DE102022202261A1

DE102022202261A1 - Batteriezellverband, insbesondere Batteriemodul

Info

Publication number: DE102022202261A1
Application number: DE102022202261.0A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-03-07
Filing date: 2022-03-07
Publication date: 2023-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Batteriezellverband, insbesondere Batteriemodul, mit in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelten Batteriezellen (1), die in Stapelquerrichtung abragende Zellableiter (A, K) aufweisen, die mittels Stromschienen (11) eines Busbarsystems (3, 4) nach einem vorgegebenen Verschaltungsschema (z. B. 3P4S) miteinander elektrisch verschaltbar sind. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Zellableiter (A, K) über ein leitfähiges Polymer (15) mit einer Stromschiene (11) elektrisch verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Batteriezellverband, insbesondere Batteriemodul, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder nach dem Oberbegriff des Anspruche 13.
Im Stand der Technik sind die anodenseitigen und kathodenseitigen Zellableiter der Batteriezellen mit Busbars verschweißt wird. Mit Hilfe der Busbars werden die Batteriezellen in dem Batteriezellverband in einem bestimmten Verschaltungsschema in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander elektrisch verschaltet. Die Busbar ist meist als ein Hybridbauteil ausgebildet, bestehend aus Kunststoff und zumindest einem Metallteil, das die Stromschiene bildet. Beim Zusammenbau des Zellverbands erfolgt zunächst ein Steckprozess, in dem die Zellableiter der Batteriezellen in Aufnahmeschlitze der Stromschienen gesteckt werden. Anschließend erfolgt ein Laserschweißprozess, in dem die Zellableiter mit den Stromschienen verschweißt werden. Nach dem Verschweißen des Metallteils (d.h. Stromschiene) mit dem jeweiligen Zellableiter sind die Zellen im Batteriezellverband in der gewünschten Parallel- und Reihenschaltung verschaltet.
Das Laserschweißen hat den Nachteil, dass es Verbrennungen, Poren und ungeschweißte Bereiche erzeugt. Die derzeitige Stromschiene besteht aus einem Metallblock aus einer Nickel-Zinn-Legierung, der auf einem Kunststoffsockel befestigt ist. Dieser Ni-Tin-Metallblock hat Schlitze, in die der Zellableiter geschweißt wird. Unten ist eine 3P4S-Sammelschiene abgebildet.
Im Stand der Technik werden die Zellableiter jeweils in einen Aufnahmeschlitz einer Stromschiene der Busbar eingesteckt und mit dem Rand des Aufnahmeschlitzes verschweißt. Das bedeutet, dass der Verbindungsbereich für die Stromübertragung einen geringen Materialquerschnitt aufweist. Der Verbindungsbereich neigt daher dazu, bei hoher Ladegeschwindigkeit sehr heiß zu werden.
Zudem ist das Laserschweißen aus folgenden Gründen problematisch: Obwohl das Laserschweißen unter Schutzatmosphäre erfolgt, bilden sich Oxide auf der Schweißnaht. Dies verringert die elektrische Leitfähigkeit. Beim Laserschweißen entsteht Gas, das die Online-Prüfung der Schweißnaht durch eine Sichtkamera verringert. Beim Laserschweißen entsteht eine Wärmeeinflusszone nicht nur in der Nähe der Schweißnaht, sondern auch in dem Kunststoffteil, das die Metallplatte hält. Die Porosität der Laserschweißnaht kann die Laserschweißung während der Vibrationsprüfung unterbrechen. Das bedeutet, dass keine Stromübertragung im Modul stattfindet. Die Schlitze in der Metallplatte sind sehr schmal. Manchmal verbiegt sich der Zellableiter beim Eintritt in den Schlitz oder wird beschädigt. Normalerweise wird sich die Zelle während des Betriebs ausdehnen und zusammenziehen. Man braucht eine Art Puffer zwischen dem Zellableiter und der Metallplatte der Stromschiene, um dieser Vibration und Bewegung der Zunge entgegenzuwirken. Zurzeit gibt es keinen solchen Puffer. Kurz gesagt, die meisten Fehler im Modul sind hauptsächlich auf das Laserschweißen der Stromschiene mit dem Zellableiter zurückzuführen.
Zudem besteht beim Laden und Entladen die folgende Problematik: Beim Laden und Entladen fließt Strom durch die jeweiligen Zellableiter. Diese Bereiche werden am stärksten erhitzt. Die Kühlung der Zelle findet oben oder unten statt. Es kommt zu einer Verzögerung bei der Kühlung des Zellableiters. Das bedeutet, dass überschüssige Wärme den Zellableiter beschädigen kann. Beim Schnellladen mit 3C kann man sehen, dass sich bei 250 Sekunden mehr Temperatur an den Zellableitern aufbaut. Diese Temperatur wird mit der Zeit weiter ansteigen, da die Abkühlung im Bereich der Zellableiter am langsamsten ist. Es wäre gut, wenn man diese Zellableiter von der Stromschiene trennen könnte, sobald die Temperatur die kritische Temperatur erreicht hat. Zurzeit ist dies nicht möglich.
Aus der DE 10 2018 107 321 A1 und aus der DE 10 2017 112 999 A1 sind elektrische Zwischenverbindungen für Batteriezellen bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Batteriezellverband bereitzustellen, bei dem die elektrische Kontaktierung zwischen einem Zellableiter und einem Busbarsystem im Vergleich zum Stand der Technik betriebssicherer gestaltet werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 13 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Batteriezellverband, insbesondere Batteriemodul, aus, der in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelte Batteriezellen aufweist, von denen in Stapelquerrichtung Zellableiter abragen. Die Zellableiter der Batteriezellen sind mit Hilfe von Stromschienen eines Busbarsystems nach einem vorgegebenen Verschaltungsschema miteinander elektrisch verschaltet. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 sind der jeweilige Zellableiter und die Stromschiene nicht über eine Schweißverbindung miteinander elektrisch verbunden, sondern vielmehr über ein leitfähiges Polymer.
Erfindungsgemäß wird die Stromschiene mit dem Zellableiter ohne Schweißen verbunden. Der Verbindungsprozess erfolgt durch das Einfüllen von leitfähigem Polymer zwischen den metallischen Anschlüssen des Zellableiters und der Stromschiene. Auf diese Weise hat man Volumenkontakt zwischen Zellableiter und Stromschiene. Der Zellableiter wird zunächst in die Stromschienen eingesetzt und dann festgeklemmt. Diese Klemmung kann durch Klemmeinrichtungen oder durch eine Feder erfolgen. Dann wird leitfähiges Polymer in die Stromschiene gepumpt und unter Druck erstarren gelassen. Das ausgewählte leitfähige Polymer kann einen Schmelzpunkt um 60°C aufweisen. Das heißt, wenn die Temperatur darüber hinaus steigt, schmilzt das leitfähige Polymer und löst sich von der Stromschiene. Dadurch wird die elektrische Verbindung zwischen Stromschiene und Zellableiter dauerhaft unterbrochen und die Zelle geschützt.
Es gibt zwei weitere Möglichkeiten: Das leitfähige Polymer wird in einen Teil der Stromschiene gefüllt und darf dort erstarren. In dem anderen Teil zirkuliert die wärmeübertragende Kühlflüssigkeit. Auf diese Weise werden Stromschiene und Zellableiter durch aktive Kühlung mittels Flüssigkeitsstrom gekühlt. Bei der anderen Option wird das leitfähige Polymer in flüssiger Form mittels einer Pumpe in der Stromschiene umgewälzt. Das bedeutet, dass das leitfähige Polymer nicht erstarrt, sondern immer in flüssiger Form als leitfähiges, niedrig schmelzendes Flüssigpolymer verwendet wird.
