EP4402744A1 - Unterlegscheibe für einen elektrischen energiespeicher, elektrischer energiespeicher, anordnung sowie kraftfahrzeug - Google Patents

Unterlegscheibe für einen elektrischen energiespeicher, elektrischer energiespeicher, anordnung sowie kraftfahrzeug

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Publication number
EP4402744A1
EP4402744A1 EP22765034.8A EP22765034A EP4402744A1 EP 4402744 A1 EP4402744 A1 EP 4402744A1 EP 22765034 A EP22765034 A EP 22765034A EP 4402744 A1 EP4402744 A1 EP 4402744A1
Authority
EP
European Patent Office
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washer
energy storage
storage module
housing
contact surfaces
Prior art date
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Pending
Application number
EP22765034.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philip Raettich
Matthias BRAIG
Markus POETZINGER
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.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16B2200/85—Ceramic-to-metal-connections
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M2200/103—Fuse
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • 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

  • Washer for an electrical energy store, electrical energy store, arrangement and motor vehicle
  • the invention relates to a washer for arranging in a mechanical connection between an energy storage module and a housing of an electrical energy storage device for a motor vehicle, the washer having an axial hole for receiving a connecting means of the mechanical connection and axially opposite contact surfaces for pressing onto metallic contact surfaces of the energy storage module and of the has housing.
  • the invention also relates to an electrical energy store, an arrangement made up of an electrical energy store and a heat source, and a motor vehicle with such an arrangement.
  • Hybrid vehicles usually have an electric machine powered by the electric energy store and an internal combustion engine.
  • the electrical energy storage device has a housing in which at least one energy storage module is arranged and held.
  • a cell module frame of the energy storage module can be mechanically connected to the housing, for example via screws.
  • the mechanical connection can have a metallic washer with axially opposite contact surfaces for pressing against the cell module frame and the housing, which is designed to absorb an operating load of the mechanical connection, in particular pressure and friction forces caused by screwing.
  • a metallic washer has good setting behavior, a high permissible surface pressure and a high level of robustness.
  • a current flow for potential equalization between the energy storage module and the housing can take place via such a metal washer.
  • metal washers also have good thermal conductivity. This can be disadvantageous if there is a heat source near the housing, For example, there is an exhaust system of the motor vehicle designed as a hybrid vehicle. A heat input from the exhaust system can lead to a temperature gradient within the energy storage module, which can have a negative effect on operation and the service life of energy storage cells of the energy storage module.
  • the washers can be made of a thermally insulating material, for example a ceramic, which has poorer setting behavior, a lower permissible surface pressure and less robustness than a metallic washer.
  • a thermally insulating material is also electrically insulating, so that potential equalization cannot be provided.
  • a washer according to the invention is used for arranging in a mechanical connection between an energy storage module and a housing of an electrical energy storage device for a motor vehicle.
  • the washer has an axial hole for receiving a connecting means of the mechanical connection and axially opposite contact surfaces for pressing against metallic contact surfaces of the energy storage module and the housing.
  • the washer includes a metallic socket for providing a current path between the contact surfaces for equipotential bonding between the energy storage module and the housing. Axially opposite end faces of the metal bushing form the contact surfaces.
  • the socket has a cross-sectional constriction forming a safety fuse for interrupting the current path in the event of an overcurrent.
  • the washer comprises a thermally insulating material which encloses the metallic bushing at least in the region of the cross-sectional reduction and compensates for the cross-sectional reduction, in order to provide a substantially constant outer diameter of the washer and to reduce a thermal conductivity of a thermal conduction path formed via the washer between the housing and the energy storage module.
  • the invention also includes an electrical energy store for a motor vehicle with at least one energy storage module, a housing for accommodating the at least one energy storage module, at least one connecting means for providing a mechanical connection between metallic contact surfaces of the at least one energy storage module and the housing, and at least one washer according to the invention.
  • the invention also relates to an arrangement for a motor vehicle, in particular a hybrid vehicle, with at least one electrical energy store and a heat source.
  • the electrical energy store can be arranged in the vicinity of the heat source, in particular an exhaust system of the motor vehicle powered by an internal combustion engine and electrically.
  • the housing can have, for example, a double-shell lower part and a housing cover, so that two housing areas connected to one another can be formed.
