DE102022109925A1

DE102022109925A1 - Stromschiene zum elekrischen verbinden von batteriemodulen

Info

Publication number: DE102022109925A1
Application number: DE102022109925.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Gruber; Frank Körner; Dieter Englmeier; Benjamin Bardosch
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2023-10-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromschiene (101) zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen einer Batterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs,wobei die Stromschiene (101) einen ersten elektrischen Kontaktbereich und einen zweiten elektrischen Kontaktbereich umfasst und die Stromschiene (101) über den ersten elektrischen Kontaktbereich mit einem ersten Batteriemodul elektrisch und mechanisch verbindbar ist und die Stromschiene (101) über den zweiten elektrischen Kontaktbereich mit einem zweiten Batteriemodul elektrisch und mechanisch verbindbar ist, wobei die Stromschiene (101) zumindest in einem Teilbereich der Stromschiene (101) eine hitzebeständige Keramikbeschichtung (102) umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Stromschiene zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen einer Batterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
Stand der Technik
Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen erfolgt der Antrieb des Fahrzeugs über einen Elektromotor. Die für den Elektromotor benötigte Energie wird von einer Traktionsbatterie bereitgestellt. Die Traktionsbatterie umfasst mehrere Batteriemodule, welche in einem Gehäuse der Traktionsbatterie eingesetzt sind. In den Batteriemodulen sind mehrere Batteriezellen angeordnet und miteinander seriell bzw. parallel verschalten. Ebenfalls müssen die Batteriemodule innerhalb der Traktionsbatterie elektrisch verschalten werden. Dies kann mittels Stromschienen erfolgen, welche die jeweiligen Batteriemodule zueinander elektrisch verschalten. Die Stromschienen umfassen eine elektrische Isolierung, welche zum Beispiel aus Kunststoff hergestellt ist. Die Isolierung kann mittels Spritzgussverfahren gefertigt und auf der Stromschiene montiert werden.
Während des Betriebs der Traktionsbatterie oder durch einen Fehlerfall in der Traktionsbatterie kann sich die Traktionsbatterie mit den darin befindlichen Batteriemodulen, Batteriezellen und elektronischen Komponenten sehr stark erhitzen. Bei einer sehr starken Hitzeentwicklung kann es dazu kommen, dass die aus Kunststoff bestehende elektrische Isolierung der Stromschiene aufschmilzt und dadurch können Kurzschlüsse und Lichtbögen innerhalb der Batterie erzeugt werden, da die elektrische Isolierung der Stromschiene nicht mehr vollumfänglich gewährleistet ist. Durch die so entstehenden Kurzschlüsse und Lichtbögen innerhalb der Batterie kann die gesamte Batterie beschädigt werden. Um diese Gefahr zu minimieren beziehungsweise zu vermeiden, entstehen neue Anforderungen an die Isolation der Stromschiene, welche nicht nur elektrisch isolierend ausgeführt sein sollte, sondern auch eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen sollte.
Kunststoffe besitzen jedoch relative niedrige Schmelzpunkte im Vergleich zu den metallischen Komponenten der Stromschiene, wodurch eine elektrische Isolierung der Stromschiene insbesondere bei sehr starker Hitzeentwicklung der Traktionsbatterie nicht mehr gewährleistet ist.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine sichere elektrische und thermische Isolation einer Stromschiene während des Betriebs der Traktionsbatterie bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der begleitenden Figur angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Stromschiene zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen einer Batterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs,