In einer Ausführungsform kann der Busbar ein Hybridbauteil mit einem Kunststoffkörper sein, in dem teilweise eine elektrisch leitende Metallplatte aus einer Kupfer-Nickel-Legierung (nachfolgend als Stromschiene bezeichnet) eingebettet ist. Diese ist fest mit dem Kunststoffkörper verbunden. Die leitende Nickel-Kupfer-Platte steht in der Anfangsphase nicht in direktem Kontakt mit dem Zellableiter. Zwischen ihnen ist Platz, so dass der Zellableiter leicht in die Stromschienenbaugruppe eingefügt werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich der Zellableiter verbiegt. Da in der Anfangsphase zwischen dem Zellableiter und der leitenden Metallplatte der Sammelschiene ein Zwischenraum besteht, fließt kein Strom. Der erfindungsgemäße Busbar kann ein weiteres bewegliches Kunststoffteil (nachfolgend als Schließelement bezeichnet), das ebenfalls im Kunststoffkörper befestigt ist. Der einzige Unterschied besteht darin, dass dieses Kunststoffteil hubverstellbar ist. In der Anfangsphase ist dieses bewegliche Kunststoffteil verriegelt, da sich eine Verriegelung zwischen dem beweglichen Kunststoffteil und dem Kunststoffkörper befindet. In diesem verriegelten Zustand wird der bewegliche Kunststoffkörper von einer Druckfeder gedrückt. Das bedeutet, dass der bewegliche Kunststoffkörper stets einen Druck von der Feder erhält. Das bewegliche Kunststoffteil kann jedoch nicht gleiten, da es durch das Riegelteil verriegelt ist. Das bewegliche Kunststoffteil und die Feder bestehen beide aus nicht leitendem Kunststoff. In der Anfangsphase des Einsetzens besteht ein ausreichender Spalt zwischen dem Zellableiter, der leitenden Platte und dem beweglichen Kunststoffteil. Dies bedeutet, dass die Zellableiter leicht in den Spalt zwischen der Nickel-Kupfer-Leiterplatte und dem beweglichen Kunststoffteil eingeführt werden kann. Im Inneren des Kunststoffgehäuses befindet sich ein Sicherungsstift. Dieser ist auf einer zusammengedrückten Feder platziert. Dieser Stift ist hubverstellbar im Kunststoffkörper gelagert. In der neuen Stromschienenanordnung kann der Zellableiter leicht in den viel größeren Spalt zwischen der leitfähigen Nickel-Kupfer-Platte und dem beweglichen Kunststoffteil eingesetzt werden.
Nachdem der Zellableiter in den Spalt eingeführt wurde, wird die Sperre entfernt. Diese Verriegelung kann auf verschiedene Weise entfernt werden, z. B. durch Luftdruck oder durch Ziehen mit mechanischer Kraft. Sobald die Verriegelung entfernt ist, dehnt sich die Feder aus und drückt das bewegliche Kunststoffteil in Richtung Kunststoffkörper.
Der Zellableiter wird durch das bewegliche Kunststoffteil (d.h. Schließelement) leicht gebogen und dann gegen den festen Kunststoffkörper gedrückt. Auf diese Weise wird der Zellableiter mechanisch auf den Kunststoffkörper gedrückt. Die Feder drückt den Zellableiter stets in Richtung Kunststoffkörper. Die Feder übt eine Klemmkraft aus, so dass der Spalt zwischen Zellableiter und Stromschienengehäuse geschlossen ist und keine Flüssigkeit austreten kann. Wie bereits erwähnt, war der Spalt zwischen Zellableiter und Sammelschienengehäuse notwendig, um den Zellableiter leicht in die Sammelschiene einführen zu können. Dieser Spalt wird nun durch die Klemmkraft der Feder geschlossen.
Der Verriegelungsstift wird durch die Feder gespreizt, und dieser Verriegelungsstift nimmt denselben Schlitz ein, der von der Verriegelung besetzt war. Auf diese Weise wird die bewegliche Kunststoffplatte verriegelt und kann sich nicht durch Vibration aus dem Kontakt mit dem Kunststoffkörper lösen. Auf diese Weise klemmt der bewegliche Kunststoffkörper nicht nur den Zellableiter gegen den Kunststoffkörper, sondern sorgt auch für eine kontinuierliche Klemmkraft während der Flüssigkeitseinspritzung. Der Zellableiter wird durch die Verriegelung in seiner Position arretiert. Wichtig ist, dass die Verriegelung und die Federn aus hochfestem Kunststoff bestehen, der auch bei etwa 100°C nicht erweicht.
Niedrigschmelzendes leitfähiges Polymer oder Elastomer oder Wachs wird im geschmolzenen Zustand (ca. 70°C) in die Busbar eingespritzt. Da die Stromschiene durch das Schließelement versiegelt ist, füllt das flüssige Polymer den leeren Raum innerhalb der Stromschiene. Das Polymer füllt auch den Spalt zwischen Zellableiter und metallischem Leiter der Stromschiene aus. Die Flüssigkeit wird unter Druck (etwa 1,5 bis 2 bar) eingespritzt und dieser Druck wird durch eine Pumpe konstant gehalten. Nun beginnt die Flüssigkeit zu erstarren, und um die Schrumpfung während der Erstarrung zu kompensieren, wird die Flüssigkeit ständig unter Druck gehalten. Sobald sich das leitende Polymer verfestigt hat, füllt es den Spalt zwischen Zellableiter und metallischem Leiter und schließt den Stromkreis. Der Strom kann zwischen dem metallischen Leiter und dem Zellableiter über das leitende Polymer fließen. Das leitfähige Polymer umgibt den Zellableiter vollständig, so dass die Stromübertragung über das gesamte Volumen des Zellableiters erfolgt und nicht nur über eine kleine Linie wie beim Laserschweißen.
Wenn nun die Temperatur des Zellableiters auf mehr als 60°C ansteigt, schmilzt das feste leitende Polymer und wird wieder flüssig. Diese Flüssigkeit wird wieder aus dem Einspritzbereich freigesetzt und im Reservoir gesammelt. Zwischen Zellableiter und metallischer Leiterplatte ist nun kein leitendes Polymer mehr vorhanden. Das heißt, der Stromkreis ist offen und es kann kein Strom zwischen Zellableiter und metallischer Leiterplatte in der Stromschiene fließen. Das bedeutet, dass das Modul stillgelegt ist und weder geladen noch entladen werden kann. Um sicherzustellen, dass das flüssige Polymer nur aus dem Einspritzbereich austritt, übt die Klemme mit dem beweglichen Kunststoffteil durch die Feder weiterhin einen Klemmdruck aus. Das bewegliche Kunststoffteil wird außerdem durch das Schloss (d.h. Sicherungsteil) und die Feder in seiner Position arretiert. Das bedeutet, dass im Inneren des Moduls in Richtung des Zellableiters keine Flüssigkeit austreten kann. Die Flüssigkeit kann nur an der Stelle austreten, an der sie eingespritzt wurde. Auf diese Weise werden die Zellen vor Verunreinigungen durch das leitende Polymer geschützt. Das Modul, in dem sich Flüssigkeit befunden hat, ist normalerweise stillgelegt. Dieses Modul kann herausgenommen werden und dann kann wieder Flüssigkeit in die Stromschiene gepumpt werden. Es wird in Betrieb genommen. Es kann eine Pumpe im Batteriesystem vorhanden sein, die leitende Polymerflüssigkeit zurück in das Modul pumpen kann, um es in Betrieb zu nehmen. Das leitende Polymer wirkt wie ein Sicherheitsmechanismus. Die Temperatur der Stromschiene und des Zellableiters kann nicht über den Schmelzpunkt des leitenden Polymers ansteigen. Bei einer zweiten Option ist es auch möglich, dass sich das leitende Polymer ständig im flüssigen Zustand befindet. Das heißt, es verfestigt sich nicht. Die Flüssigkeit wird mit einer Pumpe in die Stromschiene gepumpt und verbleibt dann unter Druck in der Stromschiene.