  • At least one energy storage module can be arranged in each of the housing areas. Between the housing areas, in particular between the two shells of the lower part and the housing cover, a channel can be formed which extends in the longitudinal direction of the vehicle and through which a pipe of the exhaust system runs. The exhaust gas flowing in this pipe can result in an undesired introduction of heat into the electrical energy store.
  • the at least one energy storage module can have a plurality of energy storage cells, for example prismatic battery cells, which can be held by a cell module frame.
  • the energy storage module can be mechanically connected to the at least partially metallic housing via the at least partially metallic cell module frame.
  • the cell module frame and the housing have contact areas with smooth, flat contact surfaces against which the contact surfaces of the washer can be placed and pressed.
  • the washer is therefore arranged between the contact surface of the energy storage module and the contact surface of the housing and is clamped or pressed in via a connecting means.
  • the connecting means is in particular a screw, so that the mechanical connection is a screw connection.
  • the contact area of the energy storage module and the washer have through bores or holes through which a shank of the screw is guided.
  • a screw head of the screw lies on a side of the opposite side of the contact surface Contact area of the energy storage module.
  • the contact area of the housing may have a threaded screw hole for tightening the screw.
  • the contact area of the housing can also have a through hole, so that the screw is secured by means of a nut on a side of the contact area of the housing opposite the contact surface.
  • the washer now fulfills several functions.
  • the washer provides a robust mechanical connection with a high permissible surface pressure and good setting behavior between the housing and the energy storage module.
  • the washer reduces heat input into the energy storage module.
  • the washer provides a current-conducting connection between the energy storage module and the housing for potential equalization.
  • the washer acts as an overcurrent protection device to prevent overcurrent flow between the energy storage module and the housing.
  • Such an overcurrent can be, for example, a short-circuit current propagating through the energy storage module, for example as a result of a thermal runaway of an energy storage cell.
  • the washer is therefore designed as a thermal insulating disk with an integrated short-circuit protection.
  • the washer which is in particular in the form of a hollow cylinder, consists of two areas of different material.
  • the first area is formed by the metallic bushing, which has the hole for accommodating the connecting means and whose metallic end faces form the contact faces of the washer.
  • the metallic part of the washer is therefore designed in such a way that it offers a smooth, flat support on the contact surfaces to the clamping partners, i.e. the housing and the cell module frame. Because the contact surfaces are metallic, they are particularly robust and can reliably absorb the operating load of the clamping partner.
  • the metallic socket extends over the entire thickness or axial height of the washer, so that the current path can be formed between the cell module frame and the housing for the potential equalization.
  • the socket has the cross-sectional tapering or cross-sectional reduction that can be fused in the event of an overcurrent.
  • a cross section of the bush is smaller in the area of the cross-sectional reduction than in the area of the end faces.
  • the cross-section is reduced in such a way that only a residual cross-section designed for the overcurrent or short-circuit current remains.
  • the design of the residual cross section can be specially adapted to the electrical energy store and the short-circuit currents occurring there, so that this residual cross-section melts when the short-circuit current flows and interrupts the short-circuit current path from the energy storage module to the housing.
  • the narrowing of the cross section thus forms a predetermined breaking point in the event of an overcurrent, which electrically separates the two contact surfaces and thus the metallic contact surfaces in the event of a fault.
  • the washer has the thermally insulating material, for example a glass fiber reinforced thermoset, which forms the second area of the washer.
  • the thermally insulating material fills the remaining cross section in the area of the taper of the metal bushing at least to such an extent that the cross section of the washer in the area of the taper corresponds to the cross section in the area of the end faces and thus the hollow cylindrical shape of the washer is formed.
  • the outer diameter is therefore essentially constant over the axial height of the washer. Thanks to this thermally insulating jacket, the washer can continue to withstand the mechanical operating load even if the safety fuse is triggered, i.e. if the narrowing of the cross section melts.
  • the thermally insulating material reduces the thermal conductivity of the washer and thus reduces the heat input from the heat source arranged outside the housing into the energy storage module.
  • the metal bushing has two plate-shaped end pieces whose surfaces form the metal end faces and which are connected via the cross-sectional reduction, the thermally insulating material being arranged between the plate-shaped end pieces and surrounding the cross-sectional reduction.
  • the socket is therefore designed as a perforated, metallic core whose opposite end pieces are designed like plates.
  • the cross-sectional reduction is arranged between the end pieces and is designed, for example, as a web with a constant thickness.
  • the narrowing of the cross section is preferably designed in the shape of a double cone.
