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HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sicherung, die mit zwei Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls verbunden werden kann. Elektro- und Hybridfahrzeuge umfassen ein Batteriemodul, das einen externen Kurzschlusstest bestehen muss, wie im Abschnitt 38.3 der Empfehlungen für den Transport von Gefahrengütern der Vereinten Nationen (UN)/dem Straßenverkehrsamt (DOT) beschrieben. Ein Lithium-Ionen-Batteriemodul mit hoher Spannung umfasst beispielsweise eine Vielzahl von Batteriezellen, die durch Stromschienen elektrisch verbunden sind. Wenn die Anzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen zunimmt, nimmt die Spannung des Batteriemoduls auch zu. Für ein Batteriemodul mit einer großen Anzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen können existierende Sicherheitsmechanismen unzureichend sein, um den externen Kurzschlusstest zu bestehen, und ein thermisches Durchgehen der Batteriezellen kann während eines Kurzschlussereignisses auftreten.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung stellen eine Sicherung für ein Batteriemodul bereit. Die Sicherung kann ein thermisches Durchgenen der Batteriezellen des Batteriemoduls während eines Kurzschlussereignisses verhindern. Die Sicherung kann einen Kurzschlussschutz für das Batteriemodul während des Transports bereitstellen, kann jedoch nicht wirken, sobald es im Fahrzeug installiert ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Sicherung bereitgestellt. Die Sicherung umfasst ein Schmelzelement mit einer Vielzahl von Öffnungen, einen ersten Sicherungseinsatz, der einteilig mit einem ersten Abschnitt des Schmelzelements ausgebildet ist, einen zweiten Sicherungseinsatz, der einteilig mit einem zweiten Abschnitt des Schmelzelements ausgebildet ist, und eine Umspritzung, die zumindest einen Abschnitt des Schmelzelements einkapselt. Der zweite Abschnitt des Schmelzelements ist entgegengesetzt zum ersten Abschnitt des Schmelzelements angeordnet. Der erste Sicherungseinsatz kann dazu eingerichtet sein, mit einer ersten Batteriezelle eines Batteriemoduls zu verbinden, und der zweite Sicherungseinsatz kann dazu eingerichtet sein, mit einer zweiten Batteriezelle des Batteriemoduls zu verbinden.
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Der erste Sicherungseinsatz und der zweite Sicherungseinsatz können mit Bezug auf das Schmelzelement asymmetrisch sein. Mindestens eine Öffnung der Vielzahl von Öffnungen kann eine elliptische Form aufweisen. Die Umspritzung kann die Vielzahl von Öffnungen einkapseln. Mindestens eine Öffnung der Vielzahl von Öffnungen kann einen Ausschnitt in einer Kante des Schmelzelements bilden.
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Der erste Sicherungseinsatz und/oder der zweite Sicherungseinsatz können eine Wellenform aufweisen. Das Schmelzelement, der erste Sicherungseinsatz und der zweite Sicherungseinsatz können einteilig aus einem einzigen Stück eines leitfähigen Materials ausgebildet sein. Das leitfähige Material kann Aluminium sein. Die Umspritzung kann Silikon umfassen. Das Schmelzelement kann eine maximale Längsabmessung von 20 mm oder weniger aufweisen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Batteriemodul bereitgestellt. Das Batteriemodul umfasst eine erste Batteriezelle, eine zweite Batteriezelle und die vorstehend beschriebene Sicherung.
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Andere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen betrachtet wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 zeigt eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Sicherung für ein Batteriemodul.
- 2A zeigt eine Seitenansicht der in 1 dargestellten Sicherung.
- 2B zeigt eine vergrößerte Version der Seitenansicht der Sicherung, die in 2A dargestellt ist.
- 3A zeigt eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Schmelzelements.
- 3B zeigt eine perspektivische Ansicht des in 3A dargestellten Schmelzelements in Kombination mit einer Umspritzung.
- 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer mechanischen Zyklussimulation der in 1 dargestellten Sicherung.
- 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Stromfluss- und Heizsimulation der in 1 dargestellten Sicherung.
- 6 zeigt eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriemoduls, mit dem die Sicherung verbunden ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Sicherung 100 für ein Batteriemodul. Die Sicherung 100 kann ein Schmelzelement 110, einen ersten Sicherungseinsatz 130 und einen zweiten Sicherungseinsatz 135 umfassen. Das Schmelzelement 110, der erste Sicherungseinsatz 130 und der zweite Sicherungseinsatz 135 können ein einziges Stück 120 bilden. Eine solche Konstruktion kann eine Korrosion verhindern, die durch einen Übergang zwischen verschiedenen Materialien verursacht werden kann. Ferner können die Kosten und die Komplexität der Herstellung des einzigen Stücks 120 im Vergleich zu einer Komponente mit einer Vielzahl von Stücken, die miteinander verbunden sind, verringert werden. Das einzige Stück 120 kann aus einem leitfähigen Material wie z. B. Aluminium bestehen. Der erste Sicherungseinsatz 130 kann einteilig mit der linken Seite des Schmelzelements 110 ausgebildet sein, während der zweite Sicherungseinsatz 135 einteilig mit der rechten Seite des Schmelzelements 110 ausgebildet sein kann. In diesem Beispiel sind keine zusätzlichen mechanischen Versteifungselemente vorgesehen.
