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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für einen Personenkraftwagen. Batteriesysteme, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, weisen in der Regel mehrere Batteriemodule auf, wobei in dem jeweiligen Batteriemodul mehrere Batteriezellen, insbesondere in Form von Batteriezellenpaketen, auch als Zell-Stacks bezeichnet, angeordnet sind. Die Batteriemodule sind in der Regel untereinander mittels einer Stromschiene verschaltet.
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Nach dem Stand der Technik werden die meisten Batteriezellen in Elektrofahrzeugen gekühlt. Eine Kühlung der Stromschienen ist in der Regel nicht vorgesehen. Bei hohen Lade- und Entladeströmen ist es allerdings von Vorteil, die Stromschienen ebenfalls zu kühlen, da die Stromschienen sich insbesondere beim Schnellladen erhitzen und direkt mit den Batteriezellen verbunden sind, wodurch ein Wärmeeintrag von den Stromschienen in die Batteriezellen erfolgt. Ein solcher Wärmeeintrag ist unerwünscht und kann zu einer schnelleren Alterung der durch den Wärmeeintrag belasteten Batteriezellen führen. Ferner dürfen auch die Stromschienen eine maximale Temperatur nicht übersteigen, damit die elektrische Isolierung, die in der Regel derartige Stromschienen umschließt, nicht beschädigt wird, beispielsweise aufschmilzt.
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In der Regel werden die Batteriezellen im Betrieb auf eine Temperatur von unter 60 °C gekühlt, in der Regel im Bereich von 20°C bis 30°C gehalten. Die Stromschienen hingegen weisen in der Regel höhere Betriebstemperaturen auf und können durchaus Temperaturen von bis zu 150°C aufweisen. In der Regel ist die Betriebstemperatur der Stromschienen durch das Material der elektrischen Isolierung der Stromschienen begrenzt. Üblicherweise werden Stromschienen im Betrieb in einem Temperaturbereich von unter 120°C aber deutlich oberhalb einer Temperatur der Batteriezellen betrieben.
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Eine direkte Kühlung der Stromschienen mit der in der Regel vorhandenen Batteriezellenkühlung hat den Nachteil, dass die Stromschienen stärker gekühlt werden, als dies notwendig ist, da ein solches Kühlsystem auf eine Kühlung der Batteriezellen auf eine Temperatur von 20°C bis 40°C ausgelegt ist. Durch den zusätzlichen Wärmeeintrag in den Batteriezellkühlkreislauf würden die Batteriezellen schlechter gekühlt oder der Energieverbrauch des Kühlsystems zum Kühlen der Batteriezellen würde einen unnötig hohen Energieverbrauch aufweisen, um die Stromschienen zu kühlen. Ein separates Kühlsystem für die Stromschienen oder das Vorsehen separater Kühlkomponenten für die Stromschienen, die von dem Kühlsystem für die Batteriezellen versorgt würden, und derart gestaltet sind, dass die Stromschienen auf einen im Vergleich zur Zellkühlung höheren Temperaturniveau gehalten werden, ist teuer und aufwendig umzusetzen.
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Aus der
CH 702 863 A1 ist eine Stromschiene für einen Hybrid-Personenkraftwagen bekannt, wobei diese Stromschiene Ströme im Bereich von 100 bis 1 000 Ampere übertragen kann, wobei diese Stromschiene eine Vorrichtung zur Kühlung der Stromschiene mittels eines Gehäuses aufweist, wobei das Gehäuse thermische Energie von der Stromschiene aufnimmt und an die Umgebung abgibt.
