DE102022112691B3 - Vorrichtung zur magnetischen Flusserzeugung an Stromschienen einer rekonfigurierbaren Batterie - Google Patents

Vorrichtung zur magnetischen Flusserzeugung an Stromschienen einer rekonfigurierbaren Batterie Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur magnetischen Flusserzeugung an zwei parallel verlaufenden Stromschienen, wobei die Vorrichtung (110) zwei miteinander verbundene oder zu verbindende Spangen (111, 112), welche aus einem magnetischen Material gebildet sind, umfasst, wobei eine jeweilige Spange an ihren beiden Enden einen jeweiligen Verbindungsbereich zur Kontaktierung der jeweilig anderen Spange aufweist und, wenn die Spangen miteinander verbunden sind, ein mittlerer Bereich der jeweiligen Spange einen vorgegebenen Abstand zu dem mittleren Bereich der jeweilig anderen Spange aufweist, wobei eine jeweilige Spange dergestalt geformt ist, dass bei einer senkrecht zu und zwischen den parallel verlaufenden Stromschienen (203) eingelegten jeweiligen Spange ein erster Teil der jeweiligen Spange unterhalb der einen der zwei Stromschienen und ein zweiter Teil der jeweiligen Spange oberhalb der anderen der zwei Stromschienen verläuft, wodurch die Gesamtheit der Vorrichtung mittels der nach erfolgtem Einlegen miteinander verbundenen Spangen die beiden Stromschienen in Richtung des Stromschienenverlaufs in Form einer Acht umschließt, senkrecht zum Stromschienenverlauf jedoch die beiden Spangen in ihrem jeweilig mittleren Teil zueinander den vorgegebenen Abstand aufweisen. Ferner wird ein Verfahren zur magnetischen Flusserzeugung an Stromschienen mittels der Vorrichtung beansprucht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine zusammenklemmbare Vorrichtung für eine magnetische Flusserzeugung an Stromschienen einer rekonfigurierbaren Batterie zur Unterdrückung von Stromwelligkeit. Ferner wird ein Verfahren zur magnetischen Flusserzeugung an Stromschienen mittels der Vorrichtung beansprucht.
  • Rekonfigurierbare Batterien oder modulare Multilevelkonverter mit parallelem Verbindungszustand, bspw. beschrieben in „Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control,“ Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1 109/TPEL.2014.2310225, erzeugen Spannungsdifferenzen zwischen zwei Anschlussterminals, bspw. eines Energienetzes oder eines Traktionssystems eines Elektroautos, durch eine Konfiguration einer elektrischen Verschaltung von Energiespeichern in Modulen und durch eine Schaltmodulation zwischen Schaltzuständen zur Bildung beliebiger Zwischenzustände. Beim dynamischen Wechsel in den Parallelmodus zwischen zwei Modulen liegt jedoch ein Problem vor, wenn die beiden Modulspeicher, bspw. Kondensatoren oder Batterien, vor dem Wechsel in den Parallelmodus nicht die gleiche Spannung haben. In diesem Fall können hohe Ausgleichsströme eintreten, die vor allem durch die - zumeist sehr kleine - Impedanz der Leiter, Innenwiderstände der Transistoren und Innenwiderstände der Kondensatoren oder Batterien begrenzt sind. Bei nur einer Spannungsdifferenz von einem Volt, bspw. 48 V in einem Modul und 49 V im benachbarten Modul, treten bei einer Impedanz von 1 Milliohm Ausgleichsströme von bis zu 1000 A auf, welche so lange fließen, bis der Ladungsunterschied ausgeglichen ist. Zwar sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Methoden zum Ausgleich der Ladung von Modulen in einem modularen Multilevelkonverter bekannt. Allerdings führen auch kleine verbliebene Spannungsunterschiede zu erheblichen Stromstößen, während ferner initiale Spannungsunterschiede erst im Betrieb ausgeglichen werden könnten.
