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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Modul für eine Traktionsbatterie und eine Traktionsbatterie mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die in einem Gehäuse angeordnet sind und über zumindest eine Stromschiene miteinander verbunden sind.
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STAND DER TECHNIK
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Elektromotorisch angetriebene Personenkraftfahrzeuge (sogenannte Elektrofahrzeuge) weisen in der Regel elektrochemische Energiespeicher, insbesondere Akkumulatoren, auf, aus denen im Wesentlichen die zum Antrieb des Fahrzeugs notwendige Energie entnommen oder beispielsweise durch Ladevorgänge auch eingespeist werden kann.
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Dabei ist zum Bereitstellen einer elektrischen Energie, abhängig von der konkreten Ausgestaltung des elektromotorischen Antriebs, eine Spannung von mehreren hundert Volt üblich. Um derartige Spannungen bereitzustellen wird in der Regel eine Vielzahl von elektrochemischen Akkumulatorzellen zu einer Traktionsbatterie elektrisch miteinander verschaltet.
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Ein Beispiel für die Verschaltung der einzelnen Zellen offenbart
US 7,923,144 B2 . Dieses Patent zeigt eine Anordnung von einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen in einem Gehäuse.
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Das Gehäuse weist Öffnungen auf, die benachbart zu den Elektroden der Akkumulatorzellen angeordnet sind. An seiner Außenfläche ist auf dem Gehäuse eine Sammelplatte angeordnet, die ebenfalls Öffnungen aufweist, die mit den Öffnungen des Gehäuses korrespondieren. Über je einen Bond-Draht werden die Elektroden aller im Gehäuse angeordneten Akkumulatorzellen elektrisch mit der Sammelplatte kontaktiert.
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Die
US 2011/0177373 A1 offenbart eine Batterie mit einer Vielzahl von zylindrischen oder prismatischen Einzelzellen, die in einem Grundträger angeordnet sind, welcher die Einzelzellen voneinander getrennt positioniert. Ferner umfasst diese Batterie zwei Seitenschalen, in denen Stromschienen zum miteinander verbinden der Elektroden der Einzelzellen angeordnet sind, die auf gegenüberliegenden Seiten des Grundträgers montiert werden.
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Die
DE 699 17 850 T2 offenbart eine Batterie-Verbindungsplatte, und insbesondere eine Batterie-Verbindungsplatte zum Verbinden einer Anordnung von so genannten Rechteckbatterien in Reihe. Die Batterie-Verbindungsplatte kann dabei die Pole der Batterien auch dann miteinander verbinden, wenn es eine geringe Differenz der Abstände zwischen diesen gibt.
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Ein derartiger Aufbau hat den Nachteil, dass es bei der Herstellung einer Bond-Verbindung zwischen der Sammelplatte und den Elektroden zu Schwingungen zwischen dem Gehäuse und der Sammelplatte kommen kann, so dass man entweder bei der Wahl der Betriebsparameter des Bond-Verfahrens limitiert ist oder es zu Qualitätseinbußen bei den erzeugten Bond-Verbindungen kommen kann. Gleichzeitig ist die Sammelplatte in keiner Weise im Hinblick auf den insbesondere bei Elektrofahrzeugen notwendigen Leichtbau optimiert. Auch ein variables Verschalten der im Gehäuse angeordneten Zellen ist mit der offenbarten Sammelplatte nicht, oder nur sehr eingeschränkt möglich.
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Die
DE 10 2011 015 620 A1 beschreibt ein Gehäuse für ein Modul einer Traktionsbatterie mit einer Mehrzahl von im Gehäuse angeordneten Zellen, wobei Fixierelemente zur Befestigung einer Stromschiene am Gehäuse vorgesehen sind. Die Verbindung zwischen Stromschiene und Gehäuse findet hierbei durch plastisches Verformen bzw. verstemmen statt.
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Dies ist nachteilig, da somit eine reversible Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Stromschiene nicht möglich ist und die Verbindung aufwendig erzeugt werden muss.
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Ähnlich der oben beschriebenen
DE 10 2011 015 620 A1 beschreibt die
EP 2 284 927 A1 ein Gehäuse für ein Modul einer Traktionsbatterie mit einer Mehrzahl von im Gehäuse angeordneten Zellen, wobei Fixierelemente zur Befestigung einer Stromschiene mit dem Gehäuse vorgesehen sind. Bei der
EP 2 284 927 A1 ragen die Fixierelemente in das Gehäuse hinein und sind somit von außen nicht zugänglich, so dass eine schnelle und einfache Verbindung der Stromschiene mit dem Gehäuse nicht möglich ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine modulare Traktionsbatterie bereitzustellen, bei der durch die Gestaltung des Gehäuses im Modul und der zur Verbindung der im Gehäuse angeordneten elektrochemischen Zellen vorgesehenen Stromschiene im Modul die zuvor genannten Probleme des Standes der Technik überwunden werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Modul gemäß Anspruch 1 und einer zumindest ein erfindungsgemäßes Modul aufweisende Traktionsbatterie entsprechend dem Anspruch 14.