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Wie in 1 gezeigt, können der erste Sicherungseinsatz 130 und der zweite Sicherungseinsatz 135 mit Bezug auf das Schmelzelement 110 asymmetrisch sein. Der erste Sicherungseinsatz 130 kann beispielsweise eine andere Größe und/oder Form als der zweite Sicherungseinsatz 135 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können der erste Sicherungseinsatz 130 und/oder der zweite Sicherungseinsatz 135 von oben betrachtet eine Wellenform aufweisen. Wie in 1 gezeigt, können sich ferner der erste Sicherungseinsatz 130 und der zweite Sicherungseinsatz 135 kombinieren, um von oben betrachtet eine Wellenform zu bilden.
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Wie nachstehend im Hinblick auf 6 genauer erörtert, kann der erste Sicherungseinsatz 130 dazu eingerichtet sein, mit einer ersten Batteriezelle eines Batteriemoduls zu verbinden, während der zweite Sicherungseinsatz 135 dazu eingerichtet sein kann, mit einer zweiten Batteriezelle desselben Batteriemoduls zu verbinden. Außerdem kann eine Umspritzung 115 ausgebildet sein, um zumindest einen Abschnitt des Schmelzelements 110 einzukapseln. Die Umspritzung 115 kann das ganze Schmelzelement 110 oder einen Abschnitt des Schmelzelements 110 umgeben. Die Umspritzung 115 kann die Bewegungsrichtung der geschmolzenen Aluminiumteile steuern und kann eine Beschädigung an den Batteriezellen verhindern. Die Umspritzung 115 kann die Überschlagzeit verringern und kann auch das Risiko verringern, dass umgebende Komponenten Feuer fangen. In einigen Beispielen kann die Umspritzung 115 aus Silikon bestehen. Die Umspritzung 115 kann nicht über dem ersten Sicherungseinsatz 130 oder dem zweiten Sicherungseinsatz 135 ausgebildet sein.
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2A zeigt eine Seitenansicht der in 1 dargestellten Sicherung 100. Wie in 2A gezeigt, kann der zweite Sicherungseinsatz 135 auch von der Seite betrachtet eine Doppelwellenform aufweisen. Obwohl nicht gezeigt, kann der erste Sicherungseinsatz 130 von der Seite betrachtet eine Vielfalt von Formen aufweisen, wie z. B. eine Einzelwellenform oder eine Doppelwellenform. Das einzige Stück 120 kann eine mechanische Konstruktion aufweisen, die ermöglicht, dass sich die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle relativ zueinander bewegen. Diese Flexibilität berücksichtigt Montagetoleranzen, eine relative Bewegung aufgrund eines Stoßes und von Vibrationsbelastungen, das Atmen der Batteriezellen während der Aufladung und Entladung und das Quellen der Batteriezellen, das durch Alterung verursacht wird. Außerdem kann die mechanische Konstruktion des einzigen Stücks ermöglichen, dass sich der erste Sicherungseinsatz 130 und der zweite Sicherungseinsatz 135 ohne Biegung oder Beschädigung des Schmelzelements 110 bewegen. Ferner kann die mechanische Konstruktion des einzigen Stücks 120 die Belastungen am ersten Sicherungseinsatz 130 und am zweiten Sicherungseinsatz 135 minimieren. Die speziellen Biegungen des einzigen Stücks 120 und die Orte der Biegungen können optimiert werden, um die Biegung über das Schmelzelement 110 zu minimieren. In diesem Fall werden die Biegespannungen absichtlich in die umgebenden flexiblen Elemente konzentriert.
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2B zeigt eine vergrößerte Version der Seitenansicht der Sicherung 100, die in 2A dargestellt ist. Insbesondere zeigt 2B einen Abschnitt 140 der Sicherung 100, der in 2A angegeben ist. Der Abschnitt 140 der Sicherung 100 zeigt ein Beispiel des Umfangs, in dem die Umspritzung 115 das Schmelzelement 110 einkapseln kann.