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Aus der
DE 10 2017 129 249 A1 ist ferner eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Stromschiene bekannt, wobei die Stromschiene thermisch mit einer aktiven Kühleinrichtung gekoppelt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine ausreichende Kühlung der Stromschiene eines Batteriesystems in besonders einfacher Art und Weise zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Batteriesystem, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem handelt es sich um ein Batteriesystem für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für einen elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Personenkraftwagen. Das Batteriesystem weist zumindest zwei Batteriemodule mit jeweils einem Modulgehäuse und mehreren in dem Modulgehäuse angeordneten Batteriezellen auf. Vorzugsweise sind die Batteriezellen des jeweiligen Batteriemoduls in einem oder mehreren Batteriezellenpaketen zusammengefasst. Bei den Batteriezellenpaketen handelt es sich vorzugsweise um Zell-Stacks. Das Batteriesystem weist eine Kühlsystem zum Kühlen der Batteriezellen der Batteriemodule auf. Das Batteriesystem weist eine Stromschiene auf, wobei die zumindest zwei Batteriemodule mittels der Stromschiene miteinander verschaltet sind. Das Batteriesystem weist ein außerhalb der Modulgehäuse ausgebildetes Stromschienengehäuse auf, wobei die Stromschiene in dem Stromschienengehäuse angeordnet und thermisch mit dem Stromschienengehäuse gekoppelt ist. Ferner ist das Stromschienengehäuse zumindest abschnittsweise mit zumindest einem der Batteriemodule thermisch gekoppelt.
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Durch die thermische Kopplung der Stromschienen mit dem Stromschienengehäuse und der thermischen Kopplung des Stromschienengehäuses mit dem Batteriemodul, vorzugsweise dem Modulgehäuse des Batteriemoduls, werden die Stromschienen über das Kühlsystem zum Kühlen der Batteriezellen über einen recht langen Kühlweg mitgekühlt, wodurch die Stromschienen kostengünstig mit geringem Bauraum, geringem Gewichtsbedarf und einfacher Gestaltung gekühlt werden. Aufgrund der Tatsache, dass die Kühlung nicht direkt die Stromschienen kühlt, sondern indirekt über das Batteriemodul, vorzugsweise das Modulgehäuse, das Stromschienengehäuse und die thermische Anbindung des Stromschienengehäuses an die Stromschienen eine Kühlung erfolgt, werden die Stromschienen nicht in dem Maße gekühlt, wie die Batteriezellen, wodurch ein sinnvolles Temperaturniveau für die Stromschienen bei geringem Wärmeeintrag in das Kühlsystem zum Kühlen der Batteriezellen erreicht wird. Über Veränderung der Güte der thermischen Kopplung zwischen dem Stromschienengehäuse und dem Batteriemodul, bspw. dem Batteriemodulgehäuse, sowie dem Stromschienengehäuse und den Stromschienen kann eine Anpassung dahingehend erfolgen, dass die Stromschienen über das Kühlsystem zum Kühlen der Batteriezellen in dem bevorzugten Temperaturbereich betrieben werden können, der in der Regel deutlich oberhalb des Temperaturbereichs der Batteriezellen liegen sollte bzw. liegen kann, ohne dass sich dies besonders negativ auf die Effizienz oder Sicherheit der Kühlung der Batteriezellen auswirkt. Vorzugsweise ist die Güte der thermischen Kopplung so gewählt, dass bei einem Betrieb des Batteriesystems die Zellen in einem Temperaturbereich von 20°C bis 60°C betrieben werden und die Stromschienen in einem Temperaturbereich von über 60°C bis 150°C betrieben werden. Eine Anpassung der Güte der thermischen Kopplung kann durch eine entsprechende Materialwahl der Komponenten, beispielsweise durch das Material des Stromschienengehäuses erfolgen. Auch kann die Güte der thermischen Kopplung durch eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Kopplungsflächen erhöht bzw. verringert werden.
