EP4139984A1 - Kühlsystem für stromschienen - Google Patents

Kühlsystem für stromschienen

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Publication number
EP4139984A1
EP4139984A1 EP21716131.4A EP21716131A EP4139984A1 EP 4139984 A1 EP4139984 A1 EP 4139984A1 EP 21716131 A EP21716131 A EP 21716131A EP 4139984 A1 EP4139984 A1 EP 4139984A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
busbar
cooling system
heat conducting
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21716131.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Scharkowski
Jens DÖREN
Martin Schloms
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Auto Kabel Management GmbH
Original Assignee
Auto Kabel Management GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Auto Kabel Management GmbH filed Critical Auto Kabel Management GmbH
Publication of EP4139984A1 publication Critical patent/EP4139984A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G5/00—Installations of bus-bars
    • H02G5/10—Cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
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    • H01M10/6551—Surfaces specially adapted for heat dissipation or radiation, e.g. fins or coatings
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    • H01M10/6567—Liquids
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/218—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by the material
    • H01M50/22—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by the material of the casings or racks
    • H01M50/222—Inorganic material
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the subject matter relates to a cooling system for busbars, in particular for busbars that are used as cell connectors or module connectors for batteries, in particular in automotive applications.
  • Busbars are increasingly being used in automotive applications. Busbars have the advantage that they have a good current carrying capacity and can be fitted very well into existing installation spaces. Busbars are used in particular for cables that must have a high current carrying capacity. Such lines are formed with conductor cross-sections of over 16mm 2 , preferably up to 250mm 2 and more. Depending on the area of application, the busbars have a current carrying capacity of 100A to several 100A, which leads to high ohmic losses even with high conductivities of the busbars. The ohmic losses lead to Jöulean heat, which must be dissipated in order to protect the conductors from damage.
  • the disadvantage here is that, due to the necessary electrical safety, the busbars are usually surrounded by an electrical insulator, which is also a heat insulator at the same time. If the Joulean heat is only to be dissipated via convection, this is particularly problematic when an objective busbar is used in a narrow housing, such as a battery or a battery module. The object of the object was therefore to improve the durability of busbars when used in high-current lines.
  • An objective busbar is formed, for example, from aluminum or an aluminum alloy or copper or a copper alloy.
  • the busbar generally has an angular conductor cross-section, in particular a square or rectangular conductor cross-section.
  • the busbar can be formed as a flat part and, for example, be cut or punched from a sheet metal or strip or be extruded from a primary material.
  • an objective busbar is in particular in automotive applications. This can in particular be used when connecting batteries, be it traction batteries, backup batteries or other batteries in the vehicle.
  • Batteries in the objective sense can be battery cells that are connected to one another.
  • a single cell for example a lithium-ion cell, is connected in parallel and / or in series with a large number of other cells and forms a battery module.
  • Several cells are encapsulated in a common housing within a battery module. The individual cells can be connected to one another via a physical busbar.
  • Batteries in the objective sense can also be battery modules.
  • An objective busbar can be formed to connect battery modules to one another or from a battery module to an electrical consumer or a connection part. As already mentioned, a large number of battery cells are combined to form a battery module.
  • Each individual module can be enclosed in its own housing.
  • a plurality of modules can in turn be housed in their own housing.
  • the modules are connected to one another in series and / or in parallel.
  • the modules can be connected to one another or to other elements using an actual busbar.
  • an objective busbar is used as a so-called “Energy Backbone®”, in particular for the connection between a drive battery and an electric motor.
  • a busbar can for example also be felt in a housing, for example a cable duct.
  • a cable duct can be prescribed in particular to increase electrical safety.
  • the busbar is exposed to high electrical loads during operation. Currents of 100A and more flow through the busbar. These high currents lead to high ohmic losses and thus great Joule heat that has to be dissipated.
  • the subject busbar is connected to a first connection area with at least one pole of a battery cell or a battery module.
  • the busbar In the case of a cell connector, the busbar is connected to a second connection area with a pole of a second battery cell. In the case of a module connector, the busbar is connected to a second connection area with a pole of a second battery module or with an electrical connection part.
  • the busbar as an “energy backbone” can be connected with its second connection area to an electrical contact area, for example an electrical component, an electric motor, a convenience consumer in a vehicle or the like.
  • the first and second connection areas of the busbar are preferably located at the distal ends of the busbar.
  • the connection areas lie in particular on the wide surfaces of the busbar, which are enclosed by a front edge and two mutually opposite longitudinal edges of the busbar.
  • the connection areas of the busbar are connected to the battery and / or the contact area in a conventional manner. In particular, screw connections, clamp connections, soldered connections, welded connections, in particular ultrasonic welded connections, friction stir welded connections, resistance welded connections or the like are used.
  • the busbar is at least partially sheathed with an insulator between the connection areas.
  • the insulator is preferably PE » PVC or silicone.
  • a gel-shaped heat conducting agent is applied directly to the surface of the busbar on a side facing away from the pole.
  • Gel-like in the present sense can also mean pasty.
  • the thermal conductivity agent has a higher thermal conductivity than air and means that the Joule heat can be dissipated from the conductor rail.
  • the heat conducting agent is preferably applied in such a way that the absorbed Joule heat can be given off to the environment over a larger surface than the surface on which it is applied to the conductor rail.
