DE19811000C1 - Schnittstellen-bzw. Interfacevorrichtung für Hochtemperaturbatterien und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schnittstellen- bzw. Interfacevorrichtung zur Freischaltung einer Hochtemperaturbatterie und/oder zur Weitergabe von für die Überwachung und den Betrieb einer Batterie benötigten Informationen bzw. Signalen an ein Batteriesteuergerät, welche insbesondere an einer Hochtemperatur-Akkumulatorenbatterie oder Hochtemperatur-Brennstoffzellenbatterie anbringbar ist, sowie deren Verwen­ dung.

Es ist bekannt eine Interfacevorrichtung einer in einem mehrwandigen Isolier­ gehäuse angeordneten Hochtemperaturbatterie, z. B. eine Akkumulatorenbatterie oder Brennstoffzellenbatterie, zuzuordnen, wobei die Interfacevorrichtung mit einem Schaltgerät versehen ist, welches eine betriebsmäßige Freischaltung und eine Trennung im Störfall ermöglicht. Gehäuse zur thermischen Isolierung von Akkumulatoren und Brennstoffzellen mit erhöhter Betriebstemperatur von einigen hundert Grad sind gewöhnlich doppelwandig und evakuiert. Daher ergibt sich das Problem, daß die Anordnung einer Interfacevorrichtung, insbesondere eines Schaltgerätes, innerhalb eines solchen Gehäuses allein schon aus thermischen Gründen mit erheblichen technischen Problemen verbunden ist.

Weiterhin ist eine Anordnung des Schaltgerätes möglichst dicht an der Span­ nungsquelle vorteilhaft.

Der Betrieb des Schaltgerätes bzw. der Interfacebox dicht an einer Hochtempera­ turbatterie unterliegt besonderen Problemen, da die metallischen Poldurch­ führungen durch das Isoliergehäuse auch gute Wärmebrücken sind, über die erhebliche Wärmeverluste aus der Batterie abfließen.

Dementsprechend wird ein unmittelbar an den Poldurchführungen angebrachtes Schaltgerät durch die Verlustwärme aufgeheizt. Dies gilt in besonderem Maße im abgeschalteten Zustand, da dann außer der elektrischen auch die thermische Verbindung zu den Stromkabeln unterbrochen ist, und somit der Wärmetransport über die Kabel entfällt.

Nach dem Stand der Technik sind Schaltgeräte bisher üblicherweise dem Antrieb von Elektrofahrzeugen zugeordnet. Auch eine Vorladung bzw. Entladung von Zwischenkreiskondensatoren wird in der Regel im Antrieb vor­ genommen. Würde die Vorladevorrichtung im Antrieb verbleiben, so wären permanent unter Spannung stehende Leitungen von der Batterie dorthin zu verlegen. Dies widerspräche jedoch dem Sicherheitsgedanken der vollständigen Freischaltung.

Die DE-44 42 825 A1 offenbart ein System zum Speichern elektrischer Energie für den Betrieb eines elektrischen Geräts, mit einer wiederaufladbaren Hochtempera­ turbatterie und einem Batteriemanagementsystem, das für eine Einstellung der temperatur der Batterie sorgt. Bei einer möglichen unmittelbaren Anordnung des Batteriemanagementsystem an der Hochtemperaturbatterie besteht jedoch die Gefahr einer starken Erhitzung der Stromschienen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schnittstellen- bzw. Interfacevor­ richtung vorzuschlagen, die für eine Anbringung an einer Hochtemperaturbatterie geeignet ist und verbesserte Wärmeeigenschaften ermöglicht, sowie eine Verwen­ dung dieser Schnittstellenvorrichtung vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schnittstellen- bzw. Interfacevor­ richtung gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegen­ stand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß der Erfindung ist eine Schnittstellen- bzw. Interfacevorrichtung bzw. Schaltgerät zur Frei­ schaltung einer Hochtemperaturbatterie und/oder zur Weitergabe von für die Überwachung und den Betrieb einer Batterie benötigten Informationen bzw. Signalen an ein Batte­ riesteuergerät bereitgestellt, welche bevorzugt unmittelbar an Batteriepolen der Batterie anbringbar bzw. anordenbar ist und ein Gehäuse, zumindest einen Leistungskabelanschluß und zumindest einen Polanschluß für zumindest einen Pol der Batterie aufweist, wobei zumindest eine Stromschiene zwischen Pol­ anschluß und Leistungskabelanschluß angeordnet ist und diese elektrisch verbin­ det, und wobei die zumindest eine Stromschiene und das Gehäuse zumindest bereichsweise über eine Zwischenschicht thermisch gekoppelt sind.