Sobald die Temperatur in der Busbar ansteigt, lässt die Pumpe die leitende Polymerflüssigkeit zirkulieren, so dass kühlere Flüssigkeit die heiße Flüssigkeit ersetzt und die Stromschiene auf diese Weise gekühlt wird. Die leitende Flüssigkeit hält den elektrischen Kontakt zwischen Zellableiter und Metallleiter aufrecht. Außerdem trägt sie dazu bei, die Wärme von der Stromschiene und vom Zellableiter während schneller Lade- und Entladevorgänge abzuführen. Dasselbe Prinzip kann auch für die Leitung von Flüssigpolymeren verwendet werden. Hier gibt es ein Pumpen- und Ventilsystem, das den Druck auf die leitende Flüssigkeit in der Stromschiene aufrechterhält und die leitende Flüssigkeit zirkulieren lässt, sobald die Temperatur in der Stromschiene die kritische Temperatur von ca. 60°C erreicht.
Bei einer dritten Option verfügt die Busbar über zwei getrennte Innenkammern. In die erste Kammer wird ein leitfähiges Polymer in flüssigem Zustand gefüllt, das sich verfestigt, um die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Zellableiter und der leitenden Metallplatte der Stromschiene herzustellen. Dies funktioniert genauso wie bei der ersten Option. Das Kühlmittel kommt nicht mit dem leitfähigen Polymer in Berührung, da es durch eine separate Kammer fließt. Dennoch wird es die Wärme schneller von der Stromschiene und dem Zellableiter ableiten. Es kann das gleiche Kühlmittel verwendet werden, das auch für die Kühlung der Module von unten auf der Systemebene verwendet wird.
Handelt es sich bei dem Kühlmittel um ein Polymer, Wachs oder Elastomer in geschmolzenem Zustand, wie vorstehend als zweite Option erläutert, ist keine separate Kammer erforderlich. Dies bedeutet, dass sich sowohl das Kühlmittel als auch das leitfähige Polymer in geschmolzenem Zustand befinden, wie bereits erläutert. Sowohl das Kühlmittel als auch das leitfähige Polymer können aus demselben niedrigschmelzenden Polymer oder aus einem anderen Material bestehen. Das Kühlmittel kann weniger viskos sein und muss nicht elektrisch leitfähig sein, während das leitfähige Polymer zähflüssiger sein kann und durch die Verwendung von Kohlenstofffüllstoffen leitfähig sein muss. Es ist wichtig, dass das Kühlmittel innerhalb der Stromschiene mit Hilfe von Pumpen und Ventilen zirkuliert und auf der Grundlage eines Signals vom Batteriemanagementsystem betrieben wird. Sobald die Temperatur im Inneren der Stromschiene die zulässigen Werte überschreitet, wird das Kühlmittel umgewälzt und die Wärme abgeführt.
Eine separate Kammer für die Kühlflüssigkeit besteht aus nicht leitendem Kunststoff, der dennoch ein Wärmeleiter ist. Auf diese Weise wird die Wärme abgeleitet, aber der elektrische Strom fließt nicht zum Kühlmittel. Wenn das Kühlmittel isolierend ist, ist ein separates Fach nicht erforderlich.
Die Hauptunterschiede zwischen dem derzeitigen Konzept und dem Stand der Technik sind die folgenden: Zwischen dem Zellableiter und der Ni-Cu-Leiterplatte gibt es keine Schweißung. Der Zellableiter ist nicht in den kleinen Spalt in der Stromschiene eingesetzt. Es gibt einen großen Spaltabstand zwischen dem Zellableiter und der Stromschiene. Der Zellableiter ist über ein leitendes Polymer mit der leitenden Platte in der Stromschiene verbunden. Das bewegliche Kunststoffteil kann sich horizontal bewegen, um eine Klemmkraft auszuüben und den Spalt abzudichten, so dass die eingespritzte Flüssigkeit nicht aus der Stromschiene entweichen kann. Der Zellableiter ist nicht durch Laserschweißen mit der Stromschienenleiterplatte verbunden. Die Klemme oder das bewegliche Kunststoffteil ist im Ausgangszustand durch ein Schloss verriegelt, das entweder durch mechanischen Druck oder durch Druckluft entfernt werden kann. Die Kontaktfläche zwischen dem Zellableiter und der Stromschiene kann durch eine Beschichtung mit einem Edelmetall wie Gold leitfähiger gemacht werden. Auf diese Weise kann die Oxidation an der Kontaktfläche verringert werden. Bei dieser Methode können sowohl Anoden- als auch Kathodenzellableiter über das Volumen an die Stromschienenleitplatte angeschlossen werden. Anstelle der mechanischen Spiralfeder können auch Gummi- oder Elastomerfedern verwendet werden.
Bei diesem Verfahren entsteht keine Wärme und somit auch keine Verformung der Zellableiter durch Hitze und auch keine Fehler beim Schweißen. Der Hauptzweck des beweglichen Kunststoffteils besteht darin, die Klemmfunktion für die flüssigkeitsdichte Stromschiene zu gewährleisten. Die Flüssigkeit wird in flüssiger Form eingespritzt, indem sie geschmolzen wird. Sie verfestigt sich und füllt alle Lücken in der Stromschiene und dient auch als elektrischer Kontakt zwischen Zellableiter und Stromschiene. Die Flüssigkeit wird durch die Verwendung von Kohlenstofffasern im Inneren des Polymers leitfähig gemacht. Hier werden niedrig schmelzende (ca. 60°C) Polymere, Elastomere oder Wachse bevorzugt. Wenn die Stromschiene schmilzt, kann die Flüssigkeit austreten und der Stromkreis wird geöffnet, so dass kein Strom fließt. Dies bietet einen Sicherheitsmechanismus gegen Überhitzung. Es ist zudem möglich, eine leitende Flüssigkeit zu verwenden, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Diese leitende Flüssigkeit wird zirkuliert, wenn sie erhitzt wird. Die leitende Flüssigkeit hält den elektrischen Kontakt zwischen dem Zellableiter und dem metallischen Leiter aufrecht. Sie wird mit einer externen Pumpe umgewälzt. Die Flüssigkeit wird im Inneren der Stromschiene durch die Pumpe unter Druck gehalten. Hier kann man eine wässrige, freie elektrische Flüssigkeit verwenden, die inert gegenüber dem Metall ist und einen hohen Siedepunkt hat. Leitende Flüssigkeit wird durch die Verwendung von Salz in einem Lösungsmittel hergestellt, das leicht ionisiert werden kann und einen elektrischen Fluss ermöglicht. Es ist auch möglich, eine Kombination aus leitendem festem Polymer und Kühlflüssigkeit zu verwenden. Die Kühlflüssigkeit wird im Inneren des Moduls zirkulieren, um es während der schnellen Auf- und Entladung zu kühlen. Das leitende feste Polymer stellt den elektrischen Kontakt zwischen dem Zellableiter und der leitenden Platte der Stromschiene her. Der leitende Feststoff wird, wie bereits erläutert, in flüssiger Form in die Stromschiene eingespritzt und verfestigt sich dann dort.