  • the heat-conducting medium have a viscosity between 25 Pas and 130 Pas.
  • the heat conducting means have a higher thermal conductivity than air, at least twice or three times the thermal conductivity of air. It is also proposed that the thermal conductivity be between 2W / mK and 12W / mK. It has been found that a thermal conductivity of 6 W / m K is particularly advantageous for the applications in question, since this is sufficient to adequately dissipate the Joule heat that occurs.
  • the heat can be dissipated passively or actively.
  • the heat conducting means is connected to a passive heat exchanger.
  • the heat conducting means be in direct contact with a passive heat exchanger.
  • the heat conducting means is clamped between the busbar and the heat exchanger.
  • the heat exchanger can be a housing wall or part of a housing wall.
  • a housing wall can also be a housing cover.
  • the battery cells or battery modules are encapsulated in a common housing and that at least one housing wall is in direct contact with the heat conducting means. It is possible to use the housing or a housing wall itself as a passive heat exchanger. It is proposed that at least one housing wall comes into direct contact with the heat conducting means in the assembled state of the housing. It is then possible to transfer the heat absorbed by the busbar to the housing wall via the heat conducting means. The heat can then be released from the housing wall out of the housing to the environment.
  • the housing be formed from a metallic material in the area in which its wall is in direct contact with the heat conducting means.
  • the heat conducting means itself can be an electrical insulator.
  • the heat-conducting means then produces insulation between the connection area of the busbar and the housing.
  • at least one area of the housing that is in direct contact with the heat conducting means is formed from a metallic material.
  • Metallic materials have good thermal conductivity, so that they can be used to transport the dissipated thermal energy to the outside of the housing particularly well.
  • a rib-shaped heat sink is arranged on the housing wall, which is in direct contact with the Heat conducting means.
  • a heat sink has a structure that has a particularly large surface area for a given volume, so that a particularly large amount of thermal energy can be released into the air via the surface.
  • the heat conducting means be guided through a housing opening to the outside of the housing.
  • the housing can have a recess and the heat conducting means can be guided from the inside to the outside through this recess.
  • a large area can be coated with heat conducting agent, this area being larger than the area in which the heat conducting agent is in contact with the busbar.
  • the heat transfer agent itself can act as a passive heat sink. Since the heat conducting agent is electrically insulating, it electrically seals the housing. The heat conducting medium itself thus forms the heat sink on the outside of the housing.
  • active cooling be provided.
  • a pipeline with a liquid or gaseous cooling medium is introduced into the housing.
  • the introduction into the housing can be gas-tight and / or liquid-tight, so that the batteries / cells built into the housing are protected from environmental influences.
  • the pipeline in particular the outer jacket surface of the pipeline, is in direct contact with the heat conducting medium.
  • the pipeline can also be passed through the heat conduction means.
  • the cooling medium flowing through the pipeline absorbs thermal energy from the heat conducting medium and leads it to the outside of the housing.
  • the cooling medium circulates in the pipeline and is routed outside the housing to an active heat exchanger.
  • the busbar can be a battery module connector.
  • the first pole can be a pole of a first battery module with a plurality of battery cells connected electrically in parallel and the second pole can be a pole of a second battery module with a plurality of battery cells connected electrically in parallel.
  • the busbar has an area between the two connection areas as a connection area and / or cooling area, the insulation being removed in this area and the heat conducting agent being applied directly to the area.
  • the heat conducting means and the arrangement of the heat conducting means in, on and outside of the housing can be as described above.
  • the heat conducting agent have an electrical conductivity of less than 10 -8 S / m.
  • FIG. 1 shows a busbar according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a plan view of a housing of a battery
  • FIG. 4 shows a section through a housing cover of a battery according to a
  • Embodiment shows a section through a cover of a housing of a battery according to an exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic view of an active cooling system according to one
  • the busbar 2 is formed as a flat conductor with a conductive conductor core 2a and an insulation 2b surrounding the core.
  • the busbar 2 has a rectangular conductor profile with two opposite wide surfaces, two opposite narrow surfaces and two opposite end faces.
  • the surfaces preferably run parallel to one another, the wide and narrow surfaces running parallel to one another in the longitudinal direction and the end faces being able to run parallel to one another transversely to the longitudinal direction.
  • the busbar 2 is formed by sections in which the conductor core 2a is free of the insulation 2b and in sections in which the insulation 2b surrounds the conductor core 2a.
  • the dissipation of heat by convection on the surface of the busbar 2 is prevented by the insulator 2b. This is particularly relevant when the busbar 2 is used for high-current applications.
  • the insulation 2b is removed from the conductor core 2a with its connection areas 4, 6, which are e.g.
  • FIG. 2a shows a battery 8 with a housing 10.
  • battery cells 12 are arranged next to one another.
  • the battery cells 12 have respective poles 14.
  • a busbar 2 is connected with its connection areas 4, 6 to a respective pole 14 of the battery cells 12, in particular connected in a materially bonded manner.
  • the busbar 2 can have further areas in which the insulator 2b is removed; this is, for example, a central connection area 5 of the busbar 2.
  • a heat conducting agent 16 be applied directly to the conductor rail in the respective connection areas 4, 5, 6.