wobei die Stromschiene einen ersten elektrischen Kontaktbereich und einen zweiten elektrischen Kontaktbereich umfasst und die Stromschiene über den ersten elektrischen Kontaktbereich mit einem ersten Batteriemodul elektrisch und mechanisch verbindbar ist und die Stromschiene über den zweiten elektrischen Kontaktbereich mit einem zweiten Batteriemodul elektrisch und mechanisch verbindbar ist, wobei die Stromschiene zumindest in einem Teilbereich der Stromschiene eine hitzebeständige Keramikbeschichtung umfasst.
In dem Batteriemodul können eine Vielzahl von Batteriezellen angeordnet sein. Die Batteriezellen sind in dem Batteriemodul über die Minusseite der Batteriezellen und/oder der Plusseite der Batteriezellen miteinander elektrisch kontaktiert. Es können dabei alle Arten von Batteriezellen, zum Beispiel Rundzellen, Pouch-Zellen oder prismatische Zellen in dem Batteriemodul angeordnet sein. Das Batteriemodul kann in einem Batteriemodulgehäuse angeordnet sein. Das Batteriemodul kann mit weiteren Batteriemodulen zu einer Batterie, über die Stromschiene verschalten sein. Die Batterie versorgt elektronische Komponenten eines Fahrzeug mit elektrischer Energie.
Die Stromschiene kann ein Strangpressprofil oder ein Flachband aus Aluminium sein. Aluminium bietet eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, welche sich als vorteilhaft für die elektrische Verschaltung erweist. Die Stromschiene umfasst einen ersten Kontaktbereich und einen zweiten Kontaktbereich. Die Stromschiene an dem ersten Kontaktbereich kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit dem ersten Batteriemodul elektrisch verbunden werden. Die Stromschiene an dem zweiten Kontaktbereich kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit dem zweiten Batteriemodul elektrisch verbunden werden. Die Stromschiene dient somit als elektrisches Verbindungselement zwischen zwei Batteriemodulen. Beispielsweise kann die Stromschiene mit dem ersten und dem zweiten Batteriemodul jeweils verschraubt und damit elektrisch und mechanisch verbunden sein.
Die Stromschiene kann eine Isolierung umfassen. Die Isolierung kann aus Kunststoff bestehen und dient zur elektrischen Isolierung der Stromschiene gegenüber anderen elektronischen Bauteilen innerhalb der Traktionsbatterie. Die Isolierung ist um die Oberfläche der Stromschiene angebracht und kann mittels Spritzgussverfahren hergestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Isolierung auf die Stromschiene extrudiert sein. Die Isolierung kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Alternativ kann die Stromschiene keine Isolierung umfassen.
Die hitzebeständige Keramikbeschichtung kann in zumindest einem Teilbereich der Stromschiene angeordnet sein. Keramiken im Sinne der vorliegenden Erfindung sind weitgehend aus anorganischen, feinkörnigen Rohstoffen unter Wasserzugabe bei Raumtemperatur geformte und danach getrocknete Gegenstände, die in einem anschließenden Brennprozess oberhalb 900 Grad Celsius zu harten, dauerhafteren Gegenständen gesintert werden. Im Bereich der faserverstärkten Keramik sind auch siliciumhaltige organische Polymere (Polycarbosilane) als Ausgangsstoffe zur Herstellung von amorpher Siliciumcarbid-Keramikmaterial in Verwendung.
Die Keramikbeschichtung hat eine Hitzebeständigkeit von bis zu 1100 Grad Celsius und dient zur zusätzlichen thermischen Isolierung der Stromschiene, sodass sich bei einer thermischen Einwirkung auf die Keramikbeschichtung zu keiner Beschädigung der elektrischen Isolation der Stromschiene und damit die Gefahr der Erzeugung von Kurzschlüssen oder Lichtbögen innerhalb der Traktionsbatterie verringert wird.
