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.