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Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus der Beschreibung, den Figuren und den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen.
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Ein Gehäuse für ein Modul einer Traktionsbatterie ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt und so gestaltet, dass eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen innerhalb des Gehäuses angeordnet werden kann. Bevorzugt ist das Gehäuse des Moduls als zweiteiliges, kastenförmiges Bauteil aufgebaut, in dem die elektrochemischen Zellen angeordnet werden. Ein derartiges Gehäuse kann beispielsweise kostengünstig als Spritzgießbauteil hergestellt werden.
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Wenn das Gehäuse zweiteilig, aus beispielsweise einem unteren Gehäuseteil und einem oberen Gehäuseteil aufgebaut ist, kann das untere und/oder das obere Gehäuseteil Ausnehmungen zur formschlüssigen Aufnahme und Fixierung der elektrochemischen Zellen aufweisen. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen so gestaltet, dass eine einzelne elektrochemische Zelle in jeweils einer Ausnehmung positioniert werden kann. Alternativ wäre es aber auch möglich, eine Ausnehmung so zu gestalten, dass mehrere elektrochemische Zellen in einer Ausnehmung angeordnet werden und diese beispielsweise über zwischen den Zellen angeordnete zusätzliche Distanzstücke voneinander beabstandet werden. Durch die Anordnung dieser Ausnehmungen kann sowohl die Lage der Zellen relativ zueinander als auch relativ zu den Gehäuseteilen definiert werden.
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Die im weiteren Verlauf allgemein für ein Gehäuse vorgenommene Beschreibung der Erfindung ist ohne weiteres auch auf einen einzelnen Gehäuseteil eines mehrteiligen Gehäuses übertragbar und damit ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfasst. Um die thermische Ausdehnung der Zellen zu kompensieren, kann zwischen den Zellen und dem Gehäuse zusätzlich ein Toleranzen ausgleichendes Material, vorzugsweise ein kompressibles Material angeordnet werden und/oder ausgebildet sein.
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Wenn die elektrochemischen Zellen jeweils an ihren distalen Enden eine Elektrode aufweisen, beispielsweise bei zylindrischen Zellen, können alle Zellen im Gehäuse gleichsinnig, das heißt, dass zum Beispiel alle Kathoden auf einer Gehäuseseite, oder in Gruppen gegensinnig zueinander, wenn die Gesamtheit aller Zellen mehrere Gruppen aufweist, bei denen innerhalb einer Gruppe alle Zellen gleichsinnig, in Bezug auf andere Gruppen aber gegensinnig, gerichtet sind, angeordnet werden. Alternativ können elektrochemische Zellen Verwendung finden, die so gestaltet sind, dass sich sowohl die Anode als auch die Kathode auf einer Seite der Zellen befinden (beispielsweise im Fall von prismatischen Zellen).
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Unabhängig von der Anordnung und der Art der Zellen im Gehäuse ist vorgesehen, dass das Gehäuse benachbart zu den einzelnen Elektroden der Zellen mit Öffnungen versehen ist.
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Wenn alle im Gehäuse angeordneten Zellen im Hinblick auf die Ausrichtung ihrer Elektroden gleichsinnig orientiert sind, werden alle oder eine Gruppe von im Gehäuse befindlichen Zellen über eine Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden. Bei mehreren Gruppen werden jeweils alle Zellen der Gruppe parallel miteinander verbunden. Entsprechend werden bei mehreren Gruppen mit unterschiedlicher Orientierung der Elektroden jeweils alle Zellen einer Gruppe parallel miteinander verbunden.
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Zur Verbindung wird eine flache Stromschiene aus einem elektrisch leitfähigen Material verwendet, beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, vorzugsweise jedoch aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
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Die Kontaktierung der Stromschiene mit den einzelnen Elektroden der Zellen kann auf verschiedenste Arten und Weisen erfolgen, beispielsweise durch Press-, Schraub-, Löt- oder Schweißverbindungen.
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Besonders bevorzugt geschieht die Kontaktierung durch einen bekannten Drahtbond-Prozess. Dabei wird die Elektrode durch die Öffnung im Gehäuse über einen dünnen Draht mit der Stromschiene verbunden, wobei in einem ersten Verfahrensschritt der Draht an seinem einen Ende mit der Elektrode einer Zelle und in einem darauffolgenden Verfahrensschritt an einem zum ersten Bauteil benachbarten Abschnitt mit der Stromschiene verbunden, vorzugsweise verschweißt wird und dabei vorzugsweise gleichzeitig abgelängt wird.