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Die thermischen Kopplung zwischen den Stromschienen und dem Batteriemodul, vorzugsweise dem Modulgehäuse, kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass entsprechende Wärmeleitelemente, wie beispielsweise GAP-Pads oder GAP-Filler, in Zwischenräume zwischen den zu koppelnden Elementen eingebracht sind. Durch eine Vergrößerung der Zwischenräume kann die Güte der thermischen Kopplung verringert werden und umgekehrt. Ferner kann durch eine entsprechende Materialwahl der Wärmeleitelemente die Güte der thermischen Kopplung beeinflusst werden. Es ist auch durchaus denkbar, die Güte der thermischen Kopplung dadurch zu verändern bzw. anzupassen, dass Kontaktflächen zwischen dem Stromschienengehäuse und den Modulgehäusen verringert oder erhöht wird. Auch können Kontaktflächen zwischen Wärmeleitelementen und Stromschienen bzw. Wärmeleitelementen und Stromschienengehäuse so gewählt werden, dass die gewünschte Güte der thermischen Kopplung gegeben ist.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Stromschienengehäuse nicht vollflächig an den Batteriemodulen, vorzugsweise den Modulgehäusen, anliegt, sondern lediglich abschnittsweise an den Batteriemodulen, vorzugsweise den Modulgehäusen, anliegt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bereits geringe Kontaktflächen ausreichend sind, um die gewünschte Kühlwirkung an den Stromschienen zu erreichen. In diesem Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das jeweilige Modulgehäuse einen gegenüber dem übrigen Modulgehäuse hervorstehenden Verbindungsabschnitt aufweist, wobei das Stromschienengehäuse lediglich im Bereich des Verbindungsabschnitts an dem jeweiligen Modulgehäuse anliegt. Diese Verbindungsabschnitte können vorzugsweise auch der Befestigung des Stromschienengehäuses mit dem jeweiligen Batteriemodulgehäuse dienen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der jeweilige Verbindungsabschnitt eine Gegenstruktur für ein das Stromschienengehäuse mit dem Modulgehäuse verbindendes Verbindungsmittel aufweist. Bei der Gegenstruktur handelt es sich vorzugsweise um ein Gewinde und bei dem Verbindungsmittel handelt es sich vorzugsweise um eine Schraube. Die Verbindungsabschnitte haben insbesondere auch im Hinblick auf eine Befestigung des Stromschienengehäuses den Vorteil, dass der Verbindungsabschnitt aufgrund seines Hervorstehens gegenüber dem übrigen Modulgehäuse eine größere Stärke aufweist, sodass in diesem Bereich unproblematisch eine mechanische Befestigung der Stromschienen erfolgen kann und insbesondere in diesen Bereichen auch Gewinde eingebracht werden können. Dementsprechend kann das übrige Batteriemodulgehäuse hinsichtlich der Materialstärke geringer gehalten werden, was sich vorteilhaft auf das Gewicht und die Herstellungskosten auswirkt.
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Vorzugsweise ist das Stromschienengehäuse ausschließlich im Bereich der Verbindungsabschnitte mechanisch und thermisch mit den Modulgehäusen verbunden.
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Vorzugsweise ist der Verbindungsabschnitt ringförmig ausgebildet und umschließt eine in dem Modulgehäuse ausgebildete Durchgangsöffnung. Diese Durchgangsöffnung dient insbesondere zur elektrischen Anbindung der Stromschiene an die Batteriezellen. Dabei ist es durchaus denkbar, dass die Stromschiene mit einem die Durchgangsöffnung durchsetzenden elektrischen Kontakt mechanisch und elektrisch verbunden ist.
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Der Verbindungsabschnitt ist vorzugsweise als separates Bauteil ausgebildet und das Modulgehäuse ist vorzugsweise als Strangpressprofil ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Verbindungsabschnitt unlösbar mit dem Modulgehäuse verbunden ist, beispielsweise mit diesem verschweißt ist.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Stromschienengehäuse zumindest abschnittsweise mit sämtlichen Batteriemodulen thermisch gekoppelt ist.
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Vorzugsweise ist das Stromschienengehäuse als Trassengehäuse, insofern geradlinig, ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem Stromschienengehäuse mehrere Stromschienen, vorzugsweise sämtliche Stromschienen, angeordnet sind. Insofern werden für mehrere Stromschienen nur ein Stromschienengehäuse, insbesondere für das gesamte Batteriesystem lediglich ein einziges Stromschienengehäuse benötigt.