Erfindungsgemäß fließt der Strom über den Volumenkontakt, so dass mehr Strom durch die Stromschiene geleitet werden kann. Die durch den Stromfluss entstehende Wärme kann durch den Volumenkontakt schnell abgeleitet werden. Es liegt daher keine Linienschweißung des Zellableiters mit der Stromschiene vor.
Die vorliegende Idee ermöglicht eine schnellere elektrische Ladungsübertragung zwischen dem Zellableiter und der Stromschiene, da die elektrische Ladung über das Volumen und nicht über die Leitung übertragen wird. Die Stromschiene und der Zellableiter werden entweder durch die Zirkulation der Kühlflüssigkeit oder durch die Zirkulation der leitenden Flüssigkeit aktiv gekühlt, und, was am wichtigsten ist, die Zelle wird im Falle einer plötzlichen Erwärmung geschützt, indem das Modul stillgelegt wird (die leitende Flüssigkeit wird von der Stromschiene freigegeben). Der Zellableiter erwärmt sich am schnellsten bei hohen Lade- und Entladegeschwindigkeiten. Mit dieser Methode kann der Zellableiter schneller gekühlt werden. Der Kühlmechanismus befindet sich direkt neben dem Zellableiter und nicht weit davon entfernt. Da die Klemmkraft im Inneren der Stromschiene ständig vorhanden ist, besteht keine Möglichkeit, dass leitende Flüssigkeiten oder leitende Feststoffe in Richtung des Zellableiters austreten. Daher besteht keine Gefahr einer Beschädigung der Zelle. Diese modifizierte Stromschiene ermöglicht eine aktive Kühlung von Stromschiene und Zellableiter durch Kühlmittelumlauf.
Nachfolgend sind wesentliche Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben: In einer technischen Umsetzung weist das Busbarsystem eine mit dem elektrisch leitfähigen Polymer füllbare Kontaktkammer auf. Im Zusammenbauzustand ragt zumindest ein Zellableiter in die Kontaktkammer ein. Der Zellableiter ist innerhalb der Kontaktkammer über das elektrisch leitfähige Polymer in elektrischem Kontakt mit der Stromschiene. Dabei kann der Zellableiter innerhalb der Kontaktkammer nicht nur linienförmig, wie es bei einer Schweißnaht der Fall ist, sondern zumindest teilweise, insbesondere vollständig vom Polymer umschlossen sein.
Die Kontaktkammer kann eine Einfüllöffnung aufweisen. In einem Füllprozess kann das Polymer in flüssiger oder in schmelzflüssiger Phase über die Einfüllöffnung in die Kontaktkammer eingefüllt werden. Anschließend kann gemäß einer ersten Ausführungsvariante das in die Kontaktkammer gefüllte Polymer in die feste Phase übergehen.
Zudem kann die Kontaktkammer eine Zugangsöffnung aufweisen, durch die der jeweilige Zellableiter in die Kontaktkammer einragt. Vor Durchführung des Füllprozesses kann ein Steckprozess erfolgen, in dem der jeweilige Zellableiter in die Zugangsöffnung der Kontaktkammer eintsteckbar ist. Der Querschnitt der Zugangsöffnung ist ausreichend groß gestaltet, um einen leichtgängigen Steckprozess mit Bewegungsspiel zu ermöglichen.
Bevorzugt ist es, wenn der Kontaktkammer zusätzlich ein Schließelement zugeordnet ist. Mit Hilfe des Schließelements kann nach erfolgtem Steckprozess sowie in Vorbereitung auf den Füllprozess die Kontaktkammer-Zugangsöffnung im Wesentlichen fluiddicht geschlossen werden. Auf diese Weise kann während und nach dem Füllprozess eine Leckage von flüssigem Polymer aus der Zugangsöffnung reduziert oder unterbunden werden.
In einer bevorzugten technischen Umsetzung kann das Schließelement zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung verstellt werden. Während des Steckprozesses befindet sich das Schließelement in seiner Offenstellung. Auf diese Weise kann der Zellableiter leichtgängig mit Bewegungsspiel durch die querschnittsgroße Zugangsöffnung bis in die Kontaktkammer eingesteckt werden. Im Gegensatz dazu befindet sich das Schließelement während des Füllprozesses in seiner Geschlossenstellung. In der Geschlossenstellung drückt das Schließelement mit einer Schließkraft den Zellableiter gegen einen Öffnungsrand der Zugangsöffnung, wodurch der Zellableiter ortsfest am Öffnungsrand der Zugangsöffnung vorpositioniert ist. Der Innenraum der Kontaktkammer ist bevorzugt so gestaltet, dass im vorpositionierten Zustand der Zellableiter über einen elektrisch isolierenden Spalt von der Stromschiene beabstandet ist. Das heißt, dass bei leerer (das heißt nicht mit Polymer befüllter) Kontaktkammer keine elektrische Verbindung zwischen dem Zellableiter und der Stromschiene vorhanden ist. Im Füllprozess wird der elektrisch isolierende Spalt mit Polymer gefüllt, wodurch sich eine elektrische Verbindung zwischen dem Zellableiter und der Stromschiene ergibt.
In einer einfachen Realisierung kann das Schließelement linear hubverstellbar sein, und zwar zwischen seiner Offenstellung und seiner Geschlossenstellung. Bevorzugt kann das Schließelement in Richtung Geschlossenstellung mit einer Schließkraft federvorgespannt sein. Im Steckprozess befindet sich das Schließelement noch in seiner Offenstellung, wobei eine Schließelement-Bewegung in Richtung Geschlossenstellung durch ein verstellbares Riegelteil unterbunden ist. Zum Start des Füllprozesses wird das Riegelteil in eine Freigabeposition verstellt, in der es die Schließelement-Bewegung in Richtung Geschlossenstellung freigibt.
Zur Sicherung des Schließelements in seiner Geschlossenstellung kann ein Sicherungsteil bereitgestellt werden. Das Sicherungsteil kann in der Geschlossenstellung eine unbeabsichtigte Schließelement-Bewegung in Richtung seiner Offenstellung unterbinden.
In einer ersten Ausführungsvariante kann das Polymer während des normalen Batteriebetriebs in fester Phase vorliegen. In diesem Fall kann das Polymer eine Überhitzungsschutzfunktion übernehmen. Hierzu kann das Polymer mit Überschreiten eines Polymer-Schmelzpunktes in seine schmelzflüssige Phase übergehen. Dadurch kann das Polymer von einer Kontaktstelle zwischen dem Zellableiter und der Stromschiene abfließen, wodurch der elektrische Kontakt unterbrochen wird. In einer einfachen Ausführungsvariante kann das flüssige Polymer unter Schwerkraftwirkung aus der Einfüllöffnung der Kontaktkammer abfließen.