  • the socket is thus formed essentially in the shape of an hourglass.
  • the invention also relates to a motor vehicle with an inventive
  • the motor vehicle is designed in particular as a hybrid vehicle and has an electrical machine, an internal combustion engine, an exhaust system functioning as a heat source and the electrical energy store according to the invention.
  • Fig. 1 is a perspective view of a washer for an electric
  • Fig. 2 shows a sectional perspective view of the washer according to Fig
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of a detail of the electrical
  • FIG. 4 shows the electrical energy store according to FIG. 3 with the washer after an overcurrent flow.
  • the electrical energy store 2 can be used for a motor vehicle, in particular a hybrid vehicle.
  • the electrical energy storage device 2 has an energy storage module 3 and a housing 4 .
  • the energy storage module 3 has a plurality of energy storage cells 5 stacked on top of one another, which are held by a cell module frame 6 .
  • the energy storage module 3 arranged within the housing 4 is fixed to the housing 4 .
  • the energy storage module 3 has a first contact surface 7 and the housing 4 has a second contact surface 8 .
  • the contact surfaces 7, 8 are metallic.
  • the washer 1 is arranged between the contact surfaces 7, 8 in such a way that contact surfaces 9a, 9b of the washer 1 rest against the contact surfaces 7, 8.
  • the cell module frame 6 and the housing 4 are connected via a connecting means 10 in the form of a screw, forming a mechanical connection 11 in the form of a screw connection, which is passed through the contact surfaces 7 , 8 and the washer 1 .
  • the washer 1 is clamped between the contact surfaces 7 , 8 by the screw 10 .
  • the washer 1 has a metal bushing 12, the axially opposite metal end faces 13a, 13b of which form the contact surfaces 9a, 9b.
  • the opposite end faces 13a, 13b are here surfaces of plate-shaped end pieces 14a, 14b of the metal bushing 12.
  • the metal bushing 12 also has a cross-sectional taper 15 connecting the end pieces 14a, 14b.
  • a current path 16 can be formed between the cell module frame 6 and the housing 4 via the plate-shaped end pieces 14a, 14b and the cross-sectional taper 15, which is double-cone-shaped here, via which potential equalization can take place between the energy storage module 3 and the housing 4.
  • the bushing 12 also has an axial hole 17 for receiving a shank of the screw 10 .
  • the narrowing of the cross section 15 forms a safety fuse 18 which melts when an overcurrent flows through the washer 1 and thus interrupts the current path 16 .
  • 4 shows the washer 1 after the safety fuse 18 has been triggered. There, the contact surfaces 9a, 9b and thus the energy storage module 3 and the housing 4 are electrically separated.
  • a pressure-resistant, thermally insulating material 19, for example duroplast, is used which has the cross section of washer 1 added. In this way, the absorption of connecting forces of the screw connection 11 can be ensured even after the safety fuse 18 has been triggered.
  • the thermally insulating material reduces a thermal conductivity of the washer 1, so that heat input from a heat source outside the housing 4 via the washer 1 into the energy storage module 3 can at least be reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Unterlegscheibe (1) zum Anordnen in einer mechanischen Verbindung (11) zwischen einem Energiespeichermodul (3) und einem Gehäuse (4) eines elektrischen Energiespeichers (2) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Unterlegscheibe (1) ein axiales Loch (17) zum Aufnehmen eines Verbindungsmittels (10) der mechanischen Verbindung (11) und axial gegenüberliegende Anlageflächen (9a, 9b) zum Anpressen an metallische Kontaktflächen (7, 8) des Energiespeichermoduls (4) und des Gehäuses (4) aufweist. Die Unterlegscheibe (1) weist eine metallischen Buchse (12) zum Bereitstellen eines Strompfades (16) zwischen den Kontaktflächen (7, 8) für einen Potentialausgleich zwischen dem Energiespeichermodul (3) und dem Gehäuse (4) auf, deren axial gegenüberliegende Stirnseiten (13a, 13b) die Anlageflächen (9a, 9b) ausbilden und welche zwischen den Stirnseiten (13a, 13b) eine eine Schmelzsicherung (18) ausbildende Querschnittsverjüngung (15) zum Unterbrechen des Strompfades (16) im Falle eines Überstroms aufweist. Außerdem weist die Unterlegscheibe (1) ein die metallische Buchse (12) zumindest im Bereich der Querschnittsverjüngung (15) umgebendes, die Querschnittsverjüngung (15) kompensierendes thermisch isolierendes Material (19) zum Bereitstellen eines im Wesentlichen konstanten Außendurchmessers der Unterlegscheibe (1) und zum Reduzieren einer Wärmeleitfähigkeit eines über die Unterlegscheibe (1) gebildeten Wärmeleitpfades zwischen dem Gehäuse (4) und dem Energiespeichermodul (3).