  • the heat conducting agent 16 can be gel-like or pasty. At operating temperature, e.g. between -10 ° C and + 70 ° C, the heat conducting agent 16 has a non-liquid viscosity and is therefore dimensionally stable.
  • the heat conducting agent 16 is applied to the conductor core 2a in the connection areas 4, 5, 6 on the surface facing away from the respective poles 14.
  • the Joule heat can be transported away from the busbar 2 and in particular into the housing 10 or out of the housing 10 via the heat conducting means 16.
  • FIG. 2b shows a further exemplary embodiment of a battery 8 with a housing 10.
  • the battery 8 is formed from battery modules 20, each of which has at least one pole 14. It is also possible, but not shown, for only one pole 14 of a battery module 20 to be provided and for the busbar 2 to be guided out of the housing 10 and, for example, to be connected to a further electrical conductor.
  • the busbar 2 is connected to a connection area 6 with a pole 14 and a connection area 4 with a pole 14. It is also possible that the connection area 4 is connected to a connection of a further electrical device, a cable or the like.
  • the heat conducting agent 16 is physically applied on the opposite side of the conductor core 2a, on which the conductor core 2a is not connected to the pole 14 or the further electrical component.
  • the heat conducting means 16 is in direct contact with the conductor core 2a on the one hand and with the inner wall of the housing 10 on the other hand. Heat can be transported from the conductor core 2a to the housing 10 via this.
  • FIG 3 shows a plan view of a housing 10, in particular a housing cover.
  • the housing wall of the housing 10 shown has different areas, areas being provided in which a heat-conducting material is let into the housing wall.
  • This thermally conductive material can be metallic, for example.
  • the housing wall can be perforated by a metallic strip 22.
  • the metallic strip 22 can extend over the width and / or length of the housing wall of the housing 10.
  • the metallic strip 22 is in direct contact with the heat conducting means 16, which is in direct contact on the other side with the connection areas 4, 6 of the busbar 2.
  • the heat-conducting material 16 is electrically non-conductive and forms an insulator between the pole 14 and the metallic band 22. In particular, good heat transport can take place via the metallic band 22 from the interior of the housing 10 to the exterior of the housing 10.
  • the busbar 2 with its connection areas 4, 6 in the interior of the housing 10 it is also possible for the busbar 2 with its connection areas 4, 6 in the interior of the housing 10 to be in direct contact with the heat conducting means 16.
  • the heat conducting means 16 is arranged on the side of the connection areas 4, 6 facing away from the poles 14.
  • the heat conducting means 16 is guided through the housing wall of the housing 10, for example a recess, as shown in FIG. 4.
  • the heat conducting agent 16 is thus guided from the inside of the housing 10 to the outside of the housing 10.
  • the heat conduction agent 16 can, for example, be applied over a large area, in particular over an area that is larger than the recess in the housing wall of the housing 10 through which the heat conduction agent 16 is led to the outside. Good heat transport can be achieved via this enlarged surface.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment in which the busbar 2 is in direct contact with the pole 14 and the heat conducting means 16 in the interior of the housing 10.
  • the metallic strips 22 in the housing wall of the housing 10 connect the heat conducting means 16 to the outside of the housing 10.
  • a heat sink 24, for example a rib-shaped heat sink 24, can be arranged directly on the metallic strips 22, via which convection is possible.
  • heat pipe 26 is routed inside the housing 10.
  • the heat pipe 26 is routed into the interior of the housing 10 in a sealed manner heat pipe 26.
  • the flow direction 28 can be influenced by a motor with heat exchanger 30. At the motor / heat exchanger 30, heat is extracted from the refrigerant and given off to the environment.
  • the heat conducting means 16 is provided on the busbar 2 in each of the connection areas 4, 6.
  • the heat pipe 26 can be guided through the heat conducting means 16 or directly adjacent to the heat conducting means 26 in the housing 10. Through the refrigerant in the heat pipe 26, the heat can be transported from the heat conducting means 16 out of the interior of the housing 10 and exchanged there with the environment via the heat exchanger 30. With the help of the solution shown, it is possible to dissipate " Joule heat from busbars " which are used to connect battery cells or battery modules particularly effectively.

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Abstract

Kühl System für Stromschienen, insbesondere Zellverbinder oder Modulverbinder von Batterien, umfassend eine Stromschiene mit einem ersten Anschlussbereich für einen Pol einer ersten Batterie, einem zweiten Anschlussbereich für einen Anschluss einer elektrischen Komponente, einer zwischen den Anschlussbereichen, die Stromschiene ummantelnde Isolation, wobei die Stromschiene zumindest in den beiden Anschlussbereichen frei von der Isolation ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Pol abgewandten Seite zumindest eines der Anschlussbereiche unmittelbar auf der Oberfläche der Stromschiene ein gelförmiges Wärmeleitmittel aufgebracht ist.

Description

Kühlsystem für Stromschienen
Der Gegenstand betrifft ein Kühlsystem für Stromschienen, insbesondere für Stromschienen, die als Zellverbinder oder Modulverbinder von Batterien eingesetzt werden, insbesondere in automotiven Anwendungen.
