母线

技术领域

本发明涉及一种具有外护套的母线，外护套包围至少一个腔，相变材料位于该腔中。

背景技术

本发明涉及电动领域，特别是充电路径和电池中的连接，例如电动机动车辆的引出或引入电缆和电池单元连接器。为了减少包含在这些车辆中的电池的充电时间，特别是在高电流充电(也称为高功率充电(HPC))的情况下，目的是避免由电流加热触发的充电电流功率的降额。这种高功率充电需要从电源(例如充电站)到用户(即车辆的电池)的不断增加的电流。因此，导电部件暴露于超过500A的电流，这导致载流部件的电阻加热。

为了减少对从充电接触元件延伸到或进入机动车辆电池的电流传导路径及其周围的可能加热损害，可以增大相应部件的横截面，以便减少电流密度和由此引起的热量产生。然而，这直接导致重量增加，需要更多的空间和部件成本。为了散发产生的热量，可能还需要使用额外的有源冷却系统，尽管这些系统具有类似的缺点。

用于冷却机动车辆电池的电池单元的冷却装置是已知的。在这种情况下，冷却装置被配置为在用于电连接电池单元的电极的母线中具有相变材料(PCM)的母线布置。封闭通道集成到母线中，该封闭通道沿母线纵向延伸并包含相变材料，当超过相变材料进行相变的特定相变温度时，该相变材料适于从母线中提取热量。

当达到相变温度时，母线的进一步加热被延迟，因为产生的热量被转移到相变材料中并被其吸收以进行相变。因此，热量可以从母线散发出来，母线的温度升高可以被停止或延迟。

然而，除非母线尺寸更大，否则这种结构在不会大幅降低母线可传输的电流的情况下，限制了可以集成到母线中的相变材料的量。

本发明的基本问题是提供一种母线，其允许以简单和紧凑的结构进行有效冷却，而不减少在相同几何横截面中传输的电流量。

发明内容

为了解决这个问题，本发明提供了一种具有权利要求1的特征的母线。

在此情况中，母线表示优选但不限于由导电材料制成的刚性部件，该刚性部件用作电路的部件，并且因此能够在电源和负载之间进行连接。因此，根据本发明的母线也可以被配置为模块化连接器，或者被设置有至少一个螺钉连接件或连接凸耳，以用于连接到电流传导路径的相邻部分。根据本发明的母线可以安装在从车辆的充电接触元件到电池的电流传导路径或电池内的电流传导路径中，例如以电连接不同的电池单元或模块。通常，母线是细长体，其长度通常显著大于其直径或等效直径。虽然母线通常是直的，但它也可以是弯曲或成角度的，优选为钝角。应理解，母线还可具有更柔性的部分或元件，或以诸如编织带或织物带等方式形成，以改善母线在期望的安装空间中的安装。

母线的横截面优选沿着母线的整个长度均匀地配置并且可以具有任何几何形状；然而，母线的横截面的形状优选为矩形、方形、圆形或椭圆形。

此外，母线具有外护套，外护套包围沿母线纵向延伸的至少一个腔，该腔不一定但优选地沿母线的整个长度延伸。优选地，外护套具有前端面和/或后端面，前端面和/或后端面各自垂直于母线的长度布置并且向外终止腔。腔通常由外护套完全包围。

优选地，根据本发明所述的母线的前端面和后端面设置有末端凸耳或固体压制端部区域，末端凸耳或固体压制端部区域设置有Sn或Sn合金、Ag或Ag合金、Ni或Ni合金的特殊表面涂层，该涂层具有可能的中间层或粘附促进剂或表面结构。例如，通过螺纹连接或US焊接与充电入口或电池或电池单元进行接触。外护套可以通过诸如挤压的制造工艺制造成均匀部件，然而也可以通过例如焊接或钎焊来连接单独的片或板以形成母线，每个片或板形成外部圆周表面的部分区域。外护套也可以由编织带或织物带或由几个编织带或织物带的连接组成。例如也可由塑料形成的外护套可以收缩管制成或通过挤压制成。此外，外护套的与腔接触的内表面可通过技术上惯用的镀锡方法设置有锡层。

外护套通常至少部分地由导电金属合金组成，例如铜基或铝基的合金。应当理解，这包括使用商业上和技术上纯的铝或铜材料。特别是，在材料由铜制成的情况下，如果不能完全避免，优选减少合金元素的添加。合金元素，例如氧、磷、硅、锂、镁、硼、锡、铬、锆和/或铁可以存在于所选材料中，但是优选低于3wt％。可用于外护套的铜合金包括例如C10200、C11000、C12200、C10100等。就铝基材料而言，可以优先使用纯铝合金、具有99.99wt％铝纯度的超纯铝、具有镁和硅的合金或具有锆的合金。可能的合金是A1050、AW 5743、A1350、AW6101等。