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Derartige Bond-Prozesse können hochgradig automatisiert durchgeführt werden. Dabei ist es zur korrekten Führung und Positionierung der Bondwerkzeuge und des Bonddrahtes im Verbindungsprozess vorteilhaft, wenn die Elektroden der elektrochemischen Zellen möglichst vollständig für ein optisches Erkennungssystem sichtbar sind. Aus diesem Grund sollten weder das Gehäuse noch die Stromschiene die Elektroden wesentlich verdecken.
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Damit eine Schädigung der erzeugten Verbindungsstellen des Bonddrahtes an den Elektroden der im Gehäuse fixierten elektrochemischen Zellen und an der Stromschiene wirksam vermieden werden kann, muss verhindert werden, dass das Gehäuse und die Stromschiene während des Bondens zueinander in Schwingung geraten.
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Dies kann insbesondere vermieden werden, wenn am Gehäuse benachbart zu jeder Öffnung zumindest ein Fixierelement angeordnet ist, das zur Befestigung der Stromschiene dient.
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Die Fixierelemente sind als Stifte ausgestaltet.
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Durch eine derartige Anordnung der Fixierelemente entsteht ein zum Raster der Öffnungen im Gehäuse verschobenes Raster von Fixierelementen, welches zusätzlich die Anordnung mehrerer oder je nach Modul unterschiedlicher Stromschienen auf dem Gehäuse ermöglicht, ohne dass das Gehäuse jeweils individuell gefertigt oder angepasst werden muss.
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Vorteilhafterweise sind die Fixierelemente jeweils zu allen benachbarten Öffnungen identisch beabstandet angeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht es, deutlich weniger Fixierelemente vorzusehen als Öffnungen im Gehäuse vorhanden sind, da ein Fixierelement immer die Festlegung der Stromschiene in Bezug auf die umgebenden Öffnungen gewährleisten kann. Hierdurch kann bei der Fertigung des Gehäuses Material eingespart werden und es werden gegebenenfalls auch weniger Fixierungsschritte zur endgültigen Verbindung von Stromschiene und Gehäuse benötigt. Gleichzeitig kann die Anbindung der Stromschiene an das Gehäuse unabhängig von ihrer konkreten Ausgestaltung, beispielsweise ihrer Form, qualitativ homogen gestaltet werden. In Bezug auf den Verbindungsprozess der Zellen mit der Stromschiene ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass die Fixierelemente minimal von allen Öffnungen beabstandet sind und sich so günstige Verhältnisse im Hinblick auf Kontaktierungswege und Zugänglichkeit der Öffnungen ergeben.
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Hierbei ragen die Fixierelemente stiftartig, vorzugsweise senkrecht, mit einem Durchmesser dF aus der mit Öffnungen versehenen Oberfläche des Gehäuses heraus. Der Durchmesser dF ist dabei so gewählt, dass er mit in der Stromschiene angeordneten Ausnehmungen korrespondiert. Durch eine derartige Ausführung ist die Kopplung von Gehäuse und Stromschiene besonders einfach ausführbar, indem die Stromschiene lediglich auf die stiftartig herausragenden Fixierelemente aufgesteckt und im Anschluss gegebenenfalls zusätzlich fixiert wird.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn die Fixierelemente integral und materialeineinheitlich mit dem Gehäuse ausgebildet sind. Handelt es sich bei dem Gehäuse beispielsweise um ein Kunststoffbauteil das in einem Spritzgießverfahren hergestellt wird, können die Fixierelemente bereits bei der Konstruktion des Gehäuses vorgesehen und gleichzeitig mit diesem im Spritzgießverfahren hergestellt werden. Eine derartige Ausführung des Gehäuses ist besonders günstig und schnell mit gleichbleibender Qualität herstellbar.
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In einer vorteilhaften Ausführung wird die Stromschiene bereits bei der Herstellung des Gehäuses in einem Spritzgießwerkzeug angeordnet. Das in das Spritzgießwerkzeug eingebrachte flüssige Material zur Herstellung des Gehäuses durchdringt die in der Stromschiene angeordneten Ausnehmungen und die Stromschiene wird durch die Verfestigung des Materials sicher und dauerhaft mit dem Gehäuse verbunden.
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Zur Verbindung des Gehäuses mit der Stromschiene hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn zumindest die Fixierelemente aus einem reversibel schmelzbaren Material, vorzugsweise einem Kunststoff, bestehen. In diesem Fall können die Fixierelemente mit der Stromschiene verschweißt werden, beispielsweise über ein Heizelementstumpf-, ein Laser- oder ein Ultraschallschweißverfahren. Derart wird eine dauerhafte und robuste Verbindung erzeugt und gleichzeitig werden Schwingungen zwischen der Stromschiene und dem Gehäuse vermieden.