  • Eine Möglichkeit zur Verringerung der hohen Ausgleichströme ist die Erhöhung der Verbindungsimpedanz durch das Einfügen von Widerständen (was sich aufgrund der Verluste verbietet) oder Induktivitäten. Letztere können zwar eine Amplitude des Ausgleichstroms in der Spitze erheblich senken, das Einfügen von Induktivitäten stellt jedoch aus mehreren Gründen ein erhebliches Problem dar. So treffen die Induktivitäten nicht nur die Ausgleichsströme im Parallelmodus, sondern auch einen Laststrom im Seriell- und Bypassmodus, da dieser bei einem Strang mit N Modulen genauso durch etwa N Induktivitäten fließen muss. Diese Induktivitäten können entsprechend die maximal erreichbare Dynamik und damit die erzeugbaren Frequenzanteile erheblich verringern. Ferner sind die Induktivitäten in Serie zur Last und können so als Spannungsteiler die effektiv am Ausgang für die zu speisende Last zur Verfügung stehende Spannung limitieren. Weiter hat der Einbau der diskreten Induktivitäten den Nachteil, dass hierfür beiderseitig Verbindungspunkte benötigt werden, insbesondere bei den in Traktionssystemen von Elektrofahrzeugen typischen Nennstromstärken von einigen hundert Ampere und der damit einhergehenden Verwendung von Stromschienen. Bauteile und zugehörige Anschraubpunkte werden entsprechend groß und inakzeptabel teuer. Schließlich muss der gesamte Laststrom auch durch die Induktivität, die hierfür thermisch und vor allem magnetisch ausgelegt sein muss. Die Induktivität stellt per Definition ein mit dem Strom skalierendes Magnetfeld dar, welches entsprechend geführt und dem Raum gegeben werden muss. Da typische Magnetmaterialien eine magnetische Sättigung bezüglich der Flussdichte und damit der Energiedichte des magnetischen Feldes aufweisen, muss entsprechend zur Vermeidung der Sättigung durch den Laststrom viel Magnetmaterial eingesetzt werden. Für eine Dämpfung der Ausgleichsströme wäre dagegen nur ein Bruchteil des Magnetmaterials notwendig.
  • Die Druckschrift EP 2 097 970 B1 schlägt die Nutzung zweier elektronisch geschalteter Ausgangswechselspannungen mit unterschiedlichen Wellenformen vor, um die Phase einer induktiven Last zu versorgen. Hierzu dient ein Differentialmodusgerät aus einem gewöhnlichen magnetischen Kern, auf dem zwei antiparallele Spulen anliegen, an denen die jeweilige Spannung angelegt wird. Während jeder vollständigen Modulationsperiode wird dabei eine der Spannungen konstant gehalten und somit nicht umgeschaltet.
  • Ein Stromrichter gemäß DE 197 57 452 A 1 weist im Zwischenkreis einen Transformator mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen auf, von denen eine in den Pluspfad, die andere in den Minuspfad geschaltet ist, um den Kern des Transformators zu magnetisieren und unerwünschte, asymmetrische Stromkomponenten zu unterdrücken, die in beiden Wicklungen in dieselbe Richtung fließen. Die erwünschten symmetrischen Stromkomponenten, die in der einen Wicklung in eine Richtung und in der zweiten Wicklung in entgegengesetzter Richtung fließen, sollen dabei nicht beeinflusst werden
  • Die Druckschrift DE 10 2018 215 576 A1 beschreibt eine stromkompensierte Drossel zur Filterung von zwischen zwei Hochvoltkomponenten übertragenden Störsignalen. Die Drossel weist einen eine Innenöffnung umschließenden toroidförmigen Magnetkern auf, wobei zumindest zwei Stromschienen axial durch die Innenöffnung des Magnetkerns hindurchgeführt sind. Die Stromschienen bilden in der Innenöffnung einen Luftspalt zueinander aus.
  • Die Druckschrift DE 10 2014 217 526 A1 offenbart ein Leitermodul mit wenigstens zwei elektrischen Leiterabschnitten und einem mit diesen mechanisch zu einem Bauteil verbundenen Ferritkern zum Unterdrücken von Gleichtaktstörungen. Die wenigstens zwei Leiterabschnitte sind derart ausgewählt, dass bei einem störungsfreien Betrieb des Leitermoduls durch die elektrischen Leiterabschnitte den Ferritkern passierend ein Summenstrom von null fließt.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur magnetischen Flusserzeugung an Stromschienen einer rekonfigurierbaren Batterie zur Verfügung zu stellen, welche einen bei einem Umschalten von Batteriemodulen in einen Parallelmodus auftretenden Ausgleichstrom, nicht aber einen Laststrom beschränken. Die Vorrichtung soll insbesondere in ein bestehendes System eingefügt werden können, ohne darin elektrische Verbindungen lösen und neu anordnen zu müssen. Ferner soll ein Verfahren zur magnetischen Flusserzeugung an Stromschienen mittels dieser Vorrichtung beansprucht werden.
  • Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird eine Vorrichtung zur magnetischen Flusserzeugung an zwei parallel verlaufenden Stromschienen vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung zwei miteinander verbundene oder zu verbindende Spangen, welche aus einem magnetischen Material gebildet sind, umfasst. Eine jeweilige Spange weist an ihren beiden Enden einen jeweiligen Verbindungsbereich zur Kontaktierung der jeweilig anderen Spange auf. Wenn die Spangen miteinander verbunden sind, weist ein mittlerer Bereich der jeweiligen Spange einen vorgegebenen Abstand zu dem mittleren Bereich der jeweilig anderen Spange auf. Eine jeweilige Spange ist dergestalt geformt, dass bei einer senkrecht zu und zwischen den parallel verlaufenden Stromschienen eingelegten jeweiligen Spange ein erster Teil der jeweiligen Spange unterhalb der einen der zwei Stromschienen und ein zweiter Teil der jeweiligen Spange oberhalb der anderen der zwei Stromschienen verläuft. Dadurch umschließt die Gesamtheit der Vorrichtung mittels der nach erfolgtem Einlegen miteinander verbundenen Spangen die beiden Stromschienen in Richtung des Stromschienenverlaufs in Form einer Acht. Senkrecht zum Stromschienenverlauf weisen jedoch die beiden Spangen in ihrem jeweilig mittleren Teil zueinander den vorgegebenen Abstand auf. Der Abstand dient zur Vermeidung von Streufluss aus der jeweiligen Spange durch die Luft in die jeweilig andere Spange.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf Stromschienen begrenzt, sondern kann an allen Arten stromführender Leiter, bspw. Kabel, welche parallel verlegt sind und Ströme unterschiedlicher Fließrichtung führen, angeordnet werden. An zwei mit jeweiligen Batteriepolen verbundenen stromführenden Stromschienen bzw. Leitern, erzeugt die erfindungsgemäße Vorrichtung damit eine gegengekoppelte Induktivität, ohne einen jeweiligen Strompfad selbst zu beeinflussen. Stattdessen wird ein magnetisches Feld bzw. ein magnetischer Fluss des einen stromführenden Leiters gegenläufig um den anderen Leiter geführt, so dass er dort magnetisch koppeln und bspw. eine Gegenspannung induzieren kann. Auf diese Weise führen Ströme, die in dieselbe Richtung fließen, wie bspw. ein von den Batteriemodulen erzeugter Laststrom, im magnetischen Material der Vorrichtung zu entgegengesetzten magnetischen Feldern und damit zu keinem magnetischen Nettofluss. Andererseits erzeugen in unterschiedlicher Richtung fließende Ströme, wie bspw. Ausgleichsströme zwischen den Energiespeichern der Batteriemodule, magnetische Felder, die sich aufaddieren und einen erhöhten magnetischen Fluss mit hoher Energie bewirken, welcher wiederum die ihm zugrundeliegenden Ströme dämpft.
  • Bei modularen Multilevelkonvertern oder rekonfigurierbaren Batterien mit Parallelverschaltungsoption, führen Schaltwechsel zwischen Parallel-Modus und einem anderen Modus, wie bspw. serieller oder Bypass-Modus zwischen Batteriemodulen, deren jeweilige Energiespeicher unterschiedliche Spannungen aufweisen, zu großen Ausgleichsströmen. Diese Problematik wird vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelöst, da diese lediglich für den Ausgleichsstrom eine Impedanz erzeugt und damit einen Stromausgleich dämpft, einen in beiden Stromschienen in die gleiche Richtung fließenden Laststrom jedoch nicht belastet. Damit werden im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen vorteilhaft Material, Bauraum, Kosten und ein Dynamikverlust im Laststrom eingespart.
  • Die erfindungsgemäße zweiteilige Gestaltung der Vorrichtung mit zwei Spangen ermöglicht zudem vorteilhaft eine Montage bei einer bereits zusammengefügten rekonfigurierbaren Batterie, in der die Stromschienen gegebenenfalls fest mit den jeweiligen Anschlüssen der jeweiligen Batteriemodule verbunden sind.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung führt auch vorteilhaft zur Unterdrückung einer Stromwelligkeit (engl. current ripple) bei der rekonfigurierbaren Batterie.