外护套的壁厚，其优选在整个母线上保持恒定，可以根据所需重量、空间要求和/或母线的必要载流能力来定制和选择。外护套的壁厚优选为至少1mm，优选在1mm至3mm之间，并且优选不超过4mm。此外，当从母线的横截面观察时，外护套具有优选至少20％、更优选35％和最优选50％的面积分数，其中剩余面积分数由腔确定。不建议让外护套的面积分数增加到70％以上，优选地不建议让外护套的面积分数增加到60％以上。

根据本发明的母线的腔包含至少一种金属泡沫。作为金属泡沫的固有特征的金属泡沫的孔隙度至少部分地填充有相变材料。

金属泡沫由导电和导热材料组成，优选地包括优选为铜基或铝基的金属材料。这可以包括技术上纯的铝和铜合金，也可以包括优选反映前述外护套的化学成分的合金。由于金属泡沫的制造工艺，在其成分中可能存在诸如Al

金属泡沫可以通过多种方法制造。在粉末冶金方法中，例如，金属粉末均匀地与推进剂粉末(propellant powder)混合，例如氢化物，如氢化钛，并压实成前体材料。这可以通过粉末压块的单轴或等静压、粉末挤压、共形挤压或触变铸造来实现。随后，如果需要，起始材料可以使用成型方法被进一步处理或例如通过铣削加工。然后将前体材料加热至等于或高于金属粉末的熔化温度的温度。在此加热期间，推进剂释放气体，从而导致熔融金属的膨胀和孔隙形成，从而导致金属泡沫的产生。一旦达到最大泡沫膨胀，系统或金属泡沫被冷却，从而转移到固相。

该工艺可以在合适的模具中进行，使得膨胀的金属泡沫呈现模具的内部轮廓。例如，可以将前体材料引入优选被挤出的外护套中，使得发泡过程直接发生在外护套内。这样，母线可以制造为相对于外护套和金属泡沫的均匀部件。应理解，在用作机动车辆中的导电部件之前，以这种方式制造的母线可以经历进一步的处理步骤，例如弯曲、压制或切割。

也可以在冷却后从模具中移除近终形金属泡沫部件，并在必要时通过机加工方法进一步处理。然后可以将完成的、独立的金属泡沫插入具有母线最终尺寸的外护套的中空轮廓中。在此过程中，金属泡沫部件通常连接到外护套的内圆周表面，例如通过熔化或熔合到内涂层，例如上述锡涂层，当引入金属泡沫部件时，所述内涂层在金属泡沫部件的参与下在内圆周表面处受热固化。然而，泡沫也可以夹在两个板或片之间，并且通过在泡沫周围焊接或钎焊额外的板或片来生成外护套。在该变体中，也在制造外护套的范围内，注意板/片与金属泡沫部件之间的直接的、因此良好的导热连接，或者随后在金属泡沫部件与外护套之间建立良好的导热连接。泡沫还可以在模具中发泡并固化以形成外护套，外护套可以例如通过将形成泡沫的膨胀材料在模具的壁上凝结而形成。因此，泡沫和外护套是整体产生的。

金属泡沫也可以通过借助于气体注入的使熔体发泡而制造。为此，不用添加释放气体的推进剂，而是通过特殊的叶轮将气体直接注入熔体。在熔体中上升的孔隙在熔池表面形成液体泡沫，该泡沫被排出并固化。熔模制造法也适用于金属泡沫结构的生成，因此也可用于生产此处使用的金属泡沫。

类似于上述金属外护套，可通过可选地施加热量来使置于金属泡沫周围的塑料(例如PTFE、聚酰亚胺或聚酯)的外护套与金属泡沫更紧密地接触。

金属泡沫通常具有在母线的纵向和横向方向上延伸的孔隙，孔隙可以根据制造工艺在尺寸上变化并且可以是独立的或互连的。在这种情况下，区分开孔泡沫和闭孔泡沫。

金属泡沫优选地完全填充外护套的腔。金属泡沫优选还具有与围绕的外护套的内表面接触的至少一个接触表面。通过在外护套和金属泡沫之间产生这样的接触，金属泡沫可以传导流过母线的电流的一部分，从而积极地影响部件的载流能力。此外，金属泡沫还传导由从外护套流向母线最内侧部分的电流产生的热能，从而使得该热能在整个母线上的分布得到改善或更加均匀。由于与相变材料直接接触的金属泡沫表面较大，更多的热能到达相变材料，导致母线散热更好。

为了增加外护套的内表面与金属泡沫之间的接触区域的数量和/或优化这些接触区域，可以在母线上进行热处理。应当理解，热处理可以在母线上独立于制造工艺进行。热处理的温度和持续时间的选择取决于外护套的材料、金属泡沫和外护套的可选表面涂层的存在。对于镀锡的母线，温度处理在230℃和400℃之间是合适的。处理的持续时间由母线的尺寸决定。通过此类处理，可以建立金属泡沫与外护套之间的金属导电连接，并且如果需要，可以通过可能的熔化外护套的内涂层来进行改进。

