DE102014006030A1

DE102014006030A1 - Kraftfahrzeug-Batteriemontage mit Hochvoltschutz

Info

Publication number: DE102014006030A1
Application number: DE102014006030.6A
Authority: DE
Inventors: Jörg Schmidt; Erdal Acikgoez
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie (10) zum Bereitstellen einer Hochvoltspannung in einem Kraftfahrzeug, wobei die Hochvoltbatterie (10, 78) zwei Batteriemodule (12, 14) aufweist, die zum Erzeugen der Hochvoltspannung über ein Koppelelement (20) in Reihe geschaltet sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Hochvoltbatterie ohne Gefahr für den Monteur zusammenbauen zu können. Jedes Batteriemodul (12, 14) weist hierzu Steckerschächte (48, 48') aus einem elektrisch isolierenden Material auf. Darin ist jeweils ein elektrischer Kontakt (46, 46') angeordnet. Auch das Koppelelement (20) weist Steckerschächte (62, 62') aus einem elektrisch isolierenden Material auf, und darin ist jeweils ein Gegenkontakt (68, 68') angeordnet. Die Steckerschächte (48, 48') der Batteriemodule (12, 14) und die Steckerschächte (62, 62', 68, 68') des Koppelelements (20) sind paarweise ineinander gesteckt, so dass sich jeweils der darin angeordnete Kontakt (46, 46') und der Gegenkontakt (74, 74') berühren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie zum Bereitstellen einer Hochvoltspannung in einem Kraftfahrzeug. Unter Hochvollspannung wird hier eine elektrische Spannung größer als 60 Volt, insbesondere größer als 100 Volt verstanden. Die Hochvoltbatterie weist zum Bereitstellen der Hochvoltspannung Batteriemodule auf, die über jeweilige Koppelelemente in Reihe geschaltet sind. Eine solche Hochvoltbatterie ist insbesondere als Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug ausgestaltet.
Die Verbindungstechnik solcher modular aufgebauter Hochvoltbatterien ist im Stand der Technik je nach Konstruktionsart und verfügbarem Bauraum unterschiedlich ausgestaltet. Bei einer Hochvoltbatterie können die Batteriemodule miteinander über Hochvoltkabel verschraubt bzw. gesteckt sein, wie es beispielsweise aus der WO 2007/087788 A2 bekannt ist. Batteriemodule können auch direkt über eine Stromschiene (englisch: bus bar) miteinander verbunden sein, wie es aus der WO 2013/184926 A1 bekannt ist.
Um mittels einer Hochvoltbatterie die Hochvoltspannung zu erzeugen, müssen mehrere Batteriemodule in Reihe geschaltet werden. Beim Herstellen der Hochvoltbatterie ergibt sich hierbei das Problem, dass mit jedem weiteren Batteriemodul, das in die Hochvoltbatterie eingebaut wird und an die bereits eingebauten übrigen Batteriemodule angeschlossen wird, die durch die in Reihe geschalteten Batteriemodule erzeugte Gesamtspannung schrittweise größer wird, bis sie schließlich einen kritischen Spannungswert überschreitet, der einen Schutz des Monteurs erfordert. Da die Montage überwiegend manuell durchgeführt wird, besteht also eine Hochvoltgefahr für den Monteur. Bisher ist es nicht konstruktiv gelöst, den kompletten Montageprozess berührbeschützt auszugestalten. Deshalb müssen Monteure bei der Herstellung einer Hochvoltbatterie Personenschutzausrüstung tragen, wie bspw. elektrisch isolierende Handschuhe und Kleidung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochvoltbatterie bereit zu stellen, die sich ohne Gefahr für den Monteur zusammenbauen lässt.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gegeben.
Die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie weist ein Stecksystem auf, das einen Berührschutz über den gesamten Montageprozess der Hochvoltbatterie realisiert, sodass eine konstruktive Lösung für den Personenschutz vorliegt, der nicht von der Befolgung von Sicherheitsanweisungen durch die Monteure abhängig ist.