  • In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die beiden Spangen mittels Steckverbindung miteinander kontaktierbar, so dass der Verbindungsbereich einer jeweiligen Spange an ihrem einem Ende einen Steckstift und an ihrem anderen Ende eine Stecköffnung aufweist.
  • In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Verbindungsbereich einer jeweiligen Spange an ihrem einen Ende eine erste Kontaktfläche und an ihrem anderen Ende eine mit der ersten Kontaktfläche formschlüssig verbindbare zweite Kontaktfläche auf. Dabei ist eine Kontaktfläche mit möglichst großer Querschnittsfläche besonders vorteilhaft, um trotz eines Übergangs an den Kontaktflächen der beiden Spangen einen großen magnetischen Fluss ohne hohen magnetischen Widerstand von einer Spange zur anderen fließen zu lassen. Ein verbleibender (Luft-)Spalt oder Lufteinschlüsse innerhalb der jeweiligen Kontaktfläche sind zu vermeiden, da bspw. Luft um einen Faktor 100 bis über 1000 schlechter magnetisch leitfähig ist als magnetisches Material.
  • In einer fortgesetzt anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die beiden Spangen durch Verklebung der ersten mit der zweiten Kontaktfläche oder durch jeweilige Klammern um die jeweiligen Verbindungsbereiche oder durch mindestens einen beide Spangen umfassenden Rahmen fest miteinander verbunden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die beiden Spangen identisch geformt. Dabei sind sie gegeneinander verdreht miteinander verbindbar. Identisch geformte Spangen sind zudem Gleichteile, welche vorteilhaft kostengünstiger herzustellen sind.
  • In einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die jeweilige Spange außerhalb des jeweiligen Verbindungsbereichs eine isolierende Oberschicht auf. Dabei können auch Montagemöglichkeiten bedacht werden.
  • In einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die jeweilige Spange zwei entgegengesetzte Biegungen in Form eines Buchstabens „S“ oder nur eine Biegung in Form eines Buchstabens „J“ auf.
  • In einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das magnetische Material der Spangen aus Materialien mit hohen Permeabilitätszahlen gemäß folgender Liste gewählt: Ferrite, weichmagnetische Materialien (englisch als „soft magnetic composite“ bezeichnet und mit SMC abgekürzt), nanokristalline ferromagnetische Legierungen (bspw. Fe74CuNb3Si15B7), laminierte Stahlbleche. Möglich sind aber auch Materialien aus Eisen, Stahl, Siliziumstahl, gegebenenfalls geblecht.
  • Ferner wird ein Verfahren zur magnetischen Flusserzeugung bei einer rekonfigurierbaren Batterie mit mehreren Batteriemodulen beansprucht, wobei ein jeweiliges Batteriemodul mindestens einen elektrischen Anschluss, an welchen zwei Stromschienen zueinander parallel verlaufend herangeführt sind, aufweist. An einer Stelle der zwei Stromschienen, bspw. in möglichst nahe zu dem mindestens einen elektrischen Anschluss, wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet. Dadurch wird bei einem hohen in den jeweiligen Stromschienen entgegensetzt fließender Strom ein diesen Strom dämpfender magnetischer Fluss erzeugt.
  • Ferner wird eine rekonfigurierbare Batterie mit mehreren Batteriemodulen beansprucht, wobei mindestens ein Paar zu einem jeweiligen Anschluss eines jeweiligen Batteriemoduls herangeführter Stromschienen an einer jeweiligen Stelle eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
    • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer an Stromschienen angeordneten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • 3 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Verlauf eines magnetischen Flusses für die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Fixierung der Spangen mit Halterahmen in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • 5 zeigt in perspektivischer Ansicht fixierte Spangen mit zugehöriger Montagedarstellung in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • 6 zeigt in Aufsicht jeweilige Führungen eines magnetischen Flusses in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • 7 zeigt in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • 8 zeigt in perspektivischer Ansicht Kunststoffeinbettungen mit integrierter Isolierung und Befestigungsmöglichkeit der Stromschienen in einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • 9 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Anordnung der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Batteriemodulen einer rekonfigurierbaren Batterie.
    • 10 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Anordnung einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer rekonfigurierbaren Batterie.