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Unter reversibel schmelzbarem Material werden hierbei Materialien verstanden, bei denen das Material unter üblichen Betriebsbedingungen, d. h. beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von bis ca. 150°C im festen Aggregatzustand vorliegt und sowohl vor als auch nach einem oder mehreren Schmelzzyklen mit darauffolgenden Erstarrungszyklen die gleichen Eigenschaften aufweist. Dies ermöglicht beispielsweise auch im Reparaturfall den Austausch einer Stromschiene oder aber bei der stofflichen Wiederverwertung der Traktionsbatterie eine einfache Trennung von Gehäuse und Stromschiene.
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Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Stromschiene kann mit dem zuvor beschriebenen Gehäuse eine einfache und sichere Verbindung von Gehäuse und Stromschiene erreicht werden. Gleichzeitig kann nach der Montage der Stromschiene am Gehäuse ein Schwingen, erzeugt durch Relativbewegungen zwischen Stromschiene und Gehäuse, durch die Anordnung und Art der Fixierelemente in Verbindung mit der Stromschiene wirksam vermieden werden.
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An einem Gehäuse eines Moduls einer Traktionsbatterie wird eine Stromschiene, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, unmittelbar benachbart zu einer Seite des Gehäuses mit mehreren Öffnungen, angeordnet. Die Stromschiene ist zur Verbindung einer Mehrzahl von im Gehäuse angeordneten elektrochemischen Zellen vorgesehen. Die Stromschiene ist so gestaltet, dass diese bei Anordnung am Gehäuse die Öffnungen nicht verdeckt. Hierzu weist die Stromschiene eine verzweigte Form mit mehreren untereinander verbundenen parallel und/oder senkrecht zueinander angeordneten Bereichen auf.
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Unter einer verzweigten Form wird verstanden, dass die Stromschiene einzelne Öffnungen im Gehäuse, im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Sammelplatten, nicht vollständig umgibt.
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Eine derart gestaltete Stromschiene kann vorteilhaft entlang der zwischen den Öffnungen des Gehäuses bestehenden Stege verlaufen. Die Stromschiene erstreckt sich dabei im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung, wobei sich von der Stromschiene vorzugsweise orthogonal zur Längsrichtung Seitenarme mit weiteren Bereichen erstrecken. Die Stromschiene kann somit beispielsweise eine F-, M-, T- oder L-Form aufweisen.
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Die Stromschiene weist in den Bereichen zur Verbindung mit dem Gehäuse vorzugsweise Ausnehmungen zur Aufnahme von am Gehäuse angeordneten Fixierelementen mit dem Durchmesser dF auf. Der Durchmesser dA der Ausnehmungen ist dabei größer oder gleich dem Durchmesser der Fixierelemente.
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Die Breite der Stromschiene dS in Längserstreckung, das heißt parallel zu einer Reihe von Öffnungen im Gehäuse verlaufend, entspricht bevorzugt der Stegbreite zwischen zwei minimal beabstandeten, benachbarten Öffnungen im Gehäuse. Hierdurch kann die Stromschiene zum Erreichen einer geforderten Stromtragfähigkeit besonders flach ausgebildet werden und die Module können damit bauraumoptimiert gestaltet werden. Gleichzeitig ergibt sich bei der Herstellung der Stromschiene ein Vorteil, da die Verarbeitung eines flachen Halbzeugs günstiger ist als die Verarbeitung eines dicken Halbzeugs.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante weist die Stromschiene in den die Ausnehmungen umgebenden Kontaktierungsbereichen eine Breite dSA auf, die größer ist als die Breite dS in den übrigen Bereichen. Vorzugsweise ist die Breite dSA größer oder gleich der Summe aus dS und dA. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Stromschiene bei konstanter Dicke auch in den Bereichen, in denen Ausnehmungen angeordnet sind, eine ausreichende Stromtragfähigkeit aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Stromschiene ergibt sich, wenn der Übergang von Bereichen mit der Breite dSA zu den übrigen Bereichen mit der Breite dS einen stetigen Verlauf aufweist. Vorzugsweise folgt der Verlauf einer Sinus-Funktion.
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Durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung ist für die Herstellung der Stromschiene nur ein minimaler Materialeinsatz erforderlich, diese ist dadurch besonders leicht, und gleichzeitig ist eine ausreichende Stromtragfähigkeit in allen Bereichen der Stromschiene gewährleistet.
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Die Herstellung der Stromschiene kann durch ein Stanz- oder Schneideverfahren aus einem geeigneten Halbzeug, beispielsweise einem Blech, erfolgen. Als Schneideverfahren eignen sich insbesondere Laser- oder Wasserstrahlschneideverfahren.
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Es hat sich zusätzlich herausgestellt, dass die Stromschienen des erfindungsgemäß gestalteten Moduls im Betrieb der Traktionsbatterie eine homogene Temperaturverteilung aufweisen, d. h. es kommt nicht zur Ausbildung von lokalen Temperaturspitzen (sogenannten „hot spots”). Sollte eine Temperierung nötig sein, könnte eine derart gestaltete Stromschiene zusätzlich besonders effektiv aktiv temperiert, beispielsweise gekühlt, werden.