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Hinsichtlich einer besonders einfachen Montage und einfachen Herstellung des Stromschienengehäuses wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Stromschienengehäuse eine Unterschale und eine Oberschale aufweist, die lösbar miteinander verbunden sind, beispielsweise miteinander verschraubt sind. In diesem Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Unterschale des Stromschienengehäuses der Befestigung des Stromschienengehäuses an dem bzw. den Modulgehäusen dient. Vorzugsweise ist die Unterschale mit den Modulgehäusen verschraubt.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Unterschale und/oder die Oberschale einen U-förmigen oder im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Hinsichtlich einer Abdichtung des Stromschienengehäuses wird es als vorteilhaft angesehen, wenn zwischen der Oberschale und der Unterschale Dichtelemente angeordnet sind. Die Oberschale ist vorzugsweise als Blechbiegeteil ausgebildet und die Unterschale ist vorzugsweise als Gussteil ausgebildet. Da die Oberschale eine im Gegensatz zu der Unterschale geringere Stabilität aufweisen kann, ist es ausreichend lediglich die Unterschale als Gussteil auszubilden.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die jeweilige Stromschiene sowohl an die Oberschale als auch an die Unterschale thermisch gekoppelt ist, beispielsweise mittels zwischen den Stromschienen und der jeweiligen Schale angeordneten Wärmeleitelementen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Stromschienengehäuse lediglich abschnittsweise mit dem jeweiligen Batteriemodul, vorzugsweise dem jeweiligen Modulgehäuse, thermisch gekoppelt ist, insofern nur lokal eine thermische Kopplung zwischen dem Stromschienengehäuse und dem jeweiligen Modulgehäuse besteht. Wie bereits ausgeführt kann dies über die hervorstehenden Verbindungsabschnitte erfolgen.
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Es wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die jeweilige Stromschiene über die gesamte Längserstreckung der Stromschiene vollflächig und nicht nur abschnittsweise mit dem Stromschienengehäuse thermisch gekoppelt ist. Insofern wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Stromschiene über die gesamte oder annähernd gesamte Länge der jeweiligen Stromschiene mit dem Stromschienengehäuse thermisch gekoppelt ist, wohingegen das Stromschienengehäuse über seine Längserstreckung nur abschnittsweise mit dem jeweiligen Modulgehäuse thermisch gekoppelt ist. Dadurch kann eine ausreichend starke und ausreichend homogene Kühlung der Stromschienen bewirkt werden, ohne dass das Kühlsystem der Batteriezellen unnötig stark belastet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die thermische Kopplung zwischen der jeweiligen Stromschiene und dem Stromschienengehäuse über ein oder mehrere zwischen der jeweiligen Stromschiene angeordneten verformbaren Wärmeleitelement bewirkt ist. Durch die Verformbarkeit des Wärmeleitelements können Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. Vorzugsweise ist das Wärmeleitelement elastisch verformbar. Das verformbare Wärmeleitelement kann beispielsweise durch ein GAP-Pad oder einen GAP-Filler gebildet sein. Vorzugsweise weist das verformbare Wärmeleitelement eine Stärke von 1,0 mm bis 6 mm auf. Vorzugsweise ist das Wärmeleitelement im eingebauten Zustand komprimiert. Dadurch ist eine gute Wärmeleitung und ein mechanische Fixierung der Stromschienen gewährleistet. Insofern hat die Verwendung von verformbaren Wärmeleitelementen zudem den Vorteil, dass die thermische Kopplung zwischen den Stromschienen und dem Stromschienengehäuse besonders stabil ist, da die verformbaren Wärmeleitelemente zusätzlich die Stromschienen an der gewünschten Position halten.
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Es ist auch durchaus denkbar, dass zwecks thermischer Kopplung zwischen dem Modulgehäuse und dem Stromschienengehäuse ein verformbares Wärmeleitelement zwischen diesen Komponenten angeordnet ist Allerdings wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das Stromschienengehäuse unmittelbar an dem jeweiligen Modulgehäuse, insbesondere dem Verbindungsabschnitt, anliegt. In diesem Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn sowohl das Stromschienengehäuse als auch das Modulgehäuse aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen, beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen.
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Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die jeweilige Stromschiene an zumindest zwei Seiten der Stromschiene, vorzugsweise gegenüberliegenden Seiten der Stromschiene, mit dem Stromschienengehäuse thermisch gekoppelt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stromschienen in dem Stromschienengehäuse in einer oder mehreren Lagerstrukturen mechanisch gehalten sind, beispielsweise in als Halteklammern ausgebildeten Lagerstrukturen vorfixiert gehalten sind, wobei die Lagerstrukturen thermisch mit dem Stromschienengehäuse gekoppelt sind, beispielsweise über ein GAP-Pad. Die Lagerstruktur, bei der es sich durchaus um eine Vormontagehalterung handeln kann, ist vorzugsweise aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff und/oder Aluminium gefertigt. Über die Lagerstrukturen ist die Montage des Batteriesystems erleichtert. In Bereich der Lagerstrukturen kann besonders einfach lokal eine thermische Kopplung erfolgen. Vorzugsweise befinden sich die Lagerstrukturen daher in Bereichen der Abschnitte des Stromschienengehäuses, die thermisch mit dem Modulgehäusen gekoppelt sind.