Stromschienen kommen vermehrt in automotiven Anwendungen zum Einsatz. Stromschienen haben den Vorteil, dass sie eine gute Stromtragfähigkeit besitzen und in vorhandene Bauräumen sehr gut eingepasst werden können. Stromschienen werden insbesondere bei Leitungen eingesetzt, die eine hohe Stromtragfähigkeit haben müssen. Solche Leitungen sind mit Leiterquerschnitten von über 16mm2, bevorzugt bis zu 250mm2 und mehr gebildet. Je nach Einsatzgebiet haben die Stromschienen eine Stromtragfahigkeit von 100A bis mehreren 100A, was zu hohen ohmschen Verlusten auch bei hohen Leitfähigkeiten der Stromschienen führt. Die ohmschen Verluste führen zu jöulescher Wärme, die zwingend abgeführt werden muss, um die Leiter vor Beschädigung zu schützen. Nachteilig ist dabei jedoch, dass die Stromschienen aufgrund der notwendigen elektrischen Sicherheit in der Regel mit einem elektrischen Isolator umgeben sind, der gleichzeitig auch ein Wärmeisolator ist. Soll die joulesche Wärme nur über Konvektion abgeführt werden, ist dies insbesondere dann problematisch, wenn eine gegenständliche Stromschiene in einem engen Gehäuse, wie beispielsweise einer Batterie oder einem Batteriemodul, zum Einsatz kommt. Dem Gegenstand lag daher die Aufgabe zugrunde, die Haltbarkeit von Stromschienen bei Einsatz in Hochstromleitungen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Kühl System nach Anspruch 1 gelöst Eine gegenständliche Stromschiene ist beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet. Die Stromschiene hat in der Regel einen eckigen Leiterquerschnitt, insbesondere einen quadratischen oder rechteckigen Leiterquerschnitt. Die Stromschiene kann als Flachteil gebildet sein und beispielsweise aus einem Blech oder Band geschnitten oder gestanzt sein oder aus einem Vormaterial extrudiert sein.
Der Einsatzbereich einer gegenständlichen Stromschiene liegt insbesondere in automotiven Anwendungen. Dies kann insbesondere der Einsatz bei der Verbindung von Batterien, sei es Antriebsbatterien, Stützbatterien oder sonstigen Batterien im Fahrzeug sein. Batterien im gegenständlichen Sinne können Batteriezellen sein, die untereinander verbunden sind. Eine einzelne Zelle, beispielsweise eine Lithium- Ionen-Zelle, ist mit einer Vielzahl weiterer Zellen parallel und/oder in Reihe verschaltet und bildet ein Batteriemodul. Innerhalb eines Batteriemoduls sind jeweils mehrere Zellen in einem gemeinsamen Gehäuse gekapselt. Die einzelnen Zellen können über eine gegenständliche Stromschiene miteinander verbunden sein.
Batterien im gegenständlichen Sinne können auch Batteriemodule sein. Eine gegenständliche Stromschiene kann zur Verbindung von Batteriemodulen untereinander oder von einem Batteriemodul mit einem elektrischen Verbraucher oder einem Anschlussteil gebildet sein. Wie bereits erwähnt, ist eine Vielzahl von Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst. Jedes einzelne Modul kann in einem eigenen Gehäuse eingehaust sein. Eine Mehrzahl an Modulen kann wiederum in einem eigenen Gehäuse eingehaust sein. Die Module sind untereinander in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden. Die Verbindung der Module untereinander oder mit weiteren Elementen kann mit einer gegenständlichen Stromschiene erfolgen.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass eine gegenständliche Stromschiene als sogenannter „Energy Backbone®" insbesondere für die Verbindung zwischen einer Antriebsbatterie und einem Elektromotor eingesetzt wird. Eine solche Stromschiene kann beispielsweise ebenfalls in einem Gehäuse, beispielsweise einem Kabelkanal gefühlt sein. Ein Kabelkanal kann insbesondere zur Erhöhung der elektrischen Sicherheit vorgeschrieben sein. · In all diesen genannten Anwendungen wird die Stromschiene im Betrieb hohen elektrischen Belastungen ausgesetzt. Über die Stromschiene fließen Ströme von 100A und mehr. Diese hohen Ströme fuhren zu hohen ohmschen Verlusten und somit großer joulescher Wärme, die abgeführt werden muss. Die gegenständliche Stromschiene ist mit einem ersten Anschlussbereich mit zumindest einem Pol einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls verbunden. Im Falle eines Zellverbinders ist die Stromschiene mit einem zweiten Anschlussbereich mit einem Pol einer zweiten Batteriezelle verbunden. Im Falle eines Modulverbinders ist die Stromschiene mit einem zweiten Anschlussbereich mit einem Pol eines zweiten Batteriemoduls oder mit einem elektrischen Anschlussteil verbunden. Im diesem Falle kann die Stromschiene als „Energy Backbone" mit ihrem zweiten Anschlussbereich mit einem elektrischen Kontaktbereich beispielsweise eines elektrischen Bauteils, eines Elektromotors, eines Komfortverbrauchers in einem Fahrzeug oder dergleichen verbunden sein.