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Bei einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Stromschiene weisen die Ausnehmungen in der Stromschiene auf der dem Gehäuse abgewandten Seite einen größeren Durchmesser dA,max auf als auf der dem Gehäuse zugewandten Seite. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausnehmungen hierzu im Querschnitt kegelstumpfförmig oder zumindest abschnittsweise kegelstumpfförmig ausgestaltet. Durch diese Geometrie kann Material der Fixierelemente, die bei der Verbindung der Stromschiene mit dem Gehäuse, beispielsweise durch ein Heizelementstumpfschweißverfahren, aufgeschmolzen werden, sich nahezu vollständig in der Ausnehmung der Stromschiene anordnen, so dass wiederum im Hinblick auf den benötigten Bauraum eine besonders flache Anordnung erzielt wird, die Schmelze die benachbarten Bereiche der Stromschiene nicht undefiniert verunreinigt und zusätzlich eine besonders sichere Verbindung von Stromschiene und Gehäuse generiert wird, wenn das die Stromschiene partiell umgreifende geschmolzene Material ausgehärtet ist.
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Ein erfindungsgemäßes Modul für eine Traktionsbatterie weist eine Ausführungsform eines zuvor beschriebenen Gehäuses mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, sowie eine Ausführungsform einer zuvor beschriebenen Stromschiene auf.
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Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Elementen kann das Modul weiterhin auch eine Temperiervorrichtung und Sensoren, beispielsweise zur Strom-, Spannungs- und/oder Temperaturmessung, aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist das Material der Fixierelemente während des Verbindens mit der Stromschiene aufgeschmolzen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Fixierelemente über ein gängiges Schweißverfahren, wie ein Heizelementstumpf-, ein Laser- oder ein Ultraschallschweißverfahren nach der Anordnung der Stromschiene am Gehäuse aufgeschmolzen werden, wobei die aufgeschmolzenen Bereiche sich so anordnen, dass nach dem Aushärten bzw. Erstarren der Fixierelemente die Stromschiene fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Denkbar wäre auch die Stromschiene in einem Spritzgießwerkzeug anzuordnen, wo die Ausnehmungen der Stromschiene vom flüssigen Material des Gehäuses durchdrungen bzw. umgeben wird und nach dessen Aushärten bei den Ausnehmungen Fixierelemente bzw. Fixierelemente ausbilden, wodurch die Stromschiene fest mit dem Gehäuse verbunden ist.
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Vorteilhaft weist ein Modul mehrere Stromschienen auf, von denen jeweils eine zur elektrischen Kontaktierung jeweils einer Gruppe aus einer Teilmenge der im Gehäuse angeordneten elektrochemischen Zellen vorgesehen ist, über Fixierelemente mit dem Gehäuse verbunden sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn unterschiedlich geformte Stromschienen, von denen jeweils eine zur elektrischen Kontaktierung jeweils einer Gruppe der im Gehäuse angeordneten elektrochemischen Zellen vorgesehen ist, über Fixierelemente mit dem Gehäuse verbunden sind.
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Besonders bevorzugt weisen eine oder zwei der Stromschienen zumindest eine Potentialkontaktierungsöffnung (beispielsweise eine Einpressöffnung) auf, über die eine Verbindung zur Übergabe oder Übernahme eines Potentials an oder von einem Nachbarmodul hergestellt werden kann. Beispielsweise kann hierzu in die Potentialkontaktierungsöffnung ein Bolzen eingepresst werden, der über eine einfach gestaltete Stromschiene mit dem Nachbarmodul verbunden wird.
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Ganz besonders bevorzugt sind mehrere Potentialkontaktierungsöffnungen randseitig an der Stromschiene angeordnet, so dass abhängig von der Einbaulage ein Bolzen jeweils in der Potentialkontaktierungsöffnung angeordnet werden kann, die dem benachbarten Modul bzw. dem dortigen Potentialübergabepunkt nächstgelegen ist.