Hierzu sind bei den Batteriemodulen jeweils elektrische Kontakte zum Anschließen des Batteriemoduls in jeweils einem Schacht angeordnet, dessen Wandung aus einem elektrisch isolierenden Material ausgestaltet ist. Mit anderen Worten ist also der elektrische Kontakt in einem Schacht aus einem elektrisch isolierenden Material versenkt. Damit ist vermieden, dass jemand versehentlich die elektrischen Kontakte der Batteriemodule berühren kann. Die Batteriemodule sind untereinander jeweils über ein Koppelelement elektrisch verbunden, durch welches jeweils zwei Batteriemodule in Reihe geschaltet sind. Auch bei einem solchen Koppelelement sind elektrische Gegenkontakte, die jeweils mit einem Kontakt eines Batteriemoduls in Berührung stehen, in Schächten aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Mit anderen Worten sind also auch die Gegenkontakte des Koppelelements jeweils in einem Schacht versenkt, dessen Wandung aus einem elektrisch isolierenden Material ausgestaltet ist. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird unter elektrisch isolierend verstanden, dass eine elektrische Leitfähigkeit des Materials kleiner als 10 S/m, insbesondere kleiner als ein 1 S/m ist.
Die Wandungen der Steckerschächte der Batteriemodule und der Steckerschächte des Koppelelements sind dabei derart ausgestaltet, dass die Steckerschächte der Batteriemodule und die Steckerschächte des Koppelelements paarweise ineinander gesteckt werden können. Bspw. kann ein Steckerschacht in Form eines Hohlzylinders bereitgestellt werden, in welchem sich ein elektrischer Gegenkontakt befindet. Ein solcher Hohlzylinder kann dann zusammen mit dem darin befindlichen Gegenkontakt in einen anderen Steckerschacht eingeschoben werden.
Indem bei der Hochvoltbatterie sämtliche Kontakte und Gegenkontakte in Schächten versenkt oder angeordnet sind, ergibt sich der Vorteil, dass zu keiner Zeit irgendeiner der Kontakte frei liegt und versehentlich durch einen Monteur berührt werden kann.
Bevorzugt ist durch die Steckerschächte jeweils mindestens ein Berührschutz nach Schutzart IP2X für den darin angeordneten Kontakt oder Gegenkontakt bereit gestellt. Mit anderen Worten ist der in einem Steckerschacht angeordnete Kontakt oder Gegenkontakt von außerhalb der Hochvoltbatterie aus nur über eine Öffnung erreichbar, die kleiner oder gleich 12,5 mm im Durchmesser ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass man mit einem durchschnittlich großen Zeigefinger nicht den Kontakt bzw. Gegenkontakt erreichen kann.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn bei den Batteriemodulen die Steckerschächte durch einen Anschlussstecker bereitgestellt sind und der Anschlussstecker starr mit einem Gehäuse oder einem Deckel des Batteriemoduls verbunden ist. Dann kann das Einsetzen eines Batteriemoduls in eine herzustellende Hochvoltbatterie einerseits und das Aufstecken des Anschlusssteckers auf das Koppelelement andererseits in einem Arbeitsgang durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest einer oder sind mehrere Kontakte oder Gegenkontakte als Stab oder Pin ausgestaltet. Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass an einem Ende des Stabes eine Kappe aus elektrisch isolierenden Material angeordnet ist. Durch die Kappe ergibt sich der Vorteil, dass selbst dann, wenn ein Monteur mit einem Finger oder einem elektrisch leitenden Gegenstand in den Schacht eindringt, die Kappe weiterhin eine Berührung mit dem Stift verhindert. Die Kappe kann bspw. aus Kunststoff hergestellt sein und bspw. an das Stabende angeklebt oder durch ein Spritzgussverfahren angespritzt sein. Der Stab kann bspw. an eine interne Stromschiene des Batteriemoduls angeschweißt oder angeschraubt sein.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest einer oder mehrere der Kontakte oder der Gegenkontakte als Drahtkäfig aus mehreren elastischen Drähten ausgestaltet ist. Bspw. kann also ein Gewebe aus Drähten in den Steckerschacht angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Vielzahl von elektrischen Kontaktstellen vorhanden ist, sodass insgesamt die elektrisch leitfähige Berührfläche groß ist. Durch die elastischen Drähte bleibt diese Berührfläche auch bei Vibrationen erhalten, wie sie während einer Fahrt eines Kraftfahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie vorkommen können. Ein solcher Drahtkäfig kann bspw. mittels hyperbolisch angeordneter Kontaktdrähte gebildet sein, wie sie bspw. von dem Unternehmen Hypertac GmbH in Form von Hypertac-Kontaktbuchsen^® bereitgestellt werden. Allgemein kann durch die elastischen Drähte eine hyperboloide Kontaktfederung bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die ineinander gesteckten Steckerschächte der Batteriemodule und des Koppelelements eine korrespondierende Formkodierung auf. Hierdurch ist eine Verpolung beim Einbau eines Batteriemoduls in die Hochvoltbatterie vermieden.