  • In 1 wird eine perspektivische Ansicht 100 einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 gezeigt. Die beiden Spangen 111, 112 sind an ihrem jeweiligen Verbindungsbereich 101 miteinander verbunden, wobei eine großflächige Ausgestaltung von Vorteil ist. Gebildet werden die beiden Spangen 111, 112 aus einem magnetischen Material, welches bspw. ein Ferrit, ein weichmagnetisches Komposit, englisch als SMC abgekürzt, laminierte Stahlbleche, oder eine nanokristalline Legierung, wie bspw. Fe74CuNb3Si15B7, sein kann. Eine Kontaktierung kann durch eine Verklebung oder eine Umklammerung erfolgen. Ein mittlerer Bereich der jeweiligen Spange 111 weist zu dem mittleren Bereich der jeweilig anderen Spange 112 einen vorgegebenen Abstand 102 auf. Durch den Abstand wird vermieden, dass bei Induktion eines magnetischen Flusses in den Spangen 111, 112 ein Streufluss durch die Luft zwischen den Spangen übertragen wird und sich der magnetische Fluss sozusagen einen „Abkürzung“ sucht, anstatt die Spangen 111, 112 der Vorrichtung 110 in ihrem gesamten Verlauf zu durchströmen und erfindungsgemäß hohe Ausgleichsströme zu dämpfen. Eine Herstellung der beiden Spangen 111, 112 als identische Teile ist denkbar, wobei bei Montierung der Vorrichtung 110 eine erste Spange 111 gegen eine zweite Spange 112 um 180 Grad bei senkrecht zur gezeigten Darstellung verlaufenden Drehachse verdreht wird.
  • In 2 wird eine perspektivische Ansicht 200 einer an Stromschienen 203 angeordneten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 gezeigt. Beide Spangen der Vorrichtung 110 sind dergestalt geformt, dass bei einer senkrecht zu und zwischen den parallel verlaufenden Stromschienen eingelegten jeweiligen Spange ein erster Teil der jeweiligen Spange unterhalb der einen der zwei Stromschienen 203 und ein zweiter Teil der jeweiligen Spange oberhalb der anderen der zwei Stromschienen 203 verläuft. Dadurch umschließt die Gesamtheit der Vorrichtung 110 mittels der nach erfolgtem Einlegen miteinander verbundenen Spangen die beiden Stromschienen 203 in Richtung des Stromschienenverlaufs in Form einer Acht. Bei einer noch nicht erfolgten Montage der Stromschienen 203 an einen Anschluss eines Batteriemoduls können die beiden Spangen der Vorrichtung 110 in einem ersten Schritt miteinander verbunden werden und in einem zweiten Schritt auf die beiden Stromschienen 203 aufgesteckt werden. Auch ist eine Herstellung als einteilige Vorrichtung denkbar.
  • In 3 wird in perspektivischer Ansicht 300 ein Verlauf eines magnetischen Flusses 304 für eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der beide Spangen 111, 112 der Vorrichtung identisch ausgestaltet sind. Zur Verdeutlichung des Verlaufs des magnetischen Flusses 304 sind die erste Spange 111 und die zur ersten Spange 111 identische, aber um 180 Grad gedrehte zweite Spange 112 getrennt voneinander mit offenen Kontaktflächen 301 dargestellt, wobei sie zur Bildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Richtung der Pfeile 305 zusammengebaut sind. Nur in diesem Zusammenbau - und bei der in 2 gezeigten Anordnung an Stromschienen bei gleichzeitig in beiden Stromschienen jeweilig entgegengesetzt fließendem Strom - ergibt sich der gezeigte magnetische Flussverlauf 304. Eine Flussführung entlang der vorrangig länglichen, aber Biegungen aufweisende Ausbildung der Spangen 111, 112 ist dabei dergestalt ausgeprägt, dass der magnetische Fluss unter der einen Stromschiene durchgeführt wird und dann über die andere Stromschiene geleitet wird. Die Kontaktflächen 301 werden vorteilhaft mit einem größeren Querschnitt als im sonstigen Verlauf der jeweiligen Spange 111, 112 gebildet, um einen Übergang des magnetischen Flusses zwischen den beiden Spangen 111, 112 zu erleichtern.