Der erste und zweite Anschlussbereich der Stromschiene liegen bevorzugt an distalen Enden der Stromschiene. Die Anschlussbereiche liegen insbesondere auf den breiten Oberflächen der Stromschiene, die durch eine Stirnkante und zwei einander gegenüberliegende Längskanten der Stromschiene umschlossen sind. Die Stromschiene wird mit ihren Anschlussbereichen in herkömmlicher Art und Weise mit der Batterie und/oder dem Kontaktbereich verbunden. Dabei kommen insbesondere Schraubverbindungen, Klemmverbindungen, Lötverbindungen, Schweißverbindungen, insbesondere Ultraschallschweißverbindungen, Rührreibschweißverbindungen, Widerstandsschweißverbindungen oder dergleichen zum Einsatz. Zwischen den Anschlussbereichen ist die Stromschiene zumindest teilweise mit einem Isolator ummantelt. Der Isolator ist bevorzugt PE» PVC oder Silikon.
Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr, insbesondere zur Erhöhung der Wärmeabfuhr gegenüber reiner Konvektion an Luft, wird vorgeschlagen, dass auf einer dem Pol abgewandten Seite zumindest eines der Anschlussbereiche unmittelbar auf der Oberfläche der Stromschiene ein gelförmiges Wärmeleitmittel aufgebracht ist. Gelförmig im vorliegenden Sinne kann auch pastös bedeuten. Das Wärmeleitmittel hat eine gegenüber Luft erhöhte Wärmeleitfähigkeit und führt dazu, dass die joulesche Wärme von der Stromschiene abgeführt werden kann. Das Wärmeleitmittel ist bevorzugt so aufgetragen, dass die aufgenommene joulesche Wärme über eine größere Oberfläche, als die Oberfläche, auf der es auf der Stromschiene aufgetragen ist, an die Umgebung abgegeben werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Wärmeleitmittel eine Viskosität zwischen 25 Pas und 130 Pas hat.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Wärmeleitmittel eine gegenüber Luft erhöhte Wärmeleitfähigkeit, zumindest die doppelte oder dreifache Wärmeleitfähigkeit von Luft hat. Es wird darüber hinaus auch vorgeschlagen, dass die Wärmeleitfähigkeit zwischen 2W/mK und 12W/mK liegt. Es hat sich herausgestellt, dass für die gegenständlichen Anwendungen eine Wärmeleitfähigkeit von 6 W/m K besonders vorteilhaft ist, da diese ausreichend ist, die entstehende joulesche Wärme hinreichend abzuführen.
Die Wärmeabfuhr kann passiv oder aktiv erfolgen. Im Falle einer passiven Wärmeabfuhr ist das Wärmeleitmittel mit einem passiven Wärmetauscher verbunden. Es wird gemäß einem Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, dass das Wärmeleitmittel in unmittelbarem Kontakt mit einem passiven Wärmetauscher ist. Insbesondere ist das Wärmeleitmittel zwischen der Stromschiene und dem Wärmetauscher eingeklemmt. Beispielsweise ist es möglich, bei der Montage eines Gehäuse, beispielsweise eines Modulverbinders, auf die Stromschiene das Wärmeleitmittel aufzutragen und anschließend das Gehäuse zu verschließen, wobei durch den Verschluss der Wärmetauscher gegen das Wärmeleitmittel gedrückt wird.
Der Wärmetauscher kann gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Gehäusewand oder ein Teil einer Gehäusewand. Eine Gehäusewand kann auch ein Gehäusedeckel sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Batteriezellen oder Batteriemodule in einem gemeinsamen Gehäuse gekapselt sind und dass zumindest eine Gehäusewand in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeleitmittel ist. Es ist möglich, das Gehäuse oder eine Gehäusewand selbst als passiven Wärmetauscher einzusetzen. Es wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Gehäusewand im montierten Zustand des Gehäuses in unmittelbaren Kontakt mit dem Wärmeleitmittel kommt. Dann ist es möglich, die von der Stromschiene aufgenommene Wärme über das Wärmeleitmittel an die Gehäusewand abzugeben. Von der Gehäusewand kann die Wärme dann aus dem Gehäuse heraus an die Umgebung abgegeben werden.
Um die Wärmeleitfähigkeit aus dem Gehäuse heraus zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse in dem Bereich, in dem seine Wand in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeleitmittel ist, aus einem metallischen Material gebildet ist. Das Wärmeleitmittel selbst kann ein elektrischer Isolator sein. Dann stellt das Wärmeleitmittel eine Isolation zwischen dem Anschlussbereich der Stromschiene und dem Gehäuse her. Um die joulesche Wärme an die Außenseite des Gehäuses zu transportieren, hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest ein Bereich des Gehäuses, der in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeleitmittel ist, aus einem metallischen Material gebildet ist. Metallische Materialien besitzen eine gute Wärmeleitfähigkeit, sodass mit diesen die abgeführte Wärmeenergie besonders gut zur Außenseite des Gehäuses transportiert werden kann.