Zusätzlich ist die Keramikbeschichtung elektrisch isolierend, wodurch die elektrische Isolierung zusätzlich zur herkömmlichen Verwendung der Kunststoff-Isolierung erhöht wird. Die Keramikbeschichtung kann eine unterschiedliche Schichtdicke umfassen. Beispielsweise kann die Schichtdicke in dem ersten Kontaktbereich und zweiten Kontaktbereich dicker sein als auf der restlichen Fläche der Stromschiene. Dadurch kann erreicht werden, dass eine auf die Stromschiene von außen einwirkende Wärme nicht so schnell auf die Batteriemodule übergeht.
In einer Ausführungsform ist die Keramikbeschichtung ein Faserverbundwerkstoff. Beispielsweise kann die Keramikbeschichtung Keramikfasern enthalten. Keramikfasern sind sehr korrosionsbeständig und dienen gleichzeitig als Schutz der Oberfläche der Stromschiene.
In einer Ausführungsform umfasst die Keramikbeschichtung eine Schichtdicke zwischen 0,4 mm und 0,8 mm. Die Schichtdicke muss derart gewählt werden, dass sowohl die Isolationsfestigkeit der Stromschiene gegeben ist als auch die elektrische Leitfähigkeit der Stromschiene durch die Keramikbeschichtung nicht beeinträchtigt wird.
In einer Ausführungsform ist auf der Keramikbeschichtung ein Schutzlack aufgetragen. Der Schutzlack sorgt dafür, dass insbesondere bei Kanten und Biegungen der Stromschiene die Keramikbeschichtung nicht absplittert.
In einer Ausführungsform umfasst der erste elektrische Kontaktbereich und der zweite elektrische Kontaktbereich die hitzebeständige Keramikbeschichtung. Die Wärme, welche sich innerhalb der Batteriemodule, beispielsweise durch ein Entgasen einer in einem der Batteriemodule befindlichen Batteriezellen, entwickelt, dehnt sich insbesondere über die elektrischen Kontakte der Batteriemodule aus und kann dadurch auf die Stromschiene übergehen. Wenn direkt der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich der Stromschiene die Keramikbeschichtung umfassen, wird eine weitere Wärmeentwicklung innerhalb der Stromschiene bereits an dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich gehemmt und die Stromschiene kann sich nicht mehr über ihre gesamte Oberfläche erwärmen.
In einer Ausführungsform umfasst der Teilbereich, in welchem die hitzebeständige Keramikbeschichtung aufgetragen ist, eine Oberflächenrauheit umfasst, um die Haftung der Keramikbeschichtung auf der Stromschiene zu verbessern. Durch die Oberflächenrauheit der Stromschiene wird die Benetzung der Stromschiene größer, sodass die Keramikbeschichtung besser an der Stromschiene haften kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Stromschiene eine Kunststoffisolierung und zwischen der Stromschiene und der Kunststoffisolierung ist die Keramikbeschichtung angeordnet. Insbesondere bei einem Durchschmelzen der Kunststoffisolierung durch eine hohe Wärme wird die thermische Isolationsfestigkeit der Stromschiene durch die Keramikbeschichtung nicht beeinträchtigt, da die Keramikbeschichtung trotz hoher Wärme auf der Stromschiene weiterhin haftet. Die Kunststoffisolierung kann mittels Spritzgussverfahren hergestellt sein oder auf die Stromschiene extrudiert sein.
In einer Ausführungsform ist auf die Kunststoffisolierung eine weitere hitzebeständige Keramikschicht aufgetragen. Dadurch ist nicht nur die Stromschiene selbst vor thermischer Belastung geschützt, sondern auch die auf der Stromschiene befindliche Isolierung. Somit kann bereits ein Aufschmelzen der Kunststoffisolierung durch Wärme verhindert werden.
In einer Ausführungsform umfassen die Kanten der Stromschiene in dem Teilbereich, in welchem die hitzebeständige Keramikbeschichtung aufgetragen ist, abgerundete Formen umfasst. Durch eine abgerundete Form der Kanten wird verhindert, dass die hitzebeständige Keramikbeschichtung an den Kanten auf Nutzungsdauer absplittert. Die Kanten können mittel Fräsen abgerundet werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur der angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Kurze Figurenbeschreibung
Nachfolgend wird ein vorteilhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Figur erläutert. Es zeigen:

1 eine Vorderansicht der Stromschiene in einer Schnittdarstellung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine Vorderansicht der Stromschiene in einer Schnittdarstellung in einem zweiten Ausführungsbeispiel und
3 eine Vorderansicht der Stromschiene in einer Schnittdarstellung in einem dritten Ausführungsbeispiel.

Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stromschiene im Schnitt dargestellt in einer Vorderansicht. Die Stromschiene ist ein elektrisch leitendes Flachband 101. Beispielsweise ist das elektrisch leitende Flachband aus Aluminium hergestellt. Das elektrisch leitende Flachband 101 dient zur Übertragung von Strömen und Spannungen und verbindet zwei Batteriemodule einer Traktionsbatterie gemeinsam elektrisch (nicht in der 1 dargestellt). Das elektrisch leitende Flachband 101 ist von einer hitzebeständigen Keramikbeschichtung 102 ummantelt. Damit die hitzebeständige Keramikbeschichtung 102 an den Kanten des elektrisch leitenden Flachbands 101 nicht absplittert, sind die Kanten abgerundet. Beispielsweise kann zwischen der hitzebeständigen Keramikbeschichtung 102 und des elektrisch leitenden Flachbands 101 ein Haftmittel aufgetragen sein, welches für eine bessere Haftung der hitzebeständigen Keramikbeschichtung 102 an dem elektrisch leitenden Flachband 101 sorgt.
Die hitzebeständige Keramikbeschichtung 102 ist thermisch und elektrisch isolierend und besitzt eine hohe Robustheit gegenüber einer herkömmlichen Isolierung. Bei einer sehr hohen Wärmebildung im Umfeld der Stromschiene sorgt die hitzebeständige Keramikbeschichtung 102 dafür, dass die elektrische Isolierung des elektrisch leitenden Flachbands 101 dennoch gewährleistet wird und damit die Gefahr der Erzeugung von Kurzschlüssen und Lichtbögen innerhalb der Traktionsbatterie verringert wird.
Das elektrisch leitende Flachband 101 umfasst weiterhin eine elektrische Isolierung 103. Die elektrische Isolierung 103 besteht aus Kunststoff und kann mittels Spritzguss- oder Extrusionsverfahren auf das elektrisch leitende Flachband 101 aufgebracht werden. Die elektrische Isolierung 103 isoliert das elektrisch leitende Flachband 101 gegenüber anderen stromführenden Bauteilen innerhalb der Traktionsbatterie elektrisch. Zwischen der elektrischen Isolierung 103 und dem elektrisch leitenden Flachband 101 ist die hitzebeständige Keramikbeschichtung 102 angeordnet. Das elektrisch leitende Flachband 101 ist vollständig von der elektrischen Isolierung 103 ummantelt.
Die 2 zeigt eine Stromschiene gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei ist zusätzlich die elektrische Isolierung 103 von einer weiteren Keramikschicht 104 ummantelt. Dadurch wird bereits ein Durchschmelzen der elektrischen Isolierung 103 bei starker Hitzeentwicklung durch eine in der Traktionsbatterie befindlichen Wärmequelle verhindert.
Die 3 zeigt die Stromschiene gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Dabei umfasst der elektrisch leitende Flachleiter 101 lediglich mit der hitzebeständigen Keramikbeschichtung 102 ummantelt. Die hitzebeständige Keramikbeschichtung 102 übernimmt dabei zusätzlich die elektrisch isolierende Funktion und isoliert den elektrisch leitenden Flachleiter 101 thermisch und elektrisch.
BEZUGSZEICHENLISTE

101: Flachband
102: Keramikbeschichtung
103: Isolierung
104: weitere Keramikbeschichtung

Claims

Stromschiene (101) zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen einer Batterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei die Stromschiene (101) einen ersten elektrischen Kontaktbereich und einen zweiten elektrischen Kontaktbereich umfasst und die Stromschiene (101) über den ersten elektrischen Kontaktbereich mit einem ersten Batteriemodul elektrisch und mechanisch verbindbar ist und die Stromschiene (101) über den zweiten elektrischen Kontaktbereich mit einem zweiten Batteriemodul elektrisch und mechanisch verbindbar ist, wobei die Stromschiene (101) zumindest in einem Teilbereich der Stromschiene (101) eine hitzebeständige Keramikbeschichtung (102) umfasst.
Stromschiene (101) nach Anspruch 1, wobei die hitzebeständige Keramikbeschichtung (102) ein Faserverbundwerkstoff ist.
Stromschiene (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Keramikbeschichtung (102) eine Schichtdicke zwischen 0,4 mm und 0,8 mm umfasst.
Stromschiene (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei auf der Keramikbeschichtung (102) ein Schutzlack aufgetragen ist.
Stromschiene (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste elektrische Kontaktbereich und der zweite elektrische Kontaktbereich die hitzebeständige Keramikbeschichtung (102) umfasst.
Stromschiene (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Teilbereich, in welchem die hitzebeständige Keramikbeschichtung (102) aufgetragen ist, eine Oberflächenrauheit umfasst, um die Haftung der Keramikbeschichtung (102) auf der Stromschiene (101) zu verbessern.
Stromschiene (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromschiene (101) eine Kunststoffisolierung (103) umfasst und zwischen der Stromschiene (101) und der Kunststoffisolierung (103) die Keramikbeschichtung (102) angeordnet ist.
Stromschiene (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf die Kunststoffisolierung (103) eine weitere hitzebeständige Keramikschicht (104) aufgetragen ist.
Stromschiene (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kanten der Stromschiene (101) in dem Teilbereich, in welchem die hitzebeständige Keramikbeschichtung (102) aufgetragen ist, abgerundete Formen umfasst.