  • 4 zeigt in perspektivischer Ansicht 400 eine Fixierung der Spangen mit einem Halterahmen 406 in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110. Um die beiden die Vorrichtung 110 bildenden Spangen zusammenzuhalten, werden jeweilig von oben und unten in Montagerichtung 405 ein jeweiliger Halterahmen 406 bis zur jeweiligen Fixierungsposition 407 geschoben. Die jeweiligen Fixierungspositionen 407 sind dergestalt gewählt, dass ein dorthin geschobener Halterahmen 406 keine durch die Formung der Spangen gebildete Öffnung zur Aufnahme jeweiliger Stromschienen oder Leiter beeinträchtigt ist.
  • In 5 werden in perspektivischer Ansicht fixierte Spangen 510 mit zugehöriger Montagedarstellung 520 in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 gezeigt. Die beiden Spangen 111, 112 der Vorrichtung 110 werden durch Fixierungsklammern 506 fest an ihren Verbindungsbereichen miteinander verbunden. Die Montagedarstellung 520 zeigt ein Verbinden der beiden Spangen 111, 112 in Montagerichtung 505, nachdem eine jeweilige Spange 111, 112 erfindungsgemäß zwischen die beiden gegebenenfalls fest mit Batteriemodulen verbundenen Stromschienen 203, welche auch zwei Leiterkabel sein können, eingefädelt wurde. Zusammengefügt werden die beiden Spangen 111, 112 mit Hilfe von Fixierungsklammern 506 fest verbunden. Eine solche Fixierungsklammer 506 ist bspw. durch ein Blechbiegeteil gebildet und weist federnde Eigenschaften auf.
  • In 6 werden in Aufsicht jeweilige Führungen eines magnetischen Flusses in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 610, 630, sowie in einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung 620 gezeigt. In der Aufsicht zur Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 610 wird der im mittleren Bereich der beiden Spangen 111, 112 ausreichend vorgesehene Abstand 102 gezeigt, welcher einen magnetischen Streufluss verhindert, so dass der magnetische Fluss komplett durch die beiden Spangen 111, 112 geführt wird und keine „Abkürzung“ nimmt. Würden, wie bei der nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung 620 gezeigt, die beiden Spangen näher geführt und nur noch einen schmalen Luftspalt 622 aufweisen, so könnten Pfade des magnetischen Flussverlaufs 624 durch die Luft für einen Teil des magnetischen Flusses energetisch vorteilhaft werden. Dieser magnetische Flussteil würde aber nachteilig nur eine der beiden Stromschienen 203 umfließen und damit keine elektromagnetische Kopplung zwischen beiden Stromschienen 203 herstellen. Nur ein durch den Abstand 632 ausreichend beabstandeter Mittelbereich der jeweiligen Spangen der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 630 gewährleistet die vorteilhafte Führung des magnetischen Flusses, welche beide Stromschienen 203 elektromagnetisch koppelt und bei gegenläufigen Strömen diese Ströme dämpft.
  • In 7 wird in perspektivischer Ansicht 700 eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Beide Spangen 711 der anderen Ausgestaltung sind identisch und in Form des Buchstabens „J“ ausgebildet, und weisen an einem Ende einen Steckstift 709 und am anderen Ende eine Stecköffnung 708 auf. Die Spangen 711 der anders ausgestalteten Vorrichtung sind bspw. mit einem magnetischen Material gebildet, welches zusätzlich mit einem Kunststoff ummantelt wird. Eine Toleranz im Kunststoff der Ummantelung bewirkt eine Arretierung der Steckverbindung.
  • In 8 werden in perspektivischer Ansicht 810, 820 eine erste Kunststoffeinbettung 816 und eine zweite Kunststoffeinbettung 826 einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Platzsparende Multilayer-Busbars 803 sind mit den zu dem Anschluss an ein Batteriemodul laufenden Stromschienen 203 verbunden. In Ansicht 810 werden sowohl ein Bereich um die Verbindung zwischen den Multilayer-Busbars 803 und den Stromschienen 203 wie auch die dort an den Stromschienen 203 angeordnete Vorrichtung in einem Kunststoff eingebettet 816, bspw. mittels eines Kunststoffspritzgusses. Aus der ersten Kunststoffeinbettung 816 hervorragend ist nur ein Teil der jeweiligen Spangen 811 der weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung zu sehen. In Ansicht 820 findet die zweite Kunststoffeinbettung von Spangen 826 der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Stromschienen 203 noch vor der Verbindung zu den Multlayer-Busbars 803 statt. Durch die Einbettung der Spangen 811 und der Stromschienen 203 in Ansicht 820, sowie zusätzlich eines Teils der Multlayer-Busbars 803 in Ansicht 810 mittels des Kunststoffspritzgusses kann vorteilhaft eine Fixierung der umschlossenen Bauteile erfolgen. Denkbar ist im Produktionsprozess für die Multilayer-Busbars bereits die Einbettung der Spangen samt Kunststoffspritzguss zu implementieren.