Um an der Außenseite des Gehäuses eine gute Konvektion zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass an der Gehäusewand, die in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeleitmittel ist, ein rippenförmiger Kühlkörper angeordnet ist. Ein solcher Kühlkörper hat eine Struktur, die bei gegebenem Volumen eine besonders große Oberfläche hat, sodass über die Oberfläche besonders viel Wärmeenergie an die Luft abgegeben werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Wärmeleitmittel durch eine Gehäuseöffnung zur Außenseite des Gehäuses geführt ist. Das Gehäuse kann eine Ausnehmung haben und durch diese Ausnehmung kann das Wärmeleitmittel von innen nach außen geführt sein. Auf der Außenseite des Gehäuses kann beispielsweise ein großflächiger Bereich mit Wärmeleitmittel beschichtet sein, wobei dieser Bereich größer ist, als der Bereich, in dem das Wärmeleitmittel an der Stromschiene anliegt. Dann kann das Wärmeleitmittel selbst als passiver Kühlkörper agieren. Da das Wärmeleitmittel elektrisch isolierend ist, dichtet es das Gehäuse elektrisch ab. Das Wärmeleitmittel selbst bildet somit den Kühlkörper an der Außenseite des Gehäuses.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass eine aktive Kühlung vorgesehen ist. Hierzu wird vorgeschlagen, dass eine Rohrleitung mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium in das Gehäuse eingeführt ist. Die Einführung in das Gehäuse kann dabei gasdicht und/oder flüssigkeitsdicht sein, so dass die in dem Gehäuse verbauten Batterien/Zellen vor Umwelteinflüssen geschützt sind innerhalb des Gehäuses ist die Rohrleitung unmittelbar an dem Wärmeleitmittel vorbeigeführt. Das bedeutet, dass die Rohrleitung, insbesondere die äußere Mantelfläche der Rohrleitung, in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeleitmittel ist. Auch kann die Rohrleitung durch das Wärmeleitmittel hindurch geführt sein. Dass durch die Rohrleitung strömende Kühlmedium nimmt thermische Energie von dem Wärmeleitmittel auf und führt es zur Außenseite des Gehäuses. Das Kühlmedium ist zirkulierend in der Rohrleitung geführt und wird außerhalb des Gehäuses zu einem aktiven Wärmetauscher geführt. An dem Wärmetauscher kann ein Austausch von thermischer Energie erfolgen, sodass mittels des Kühlmediums Wärmeenergie aus dem Gehäuse heraus geführt werden kann. Wie bereits erläutert, kann die Stromschiene ein Batteriemodulverbinder sein. In diesem Fall kann der erste Pol ein Pol eines ersten Batteriemoduls mit einer Mehrzahl elektrisch parallel geschalteter Batteriezellen sein und der zweite Pol ein Pol eines zweiten Batteriemoduls mit einer Mehrzahl elektrisch parallel geschalteten Batteriezellen.
Es kann notwendig sein, im Verlauf der Stromschiene weitere thermische Energie abzuführen. Aus diesem Grunde wird vorgeschlagen, dass die Stromschiene zwischen den beiden Anschlussbereichen einen Bereich als Anschlussbereich und/oder Kühlbereich aufweist, wobei in diesem Bereich die Isolation entfernt ist und das Wärmeleitmittel unmittelbar auf den Bereich aufgebracht ist. Das Wärmeleitmittel sowie die Anordnung des Wärmeleitmittels in, an und außerhalb des Gehäuses kann entsprechend der obigen Ausführungen sein.
Für eine elektrische Isolation wird vorgeschlagen, dass das Wärmeleitmittel eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als IO-8 S/m hat.
Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Stromschiene gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2a, b Kühlsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Gehäuse einer Batterie;
Fig. 4 einen Schnitt durch einen Gehäusedeckel einer Batterie gemäß einem
Ausführungsbeispiel; Fig. 5 einen Schnitt durch einen Deckel eines Gehäuses einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines aktiven Kühlsystems gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt eine Stromschiene 2. Die Stromschiene 2 ist als Flachleiter mit einem leitenden Leiterkern 2a und einer den Kern umgebenden Isolation 2b gebildet.
Zu erkennen ist, dass die Stromschiene 2 ein rechteckiges Leiterprofil mit zwei einander gegenüber liegenden breiten Oberflächen, zwei einander gegenüber liegenden schmalen Oberflächen sowie zwei einander gegenüber liegenden Stirnflächen hat. Die Flächen verlaufen vorzugsweise parallel zueinander, wobei die breiten und schmalen Flächen in Längsrichtung parallel zueinander verlaufen und die Stirnflächen quer zur Längsrichtung parallel zueinander verlaufen können.
Die Stromschiene 2 ist durch Abschnitte, in denen der Leiterkern 2a frei von der Isolation 2b ist und in Abschnitte, in denen die Isolation 2b den Leiterkern 2a umgibt gebildet. Durch den Isolator 2b ist eine Wärmeabfuhr durch Konvektion an der Oberfläche der Stromschiene 2 behindert. Dies ist insbesondere dann von Relevanz, wenn die Stromschiene 2 für Hochstromanwendungen zum Einsatz kommt. In diesem Fall wird der Leiterkern 2a mit seinen Anschlussbereichen 4, 6, die z.B. an jeweils distalen Enden der Stromschiene 2 im Bereich der Stirnflächen liegen, von der Isolation 2b befreit und wie nachfolgend gezeigt werden wird an Pole einer Batterie angeschlossen.