In einer zweiten Ausführungsvariante kann das Polymer im normalen Batteriebetrieb in flüssiger Phase vorliegen. In diesem Fall kann die Kontaktkammer in einem Hydraulikkreis eingebunden sein, in dem das in der Kontaktkammer befindliche Polymer mit Hilfe einer Pumpe umwälzbar ist, um eine Überhitzung zu vermeiden.
In einer dritten Ausführungsvariante kann das Busbarsystem zumindest einen von der Kontaktstelle zwischen der Stromschiene und dem Zellableiter strömungstechnisch entkoppelten Kühlkanal aufweisen. Dieser kann in einem Kühlmittelkreislauf eingebunden sein, bei dem das Kühlmittel mittels einer Pumpe umgewälzt wird, wodurch das Polymer an der Kontaktstelle gekühlt wird. Bevorzugt kann der Kühlmittelkanal thermisch an die Kontaktkammer angebunden sein, um das darin befindliche Polymer zu kühlen.
In einer alternativen Ausführungsform gemäß dem nebengeordneten Anspruch 13 erfolgt die elektrische Kontaktierung zwischen dem Zellableiter und einer Stromschiene der Busbar nicht durch Schweißung, sondern vielmehr durch Klemmung. Hierzu drückt ein Druckelement den Zellableiter mit einer Klemmkraft gegen die Stromschiene.
Erfindungsgemäß erfolgt die elektrische Kontaktierung durch eine Mechanik mit Hilfe einer Feder. Die Feder übt einen konstanten Druck zwischen den beiden Kontaktflächen aus und ist verriegelt, sobald sie eingerastet ist. Die Aktivierung der Feder erfolgt entweder durch Luftdruck oder durch mechanische Kraft. Die Verbindung von zwei Oberflächen erfolgt ebenflächig. Das bedeutet mehr Fläche für die Stromübertragung bereitstellbar ist. Zudem kann ein Puffer bereitgestellt sein, um der Bewegung und Vibration des Zellableiters entgegenzuwirken.
Anstelle der Feder kann jegliche andere Art von Energiespeicher verwendet werden. Zum Beispiel kann die Feder durch ein komprimierbares Polymer ersetzt werden. Das niedrig schmelzende, isolierende Polymer wird in die Busbar in geschmolzenem Zustand eingebracht und verfestigt sich dann in der Busbar. Die Oberflächenbeschichtung der Zellableiter kann angepasst sein, um oxidfreie Verbindungen zwischen der Stromschiene und dem Zellableiter zu erhalten.
Die Stromschiene ist nach dem Steckprozess noch nicht in direktem Kontakt mit dem Zellableiter. Der Zellableiter und die Stromschiene sind noch über einen elektrisch isolierenden Spalt voneinander beabstandet. Die Zugangsöffnung ist während des Steckprozesses derart groß bemessen, dass keine Gefahr besteht, dass sich der Zellableiter verbiegt. Da in der Anfangsphase ein Zwischenraum zwischen dem Zellableiter und der leitfähigen Platte der Stromschiene besteht, fließt kein Strom. Es wird zudem ein Druckelement bereitgestellt, das ebenfalls im Kunststoffkörper der Busbar gelagert ist. Das Druckelement ist während des Steckprozesses verriegelt. Während dieses verriegelten Zustands kann das Druckelement beispielhaft durch vier zusammengedrückte Federn gedrückt werden. Das bedeutet, dass das Druckelement stets von den Federn vorgespannt ist. Das Druckelement ist jedoch nicht verstellbar, das es durch ein Riegelteil verriegelt ist. Während des Steckprozesses besteht ein ausreichend großer Spalt zwischen dem Zellableiter, der Stromschiene und dem beweglichen Druckelement. Dies bedeutet, dass der Zellableiter leicht in den Spalt zwischen der Stromschiene und dem beweglichen Druckelement eingeführt werden kann. In der Busbar befindet sich zudem ein Sicherungsstift. Dieser ist auf einer Druckfeder platziert.
Nachdem der Zellableiter in den Spalt eingeführt ist, wird die Sperre entfernt. Die Sperre kann auf verschiedene Weise entfernt werden, z. B. durch Luftdruck oder durch Ziehen mit mechanischer Kraft. Sobald die Sperre entfernt ist, dehnen sich die Druckfedern aus und drücken das bewegliche Druckelement in Richtung Zellableiter. Der Zellableiter wird durch das Druckelement leicht gebogen und dann gegen die Stromschiene gedrückt. Der Strom fließt daher von dem Zellableiter fließt zur Stromschiene. Auf diese Weise kann die Stromschiene ohne Laserschweißen elektrisch angebunden werden. Der Verriegelungsstift wird durch eine weitere Feder vorgespannt. Der Verriegelungsstift fährt in dieselbe Gegenkontur ein, die von der Verriegelung nutzbar ist. Auf diese Weise wird das bewegliche Druckelement verriegelt und kann sich dieses nicht aufgrund von Vibrationen von der Stromschiene lösen. Der Sicherungsstift ist etwas kleiner als die Gegenkontur, in den er eingeführt wird. Dieser Abstand wird auch als Puffer bezeichnet. Dieser Puffer ist wichtig, wenn die Zelle anschwillt und mehr Platz benötigt. Dann wird die Druckfeder zusammengedrückt, übt aber dennoch einen gleichmäßigen Druck auf das Druckelement aus. Der Puffer ist auch wichtig, um die Bewegungsfreiheit der Zelle und des Zellableiters bei Vibrationen und Hitze zu gewährleisten.
Die Federn können aus einer Metallfeder oder aus Gummi bestehen. Die Hauptfunktion besteht darin, Druck zwischen dem Druckelement und der Stromschiene auszuüben. Zwischen dem Zellableiter und der Stromschiene ist kein Schweißen erforderlich. Außerdem fließt der Strom über eine größere Fläche und nicht über den Leitungskontakt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, statt einer Feder ein komprimierbares Polymer zu verwenden, um den Zellableiter an die Stromschiene zu drücken. Hier wird ein niedrig schmelzendes Polymer in die Busbar eingeführt. Dieses geschmolzene Polymer drückt auf die bewegliche Kunststoffkomponente und sobald es sich verfestigt hat, wirkt es als komprimierbare Feder, die die Verbindungsfläche immer zusammenschiebt. Niedrig schmelzendes Polymer kann mit der Stromschiene in Kontakt kommen, wenn die Versiegelung nicht dicht ist.
Der Vorteil dieser Methode ist, dass keine Feder benötigt werden. Auf diese Weise ist die Lebensdauer dieser Stromschiene hoch. Außerdem muss das Loch nicht entfernt werden, da es durch die Hitze des niedrig schmelzenden Polymers geschmolzen wird.
Nachfolgend sind Aspekte der Ausführungsform gemäß nebengeordneten Anspruch 13 im Einzelnen nochmals dargelegt: So kann der Zellableiter in einem Steckprozess zwischen dem Druckelement und der Stromschiene eingesteckt werden. Das Druckelement kann bevorzugt zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung hubverstellbar gelagert sein. Bei Durchführung des Steckprozesses befindet sich das Druckelement in seiner Offenstellung. Dadurch ist eine querschnittsgroße Zugangsöffnung bereitgestellt, durch die der Zellableiter mit Bewegungsspiel leichtgängig einsteckbar ist. Nach erfolgtem Steckprozess wird das Druckelement in seine Klemmstellung verstellt. In der Klemmstellung drückt das Druckelement den Zellableiter mit der Klemmkraft gegen die Stromschiene.