  • In 9 wird in perspektivischer Ansicht 900 eine Anordnung der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 an zwei Batteriemodulen 910 einer rekonfigurierbaren Batterie gezeigt. Ein jeweiliges Batteriemodul 910 weist zwei Anschlüsse auf, an die jeweilig Stromschienen 203 fest verbunden sind. Erfindungsgemäß werden die Spangen der Vorrichtung 110 zwischen den Stromschienen 203 eingefädelt und, wie in der Figur gezeigt, zur Vorrichtung 110 verbunden. Ein Lösen der Stromschienen 203 von den jeweiligen Anschlüssen der Batteriemodule 910 ist vorteilhaft nicht notwendig. Es ist denkbar, die Vorrichtung 110 mit zusammengefügten Spangen auch vor Verbinden der Stromschienen 203 mit den Anschlüssen der Batteriemodule 910 auf die Stromschienen 203 zu stecken.
  • In 10 wird in perspektivischer Ansicht eine Anordnung einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1010 in einer rekonfigurierbaren Batterie 1011 gezeigt. Die Vorrichtung 1010 ist erfindungsgemäß an den mit jeweiligen Batteriemodulen 910 verbundenen Stromschienen 203 angeordnet und bspw. mittels Kunststoffspritzguss fixiert. Die rekonfigurierbare Batterie 1011 ist als eine Traktionsbatterie zur Lastversorgung einer elektrischen Maschine 1003 als Traktionsmaschine bspw. eines Elektrofahrzeuges eingesetzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Perspektivische Ansicht
    101
    Verbindungsbereich
    102
    Abstand
    110
    Vorrichtung
    111
    Erste Spange
    112
    Zweite Spange
    200
    Perspektivische Ansicht der Vorrichtung an Stromschienen
    203
    Stromschienen
    300
    Darstellung magnetischer Flussverlauf
    301
    Kontaktfläche
    304
    Magnetischer Flussverlauf
    305
    Montagerichtung
    400
    Fixierung mit Halterahmen
    405
    Montagerichtung
    406
    Halterahmen
    407
    Fixierungsposition
    505
    Montagerichtung
    506
    Fixierungsklammer
    510
    Fixiertes Bauteil
    520
    Montagedarstellung
    610
    Aufsicht auf Vorrichtung
    620
    Aufsicht auf Vorrichtung mit zu geringem Luftspalt
    622
    Zu geringer Luftspalt
    624
    Magnetischer Flussverlauf
    630
    Aufsicht auf Vorrichtung mit ausreichendem Luftspalt
    632
    Breiter Abstand mit ausreichender Isolation
    700
    Perspektivische Ansicht einer anderen Ausgestaltung der Vorrichtung
    708
    Stecköffnung
    709
    Steckstift
    711
    Andere Ausgestaltung einer Spange
    803
    Multlayer-Busbars
    810
    Perspektivische Ansicht in erster Ausgestaltung mit Kunststoffeinbettung
    811
    Weitere Ausgestaltung einer Spange
    816
    Erste Kunststoffeinbettung
    820
    Perspektivische Ansicht in zweiter Ausgestaltung mit Kunststoffeinbettung
    826
    Zweite Kunststoffeinbettung
    900
    Perspektivische Ansicht einer Anordnung der Vorrichtung
    910
    Batteriemodul
    1000
    Perspektivische Ansicht einer rekonfigurierbaren Batterie
    1003
    Traktionsmotor
    1010
    Noch weitere Ausgestaltung der Vorrichtung
    1011
    Rekonfigurierbare Batterie

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur magnetischen Flusserzeugung an zwei parallel verlaufenden Stromschienen, wobei die Vorrichtung (110, 700, 1010) zwei miteinander verbundene oder zu verbindende Spangen (111, 112, 711, 811), welche aus einem magnetischen Material gebildet sind, umfasst, wobei eine jeweilige Spange (111, 112, 711, 811) an ihren beiden Enden einen jeweiligen Verbindungsbereich (101) zur Kontaktierung der jeweilig anderen Spange (111, 112, 711, 811) aufweist und, wenn die Spangen (111, 112, 711, 811) miteinander verbunden sind, ein mittlerer Bereich der jeweiligen Spange (111, 112, 711, 811) einen vorgegebenen Abstand (102, 632) zu dem mittleren Bereich der jeweilig anderen Spange (111,112, 