Dementsprechend kann bzw. können die Stromschiene(n) über die Zwischen­ schicht großflächig an Gehäuse anliegen, wodurch eine sehr effiziente Abküh­ lung der Stromschiene(n) gewährleistet ist. Die erfindungsgemäße Interfacebox ist somit der Batterie zugeordnet, und kann die Vorladung der Zwischenkreiskon­ densatoren übernehmen bzw. die Vorrichtung dazu enthalten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, weist die Zwischen­ schicht eine Gußmasse, eine Folie, eine Hülse und/oder eine an dem Gehäuse fest haftende Schicht auf. Dementsprechend kann die Zwischenschicht eine effiziente Ableitung der Stromschienenwärme an das Gehäuse, insbesondere durch einen entsprechend geringen Weg durch diese, gewährleisten.

Weiterhin bevorzugt, ist die Zwischenschicht aus einer Silikonfolie, einer faser­ verstärkte Silikonfolie, einer keramischen Schicht und/oder einer oder mehreren Kompositfolien gebildet. Als Folie eignen sich z. B. kommerziell erhältliche Wär­ meleitfolien. Geeignete Keramikwerkstoffe enthalten z. B. Aluminiumnitrid, Berylliumoxid oder Aluminiumoxid.

Am bevorzugtesten ist die Zwischenschicht elektrisch isolierend und thermisch belastbar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, weist das Gehäuse zu­ mindest bereichsweise Kühlrippen auf, wobei die zumindest eine Stromschiene bevorzugt an einer Fläche des Gehäuses anliegt, welche nach außen hin Kühlrip­ pen aufweist.

Dementsprechend kann das Gehäuse durch eine vergrößerte Fläche eine bessere Abkühlung durch eine verbesserte Wärmedissipation gewährleisten, so daß der Wärmegradient zwischen Stromschiene(n) und Gehäuse verringert und somit die Abkühlung der Stromschienen verbessert wird.

Bevorzugt ist das Gehäuse aus geschwärztem Metall gebildet. Dementsprechend ist eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses bereitgestellt.

Weiterhin bevorzugt ist das Gehäuse nach innen im wesentlichen vollflächig mit der Zwischenschicht beschichtet.

Bevorzugt ist bzw. sind die Stromschiene(n) im wesentlichen flächig ausgebildet. Dementsprechend ist sowohl ein erhöhter Flächenkontakt mit dem Gehäuse und somit ein guter Wärmeabtransport als auch eine ausreichende elektrische Leit­ fähigkeit gleichzeitig möglich.

Vorteilhaft sind Mittel zum Andrücken bzw. Pressen der Stromschiene(n) an beziehungsweise in dem Gehäuse vorgesehen. Bevorzugt sind Verschraubungen; auch Federelemente oder temperaturbeständige Verklebungen oder Zemente können als Andruckmittel verwendet werden. Dementsprechend ist es möglich, eine entsprechende Flächenpressung auf die Stromschienen bereitzustellen, so daß bei jeder Temperatur ein guter thermischer Kontakt zwischen Stromschie­ ne(n) und Gehäuse und somit eine gute Abkühlung der Stromschiene(n) gewähr­ leistet ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Interfacevor­ richtung weiterhin Vorladungstromkreise für Zwischenkreiskondensatoren auf. Demenstprechend ist eine stromlose Aktivierung der Interfacebox, insbesondere des Schaltgerätes, vorteilhaft möglich.

Bevorzugt ist mindestens eine Schaltschütz zur zumindest einpoligen Freischal­ tung der Batterie, mindestens eine Schmelzsicherung zur Überstromabsicherung und/oder eine Einrichtung bzw. Mittel zur Schnittstellenaufbereitung für ein separates Batteriesteuergerät vorgesehen.

Am bevorzugtesten ist die Interfacevorrichtung unmittelbar an den Polen der Batterie und diese zumindest teilweise umschließend angeordnet bzw. anorden­ bar ist.