Bevorzugt kann das Druckelement in Richtung Klemmstellung mit Hilfe eines Energiespeichers vorgespannt sein. Der Energiespeicher kann beispielhaft als eine Druckfeder oder als eine druckbeaufschlagbare Hydraulikflüssigkeit realisiert sein. Während des Steckprozesses befindet sich das Druckelement noch in seiner Offenstellung, wobei eine Druckelement-Bewegung in Richtung Klemmstellung durch ein verstellbares Riegelteil unterbunden ist. Nach erfolgtem Steckprozess wird das Riegelteil in eine Freigabeposition verstellt, in der es die Druckelement-Bewegung in Richtung Klemmstellung freigibt. Zur Sicherung des Druckelements in seiner Klemmstellung kann ein Sicherungsteil bereitgestellt werden. Das Sicherungsteil kann in der Klemmstellung eine unbeabsichtigte Druckelement-Bewegung in Richtung seiner Offenstellung unterbinden.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 In einer schematischen Ansicht ein Batteriemodul mit zugeordnetem Busbarsystem;
2 in vergrößerter Schnittansicht die Kontaktierung zwischen den Zellableitern und einer Busbar;
3 bis 6 jeweils Ansichten, anhand derer eine Prozessabfolge zur Fertigung des Batteriemoduls veranschaulicht ist;
7 bis 12 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Batteriezellverbands.

In der 1 ist ein Batteriemodul skizziert, das aus in Stapelrichtung hintereinander gestapelten Batteriezellen 1 besteht. Die Batteriezellen 1 sind beispielhaft Pouchzellen, die in Stapelquerrichtung beidseitig Kathoden-Zellableiter K und Anoden-Zellableiter A aufweisen. In der 1 sind mit Hilfe von Busbars 3, 4 die insgesamt zwölf Batteriezellen 1 in einem 3P4S-Verschaltungsschema elektrisch miteinander verschaltet. Demnach sind die zwölf Batteriezellen 1 aufgeteilt in vier Dreiergruppen. Die Dreiergruppen sind mittels der Busbars 3, 4 in Reihe geschaltet, wobei in der 1 die untere Dreiergruppe mit einem negativen Modulterminal 5 und die obere Dreiergruppe mit einem positiven Modulterminal 7 verbunden ist, die zusammen mit einer elektrischen Last 9 in einem elektrischen Stromkreis eingebunden sind.
Jede der Busbars 3, 4 ist als ein Hybridbauteil ausgebildet, das aus voneinander elektrisch isolierten Stromschienen 11 besteht, die teilweise mit Kunststoffmaterial 13 umspritzt sind. Der Kern der Erfindung besteht in der elektrischen Kontaktierung zwischen dem jeweiligen Zellableiter A, K und einer Stromschiene 11 der jeweiligen Busbar 3, 4 mit Hilfe eines elektrisch leitfähigen Polymers 15.
Wie aus der 2 hervorgeht, weist die Busbar 3 für jeden Zellableiter 3, 4 eine Kontaktkammer 17 (3 bis 5) auf, die teilweise von einer Stromschiene 11 begrenzt ist. Die in der 2 untere Kontaktkammer 17 ist über eine Einfüllöffnung 15 mit einer externen Polymerquelle verbindbar, mittels der in einem später beschriebenen Füllprozess (5) die Kontaktkammern 17 mit Polymer 15 befüllt werden. Die in der 2 obere Kontaktkammer 17 ist über eine Überströmöffnung 19 mit der unteren Kontaktkammer 17 strömungstechnisch in Verbindung.
Zudem weist jede der beiden Kontaktkammern 17 eine Zugangsöffnung 21 auf, durch die der jeweilige Zellableiter A, K der Batteriezelle 1 in die Kontaktkammer 17 einragt. Die Zugangsöffnung 21 ist in der 2 vollständig von einem später beschriebenen Schließelement 23 geschlossen, das mit einer Schließkraft F_s den Zellableiter A gegen einen Öffnungsrand 25 der Zugangsöffnung 21 drückt.
In der 2 liegt das in den Kontaktkammern 17 befindliche Polymer 15 in fester Phase vor. Zudem ist gemäß der 2 jeder der beiden Zellableiter A über einen Spaltabstand Δa von einer Kontaktfläche 27 der Stromschiene 11 beabstandet. Der in der jeweiligen Kontaktkammer 17 eingesteckte Zellableiter A ist gemäß der 2 vollständig von dem Polymer 15 umschlossen. Entsprechend ist auch der Spaltabstand Δa zwischen der Kontaktfläche der Stromschiene 11 und dem Zellableiter A mit Polymer 15 gefüllt.
Nachfolgend wird anhand der 3 bis 6 ein Zusammenbau des Batteriemoduls beschrieben. In der 3 wird jeder der Zellableiter A, K in einem Steckprozess durch die Zugangsöffnung 21 in die noch nicht mit Polymer 15 befüllte Kontaktkammer 17 eingesteckt. Das hubverstellbare Schließelement 23 befindet sich während des Steckprozesses in seiner Offenstellung, in der nahezu der komplette Querschnitt der Zugangsöffnung 21 freigegeben ist, wodurch eine leichtgängige Steckbewegung mit Bewegungsspiel ermöglicht ist. Das Schließelement 23 ist mittels einer Feder 29 in Richtung Geschlossenstellung vorgespannt. Während des in der 3 dargestellten Steckprozesses wird eine Schließelement-Bewegung in Richtung Geschlossenstellung mittels eines Riegelteils 31 unterbunden, das in eine Gegenkontur 33 des Schließelements 23 formschlüssig einragt.
Jeder der Kontaktkammern 17 ist jeweils ein Schließelement 23 zugeordnet. Die beiden Schließelemente 23 sind über eine angedeutete Wirkverbindung 35 miteinander bewegungsgekoppelt sowie kraftübertragend verbunden.
Nach erfolgtem Steckprozess (3) wird das Riegelteil 31 in seine Freigabestellung verstellt, wodurch eine Schließelement-Bewegung in Richtung Geschlossenstellung ermöglicht ist. In der Geschlossenstellung (4) ist die Zugangsöffnung 21 vom Schließelement 23 geschlossen, um während des folgenden Füllprozesses eine Leckage von flüssigem Polymer 15 aus der Zugangsöffnung 21 zu reduzieren oder zu unterbinden. Gleichzeitig drückt das Schließelement 23 den Zellableiter A gegen den Öffnungsrand 25 der Zugangsöffnung 21. Der Zellableiter A ist daher mittels des Schließelements 23 ortsfest vorpositioniert. Im vorpositionierten Zustand ( 4) ist der Zellableiter A über den elektrisch isolierenden Spaltabstand Δa von der Stromschiene 11 beabstandet.
Anschließend erfolgt der Füllprozess (5), in dem die beiden Kontaktkammern 17 mit schmelzflüssigem Polymer 15 gefüllt werden. Nach dem Füllprozess geht das Polymer 15 in seine feste Phase über.
Wie aus den 2 bis 6 weiter hervorgeht, wird zur Sicherung des Schließelements 23 in seiner Geschlossenstellung ein federvorgespanntes Sicherungsteil 37 bereitgestellt. Das Sicherungsteil 37 kommt in der Geschlossenstellung (4 bis 6) in Formschlusseingriff mit der Gegenkontur 33 des unteren Schließelements 23. Auf diese Weise wird eine unbeabsichtigte Schließelement-Bewegung in Richtung Offenstellung unterbunden.