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3A zeigt eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Schmelzelements 110. Wie in 3A gezeigt, kann das Schmelzelement 110 eine Vielzahl von Öffnungen umfassen. Das Schmelzelement 110 kann beispielsweise eine erste Öffnung 145a umfassen, die innerhalb des Schmelzelements 110 enthalten ist. Die erste Öffnung 145a kann eine elliptische Form aufweisen. Außerdem kann das Schmelzelement 110 eine zweite Öffnung 145b umfassen, die einen Ausschnitt in der oberen Kante des Schmelzelements 110 bildet. Die zweite Öffnung 145b kann eine halbelliptische Form aufweisen, die der elliptischen Form der ersten Öffnung 145a entspricht. Obwohl das beispielhafte Schmelzelement 110, das in 3A gezeigt ist, drei erste Öffnungen 145a und zwei zweite Öffnungen 145b umfasst, kann das Schmelzelement 110 irgendeine geeignete Anzahl von ersten Öffnungen 145a und zweiten Öffnungen 145b umfassen.
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Die Anzahl und die Größe der ersten Öffnungen 145a und der zweiten Öffnungen 145b kann ausgewählt werden, um die Querschnittsfläche des Schmelzelements 110 zu verringern, so dass das Schmelzelement 110 sich wie eine Schmelzsicherung verhält. In dem beispielhaften Schmelzelement 110, das in 3A gezeigt ist, weist jede der ersten Öffnungen 145a eine Breite von 5 mm und eine Länge von 3 mm auf. Sicherungssegmente 150 zwischen benachbarten Öffnungen im Schmelzelement 110 weisen eine Querschnittsfläche von ungefähr 1,25 mm2 auf. Das Schmelzelement 110 weist eine Breite von 18 mm und eine Dicke von 1 mm auf. Allgemeiner kann das Schmelzelement 110 eine maximale seitliche Abmessung von 20 mm oder weniger aufweisen. Folglich weist das Schmelzelement 110 einen sehr kleinen Platzbedarf auf, insbesondere im Vergleich zu existierenden Kraftfahrzeugsicherungen, die mit Sand gefüllte Gehäuse aufweisen.
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3B zeigt eine perspektivische Ansicht des Schmelzelements 110, das in 3A dargestellt ist, in Kombination mit einer Umspritzung 115. Wie in 3B gezeigt, kapselt die Umspritzung 115 alle Öffnungen im Schmelzelement 110 und die Sicherungssegmente 150 zwischen benachbarten Öffnungen ein, kapselt jedoch nicht das ganze Schmelzelement 110 ein. In diesem Beispiel weist die Umspritzung 115 eine Breite von 10 mm, eine Länge von 20 mm und eine Dicke von 4 mm auf.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer mechanischen Zyklussimulation der Sicherung 100, die in 1 dargestellt ist. Wie in 4 gezeigt, wird eine Dehnkraft auf die Sicherung 100 aufgebracht, was zu einer Bewegung des ersten Sicherungseinsatzes 130 entlang einer ersten Richtung 150 und einer Bewegung des zweiten Sicherungseinsatzes 135 entlang einer zweiten Richtung 155 führt. Während der mechanischen Zyklussimulation steht das Schmelzelement 110 nicht unter einem großen Ausmaß an Verformung. Stattdessen zeigt der Bereich rechts vom Schmelzelement 110 mehr Verformung. Das Verhindern von großen Verformungen am Schmelzelement 110 kann Haltbarkeitsprobleme für die Sicherung 100 vermeiden.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Stromfluss- und Heizsimulation der in 1 dargestellten Sicherung 100. In dem in 5 gezeigten Beispiel wird ein stationärer Strom an die Sicherung 100 angelegt und die Wärmeverteilung über die Sicherung 100 ist gezeigt. Große Wärmekonzentrationen am Schmelzelement 110 können zu Haltbarkeitsproblemen für die Sicherung 100 führen. Da sich jedoch das Schmelzelement 110 nicht am wärmsten Punkt der Sicherung 100 befindet, kann die Sicherung 100 eine gute Haltbarkeit für normale Verwendungsfälle aufweisen.
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6 zeigt eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriemoduls 600, mit dem die Sicherung 100 verbunden ist. Wie in 6 gezeigt, umfasst das Batteriemodul 600 eine Vielzahl von Batteriezellen, die in einem Gehäuse zusammengepackt sind. Der erste Sicherungseinsatz 130 der Sicherung 100 kann mit einer ersten Batteriezelle 610 des Batteriemoduls 600 verbunden sein, während der zweite Sicherungseinsatz 135 der Sicherung 100 mit einer zweiten Batteriezelle 615 des Batteriemoduls 600 verbunden sein kann. Folglich verbindet die Sicherung 100 separate Reihen der Batteriezellen.
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Die vorangehende Offenbarung wurde lediglich dargelegt, um die Erfindung zu erläutern, und soll nicht begrenzend sein. Da Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen, die den Gedanken und das Wesen der Erfindung beinhalten, Fachleuten auf dem Gebiet in den Sinn kommen können, sollte die Erfindung als alles innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche und Äquivalente davon umfassend aufgefasst werden.