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Die zuvor genannten Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass die elektrochemischen Zellen sehr variabel miteinander verschaltet werden können, beispielsweise um eine bestimmte elektrische Leistung bei einer bestimmten Spannung bereitzustellen, oder aber eine thermisch optimierte Anordnung zu erreichen.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn die Anzahl der im Modul angeordneten elektrochemischen Zellen einer Zahl entspricht, bei der es sich im mathematischen Sinn um eine „hoch zusammengesetzte Zahl handelt, vorzugsweise um 12, 24, 36, 60 oder 120 Zellen. Besonders bevorzugt ist eine Anzahl von Zellen aus der Menge der „besonders hoch zusammengesetzten Zahlen” (1, 2, 6, 12, 60, 360, 2520), bevorzugt um 12, 60 oder 360 Zellen. Als außerordentlich geeignet im Hinblick auf eine möglichst variable Verschaltung bei der Herstellung von Modulen für Traktionsbatterien haben sich Module mit 60 Zellen erwiesen. Die zuvor beschriebenen Anzahlen von Zellen bieten die Möglichkeit die Zellen im Modul in einem symmetrischen Raster anzuordnen, so dass, durch die große, bzw. maximale Zahl der möglichen ganzzahligen Teiler, durch Verwendung von entsprechend gestalteten Stromschienen verschiedene Spannungslagen mit einem Modul erzeugt werden können. So wäre es bei der Verwendung von 60 Zellen in einem Modul möglich 4 Gruppen von jeweils 15 Zellen über Stromschienen zu verschalten, alternativ wäre es aber auch möglich andere Spannungslagen zu generieren, indem beispielsweise 2 × 30, 3 × 20, 5 × 12, 6 × 10, ..., 30 × 2 Zellen miteinander über Stromschienen verbunden werden. Hierdurch kann ein Modul, lediglich durch die Verwendung anderer Stromschienen, für verschiedene Anwendungen, beispielsweise Fahrzeugbaureihen, eingesetzt werden.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeigt ein Modul, bei dem eine Stromschiene mit den Elektroden der elektrochemischen Zellen über einen Bond-Draht elektrisch verbunden ist.
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Erfindungsgemäß weist eine Traktionsbatterie ein oder mehrere Module in einer der zuvor genannten Ausführungsformen auf. Eine derartige Traktionsbatterie kann kostengünstig hergestellt werden, ohne dass es bei der Kontaktierung der elektrochemischen Zellen zu Funktionseinbußen kommt. Gleichzeitig kann die Traktionsbatterie sehr variabel aufgebaut sein und ist im Hinblick auf das Gesamtgewicht und den benötigten Bauraum optimiert.
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Eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie kommt vorzugsweise in einem Elektrofahrzeug, beispielsweise einem elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeug wie einem Last- oder Personenkraftwagen oder einem elektrisch angetriebenen Fahr- oder Motorkraftrad zum Einsatz. Grundsätzlich wäre es auch denkbar eine derartige Traktionsbatterie zum Antrieb von Flugzeugen, beispielsweise beim Rangieren auf Rollfeldern, oder beliebigen anderen Fahrzeugen einzusetzen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie mit vier erfindungsgemäßen Modulen;
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Modul;
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3 ist eine Draufsicht auf eine Seite eines erfindungsgemäßen Gehäuses;
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4 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromschiene;
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5a und 5b zeigen schematisch einen Querschnitt eines Bereichs eines erfindungsgemäßen Moduls;
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN UND WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem in 1 dargestellten Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie 5 mit vier erfindungsgemäßen Modulen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 weisen die einzelnen Module 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 identische Gehäuse 10 auf, wobei pro Modul 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 sechzig elektrochemische Zellen 30 angeordnet sind. Dabei sind pro Modul die sechzig elektrochemischen Zellen 30 wiederum in vier Teilmengen beziehungsweise Gruppen zu jeweils 15 Zellen eingeteilt. Die jeweils 15 Zellen sind in einem orthogonalen 3 × 5 Raster angeordnet, wobei die 15 Zellen der Gruppe gleichsinnig orientiert sind, d. h. innerhalb der Gruppe ist jeweils die gleiche Elektrode 31, 32 erkennbar bzw. ragt von der Bildebene hervor. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind benachbarte Gruppen gegensinnig orientiert, d. h. die erkennbaren Elektroden 31, 32 benachbarter Gruppen unterscheiden sich in ihrer Polarität. Innerhalb eines Moduls sind die elektrochemischen Zellen 30 siehe 5a, b jeweils über mehrere am Gehäuse 10 rückseitig nicht sichtbar und vorderseitig angeordnete Stromschienen 20.11–13; 20.21–23; 20.31–33; 20.41–43 elektrisch miteinander verbunden. Dabei dient eine erste Stromschiene 20.11, 20.21, 20.31, 20.41 des jeweiligen Moduls 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 zur Übernahme eines Potentials von einem benachbarten Modul und eine dritte Stromschiene 20.13, 20.23, 20.33, 20.43 zur Übergabe eines Potentials an ein benachbartes Modul 1.1, 1.2, 1.3, 1.4. Hierzu weisen die erste und die dritte Stromschiene 20.11, 20.21, 20.31, 20.41; 20.13, 20.23, 20.33, 20.43 jeweils einen Übergabepunkt auf, an dem je ein Bolzen 230.1n, 230.12; 230.21, 230.23; 230.32, 230.34; 230.43, 230.4m angeordnet ist. Die Bolzen 230.1n, 230.12; 230.21, 230.23; 230.32, 230.34; 230.43, 230.4m können beispielsweise über eine nicht dargestellte einfach gestaltete Stromschiene miteinander verbunden werden. Die erste und dritte Stromschiene 20.11, 20.21, 20.31, 20.41; 20.13, 20.23, 20.33, 20.43 sind jeweils mit Elektroden einer Gruppe von elektrochemischen Zellen 30 über einen Bonddraht verbunden.