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Es ist durchaus denkbar, dass zwischen den Stromschienen und dem Stromschienengehäuse Toleranzausgleichselemente angeordnet sind, beispielsweise in Form von mechanischen Federelementen, um eine sichere Lagefixierung der Stromschienen in dem Stromschienengehäuse zu bewirken. Ferner ist durch die Toleranzausgleichselemente sichergestellt, dass die Stromschienen thermisch mit dem Stromschienengehäuse gekoppelt sind, indem die Toleranzausgleichselemente die Stromschienen an das Stromschienengehäuse oder an ein zwischen dem Stromschienengehäuse und den Stromschienen angeordnetes Wärmeleitelement anpressen. Derartige Toleranzausgleichselemente sind vorzugsweise an einer dem Modulgehäuse abgewandten Seite der Stromschienen angebracht. Bei dem Toleranzausgleichselement kann es sich auch beispielsweise um einen Schaum handeln.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kühlsystem einen an einer den Batteriezellen abgewandten Außenseite des Modulgehäuses angebrachten Kühlkörper, insbesondere in Form einer Kühlplatte, aufweist, wobei dieser Kühlkörper von einem Kühlmittel durchströmbar ist. Zu diesem Zweck kann der Kühlkörper beispielsweise einen oder mehrere Kühlmittelkanäle aufweisen. In diesem Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das Stromschienengehäuse mit der den Kühlkörper aufweisenden Gehäusewand des Modulgehäuses thermisch verbunden ist. Vorzugsweise ist das Stromschienengehäuse derart an der Außenwand angeordnet, dass kein Kontakt zwischen dem Stromschienengehäuse und dem Kühlkörper besteht. Dementsprechend wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Stromschienengehäuse und der Kühlkörper lediglich indirekt über die den Kühlkörper aufweisende Gehäusewand des Modulgehäuses thermisch miteinander gekoppelt sind. Vorzugsweise steht ein etwaiger Verbindungsabschnitt in Richtung des Stromschienengehäuses gegenüber dem Kühlkörper hervor, sodass bei Anlage des Stromschienengehäuses an dem Verbindungsabschnitt das Stromschienengehäuse von dem Kühlkörper beabstandet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das jeweilige Batteriemodulgehäuse eine Anschlussöffnung zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der Stromschiene aufweist, wobei ein elektrisches Anschlusselement die Anschlussöffnung durchsetzt, wobei das Batteriemodulgehäuse einen die Anschlussöffnung umlaufend umschließenden Dichtabschnitt aufweist, wobei das Stromschienengehäuse mit dem umlaufenden Dichtabschnitt dichtend zusammenwirkt. Der Dichtabschnitt kann durchaus Bestandteil des Verbindungsabschnitts sein.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kommen dem Verbindungsabschnitt drei Funktionen zu: Er dient dem mechanischen Verbinden von Stromschienengehäuse an dem Modulgehäuse, dem abschnittsweise thermischen Anbinden des Stromschienengehäuses an den Modulgehäusen und er dient dem dichten Verschließen der Anschlussöffnung.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Stromschiene eine elektrische Isolierung, beispielsweise in Form einer Beschichtung oder eines das stromführende Bauteil der Stromschiene umschließendes Kunststoffgehäuses, aufweist.