Description

Unterlegscheibe für einen elektrischen Energiespeicher, elektrischer Energiespeicher, Anordnung sowie Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Unterlegscheibe zum Anordnen in einer mechanischen Verbindung zwischen einem Energiespeichermodul und einem Gehäuse eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug, wobei die Unterlegscheibe ein axiales Loch zum Aufnehmen eines Verbindungsmittels der mechanischen Verbindung und axial gegenüberliegende Anlageflächen zum Anpressen an metallische Kontaktflächen des Energiespeichermoduls und des Gehäuses aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Energiespeicher, eine Anordnung aus einem elektrischen Energiespeicher und einer Wärmequelle sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher, welche für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, insbesondere für Hybridfahrzeuge, verwendet werden können. Hybridfahrzeuge weisen üblicherweise eine von dem elektrischen Energiespeicher versorgte elektrische Maschine sowie eine Verbrennungskraftmaschine auf. Der elektrische Energiespeicher weist ein Gehäuse auf, in welchem zumindest ein Energiespeichermodul angeordnet und gehalten ist. Dazu kann beispielsweise ein Zellmodulrahmen des Energiespeichermoduls mit dem Gehäuse, beispielsweise über Schrauben, mechanisch verbunden sein. Die mechanische Verbindung kann eine metallische Unterlegscheibe mit axial gegenüberliegenden Anlageflächen zum Anpressen an den Zellmodulrahmen sowie das Gehäuse aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, eine Betriebslast der mechanischen Verbindung, insbesondere schraubbedingte Druck- und Reibkräfte, aufzunehmen. Eine metallische Unterlegscheibe weist eine gutes Setzverhalten, eine hohe zulässige Flächenpressung sowie eine hohe Robustheit auf. Außerdem kann über eine solche metallische Unterlegscheibe ein Stromfluss für einen Potentialausgleich zwischen dem Energiespeichermodul und dem Gehäuse stattfinden.
Jedoch weisen metallische Unterlegscheiben auch eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Dies kann nachteilig sein, wenn sich in der Nähe des Gehäuses eine Wärmequelle, beispielsweise eine Abgasanlage des als Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs befindet. Ein Wärmeeintrag der Abgasanlage kann zu einem Temperaturgradienten innerhalb des Energiespeichermoduls führen, welcher sich negativ auf einen Betrieb sowie eine Lebensdauer von Energiespeicherzellen des Energiespeichermoduls auswirken kann. Um dies zu verhindern, können die Unterlegscheiben aus einem thermisch isolierenden Material, beispielsweise einer Keramik, gebildet sein, welche gegenüber einer metallischen Unterlegscheibe ein schlechteres Setzverhalten, eine geringere zulässige Flächenpressung sowie eine geringere Robustheit aufweisen. Außerdem ist ein solches thermisch isolierendes Material auch elektrisch isolierend, sodass kein Potentialausgleich bereitgestellt werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Unterlegscheibe für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Unterlegscheibe, einen elektrischen Energiespeicher, eine Anordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Unterlegscheibe dient zum Anordnen in einer mechanischen Verbindung zwischen einem Energiespeichermodul und einem Gehäuse eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug. Die Unterlegscheibe weist ein axiales Loch zum Aufnehmen eines Verbindungsmittels der mechanischen Verbindung und axial gegenüberliegende Anlageflächen zum Anpressen an metallische Kontaktflächen des Energiespeichermoduls und des Gehäuses auf. Außerdem umfasst die Unterlegscheibe eine metallische Buchse zum Bereitstellen eines Strompfades zwischen den Kontaktflächen für einen Potentialausgleich zwischen dem Energiespeichermodul und dem Gehäuse. Axial gegenüberliegende Stirnseiten der metallischen Buchse bilden die Anlageflächen aus. Außerdem weist die Buchse zwischen den Stirnseiten eine, eine Schmelzsicherung ausbildende Querschnittsverjüngung zum Unterbrechen des Strompfades im Falle eines Überstroms auf. Ferner umfasst die Unterlegscheibe ein die metallische Buchse zumindest im Bereich der Querschnittsverjüngung umgebendes, die Querschnittsverjüngung kompensierendes thermisch isolierendes Material zum Bereitstellen eines im Wesentlichen konstanten Außendurchmessers der Unterlegscheibe und zum Reduzieren einer Wärmeleitfähigkeit eines über die Unterlegscheibe gebildeten Wärmeleitpfades zwischen dem Gehäuse und dem Energiespeichermodul auf.