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Die zweite Stromschiene 20.12, 20.22, 20.32, 20.42 verbindet die elektrochemischen Zellen 30 von zwei benachbarten Gruppen, wobei die zweite Stromschiene 20.12, 20.22, 20.32, 20.42 entsprechend der Gruppe von Zellen mit Elektroden unterschiedlicher Polarität verbunden ist. Rückseitig nicht sichtbar sind ebenfalls zwei Stromschienen vorgesehen, die jeweils zwei Gruppen von elektrochemischen Zellen 30 miteinander verbinden, so dass ein durchgehender Stromfluss von der ersten Stromschiene 20.11, 20.21, 20.31, 20.41 zur dritten Stromschiene eines Moduls 20.13, 20.23, 20.33, 20.43 hergestellt ist.
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An den Stromschienen 20.11–20.43 ist jeweils noch ein Kontaktierungspunkt für einen Spannungsabgriff 240 vorgesehen, um beispielsweise das Potential jeweils einer Gruppe von elektrochemischen Zellen 30 zu überwachen.
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2 zeigt ein einzelnes Modul 1.1 in einer perspektivischen Ansicht. Bei dem hier dargestellten Modul handelt es sich um die rückseitige Ansicht des Moduls 1.1 aus 1. Das Modul 1.1 weist ein Gehäuse 10 auf. Das Gehäuse 10 besteht aus einen Kunststoff, hier einem Polyacryl-Kunststoff mit Glasfaserverstärkung. Das Gehäuse 10 besteht aus zwei Gehäusehalbschalen 10a, 10b, die miteinander verrastet sind und vier Gruppen von jeweils 15 elektrochemischen Zellen umfassen und fixieren. Die Gehäusehalbschalen 10a, 10b weisen benachbart zu den Elektroden 31, 32 der elektrochemischen Zellen 30 jeweils eine Öffnung 11 auf. Jeweils zwei Gruppen von elektrochemischen Zellen 30 werden über eine Stromschiene 20.14; 20.15 elektrisch miteinander verbunden. Hierzu ist die jeweilige Elektrode 31, 32 der elektrochemischen Zelle 30 mit der Stromschiene 20.14; 20.15 über einen nicht dargestellten Bonddraht verbunden.
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An seinen Ecken weisen die Gehäusehalbschale 10a je einen Verbindungspunkt 15 auf. Über die Verbindungspunkte 15 kann eine Befestigung des Moduls an einer Tragstruktur einer Traktionsbatterie 5 oder aber einem benachbart angeordneten Modul 1 erfolgen.
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Zusätzlich weist die Gehäusehalbschale 10a benachbart zu jeder Öffnung 11 ein Fixierelement 12 zur Befestigung der Stromschienen 20.14; 20.15 an der Gehäusehalbschale 10a auf.
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Das in 3 dargestellte Gehäuse 10 weist an der dargestellten Seite ein Raster aus 60 Öffnungen 11 auf, die in 6 Reihen und 10 Spalten angeordnet sind. Benachbart zu jeder der Öffnungen 11 ist zumindest ein Fixierelement 12 angeordnet. Die Fixierelemente 12 bilden ein zu dem Raster der Öffnungen 11 verschobenes Raster, wobei an nicht jedem Rasterpunkt ein Fixierelement 12 vorgesehen ist. Die vorhandenen Fixierelemente 12 sind zu den jeweils benachbarten Öffnungen 11 identisch beabstandet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Fixierelemente 12 gemeinsam mit dem Gehäuse 10 in einem Spritzgießverfahren hergestellt.
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4 stellt eine erfindungsgemäße Stromschiene 20 dar. Die Stromschiene 20 dient zur Anordnung an einem Gehäuse 10 und verbindet eine Gruppe von 15 elektrochemischen Zellen 30, die im Gehäuse 10 angeordnet sind. Die Stromschiene 20 weist eine verzweigte Form mit einem quer verlaufenden Bereich 20a und drei diesen kreuzende und senkrecht zum Bereich 20a verlaufende Bereiche 20b auf. Der quer verlaufende Bereich 20a weist vier Ausnehmungen 22 und die zu diesem senkrecht verlaufenden Bereiche 20b jeweils eine zusätzliche Ausnehmung 22 auf. Mit diesen sieben Ausnehmungen 22 wird die Stromschiene auf korrespondierende Fixierelemente 12 des Gehäuses 10 befestigt. Durch die Anordnung der Ausnehmungen 22 ist benachbart zu jeder Öffnung 11 des Gehäuses 10 zumindest ein Fixierelement 12 mit der Stromschiene 20 verbunden.