Fig. 2a zeigt eine Batterie 8 mit einem Gehäuse 10. Innerhalb des Gehäuses 10 sind Batteriezellen 12 nebeneinander angeordnet. Die Batteriezellen 12 haben jeweilige Pole 14. Bei einem gegenständlichen Kühlsystem ist eine Stromschiene 2 mit ihren Anschlussbereichen 4, 6 mit jeweils einem Pol 14 der Batteriezellen 12 verbunden, insbesondere stoffschlüssig verbunden. Neben den Anschlussbereichen 4, 6 kann die Stromschiene 2 weitere Bereiche aufweisen, in denen der Isolator 2b entfernt ist, dies ist beispielsweise ein mittiger Anschlussbereich 5 der Stromschiene 2.
Wenn die Stromschiene 2 die Ströme der Batteriezellen 12 leitet, können hohe Ströme auftreten und die Stromschiene 2 kann sich aufwärmen. Um die erzeugte joulesche Wärme abführen zu können, wird vorgeschlagen, dass unmittelbar auf der Stromschiene in den jeweiligen Anschlussbereichen 4, 5, 6 ein Wärmeleitmittel 16 aufgetragen ist. Das Wärmeleitmittel 16 kann gelförmig oder pastös sein. Bei Betriebstemperatur, z.B. zwischen -10°C und +70°C, hat das Wärmeleitmittel 16 eine nicht flüssige Viskosität und ist somit formstabil.
Das Wärmeleitmittel 16 ist auf den Leiterkern 2a in den Anschlussbereichen 4, 5, 6 auf der den jeweiligen Polen 14 abgewandten Oberfläche aufgetragen. Über das Wärmeleitmittel 16 kann die joulesche Wärme von der Stromschiene 2 weg und insbesondere in das Gehäuse 10 oder aus dem Gehäuse 10 heraus transportiert werden.
Fig. 2b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Batterie 8 mit einem Gehäuse 10. Hier ist die Batterie 8 aus Batteriemodulen 20 gebildet, die jeweils zumindest einen Pol 14 haben. Auch ist es möglich, jedoch nicht dargestellt, dass nur ein Pol 14 eines Batteriemoduls 20 vorgesehen ist und die Stromschiene 2 aus dem Gehäuse 10 heraus geführt ist und beispielsweise mit einem weiteren elektrischen Leiter verbunden ist.
Die Stromschiene 2 ist mit einem Anschlussbereich 6 mit einem Pol 14 und einem Anschlussbereich 4 mit einem Pol 14 verbunden. Auch ist es möglich, dass der Anschlussbereich 4 mit einem Anschluss eines weiteren elektrischen Gerätes, einem Kabel oder dergleichen verbunden ist. Auf der jeweils gegenüber liegenden Seite des Leiterkerns 2a, auf der der Leiterkern 2a nicht mit dem Pol 14 oder dem weiteren elektrischen Bauteil verbunden ist, wird gegenständlich das Wärmeleitmittel 16 aufgebracht. Das Wärmeleitmittel 16 ist gemäß der Fig. 2b in unmittelbaren Kontakt einerseits mit dem Leiterkern 2a und andererseits mit der Innenwand des Gehäuses 10. Hierüber kann ein Wärmetransport von dem Leiterkern 2a zu dem Gehäuse 10 erfolgen.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Gehäuse 10, insbesondere einen Gehäusedeckel. Zu erkennen ist, dass die gezeigte Gehäusewand des Gehäuses 10 verschiedene Bereiche aufweist, wobei Bereiche vorgesehen sind, in denen ein Wärmeleitmaterial in die Gehäusewand eingelassen ist. Dieses Wärmeleitmaterial kann beispielsweise metallisch sein. Insbesondere kann die Gehäusewand von einem metallischen Streifen 22 durchbrochen sein. Der metallische Streifen 22 kann sich über die Breite und/oder Länge der Gehäusewand des Gehäuses 10 erstrecken. Der metallische Streifen 22 ist auf der Innenseite des Gehäuses 10 in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeleitmittel 16, welches auf der anderen Seite mit den Anschlussbereichen 4, 6 der Stromschiene 2 in unmittelbarem Kontakt ist.
Das Wärmeleitmaterial 16 ist elektrisch nicht leitend und bildet einen Isolator zwischen dem Pol 14 und dem metallischen Band 22. Über das metallische Band 22 kann insbesondere ein guter Wärmetransport vom Inneren des Gehäuses 10 zum Äußeren des Gehäuses 10 erfolgen.
Wie die Fig. 4 zeigt, ist es auch möglich, dass die Stromschiene 2 mit ihren Anschlussbereichen 4, 6 im Inneren des Gehäuses 10 mit dem Wärmeleitmittel 16 in unmittelbaren Kontakt ist. Das Wärmeleitmittel 16 ist auf der den Polen 14 abgewandten Seite der Anschlussbereiche 4, 6 angeordnet. Das Wärmeleitmittel 16 wird durch die Gehäusewand des Gehäuses 10, beispielsweise eine Ausnehmung, geführt, wie in der Fig. 4 gezeigt ist. Somit wird das Wärmeleitmittel 16 vom Inneren des Gehäuses 10 zum Äußeren des Gehäuses 10 geführt. Auf der Außenseite des Gehäuses 10 kann das Wärmeleitmittel 16 beispielsweise großflächig aufgetragen sein, insbesondere über eine Fläche, die größer ist, als die Ausnehmung in der Gehäusewand des Gehäuses 10, durch welche das Wärmeleitmittel 16 nach außen geführt ist. Über diese vergrößerte Oberfläche lässt sich ein guter Wärmetransport realisieren.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Stromschiene 2 im Inneren des Gehäuses 10 mit dem Polen 14 und dem Wärmeleitmittel 16 in unmittelbarem Kontakt ist. Die metallischen Bänder 22 in der Gehäusewand des Gehäuses 10 verbinden das Wärmeleitmittel 16 mit der Außenseite des Gehäuses 10. An der Außenseite des Gehäuses 10 kann unmittelbar an den metallischen Bändern 22 ein Kühlkörper 24, beispielsweise ein rippenförmiger Kühlkörper 24 angeordnet werden, über den eine Konvektion möglich ist.