Zur Erfindung gehört außerdem ein elektrischer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem Energiespeichermodul, einem Gehäuse zum Aufnehmen des zumindest einen Energiespeichermoduls, zumindest einem Verbindungsmittel zum Bereitstellen einer mechanischen Verbindung zwischen metallischen Kontaktflächen des zumindest einem Energiespeichermoduls und des Gehäuses und zumindest einer erfindungsgemäßen Unterlegscheibe. Auch betrifft die Erfindung eine Anordnung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybridfahrzeug, mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher und einer Wärmequelle. Der elektrische Energiespeicher kann im eingebauten Zustand im Kraftfahrzeug in der Nähe der Wärmequelle, insbesondere einer Abgasanlage des verbrennungsmotorisch und elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, angeordnet sein. Das Gehäuse kann dazu beispielsweise ein doppelschaliges Unterteil und einen Gehäusedeckel aufweisen, sodass zwei miteinander verbundene Gehäusebereiche gebildet sein können. In jedem der Gehäusebereiche kann zumindest ein Energiespeichermodul angeordnet sein. Zwischen den Gehäusebereichen, insbesondere zwischen den zwei Schalen des Unterteils und dem Gehäusedeckel, kann ein sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckender Kanal gebildet sein, durch welchen ein Rohr der Abgasanlage hindurchläuft. Durch das in diesem Rohr strömende Abgas kann ein unerwünschter Wärmeeintrag in den elektrischen Energiespeicher stattfinden.
Das zumindest eine Energiespeichermodul kann mehrere Energiespeicherzellen, beispielsweise prismatische Batteriezellen, aufweisen, welche von einem Zellmodulrahmen gehalten werden können. Über den zumindest teilweise metallischen Zellmodulrahmen kann das Energiespeichermodul mit dem zumindest teilweise metallischen Gehäuse mechanisch verbunden werden. Dazu weisen der Zellmodulrahmen und das Gehäuse Kontaktbereiche mit glatten, ebenen Kontaktflächen auf, an welche die Anlageflächen der Unterlegscheibe angelegt und angepresst werden können. Die Unterlegscheibe ist also zwischen der Kontaktfläche des Energiespeichermoduls und der Kontaktfläche des Gehäuses angeordnet und über ein Verbindungsmittel eingeklemmt bzw. eingepresst. Das Verbindungsmittel ist insbesondere eine Schraube, sodass die mechanische Verbindung eine Schraubverbindung ist. Zum Halten der Schraube weisen der Kontaktbereich des Energiespeichermoduls und die Unterlegscheibe Durchgangsbohrungen bzw. Löcher auf, durch welche ein Schaft der Schraube hindurchgeführt wird. Ein Schraubenkopf der Schraube liegt an einer der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite des Kontaktbereiches des Energiespeichermoduls an. Der Kontaktbereich des Gehäuses kann ein Schraubloch mit einem Gewinde zum Festziehen der Schraube aufweisen. Alternativ dazu kann der Kontaktbereich des Gehäuses ebenfalls eine Durchgangsbohrung aufweisen, sodass die Schraube an einer der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite des Kontaktbereiches des Gehäuses mittels einer Mutter gesichert wird.
Erfindungsgemäß erfüllt die Unterlegscheibe nun mehrere Funktionen. Die Unterlegscheibe stellt eine robuste mechanische Verbindung mit hoher erlaubter Flächenpressung und gutem Setzverhalten zwischen dem Gehäuse und dem Energiespeichermodul bereit. Außerdem reduziert die Unterlegscheibe einen Wärmeeintrag in das Energiespeichermodul. Des Weiteren stellt die Unterlegscheibe eine stromleitende Verbindung zwischen dem Energiespeichermodul und dem Gehäuse für den Potentialausgleich bereit. Darüber hinaus fungiert die Unterlegscheibe als Überstromschutzeinrichtung, um einem Überstromfluss zwischen dem Energiespeichermodul und dem Gehäuse zu verhindern. Ein solcher Überstrom kann beispielsweise ein durch das Energiespeichermodul propagierender Kurzschlussstrom, beispielsweise infolge eines thermischen Durchgehens einer Energiespeicherzelle, sein. Die Unterlegscheibe ist also als eine thermische Isolierscheibe mit integrierter Kurzschlusssicherung ausgebildet.