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Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das Stromschienengehäuse elektrisch leitfähig mit dem jeweiligen Modulgehäuse verbunden ist, wodurch eine zusätzliche elektromagnetische Schirmung durch das Stromschienengehäuse und das Modulgehäuse zur Umgehung erreicht wird.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet dahingehend Vorteile, dass auf besonders einfache Art und Weise eine Kühlung für die Stromschienen bereitgestellt werden kann, unter Verwendung des bestehenden Kühlsystems der Batteriezellen. Dadurch werden Synergieeffekte erzielt, wobei durch die Güte der thermischen Kopplung auf besonders einfache Art und Weise eine ausreichende Kühlung der Stromschienen erreicht werden kann, ohne das Kühlsystem der Batteriezellen unnötig stark zu belasten. Durch die Kühlung der Stromschienen können die thermischen Verluste aufgrund des elektrischen Widerstands der Stromschienen durch Absenkung der Temperatur der Stromschienen verringert werden. Dies ist insbesondere beim Schnellladen relevant. Ferner können aufgrund der Kühlung der Stromschienen die Stromschienenquerschnitte reduziert werden. Bei entsprechender Gestaltung der thermischen Kopplung kann auch eine Verbesserung der Zelllebensdauer durch eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb der Zellen erreicht werden.
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In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform des Batteriesystems in einer Schnittdarstellung,
- 2 eine zweite Ausführungsform des Batteriesystems in einer Schnittdarstellung,
- 3 eine dritte Ausführungsform des Batteriesystems in einer Schnittdarstellung,
- 4 eine vierte Ausführungsform des Batteriesystems in einer Schnittdarstellung,
- 5 eine weitere Ausführungsform des Batteriesystems in einer Draufsicht,
- 6 die Ausführungsform gemäß 5 ohne Stromschienengehäuse in einer Draufsicht.
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Die 1 bis 6 zeigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1, wobei es sich bei den Darstellungen der 1 bis 6 lediglich um schematische Darstellungen handelt. Die Darstellungen sind schematisiert und vereinfacht, um die wesentlichen Komponenten des Batteriesystems 1 darzustellen.
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Die in den Figuren gezeigte X-Achse zeigt in Fahrzeuglängsrichtung, nämlich in Fahrtrichtung, die Y Achse entspricht einer Fahrzeugquerrichtung und die Z-Achse einer Fahrzeughochrichtung.
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Die 1 zeigt ein Batteriesystem 1 für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug, vorliegend für einen Personenkraftwagen, in einer Schnittansicht in einer vereinfachten Darstellung. Das Batteriesystem 1 weist mehrere in Längsrichtung X hintereinander angeordnete Batteriemodule 2 auf. Das jeweilige Batteriemodul 2 weist ein im Querschnitt rechteckförmiges Modulgehäuse 3 und mehrere in dem Modulgehäuse 3 angeordnete Batteriezellen 4 auf. Die Batteriezellen 4 sind zu Batteriezellen-Stacks zusammengefasst. Das in der 1 dargestellte Batteriemodul 2 umfasst zwei in Querrichtung Y des Fahrzeugs nebeneinander angeordneten Batteriezellenpakete. Das Batteriesystem 1 weist ein Kühlsystem zum Kühlen der Batteriezellen 4 auf. Derartige Kühlsysteme sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt, sodass nachfolgend lediglich auf die für die vorliegende Erfindung relevanten Komponenten eines solchen Kühlsystems näher eingegangen wird. Das Kühlsystem umfasst einen Kühlkreislauf, der von einem Kühlmittel durchströmt wird, wobei das Kühlmittel der Aufnahme von Wärme der Batteriezellen 3 dient und die aufgenommene Wärme an eine Wärmesenke des Kühlsystems abgibt. Mittels des Kühlsystem werden somit die Batteriezellen 4 gekühlt. In der Regel werden die Batteriezellen im Betrieb auf eine Temperatur von unter 60°C gekühlt, in der Regel im Bereich von 20°C bis 30°C gehalten.
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Die Batteriemodule 2 sind mittels mehrerer in Längsrichtung X verlaufender Stromschienen 5 miteinander elektrisch verschaltet. Das Batteriesystem 1 weist ein Stromschienengehäuse 6 auf, wobei die Stromschienen 5 in dem Stromschienengehäuse 6 angeordnet sind. Vorliegend ist das Stromschienengehäuse 6 geradlinig ausgebildet und verläuft in Fahrzeuglängsrichtung X und überspannt dabei mehrere in Fahrzeuglängsrichtung X hintereinander angeordnete Batteriemodule 2, wie dies exemplarisch in der 5 gezeigt ist. Das Stromschienengehäuse 6 ist als separates Gehäuse ausgebildet und bildet daher keinen Bestandteil des Modulgehäuses 3. Ferner ist auch kein separates Batteriegehäuse vorgesehen. Das Stromschienengehäuse 6 verläuft außerhalb der Modulgehäuse 3 und ist in Fahrzeughochrichtung Z oberhalb der Modulgehäuse 3 angeordnet.