Auch ist es möglich, dass im Inneren des Gehäuses 10 eine sogenannte „heat pipe" 26 geführt ist. Die heat pipe 26 wird abgedichtet in das Innere des Gehäuses 10 geführt. In der heat pipe 26 ist ein Kältemittel, das in Flussrichtung 28 durch die heat pipe 26 fließt. Durch einen Motor mit Wärmetauscher 30 kann die Fließrichtung 28 beeinflusst werden. An dem Motor/ Wärmetauscher 30 wird dem Kältemittel Wärme entzogen und an die Umgebung abgegeben.
Im inneren des Gehäuses 10 ist an der Stromschiene 2 jeweils in den Anschlussbereichen 4, 6 das Wärmeleitmittel 16 vorgesehen. Die heat pipe 26 kann durch das Wärmeleitmittel 16 hindurch oder unmittelbar an dem Wärmeleitmittel 26 angrenzend in dem Gehäuse 10 geführt sein. Durch das Kältemittel in der heat pipe 26 kann die Wärme von dem Wärmeleitmittel 16 aus dem inneren des Gehäuses 10 nach außen transportiert werden und dort über den Wärmetauscher 30 mit der Umgebung ausgetauscht werden. Mit Hilfe der gezeigten Lösung ist es möglich» joulesche Wärme von Stromschienen» die zur Verbindung von Batteriezellen oder Batteriemodulen eingesetzt werden besonders effektiv abzuführen.
Bezugszeichenliste
2 Stromschiene
2a Leiterkern 2b Isolator
4, 5, 6 Anschlussbereich 8 Batterie
10 Gehäuse
12 Batteriezelle 14 Batteriepol
16 Wärmeleitmittel 20 Batteriemodul 22 Metallstreifen 24 Kühlkörper 26 heat pipe
28 Flussrichtung 30 Motor/ Wärmetauscher

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Kühlsystem für Stromschienen, insbesondere Zellverbinder oder Modulverbinder von Batterien, umfassend eine Stromschiene mit einem ersten Anschlussbereich für einen Pol einer ersten Batterie, einem zweiten Anschlussbereich für einen Anschluss eines elektrischen Anschlussteils, einer zwischen den Anschlussbereichen, die Stromschiene ummantelnde Isolation, wobei die Stromschiene zumindest in den beiden Anschlussbereichen frei von der Isolation ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Pol abgewandten Seite zumindest eines der Anschlussbereiche unmittelbar auf der Oberfläche der Stromschiene ein gelförmiges Wärmeleitmittel aufgebracht ist.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmittel eine Viskosität zwischen 1*10L6 mPas und 1*10L12 mPas hat.
3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, ' dass das Wärmeleitmittel eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 5 W/mK und 12 W/mK, insbesondere im Bereich von 8 W/mK hat.
4. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmittel in unmittelbaren Kontakt mit einem passiven Wärmetauscher ist, insbesondere dass das Wärmeleitmittel zwischen der Stromschiene und dem Wärmetauscher eingeklemmt ist.
5. Kühl System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterien in einem gemeinsamen Gehäuse eingehaust sind und dass zumindest eine Gehäusewand in unmittelbaren Kontakt mit dem Wärmeleitmittel ist.
6. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gehäuse in dem Bereich, in dem seine Wand in unmittelbaren Kontakt mit dem Wärmeleitmittel ist, aus einem metallischen Material gebildet ist.
7. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gehäusewand, die in unmittelbaren Kontakt mit dem Wärmeleitmittel ist, ein rippenförmiger Kühlkörper angeordnet ist.
8. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmittel durch eine Gehäuseöffnung zur Außenseite des Gehäuses geführt ist.
9. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse eine Rohrleitung mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium eingeführt ist, dass die Rohrleitung in dem Gehäuse unmittelbar an dem Wärmeleitmittel vorbei geführt ist und dass die Rohrleitung außerhalb des Gehäuses in einen aktiven Wärmetauscher geführt ist.
10. Kühl System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pol ein Pol eines ersten Batteriemoduls mit einer Mehrzahl elektrisch parallel geschalteten Batteriezellen ist und dass der zweite Pol ein Pol eines zweiten Batteriemoduls mit einer Mehrzahl elektrisch parallel geschalteten Batteriezellen ist.
11. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, . dass die Stromschiene zwischen den beiden Anschlussbereichen einen Kühlbereich aufweist, wobei im Kühlbereich die Isolation entfernt ist und das Wärmeleitmittel unmittelbar auf den Kühlbereich aufgebracht ist.
12. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmittel eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als IO-8 S/m hat.
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