Gemäß der Erfindung ist weiterhin eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Interfacevorrichtung für ein Schaltgerät mit Stromschienen und Schaltschützen zur mindestens einpoligen Freischaltung einer in einem wärmeisolierenden Gehäuse eingeschlossenen Hochtemperaturbatterie aus Sekundärzellen oder Brennstoffzellen.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der beispielhaften Beschreibung eines Schaltgerätes als bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Interfacevorrichtung in bezug auf die Zeichnung her­ vorgehen, in der:

Fig. 1 in perspektivischer Aufsicht ein kastenförmiges Schaltgerät bzw. eine Interfacevorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungs­ form für den Anbau an eine Hochtemperaturbatterie für Elektrofahr­ zeuge nach Abnehmen des Deckels zeigt;

Fig. 2 die Interfacevorrichtung in der Untersicht bei abgenommenem Bo­ dendeckel und Wärmeleitfolie, also aus der Sicht der Kühlfläche, zeigt;

Fig. 3 die Wirksamkeit der Interfacevorrichtung anhand des gemessenen Temperaturverlaufs auf einer Stromschiene in Abhängigkeit vom Abstand von der Durchtrittsstelle der Poldurchführung durch das Isoliergehäuse zeigt; und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf die an einer Batterie angebrachten Interfacevorrichtung ist.

Fig. 1 und 4 zeigen in perspektivischer Aufsicht ein kastenförmiges Schaltge­ rät bzw. eine Interfacebox bzw. -vorrichtung für den Anbau an eine Hochtempe­ raturbatterie für Elektrofahrzeuge nach Abnehmen des Deckels (Fig. 1) sowie eine an einer Batterie angebrachte Interfacevorrichtung (Fig. 4). Die Interfacevor­ richtung weist ein Gehäuse 10 auf, welches bevorzugt aus schwarz eloxiertem Leichtmetall besteht. Das Gehäuse 10 enthält eine Keramikfassung 20 für zwei Polbolzen (nicht gezeigt) einer Batterie 140 (Fig. 4), die von Stromschienen 100 bzw. 110 getragen, zentrisch bzw. koaxial in Öffnungen 30 der Keramikfassung sitzen bzw. einsetzbar sind und die als Buchsen ausgeführten Pole der Poldurch­ führungen der Batterie 140 aufnehmen. Daran angrenzend sind ein Konnektorfeld 40 für die Sensoren, insbesondere die Temperatursensoren und/oder die Span­ nungssensoren bzw. -sonden, sowie eine Platine 50 mit einer Schaltung zur Vorladung der Zwischenkreiskondensatoren des Antriebs, und Schmelzsicherun­ gen 60 angeordnet. Die Verbindung bzw. das elektrische Interface zum Batterie- Management-System erfolgt über die seitlich angeordneten Stecker 70 bzw. 160. Zwei Schaltschütze 80 schalten die Leistungsabgabe an Leistungskabel 92 (Fig. 4) über Leistungskabelanschlüsse 90. Das Schaltgerät bzw. die Interface­ vorrichtung enthält ferner einen Shunt für die Strommessung bzw. einen System­ spannungsstecker 150.

Fig. 2 zeigt die Interfacebox in der Untersicht bei abgenommenem Bodendeckel und Wärmeleitfolie, also aus der Sicht der Kühlfläche. Man erkennt die beiden bandförmigen bzw. im wesentlichen flächigen Stromschienen 100 (Plus) und 110 (Minus), die z. B. in Stanzgittertechnik hergestellt sind und durch einen Isolierkanal 120 getrennt sind. Mit einer Kröpfung der negativen Schiene 110 sind die Minus-Kontakte 130 eines Schützes hergestellt.

Die Stromschienen 100 grenzen an eine in Fig. 2 nach oben weisende, hier nicht gezeigte Wärmeleitfolie z. B. aus glasfaserverstärktem Silikon (Dicke 0,2 mm, Typ WK von Fischer-Elektronik, Lüdenscheid), welche Teil einer Kühlfläche der Interfacevorrichtung für die Stromschiene(n) ist. Die Wärmeleitfolie grenzt ihrerseits zumindest bereichsweise an eine der Deckelöffnung gegenüberliegende große Basisfläche des Gehäuses 10, die nach außen Nuten bzw. Kühlrippen zur Verbesserung der Wärmeabgabe besitzt.

Die Fig. 3 zeigt die Wirksamkeit der Erfindung anhand des gemessenen Tempe­ raturverlaufs auf einer Stromschiene in Abhängigkeit vom Abstand von der Durchtrittsstelle der Poldurchführung durch das Isoliergehäuse. Die ungekühlte Stromschiene (gemäß dem Stand der Technik) erwärmt sich bis zu 40 K höher als die gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gekühlte.