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Zwecks Kühlung der Stromschienen 5 sind die Stromschienen 5 thermisch mit dem Stromschienengehäuse 6 gekoppelt, wobei das Stromschienengehäuse 6 wiederum mit den Modulgehäusen 3 thermisch gekoppelt ist. Über die thermische Kopplung zwischen dem Stromschienengehäuse 6 und den Stromschienen 5 und der thermischen Kopplung zwischen dem Stromschienengehäuse 6 und dem Modulgehäuse 3 werden die Stromschienen 5 indirekt über das Kühlsystem der Batteriezellen 4 gekühlt, da die Modulgehäuse 3 über das Kühlsystem direkt oder indirekt gekühlt werden. Aufgrund des recht langen Kühlwegs über die Gehäuse 3, 6 hinweg, werden die Stromschienen 5 nicht so stark gekühlt wie die Batteriezellen und ein sinnvolles Temperaturniveau für die Stromschienen 5, welches deutlich oberhalb des Temperaturniveaus der Batteriezellen 3 liegt, wird trotz Verwendung desselben Kühlsystems erreicht.
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Das Stromschienengehäuse 6 weist vorliegend eine mit dem Modulgehäuse 3 des jeweiligen Batteriemoduls 2 verbundene Unterschale 8 und eine mit der Unterschale 8 lösbar verbundene Oberschale 7 auf. Vorliegend ist die Unterschale 8 mit der Oberschale 7 über Verbindungsschrauben 10 verschraubt. Die Unterschale 8 ist vorzugsweise als Gussteil ausgebildet und weist eine größere Materialstärke als die Oberschale 7 auf, die vorliegend als gebogenes Blechteil ausgebildet ist. Bei der Ausführungsform gemäß 1 liegt die Unterschale 8 unmittelbar und vollflächig an dem rechteckigen Strangpressprofil des Modulgehäuses 3 an.
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Zwecks thermischer Kopplung der Stromschienen 5 mit dem Stromschienengehäuse 6 sind zwischen die Stromschienen 5 und sowohl der Oberschale 7 als auch der Unterschale 8 wärmeleitfähige Wärmeleitelemente 9 in Form von GAP-Pads eingebracht. Die GAP-Pads 9 kontaktieren die Stromschienen 5 nicht unmittelbar, sondern kontaktieren eine elektrische Isolierung 11, die die eigentlichen Stromschienen 5 umschließen.
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Vorliegend kontaktiert die Unterschale 8 eine obere Wandung des Modulgehäuses 3 unmittelbar und sowohl die Unterschale 8 als auch das Modulgehäuse 3 sind aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt, sodass eine entsprechende thermische Kopplung erreicht ist.
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Die in der 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in der 1 dargestellten Ausführungsform. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß 1 ist die Unterschale 8 lediglich lokal und insofern nicht über seine gesamte Längserstreckung, mit dem Modulgehäuse 3 des jeweiligen Batteriemoduls 2 thermisch verbunden. Konkret weist das jeweilige Batteriemodulgehäuse 3 einen Verbindungsabschnitt 13 auf, der an einer dem Stromschienengehäuse 6 zugewandten Seite des Modulgehäuses 3 hervorsteht, vorliegend in Z-Richtung hervorsteht. Vorzugsweise dient der Verbindungsabschnitt 13 auch zur mechanischen Befestigung des Stromschienengehäuses 6 an dem Modulgehäuse 3. Dementsprechend dient der Verbindungsabschnitt 13 sowohl zur mechanischen als auch zur thermischen Anbindung des Stromschienengehäuses 6 an das Modulgehäuse 3. Zu diesem Zweck kann der Verbindungsabschnitt 13 ein oder mehrere Gewinde zum Einschrauben einer die Unterschale 8 durchsetzenden Verbindungsschraube aufweisen.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2 weist das Modulgehäuse 3 eine in der 2 nicht näher dargestellte Anschlussöffnung 16 zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der jeweiligen Stromschiene 5 auf, wobei ein Anschlusselement 17 die Anschlussöffnung 16 durchsetzt, wobei der Verbindungsabschnitt 13 die Anschlussöffnung 16 umlaufend umschließt und das Stromschienengehäuse 6 mit dem Verbindungsabschnitt 13 dichtend zusammenwirkt. Der Verbindungsabschnitt 13 ist in einer solchen Ausführungsform vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Schematisch ist eine solche Ausführungsform in den 5 und 6 gezeigt, wobei aus Gründen der Übersicht in der 6 das Stromschienengehäuse 6 nicht dargestellt ist.