Zum Erfüllen dieser Funktionen besteht die, insbesondere hohlzylinderförmige, Unterlegscheibe aus zwei Bereichen unterschiedlichen Materials. Den ersten Bereich bildet die metallische Buchse, welche das Loch zum Aufnehmen des Verbindungsmittels aufweist und deren metallische Stirnflächen die Anlageflächen der Unterlegscheibe ausbilden. Der metallische Teil der Unterlegscheibe ist also so ausgeführt, dass er an den Kontaktflächen zu den Klemmpartnern, also dem Gehäuse und dem Zellmodulrahmen, eine glatte, flächige Auflage bietet. Dadurch, dass die Anlageflächen metallisch sind, sind sie besonders robust und können die Betriebslast der Klemmpartner zuverlässig aufnehmen. Die metallische Buchse erstreckt sich dabei über eine gesamte Dicke bzw. axiale Höhe der Unterlegscheibe, sodass der Strompfad zwischen dem Zellmodulrahmen und dem Gehäuse für den Potentialausgleich gebildet werden kann.
Zum Ausbilden einer Überstromschutzeinrichtung in Form von einer Schmelzsicherung weist die Buchse die bei Überstrom schmelzbare Querschnittsverjüngung bzw. Querschnittsreduzierung auf. Dazu ist im Bereich der Querschnittsverjüngung ein Querschnitt der Buchse geringer als im Bereich der Stirnflächen. Anders ausgedrückt ist zwischen den beiden Anlageflächen der Querschnitt derart reduziert, bis nur noch ein auf den Überstrom bzw. Kurzschlussstrom ausgelegter Restquerschnitt verbleibt. Die Auslegung des Restquerschnitts kann an den elektrischen Energiespeicher und die dort auftretenden Kurzschlussströme speziell angepasst werden, damit dieser Restquerschnitt beim Fließen des Kurzschlussstroms schmilzt und den Kurzschlussstrompfad von dem Energiespeichermodul zu dem Gehäuse unterbricht. Die Querschnittsverjüngung bildet also eine Sollbruchstelle im Falle eines Überstroms aus, welche die beiden Anlageflächen und damit die metallischen Kontaktflächen im Fehlerfall elektrisch trennt.
Zum Stabilisieren der Unterlegscheibe im Bereich der Querschnittsverjüngung weist die Unterlegscheibe das thermisch isolierende Material, beispielsweise ein glasfaserverstärktes Duroplast, auf, welches den zweiten Bereich der Unterlegscheibe ausbildet. Das thermisch isolierende Material füllt den Restquerschnitt im Bereich der Verjüngung der metallischen Buchse zumindest soweit auf, dass der Querschnitt der Unterlegscheibe im Bereich der Verjüngung dem Querschnitt im Bereich der Stirnflächen entspricht und somit die hohlzylindrische Form der Unterlegscheibe gebildet wird. Über die axiale Höhe der Unterlegscheibe ist also der Außendurchmesser im Wesentlichen konstant. Durch diesen thermisch isolierenden Mantel kann die Unterlegscheibe auch bei Auslösen der Schmelzsicherung, also bei Schmelzen der Querschnittsverjüngung, die mechanische Betriebslast weiter halten. Außerdem reduziert das thermisch isolierende Material die thermische Leitfähigkeit der Unterlegscheibe und reduziert somit den Wärmeeintrag der außerhalb des Gehäuses angeordneten Wärmequelle in das Energiespeichermodul.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die metallische Buchse zwei plattenförmige Endstücke aufweist, deren Oberflächen die metallischen Stirnseiten ausbilden und welche über die Querschnittsverjüngung verbunden sind, wobei das thermisch isolierende Material zwischen den plattenförmigen Endstücken angeordnet ist und die Querschnittsverjüngung umgibt. Die Buchse ist also als ein gelochter, metallischer Kern ausgebildet, dessen gegenüberliegende Endstücke plattenartig ausgebildet sind. Zwischen den Endstücken ist die Querschnittsverjüngung angeordnet, welche beispielsweise als ein Steg mit konstanter Dicke ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Querschnittsverjüngung jedoch doppelkegelförmig ausgebildet. Die Buchse ist somit im Wesentlichen sanduhrförmig ausgebildet.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen
Anordnung. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Hybridfahrzeug ausgebildet und weist eine elektrische Maschine, eine Verbrennungskraftmaschine, eine als Wärmequelle fungierende Abgasanlage und den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher auf.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Unterlegscheibe vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher, für die erfindungsgemäße Anordnung sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivdarstellung einer Unterlegscheibe für einen elektrischen
Energiespeicher;
Fig. 2 eine geschnittene Perspektivdarstellung der Unterlegscheibe gemäß Fig
1;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts des elektrischen
Energiespeichers mit der Unterlegscheibe; und
Fig. 4 der elektrische Energiespeicher gemäß Fig. 3 mit der Unterlegscheibe nach einen Überstromfluss.