Dementsprechend ist als Interfacevorrichtung bevorzugt ein Schaltgerät mit Stromschienen 100, 110 und Schaltschützen 80 zur mindestens einpoligen Freischaltung einer in einem wärmeisolierenden Gehäuse eingeschlossenen Hochtemperaturbatterie 140 aus Sekundärzellen oder Brennstoffzellen bereit­ gestellt, welches unmittelbar an den aus dem wärmeisolierenden Gehäuse nach außen tretenden Stromdurchführungen der Batterie 140 angeschlossen oder anschließbar ist und diese zumindest teilweise umschließt, wobei die Strom­ schienen 100, 110 innerhalb des Geräts großflächig einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Zwischenschicht anliegen, die ihrerseits großflächig einer nach außen verrippten Metallfläche anliegt, die eine der großen Außenflächen des Gerätes bzw. der Interfacevorrichtung bildet, und wobei bevorzugt neben der Schaltfunktion Mittel zur Schnittstellenaufbereitung für ein separates Batterie­ steuergerät beinhaltet.

Das Schaltgerät kann daher außerhalb des Isoliergehäuses unmittelbar über den elektrischen Poldurchführungen durch das Gehäuse 10 angebracht werden. "Über" heißt in diesem Falle nicht oberhalb, sondern die elektrischen Poldurch­ führungen wenigstens teilweise umschließend. Die kurze Distanz des Schaltge­ räts zur Batterie 140 in ihrem Isoliergehäuse reduziert EMV-Probleme (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) und gestattet außer dem Schalter die Unterbringung bzw. Zusammenfassung von weiteren Bauelementen, die zur Erfassung betrieblicher Meßgrößen der Batterie dienen. So muß z. B. die Batterie­ spannung möglichst dicht an der Batterie abgegriffen werden, und bevorzugt wird diese Aufgabe innerhalb des Schaltgeräts erfüllt. Im Schaltgerät werden bevorzugt auch ein Shunt für die Strommessung und die Zuleitungen zu Tempe­ ratursensoren in der Batterie 140, sowie von elektrischen Anschlüssen für die Batterieheizung angeordnet. Das Schaltgerät vermittelt so als Interface die Weitergabe von für die Überwachung und den Betrieb der Batterie benötigten Informationen bzw. Signalen an ein Batteriesteuergerät.

Während die obigen Ausführungen auch für Batterien stationärer Anlagen gelten, ergeben sich für die Schaltung von Batterien für Elektrofahrzeuge weitere Merk­ male der Interfacebox. Antriebe von Elektrostraßenfahrzeugen sind zur Glättung der gepulsten Ströme in der Regel mit sogenannten Zwischenkreiskondensatoren ausgestattet. Um bei betriebsmäßigen Schaltvorgängen nicht sehr hohe Ein­ schaltströme tolerieren zu müssen wird im Schaltgerät z. B. ein Relaiskontakt 80 vorgesehen, der über einen Widerstand Spannung auf den Zwischenkreiskonden­ sator schaltet, um ihn vorzuladen. Erst nach dem Vorladevorgang werden die Hauptkontakte des Schaltgerätes geschlossen. Dieses Verfahren ermöglicht die stromlose Aktivierung des Schaltgerätes und stellt somit erheblich geringere Anforderungen an das Kontaktmaterial.

In anderen Worten wird der Temperaturanstieg in dem Schaltgerät dadurch begrenzt, daß die Stromschienen 100, 110 im Schaltgerät ihre Wärme über eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Zwischenschicht an das Gehäuse 10 des Schaltgerätes abgeben. Dazu wird zwischen Gehäuse 10 und Stromschie­ ne(n) 100, 110 eine geeignete, möglichst großflächige Verbindung geschaffen, die bei ausreichender elektrischer Isolation eine möglichst hohe Wärmeleitung bietet. Die Verbindung kann als Folie, Gußmasse, Hülse und/oder fest haftende Schicht ausgebildet sein; durch konstruktive Maßnahmen wie Einbau von An­ druckelementen Gasdruck kann für eine Flächenpressung gesorgt werden, die unter allen Betriebstemperaturen für guten thermischen Kontakt zwischen Stromschienen und Gehäuse des Schaltgerätes sorgt.

Die Wärmeabgabe des Gehäuses 10 läßt sich in an sich bekannter Weise durch Anbringen von Kühlrippen erhöhen.