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Ferner ist bei der Ausführungsform gemäß 2 vorgesehen, dass die Stromschienen 5 in dem Stromschienengehäuse 6 in einer Lagerstruktur 17 mechanisch gehalten sind, wobei diese Lagerstruktur 17 vorliegend der Vorfixierung der Stromschienen 5 zwecks Vereinfachung der Montage dient. Die Lagerstruktur 17 besteht aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff und ist thermisch mit der Unterschale 8 des Stromschienengehäuses 6 gekoppelt, wobei die thermische Kopplung vorliegend wiederum über ein GAP-Pad 9 erfolgt. Die Lagerstruktur 17 weist für jeder Stromschiene 5 einen eigenen Halteabschnitt auf, der vorliegend mit Wärmeleitelementen 9 ausgefüllt ist, die die jeweilige Stromschiene 5 umlaufend umschließen.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist oberhalb der Stromschienen 5 ein Federelement 12 angeordnet, wobei das Federelement 12 dazu dient, Fertigungstoleranzen auszugleichen und zu gewährleisten, dass kein Luftspalt zwischen den Stromschienen 5 und dem GAP-Pad 9 sowie dem GAP-Pad 9 und der Unterschale 8 des Stromschienengehäuses 6 entstehen kann, indem das Federelement 12 die Stromschienen 5 in Richtung der Unterschale 8 presst.
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Bei der in der 3 gezeigten Ausführungsform ist vorgesehen, dass an einer den Batteriezellen 4 abgewandten Außenseite des Batteriemodulgehäuses 3 ein Kühlkörper 14 in Form einer Kühlplatte angebracht ist, wobei diese Kühlplatte mehrere Kühlkanäle aufweist, die mit einem Kühlmittel des Kühlkreislaufs durchströmbar ist. An dieser Außenseite des Batteriemodulgehäuses 3, die die Kühlplatte aufweist, ist das Stromschienengehäuse 6 angebracht, wobei die Unterschale 8 des Stromschienengehäuses 6 unmittelbar das Modulgehäuse 3 und nicht etwa die Kühlplatte 14 kontaktiert. Dementsprechend sind das Stromschienengehäuse 6 und der Kühlkörper 14 des Kühlsystems lediglich indirekt über die Gehäusewand des Modulgehäuses 3 thermisch miteinander gekoppelt.
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Bei der in der 4 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Kühlung der Batteriezellen 4 nicht über an dem Modulgehäuse 3 angebrachte Kühlkörper 14, sondern der von dem Modulgehäuse 3 umschlossene Innenraum des Batteriemoduls 2, der die Batteriezellen 4 aufnimmt, ist unmittelbar mit einem dielektrischen Kühlfluid 18 des Kühlkreislaufs geflutet. Die Anschlussöffnung 16 ist mit einem Dichtkörper 15 dicht verschlossen, wobei ein Anschlusselement 19, das mit der jeweiligen Stromschiene 5 verbindbar ist, den Dichtkörper 15 durchsetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriesystem
- 2
- Batteriemodul
- 3
- Modulgehäuse
- 4
- Batteriezelle
- 5
- Stromschiene
- 6
- Stromschienengehäuse
- 7
- Oberschale
- 8
- Unterschale
- 9
- Wärmeleitelement
- 10
- Schraube
- 11
- elektrische Isolierung
- 12
- Federelement
- 13
- Verbindungsabschnitt
- 14
- Kühlplatte
- 15
- Dichtungskörper
- 16
- Anschlussöffnung
- 17
- Lagerstruktur
- 18
- dielektrisches Kühlfluid
- 19
- Anschlusselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- CH 702863 A1 [0005]
- DE 102017129249 A1 [0006]