Das im normalen Batteriebetrieb in fester Phase vorliegende Polymer übernimmt eine Überhitzungsschutzfunktion: Mit Überschreiten eines Polymer-Schmelzpunktes geht das Polymer 15 in seine schmelzflüssige Phase über. Dadurch kann das Polymer 15 unter Schwerkraftwirkung aus der Einfüllöffnung 18 abfließen. Auf diese Weise entleert sich der Spalt Δa, so dass der elektrische Kontakt zwischen dem Zellableiter A und der Kontaktfläche 27 der Stromschiene 11 unterbrochen wird.
In der 7 ist in einer Ansicht entsprechend der vorangegangen Figuren eine weitere Ausführungsvariante gezeigt. Im Unterschied zum vorangegangen Ausführungsbeispiel liegt das Polymer im normalen Batteriebetrieb nicht mehr in fester Phase vor, sondern in flüssiger Phase. Die beiden Kontaktkammern 17 sind gemäß der 7 in einem Hydraulikkreis eingebunden, bei dem das in den Kontaktkammern 17 befindliche Polymer 15 mittels einer Pumpe 39 umgewälzt wird, um eine Überhitzung zu vermeiden.
In der 8 ist eine weitere alternative Ausführungsvariante gezeigt, bei der der Busbar 3 kühlmitteldurchströmt ist. Entsprechend weist der Busbar 3 einen von den Kontaktkammern 17 strömungstechnisch entkoppelten Kühlmittelkanal 41 auf. Dieser ist in einem Kühlkreislauf eingebunden, bei dem das Kühlmittel mittels einer Pumpe 43 umgewälzt wird, um das in den Kontaktkammern 17 befindliche Polymer 15 zu kühlen. Sowohl die Polymerpumpe 39 (7) als auch die Kühlmittelpumpe 43 (8) sind mittels des Batteriemanagementsystems BMS ansteuerbar.
Nachfolgend werden anhand der 9 bis 12 weitere Ausführungsbeispiele beschrieben, in denen die elektrische Kontaktierung zwischen dem Zellableiter A und der Stromschiene 11 nicht mit Hilfe eines elektrisch leitfähigen Polymers 15 erfolgt, sondern vielmehr mechanisch durch Klemmung. Bei der Beschreibung der 9 bis 11 wird Bezug auf die Vorbeschreibung genommen. Funktionsgleiche Komponenten werden mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
Die Ansicht der 9 entspricht der Ansicht gemäß der 2. Demgemäß ist die durch Klemmung erfolgte elektrische Kontaktierung zwischen Zellableiter A und Stromschiene 11 im Detail gezeigt. Demgemäß ist für jeden Zellableiter A eine Kontaktkammer 17 bereitgestellt. In jeder Kontaktkammer 17 befindet sich ein Druckelement 45, das den Zellableiter A mit einer Klemmkraft F_K gegen eine Kontaktfläche der Stromschiene 11 drückt. Das Druckelement 45 der oberen Kontaktkammer 17 sowie das Druckelement 45 der unteren Kontaktkammer 17 sind über eine Wirkverbindung 35 miteinander bewegungsgekoppelt sowie kraftübertragend miteinander verbunden. Das untere Druckelement 45 ist in der 9 mittels eines Sicherungsteils 37 in seiner Klemmstellung gesichert. Hierzu ragt das Sicherungsteil 37 formschlüssig in eine Gegenkontur 33 des Druckelements 45 ein. Zudem ist das untere Druckelement 45 mit einer Feder 47 in Richtung Klemmstellung vorgespannt.
Nachfolgend wird ein Zusammenbau des in der 9 gezeigten Batteriemoduls beschrieben. In der 10 wird jeder der Zellableiter A in einem Steckprozess durch die querschnittsgroße Zugangsöffnung 21 in die Kontaktkammer 17 eingesteckt. Die hubverstellbaren Druckelemente 45 befinden sich während des Steckprozesses in ihrer Offenstellung, wodurch eine leichtgängige Steckbewegung mit Bewegungsspiel ermöglicht ist. Das Druckelement 45 ist mittels der Feder 47 in Richtung Klemmstellung vorgespannt. Während des in der 10 gezeigten Steckprozesses wird die Druckelement-Bewegung in Richtung Klemmstellung mittels eines Riegelteils 31 unterbunden, das in die Gegenkontur 33 des Druckelements 45 formschlüssig einragt.
Nach erfolgtem Steckprozess wird das Riegelteil 31 in seine Freigabestellung verstellt, wodurch eine Druckelement-Bewegung in Richtung Klemmstellung ermöglicht ist. In der Klemmstellung (9) drückt das jeweilige Druckelement 45 den Zellableiter A mit der Klemmkraft F_K gegen die Stromschiene 11.
Wie aus der 9 hervorgeht, ist der der Sicherungsstift 37 um ein Differenzmaß d kleiner als die Gegenkontur 33 bemessen, in den er eingeführt wird. Dieser Abstand d wird auch als Puffer bezeichnet. Dieser Puffer ist wichtig, wenn die Zellen 1 anschwellen und mehr Platz benötigt. Dann wird die Druckfeder 47 zusammengedrückt, übt aber dennoch einen gleichmäßigen Druck auf das Druckelement 45 aus. Der Puffer d ist auch wichtig, um die Bewegungsfreiheit der Zellen 1 und der Zellableiter A bei Vibrationen und Hitze zu gewährleisten.
Gemäß der 11 sind insgesamt beispielhaft vier Federn 47 vorgesehen, die jeweils an Eckbereichen des unteren Druckelements 45 angreifen.
In der 12 ist eine weitere Ausführungsvariante gezeigt, deren Aufbau und Funktionsweise im Wesentlichen dem Aufbau sowie der Funktionsweise des vorangegangenen Ausführungsbeispiels gleicht. Im Unterschied zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel wird die Vorspannung des Druckelements 45 in Richtung Klemmstellung nicht über Druckfedern 47 aufgebraucht. Anstelle dessen grenzt das untere Druckelement 45 an eine Polymerkammer 49. In die Polymerkammer 49 wird zum Aufbau der Klemmkraft F_K flüssiges Polymer 50 über eine Einfüllöffnung 51 eingebracht. Das flüssige Polymer 50 geht in eine feste Phase über und wirkt dadurch wie eine Druckfeder.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezelle
3,4: Busbar
5: negativer Modulterminal
7: positiver Modulterminal
11: Stromschiene
13: Kunststoffmaterial
15: Polymer
17: Kontaktkammer
18: Einfüllöffnung
19: Überströmöffnung
21: Zugangsöffnung
23: Schließelement
25: Öffnungsrand
27: Kontaktfläche
29: Feder
31: Riegelteil
33: Gegenkontur
35: Wirkverbindung
37: Sicherungsteil
39: Polymerpumpe
41: Kühlmittelkanal
42: Kühlmittelpumpe
45: Druckelement
47: Druckfeder
49: Polymerkammer
50: Polymer
51: Einfüllöffnung
Δa: Spaltabstand
d: Puffer
FS: Schließkraft
FK: Klemmkraft
BMS: Batteriemanagementsystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018107321 A1 [0007]
DE 102017112999 A1 [0007]

Claims

Batteriezellverband, insbesondere Batteriemodul, mit in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelten Batteriezellen (1), die in Stapelquerrichtung abragende Zellableiter (A, K) aufweisen, die mittels Stromschienen (11) eines Busbarsystems (3, 4) nach einem vorgegebenen Verschaltungsschema (z. B. 3P4S) miteinander elektrisch verschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zellableiter (A, K) über ein leitfähiges Polymer (15) mit einer Stromschiene (11) elektrisch verbunden ist.
Batteriezellverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Busbarsystem (3, 4) eine mit dem Polymer (15) füllbare Kontaktkammer (17) aufweist, in die zumindest ein Zellableiter (A, K) einragt, und dass der Zellableiter (A, K) innerhalb der Kontaktkammer (17) über das Polymer (15) in elektrischem Kontakt mit der Stromschiene (11) bringbar ist, und/oder dass insbesondere der Zellableiter (A, K) in der Kontaktkammer (17) zumindest teilweise, insbesondere vollständig vom Polymer (15) umschlossen ist.
Batteriezellverband nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkammer (17) eine Einfüllöffnung (18) aufweist, und dass in einem Füllprozess das Polymer (15) in flüssiger oder schmelzflüssiger Phase in die Kontaktkammer (17) einfüllbar ist, und dass insbesondere das in die Kontaktkammer (17) gefüllte Polymer (15) in die feste Phase übergeht.
Batteriezellverband nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkammer (17) eine Zugangsöffnung (21) aufweist, durch die der Zellableiter (A, K) in die Kontaktkammer (17) einragt, und dass vor Durchführung des Füllprozesses ein Steckprozess erfolgt, in dem der Zellableiter (A, K) in die Zugangsöffnung (21) der Kontaktkammer (17) einsteckbar ist.
Batteriezellverband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkammer (17) ein Schließelement (23) zugeordnet ist, mit dem nach erfolgtem Steckprozess sowie in Vorbereitung auf den Füllprozess die Zugangsöffnung (21) im Wesentlichen fluiddicht schließbar ist, um eine Leckage von flüssigem Polymer (15) aus der Zugangsöffnung (21) zu reduzieren oder zu unterbinden.
Batteriezellverband nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (23) zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung verstellbar ist, und dass sich das Schließelement (23) während des Steckprozesses in seiner Offenstellung befindet, wodurch der Zellableiter (A, K) leichtgängig mit Bewegungsspiel in die Kontaktkammer (17) einsteckbar ist, und dass sich das Schließelement (23) während des Füllprozesses in seiner Geschlossenstellung befindet, in der das Schließelement (23) mit einer Schließkraft (Fs) den Zellableiter (A, K) gegen einen Öffnungsrand (25) der Zugangsöffnung (21) drückt und daran ortsfest vorpositioniert.
Batteriezellverband nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im vorpositionierten Zustand der Zellableiter (A, K) über einen elektrisch isolierenden Spalt (Δa) von der Stromschiene (11) beabstandet ist, und dass der elektrisch isolierende Spalt (Δa) im Füllprozess mit Polymer (15) füllbar und/oder stromleitend überbrückbar ist.
Batteriezellverband nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (23) zwischen der Geschlossenstellung und der Offenstellung hubverstellbar ist, und dass das Schließelement (23) in Richtung Geschlossenstellung mit einer Schließkraft (Fs) federvorgespannt ist, und dass im Steckprozess eine Schließelement-Bewegung in Richtung Geschlossenstellung mittels eines Riegelteils (31) unterbunden ist, und dass zum Start des Füllprozesses das Riegelteil (31) die Schließelement-Bewegung in Richtung Geschlossenstellung freigibt.
Batteriezellverband nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherung des Schließelements (23) in der Geschlossenstellung ein Sicherungsteil (37) bereitgestellt ist, das in der Geschlossenstellung eine Schließelement-Bewegung in Richtung Offenstellung unterbindet.
Batteriezellverband nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im normalen Batteriebetrieb in fester Phase vorliegende Polymer (15) eine Überhitzungsschutzfunktion übernimmt, bei der mit Überschreiten des Polymer-Schmelzpunkts das Polymer (15) in seine schmelzflüssige Phase übergeht, wodurch das Polymer (15) von einer Kontaktstelle zwischen Zellableiter (A, K) und Stromschiene (11) abfließt, so dass der elektrische Kontakt unterbrochen ist, und dass insbesondere das Polymer (15) unter Schwerkraftwirkung aus der Einfüllöffnung (18) der Kontaktkammer (17) abfließt.
Batteriezellverband nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer (15) im normalen Batteriebetrieb in flüssiger Phase vorliegt, und dass die Kontaktkammer (17) in einem Hydraulikkreis eingebunden ist, in dem das in der Kontaktkammer (17) befindliche Polymer mittels einer Pumpe (39) umwälzbar ist, um insbesondere eine Überhitzung zu vermeiden.
Batteriezellverband nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Busbarsystem (3, 4) zumindest einen von der Kontaktkammer (17) strömungstechnisch entkoppelten Kühlmittelkanal (41) aufweist, der in einem Kühlmittelkreislauf eingebunden ist, bei dem das Kühlmittel mittels einer Pumpe (43) umwälzbar ist, um das in der Kontaktkammer (17) befindliche Polymer (15) zu kühlen.
Batteriezellverband, insbesondere Batteriemodul, mit in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelten Batteriezellen (1), die in Stapelquerrichtung abragende Zellableiter (A, K) aufweisen, die mittels Stromschienen (11) eines Busbarsystems (3, 4) nach einem vorgegebenen Verschaltungsschema (z. B. 3P4S) miteinander elektrisch verschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung zwischen einem Zellableiter (A, K) und einer Stromschiene (11) durch Klemmung erfolgt, bei der ein Druckelement (45) den Zellableiter (A, K) mit einer Klemmkraft (F_K) gegen die Stromschiene (11) drückt.
Batteriezellverband nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellableiter (A, K) in einem Steckprozess zwischen dem Druckelement (45) und der Stromschiene (11) einsteckbar ist, und dass insbesondere das Druckelement (45) zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung hubverstellbar ist, und dass insbesondere sich das Druckelement (45) während des Steckprozesses in der Offenstellung befindet, wodurch eine querschnittsgroße Zugangsöffnung (21) bereitstellbar ist, durch die der Zellableiter (A, K) mit Bewegungsspiel leichtgängig einsteckbar ist.
Batteriezellverband nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgtem Steckprozess das Druckelement (45) in seine Klemmstellung verstellbar ist, in der das Druckelement (45) den Zellableiter (A, K) mit der Klemmkraft (FK) gegen die Stromschiene (11) drückt.
Batteriezellverband nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (45) zwischen der Geschlossenstellung und der Offenstellung hubverstellbar ist, und dass das Druckelement (45) mit Hilfe eines Energiespeichers, etwa einer Feder oder einer druckbeaufschlagbaren Hydraulikflüssigkeit, in Richtung Geschlossenstellung mit einer Klemmkraft (F_K) vorgespannt ist, und dass im Steckprozess eine Druckelement-Bewegung in Richtung Geschlossenstellung mittels eines Riegelteils (31) unterbunden ist, und dass nach erfolgtem Steckprozess das Riegelteil (31) die Druckelement-Bewegung in Richtung Geschlossenstellung freigibt.
Batteriezellverband nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherung des Druckelements (45) in der Geschlossenstellung ein Sicherungsteil (37) bereitgestellt ist, das in der Geschlossenstellung eine Druckelement-Bewegung in Richtung Offenstellung unterbindet.