711, 811) aufweist, wobei eine jeweilige Spange (111, 112, 711, 811) dergestalt geformt ist, dass bei einer senkrecht zu und zwischen den parallel verlaufenden Stromschienen (203) eingelegten jeweiligen Spange (111, 112, 711, 811) ein erster Teil der jeweiligen Spange (111, 112, 711, 811) unterhalb der einen der zwei Stromschienen (203) und ein zweiter Teil der jeweiligen Spange (111, 112, 711, 811) oberhalb der anderen der zwei Stromschienen (203) verläuft, wodurch die Gesamtheit der Vorrichtung (110, 700, 1010) mittels der nach erfolgtem Einlegen miteinander verbundenen Spangen (111, 112, 711, 811) die beiden Stromschienen (203) in Richtung des Stromschienenverlaufs in Form einer Acht umschließt, senkrecht zum Stromschienenverlauf jedoch die beiden Spangen (111, 112, 711, 811) in ihrem jeweilig mittleren Teil zueinander den vorgegebenen Abstand (102, 632) aufweisen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die beiden Spangen (711) mittels Steckverbindung miteinander kontaktierbar sind, so dass der Verbindungsbereich (101) einer jeweiligen Spange (711) an ihrem einem Ende einen Steckstift (709) und an ihrem anderen Ende eine Stecköffnung (708) aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsbereich (101) einer jeweiligen Spange (111, 112) an ihrem einen Ende eine erste Kontaktfläche (301) und an ihrem anderen Ende eine mit der ersten Kontaktfläche (301) formschlüssig verbindbare zweite Kontaktfläche (301) aufweist
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die beiden Spangen (111) durch Verklebung oder durch jeweilige Klammern (506) um die jeweiligen Verbindungsbereiche (101) oder durch mindestens einen beide Spangen (111, 112) umfassenden Rahmen (406) fest miteinander verbunden sind.
  5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die beiden Spangen (111, 112, 711, 811) identisch geformt sind und wobei sie gegeneinander verdreht miteinander verbindbar sind.
  6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Spange (111, 112, 711, 811) außerhalb des jeweiligen Verbindungsbereichs (101) eine isolierende Oberschicht aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Spange (111, 112) zwei entgegengesetzte Biegungen in Form eines Buchstabens „S“ oder die jeweilige Spange (711) nur eine Biegung in Form eines Buchstabens „J“ aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das magnetische Material der Spangen (111, 112, 711, 811) aus Materialien mit hohen Permeabilitätszahlen gemäß folgender Liste gewählt ist: Ferrite, weichmagnetische Materialien, nanokristalline ferromagnetische Legierungen, laminierte Stahlbleche.
  9. Verfahren zur magnetischen Flusserzeugung bei einer rekonfigurierbaren Batterie (1011) mit mehreren Batteriemodulen (910), wobei ein jeweiliges Batteriemodul (910) mindestens einen elektrischen Anschluss, an welchen zwei Stromschienen (203) zueinander parallel verlaufend herangeführt sind, aufweist, wobei an einer Stelle der zwei Stromschienen (203) eine Vorrichtung (110, 700, 1010) nach einem Ansprüche 1 bis 8 angeordnet wird, wodurch bei einem hohen in den jeweiligen Stromschienen (203) entgegensetzt fließender Strom ein diesen Strom dämpfender magnetischer Fluss (304, 624) erzeugt wird.
  10. Rekonfigurierbare Batterie mit mehreren Batteriemodulen, wobei mindestens ein Paar zu einem jeweiligen Anschluss eines jeweiligen Batteriemoduls (910) herangeführte Stromschienen (203) an einer jeweiligen Stelle eine Vorrichtung (110, 700, 1010) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
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DE102018215576A1 (de) 2018-09-13 2020-03-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Stromkompensierte Drossel, Filter, Hochvoltbordnetz sowie Kraftfahrzeug

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