Bevorzugt wird die Ausführung des Gehäuses 10 der Interfacebox bzw. -vor­ richtung als Kasten aus geschwärztem Leichtmetall mit wenigstens einer nach außen gerippten großen Fläche, die nach innen vollflächig mit einer elektrisch isolierenden und thermisch belastbaren, wärmeleitenden Zwischenschicht belegt ist, auf welcher Schicht die Stromschienen 100, 110 und weitere zu kühlende Bauteile bzw. Schaltelemente in thermischem Kontakt angeordnet sind.

Je nach Temperaturbereich kommen als Materialien für die Zwischenschicht Silikone mit oder ohne Faserverstärkung, z. B. in Form kommerzieller Wärmeleit­ folien, oder keramische Schichten oder Kompositfolien, die mit Bindemitteln flexibilisiert sein können, in Betracht. Geeignete Keramikwerkstoffe enthalten z. B. Aluminiumnitrid, Berylliumoxid oder Aluminiumoxid. Die rechnerische Aus­ legung solcher Kühlsysteme ist z. B. für Leistungshalbleiter in dem Aufsatz "Wenn der Transistor ins Schwitzen kommt" von H. Rodriguez, Elektronikpraxis Nr. 8, August 1981, Seite 108-14, dargelegt. Dieser Aufsatz gibt auch einen Vergleich der Wärmewiderstände der für die Zwischenschicht in Frage kommen­ den Werkstoffe.

Claims (16)

1. Schnittstellenvorrichtung zur Freischaltung einer Hochtemperaturbatterie und/oder zur Weitergabe von für die Über­ wachung und den Betrieb einer Batterie (130) benötigten Signalen an ein Batteriesteuergerät, und ein Gehäuse (10), zumindest einen Leistungskabelanschluß (90) und zumindest einen Polanschluß (30) für zumindest einen Pol der Batterie (130) aufweist,
wobei zumindest eine Stromschiene (100; 110) zwischen Polanschluß (30) und Leistungskabelanschluß (90) angeordnet ist und diese elektrisch verbin­ det, und
wobei die zumindest eine Stromschiene (100; 110) und das Gehäuse (10) zumindest bereichsweise über eine Zwischenschicht thermisch gekoppelt sind.

2. Schnittstellenvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Zwischenschicht eine Gußmasse, eine Folie, eine Hülse und/oder eine an dem Gehäuse (10) fest haftende Schicht aufweist.

3. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht aus einer Sili­ konfolie, einer faserverstärkte Silikonfolie, einer keramischen Schicht und/oder einer oder mehreren Kompositfolien gebildet ist.

4. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zwischenschicht elektrisch isolierend und thermisch belastbar ist.

5. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (10) zumindest be­ reichsweise Kühlrippen aufweist, wobei die zumindest eine Stromschiene (100; 110) bevorzugt an einer Fläche des Gehäuses (10) anliegt, welche nach außen hin Kühlrippen aufweist.

6. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (10) aus geschwärztem Metall gebildet ist.

7. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (10) nach innen im wesentlichen vollflächig mit der Zwischenschicht beschichtet ist.

8. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stromschiene(n) (100; 110) im wesentlichen flächig ausgebildet ist bzw. sind.

9. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei ein oder mehrere Andruckelemente zum Andrücken der Stromschiene(n) (100; 110) an dem Gehäuse (10) vorgesehen sind.

10. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, welche weiterhin Vorladungstromkreise (50) für Zwischenkreiskondensatoren aufweist.

11. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Schaltschütz (80) zur zumindest einpoligen Freischaltung der Batterie (130) vorgesehen ist.

12. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Schmelzsicherung (60) zur Überstromabsicherung vorgesehen ist.

13. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei Mittel zur Schnittstellenaufbereitung für ein separates Batteriesteuergerät vorgesehen sind.

14. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, welche unmittelbar an den Polen der Batte­ rie (130) und diese zumindest teilweise umschließend anordenbar ist.

15. Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, welche bevorzugt unmittelbar an Batteriepolen der Batterie anbringbar ist.

16. Verwendung einer Schnittstellenvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche für ein Schaltgerät mit Stromschienen (100, 110) und Schaltschützen (80) zur mindestens einpoligen Freischaltung einer in einem wärmeisolierenden Gehäuse eingeschlossenen Hochtemperaturbatterie (130) aus Sekundärzellen oder Brennstoffzellen.