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine Unterlegscheibe 1 für einen in Fig. 3 und Fig. 4 ausschnittsweise gezeigten elektrischen Energiespeicher 2. Der elektrische Energiespeicher 2 kann für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybridfahrzeug, verwendet werden. Der elektrische Energiespeicher 2 weist ein Energiespeichermodul 3 sowie ein Gehäuse 4 auf. Das Energiespeichermodul 3 weist mehrere aneinander gestapelte Energiespeicherzellen 5 auf, welche von einem Zellmodulrahmen 6 gehalten werden. Das innerhalb des Gehäuses 4 angeordnete Energiespeichermodul 3 ist an dem Gehäuse 4 befestigt. Dazu weist das Energiespeichermodul 3 eine erste Kontaktfläche 7 auf und das Gehäuse 4 weist eine zweite Kontaktfläche 8 auf. Die Kontaktflächen 7, 8 sind metallisch ausgebildet. Zwischen den Kontaktflächen 7, 8 ist die Unterlegscheibe 1 derart angeordnet, dass Anlageflächen 9a, 9b der Unterlegscheibe 1 an den Kontaktflächen 7, 8 anliegen. Der Zellmodulrahmen 6 und das Gehäuse 4 sind über ein Verbindungsmittel 10 in Form von einer Schraube unter Ausbildung einer mechanischen Verbindung 11 in Form von einer Schraubverbindung verbunden, welche durch die Kontaktflächen 7, 8 sowie die Unterlegscheibe 1 hindurchgeführt wird. Durch die Schraube 10 wird die Unterlegscheibe 1 zwischen den Kontaktflächen 7, 8 eingeklemmt.
Die Unterlegscheibe 1 weist eine metallische Buchse 12 auf, dessen axial gegenüberliegende, metallische Stirnseiten 13a, 13b die Anlageflächen 9a, 9b ausbilden. Die gegenüberliegenden Stirnseiten 13a, 13b sind hier Oberflächen plattenförmiger Endstücke 14a, 14b der metallischen Buchse 12. Die metallische Buchse 12 weist außerdem eine die Endstücke 14a, 14b verbindende Querschnittsverjüngung 15 auf. Über die plattenförmigen Endstücke 14a, 14b sowie die Querschnittsverjüngung 15, welche hier doppelkegelförmig ausgebildet ist, kann ein Strompfad 16 zwischen dem Zellmodulrahmen 6 und dem Gehäuse 4 gebildet werden, über weichen ein Potentialausgleich zwischen dem Energiespeichermodul 3 und dem Gehäuse 4 stattfinden kann. Die Buchse 12 weist außerdem ein axiales Loch 17 zum Aufnehmen eines Schafts der Schraube 10 auf. Die Querschnittsverjüngung 15 bildet eine Schmelzsicherung 18 aus, welche bei einem über die Unterlegscheibe 1 fließenden Überstrom schmilzt und somit den Strompfad 16 unterbricht. In Fig. 4 ist die Unterlegscheibe 1 nach Auslösen der Schmelzsicherung 18 gezeigt. Dort sind die Anlageflächen 9a, 9b und damit das Energiespeichermodul 3 und das Gehäuse 4 elektrisch separiert.