为了进一步使母线的冷却效果得到改善和均匀化，另外优选使金属泡沫中相变材料的量最大化。因此，相变材料应填充金属泡沫的孔隙度的至少50％，然而优选至少60％、更优选至少80％、并且最优选至少98％。从70％的填充比中，优选使用具有与PCM的粘度匹配的孔径的开孔泡沫。金属泡沫的孔隙度的填充有相变材料的部分可以通过对相应横截面的视觉分析来确定。

金属泡沫的孔隙度由彼此连接并连接到金属泡沫的最外表面的空隙或孔隙(开孔隙度)和不彼此连接的空隙或孔隙(闭孔隙度)的总和组成。为了确保金属泡沫的相变材料的填充性，优选地最大化金属泡沫中的开孔的数量并减少闭孔的数量。因此，金属泡沫应具有至少30％、优选至少50％和最优选至少70％的开孔隙度，其中金属泡沫的完全开孔结构是本发明的优选实施例。金属泡沫的孔隙度还可以通过孔尺寸、孔数及其分布来表征。优选地，金属泡沫具有近似恒定的孔尺寸。此外，孔优选均匀地分布在整个金属泡沫上。

通过相对于所用相变材料的比例、类型和化学成分优化金属泡沫比例，来确定适当的孔尺寸和孔数。如果金属泡沫太多孔并且仅具有最小量的金属结构，则可以从外护套更慢地将热能传导到母线内部中、到相变材料。另一方面，如果孔隙度太低，则较少的相变材料可用于吸收热能。由于金属泡沫的孔隙度以孔数和孔尺寸的组合来表征，因此在应用中这与PCM紧密耦合，从而与使用区域紧密耦合。因此，待使用的金属泡沫具有至少10孔每英寸(PPI)，优选20PPI，并且优选最大45PPI。术语PPI是指线性英寸中的孔数。根据孔每英寸(PPI)数，平均孔直径在0.3-5mm之间。

例如，可以通过密度测量来确定金属泡沫的孔隙度。金属泡沫的孔尺寸和孔数可以通过金相显微切片和随后的评估程序(例如用于晶粒尺寸分析的程序)来确定。

相变材料通常被理解为这样的材料，即，由于其比热容，其潜在的熔化热明显大于其所能储存的热能。因此，相变材料提供了潜在的热储存。在相变材料的情况下，当达到或超过特定相变温度时发生相变。相变材料不必进行完全的相变，而是也可以仅部分进行，例如，取决于环境温度的变化。相变的一个示例将是从固相到液相的变化。因此，当超过特定相变温度时，相变材料逐渐液化或凝固，并且在此过程中可以吸收用于进行该相变的热量。如果在相变期间不再向相变材料供应热量，或者如果相变材料在完全液化之前被冷却，则不会发生完全的相变并且相变材料再次变得逐渐固化并且最终再次完全进入固相。换句话说，只要相变尚未完成，相变材料就可以吸收热能，所述相变完成即相变材料已完全从第一相或第一聚集状态转变为第二相或第二聚集状态。如果相变材料在第二相中再次冷却，则其再次从第二相转变为第一相或第一聚集状态，其中热量于是相应地再次释放。

本发明的相变材料优选地被配置成使得相变温度在40℃与130℃之间，并且是指所述相变材料的固-液转变。

相变材料(PCM)可以由无机或有机化合物制成，其中后者进一步分为石蜡和非石蜡材料。根据本发明的相变材料包括有机化合物，特别是石蜡。此外，本发明包括使用可生物降解的PCM，并且因此包括使用基于脂肪酸或脂肪酸酯或甲酯的非石蜡相变材料。出于可持续性原因，优选棕榈酸基或树脂基PCM，如苯并噁嗪或腰果酚+胺。在特殊情况下，也可以使用无机化合物。

可以通过将相变材料加热到等于或高于相变温度的温度并且将液体相变材料引入或渗透到金属泡沫中来将相变材料引入金属泡沫中。相变材料在金属泡沫的孔隙度中的渗透可以在重力下进行，但也可以施加额外的压力。优选地，直到金属泡沫在外护套内，才将相变材料引入金属泡沫中。

此外，本发明还涉及一种电动机动车辆，其中在从充电接触元件到机动车辆的电池模块的电流传导路径或机动车辆的电池模块中的电流传导路径中具有至少一个根据本发明的母线。

附图说明

从下面结合附图对实施例的描述中，本发明的更多细节和优点将变得显而易见。其中：

图1示出了两个母线的透视图；

图2示出了第二母线的横截面。

具体实施方式

在图1和图2中，附图标记10表征母线。如图1所示，具有圆形横截面的母线由附图标记10.1表示，具有矩形横截面的母线由附图标记10.2表示。无论母线的横截面几何形状如何，两者都具有包围腔13的外护套12，在腔13中容纳具有孔隙度的金属泡沫14。

图2示出了壁厚16为1mm的矩形母线10.2的横截面20。外护套12的面积分数和腔13的面积分数各自达到母线10的总横截面的50％。

附图标记列表

10 母线

10.1 母线

10.2 母线

12 外护套

13 腔

14 金属泡沫

16 壁厚

20 横截面