5: Rand des Modulgehäuses 1
6: Deckel
7: Kunststoffträger als Träger und Rahmen des Zellkontaktiersystems 3 mit den Stromsammelschienen 4
8: aktive Kühlung im Anschluss an den Rand (5)
9: Kleberschicht
10: Beschichtung in Form einer Folie oder Lackierung
d: Höhe eines freien Raumes zwischen Stromsammelschiene (4) und Deckel (6)
Q: Wärmestrom

Claims

Zellkontaktiersystem (3), durch das elementare Speicherzellen (2) in Form von Rundzellen miteinander in Serien- und Parallelschaltungen elektrisch verschaltet sind, wobei Stromsammelschienen (4) als Bestandteile des Zellkontaktiersystems (3) zu äußeren Anschlüssen bzw. Polen an einem Gehäuse (1) eines Packs oder Moduls hin führen, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Anbindung der Stromschiene (4) an ein Bauteil des Gehäuses (1) vorgesehen ist.
Zellkontaktiersystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Anbindung der Stromschiene (4) an ein Bauteil des Gehäuses mit gro-ßer thermischer Masse vorgesehen ist, insbesondere einen Rand (5) oder Rahmen des Gehäuses (1).
Zellkontaktiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellkontaktiersystem (3) derart aufgebaut ist, dass beide Stromsammelschienen (4) eine thermische Anbindung an ein Bauteil des Gehäuses (1) aufweisen.
Zellkontaktiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Anbindung an ein gekühltes Bauteil des Gehäuse (1) vorgesehen ist.
Zellkontaktiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein wärmeleitendes Medium zumindest abschnittsweise zwischen der Stromsammelschiene (4) und einem angrenzenden Gehäusebauteil zur Intensivierung der thermischen Anbindung der Stromsammelschiene (4) vorgesehen ist.
Zellkontaktiersystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Anbindung der Stromsammelschiene (4) mit einem Rahmen bzw. Rand (5) des Modulgehäuses (1) ein Wärmeleitpad und/oder einen Wärmeleitkleber umfasst.
Zellkontaktiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsammelschiene (4) eine dünne elektrisch isolierende Beschichtung (8) in Form einer Lackbeschichtung aus einem rein aromatischen Polyimid oder einem Epoxidharz aufweist, über die die Stromsammelschiene (4) auf oder an dem Gehäuserand (5) fixiert ist.
Zellkontaktiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsammelschiene (4) eine dünne elektrisch isolierende Beschichtung (8) in Form einer Folie aus einem rein aromatischen Polyimid oder einem Epoxidharz aufweist, über die die Stromsammelschiene (4) auf oder an dem Gehäuserand (5) fixiert ist.
Zellkontaktiersystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung der Beschichtung (8) eine Kleberschicht (9) vorgesehen ist.
Modul oder Pack für ein Batteriesystem, das ein Gehäuses umfasst, in dem elementare Speicherzellen durch ein Zellkontaktiersystem miteinander in vorbestimmter Weise in Form von Reihen- und Parallelschaltungen elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellkontaktiersystem entsprechend eines der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.