Um die mechanischen Eigenschaften der Unterlegscheibe 1 durch die Querschnittsreduzierung 15 nicht zu verschlechtern, wird ein druckfestes, thermisch isolierendes Material 19, beispielsweise Duroplast, eingesetzt, welches den Querschnitt der Unterlegscheibe 1 ergänzt. So kann die Aufnahme von Verbindungskräften der Schraubverbindung 11 auch nach Auslösen der Schmelzsicherung 18 sichergestellt werden. Außerdem reduziert das thermisch isolierende Material eine Wärmeleitfähigkeit der Unterlegscheibe 1, sodass ein Wärmeeintrag einer Wärmequelle außerhalb des Gehäuses 4 über die Unterlegscheibe 1 in das Energiespeichermodul 3 zumindest reduziert werden kann.

Claims

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Patentansprüche Unterlegscheibe (1) zum Anordnen in einer mechanischen Verbindung (11) zwischen einem Energiespeichermodul (3) und einem Gehäuse (4) eines elektrischen Energiespeichers (2) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Unterlegscheibe (1) ein axiales Loch (17) zum Aufnehmen eines Verbindungsmittels (10) der mechanischen Verbindung (11) und axial gegenüberliegende Anlageflächen (9a, 9b) zum Anpressen an metallische Kontaktflächen (7, 8) des Energiespeichermoduls (4) und des Gehäuses (4) aufweist, gekennzeichnet durch
- eine metallischen Buchse (12) zum Bereitstellen eines Strompfades (16) zwischen den Kontaktflächen (7, 8) für einen Potentialausgleich zwischen dem Energiespeichermodul (3) und dem Gehäuse (4), deren axial gegenüberliegende Stirnseiten (13a, 13b) die Anlageflächen (9a, 9b) ausbilden und welche zwischen den Stirnseiten (13a, 13b) eine eine Schmelzsicherung (18) ausbildende Querschnittsverjüngung (15) zum Unterbrechen des Strompfades (16) im Falle eines Überstroms aufweist, und
- ein die metallische Buchse (12) zumindest im Bereich der Querschnittsverjüngung (15) umgebendes, die Querschnittsverjüngung (15) kompensierendes thermisch isolierendes Material (19) zum Bereitstellen eines im Wesentlichen konstanten Außendurchmessers der Unterlegscheibe (1) und zum Reduzieren einer Wärmeleitfähigkeit eines über die Unterlegscheibe (1) gebildeten Wärmeleitpfades zwischen dem Gehäuse (4) und dem Energiespeichermodul (3). Unterlegscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch isolierende Material (1) ein, insbesondere glasfaserverstärktes, Duroplast ist. Unterlegscheibe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlegscheibe (1) hohlzylinderförmig ausgebildet ist. Unterlegscheibe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Buchse (12) zwei plattenförmige Endstücke (14a, 14b) aufweist, deren Oberflächen die metallischen Stirnseiten (13a, 13b) ausbilden und welche über die Querschnittsverjüngung (15) verbunden sind, wobei das thermisch isolierende Material (19) zwischen den plattenförmigen Endstücken (14a, 14b) angeordnet ist und die Querschnittsverjüngung (15) umgibt. Unterlegscheibe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Buchse (12) zumindest im Bereich der Querschnittsverjüngung (15) doppelkegelförmig ausgebildet ist. Elektrischer Energiespeicher (2) für ein Kraftfahrzeug aufweisend:
- zumindest ein Energiespeichermodul (3),
- ein Gehäuse (4) zum Aufnehmen des zumindest einen Energiespeichermoduls (3),
- zumindest ein Verbindungsmittel (10) zum Bereitstellen einer mechanischen Verbindung (11) zwischen metallischen Kontaktflächen (7, 8) des zumindest einen Energiespeichermoduls (3) und des Gehäuses (4), und
- zumindest eine Unterlegscheibe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren Anlageflächen (9a, 9b) an den Kontaktflächen (7, 8) anliegen. Elektrischer Energiespeicher (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Kontaktfläche (7) des Energiespeichermoduls (3) an einem Zellmodulrahmen (6) zum Halten von Energiespeicherzellen (5) des Energiespeichermoduls (3) ausgebildet ist. Anordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher (2) nach Anspruch 7 und einer Wärmequelle, welche dazu ausgelegt ist, Wärme in das Gehäuse (4) einzutragen. 11 Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle ein Rohr einer Abgasanlage des Kraftfahrzeugs ist, wobei das Gehäuse (4) zumindest zwei benachbarte Gehäusebereiche aufweist, zwischen welchen das Rohr verläuft. Kraftfahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, mit einer Anordnung nach Anspruch 8 oder 9.
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