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Durch die verzweigte Form der Stromschiene 20 verdeckt die Stromschiene nach der Anordnung am Gehäuse 10 die Öffnungen 11 im Gehäuse 10 nicht oder nur geringfügig. Hierzu weist die Stromschiene 20 eine Breite dS auf, die in Längserstreckung der minimalen Stegbreite zwischen zwei benachbarten Öffnungen 11 im Gehäuse 10 entspricht.
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In den Bereichen, in denen die Ausnehmungen 22 in der Stromschiene 20 angeordnet sind, weist die Stromschiene eine Breite dSA auf, die größer ist und in der dargestellten Ausführungsform der Summe aus der Breite dS der Stromschiene 20 in den übrigen Bereichen dS und dem Durchmesser der Ausnehmungen 22 dA entspricht. Somit wird gewährleistet, dass die Querschnittsfläche der Stromschiene 20 auch in den Bereichen der Ausnehmungen 22 im Bezug zur Stromtragfähigkeit konstant gehalten wird.
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Die äußere Kontur der Stromschiene 20 ist hier so gestaltet, dass der Übergang von den Bereichen mit der Breite dSA zu den übrigen Bereichen mit der Breite dS einen stetigen Verlauf aufweist, im dargestellten Ausführungsbeispiel dem Verlauf einer Sinus-Funktion folgend.
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Die dargestellte Stromschiene 20 dient nach Anordnung am Gehäuse 10 zur Verbindung mit einem Nachbarmodul und weist hierzu an den distalen Enden des quer verlaufenden Bereichs 20a, sowie an den distalen Enden von zwei Bereichen 20b je eine Einpressöffnung 23 auf, so dass auf jeder Seite der Stromschiene 20 zumindest zwei Einpressöffnungen 23 vorgesehen sind. In den Einpressöffnungen 23 kann, abhängig von der Einbaulage der Stromschiene 20 und des Moduls 1, zumindest ein Einpressbolzen 230 derart angeordnet werden, dass zur Verbindung mit dem Nachbarmodul eine möglichst kleine Distanz überbrückt werden muss. Zusätzlich weist die Stromschiene einen Kontaktierungspunkt 24 zur Anordnung einer Messleitung für eine Sensorik zur Ermittlung der Spannung der über die Stromschiene 20 kontaktierten elektrochemischen Zellen 30 auf.
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5a zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Bereichs eines erfindungsgemäßen Moduls 1 zu einem ersten Montagezeitpunkt. Erkennbar ist ein Teil einer Stromschiene 20, der am Gehäuse 10 zur Anlage kommt. Im Gehäuse 10 sind elektrochemische Zellen 30 angeordnet, die mit ihren Elektroden 31 benachbart zu Öffnungen 11 im Gehäuse 10 angeordnet sind. Die Stromschiene 20 weist Ausnehmungen 22 auf. Der Durchmesser der Ausnehmungen 22 auf der dem Gehäuse 10 abgewandten Seite der Stromschiene 20 dA,max ist größer als der Durchmesser dA auf der dem Gehäuse 10 zugewandten Seite der Stromschiene 20. In der dargestellten Ausführungsform weisen die Ausnehmungen 22 auf der dem Gehäuse 10 abgewandten Seite einen kegelstumpfförmigen Abschnitt auf. Bei den in den Ausnehmungen 22 angeordneten Fixierelementen 12 handelt es sich um in das Gehäuse 10 eingelassene Kunststoffstifte.
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Der in 5b dargestellte spätere Montagezeitpunkt zeigt die zuvor beschriebene Anordnung, bei der die Fixierelemente 12 abschnittsweise aufgeschmolzen wurden und sich das geschmolzene Material im Wesentlichen im kegelstumpfförmigen Abschnitt der Ausnehmungen 22 abgelagert und verfestigt hat. Hierdurch wird eine innige und feste Verbindung zwischen der Stromschiene 20 und dem Gehäuse 10 erzeugt. In einem darauffolgenden Kontaktierungsschritt wurden die dargestellten Bonddrähte 33 zur Verbindung der Elektroden 31 der elektrochemischen Zellen 30 mit der Stromschiene 20 montiert, ohne dass es dabei zu Schwingungen der Stromschiene 20 relativ zum Gehäuse 10 kommt. Darüber hinaus wird durch die Befestigung der Stromschiene 20 am Gehäuse 10 über die Fixierelemente 12 die Stromschiene 20 nahezu schwingungsfrei fixiert, so dass eine Beschädigung der Bonddrähte 33 während des Betriebs bzw. Einsatz des Moduls aufgrund beispielsweise Vibrationen eines Fahrzeugs sowie Fliehkräfte verhindert wird.