Als Formkodierung weist jeweils einer der Steckerschächte bevorzugt einen Spalt in einer Schachtwand des Steckerschachtes auf und der korrespondierende Steckerschacht einen in dem Spalt angeordneten Steg. Hierdurch ergibt sich zusätzlich während der Montage eine Führung des Batteriemoduls beim Einstecken in die Hochvoltbatterie.
Über das Koppelelement wird die Reihenschaltung insbesondere erreicht, indem in dem Koppelelement zwei der Gegenkontakte über ein elektrisch leitendes Profil verbunden sind. Hierdurch ist dann eines der Batteriemodule mit einem anderen der Batteriemodule elektrisch verbunden. Bevorzugt weist das Profil in dem Koppelelement Kühlrippen auf, sodass das Koppelelement selbstkühlend ist.
Nicht alle Gegenkontakte des Koppelelements müssen dabei mit einem anderen Gegenkontakt desselben Koppelelements verbunden sein. In Weiterbildung der Hochvoltbatterie ist bei dem Koppelelement zumindest einer der Gegenkontakte mit einem Kabel verbunden, welches insbesondere durch eine Klemmvorrichtung des Koppelelements gehalten ist und welches den Gegenkontakt mit einem weiteren Koppelelement der Hochvoltbatterie oder einem Batterieanschluss der Hochvoltbatterie verbindet. Anstelle der Klemmvorrichtung kann auch eine andere Befestigungsvorrichtung für das Kabel an dem Koppelelement vorgesehen sein. Mittels des Kabels ist es möglich, noch mehr Batteriemodule in Reihe zu schalten, um hierdurch eine größere Hochvoltspannung bereit zu stellen.
Eine besonders kompakte Bauform der Hochvoltbatterie ergibt sich, wenn das Koppelelement an einem Trägerteil befestigt ist, welches auch die Batteriemodule trägt. Beim Aufsetzen eines Batteriemoduls auf das Trägerteil kann dann im selben Arbeitsschritt auch das Aufstecken der Kontakte der Batteriemodule auf das Koppelelement erfolgen.
Das Trägerteil kann in vorteilhafter Weise auch Stifte aufweisen, auf welche die Batteriemodule aufgesteckt sind. Hierdurch ergibt sich eine weitere Formkodierung, die verhindert, dass Batteriemodule falsch eingebaut werden. Zudem fixieren die Stifte die Batteriemodule gegenüber dem Trägerteil. Bevorzugt sind die Stifte asymmetrisch angeordnet, sodass eine weitere Formkodierung gegeben ist.
Wie bereits ausgeführt, kann die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie auch mehr als zwei Batteriemodule aufweisen, und damit bevorzugt auch mehr als ein Koppelelement, welches jeweils zwei oder mehr Batteriemodule elektrisch miteinander verbindet. Ein Koppelelement kann dabei in der Weise ausgestaltet sein, dass es zwei Batteriemodule in Reihe schaltet und zusätzlich einem Batteriemodul ein oder mehrere weitere Batteriemodule parallel schaltet, um hierdurch einen größeren Batteriestrom der Hochvoltbatterie bereit stellen zu können.
Wie bereits ausgeführt, weist die Hochvoltbatterie Batteriemodule und eine Trägervorrichtung für die Batteriemodule auf, welche die Koppelelemente bereit stellt.
Entsprechend gehört zu der Erfindung auch ein Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie, das Steckerschächte aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist und darin jeweils ein elektrischer Kontakt zum elektrischen Anschließen des Batteriemoduls angeordnet ist. Die Steckerschächte sind jeweils dazu ausgelegt, einen Steckerschacht eines Koppelelements aufzunehmen, sodass der Kontakt in den Steckerschacht des Koppelelements hineinragt, um darin einen Gegenkontakt des Koppelelements zu berühren.
Ebenfalls gehört zu der Erfindung die Trägervorrichtung, die ein Trägerteil zum Halten von zumindest zwei Batteriemodulen und ein an dem Trägerteil befestigtes Koppelelement aufweist, welches Steckerschächte aus einem elektrisch isolierendem Material aufweist, in denen jeweils ein Gegenkontakt angeordnet ist, wobei zwei Gegenkontakte elektrisch miteinander verbunden sind, um hierdurch eine Reihenschaltung von angesteckten Batteriemodulen zu erhalten.
Die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie ist insbesondere als Traktionsbatterie zum Bereitstellen eines Batteriestroms in einem Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs ausgestaltet. Entsprechend gehört zu der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie vor einer Montage,
2 eine schematische Darstellung der Hochvoltbatterie von 1 nach einem ersten Montageschritt,
3 eine schematische Darstellung der Hochvoltbatterie nach dem Montageschritt von 2 aus einer anderen Perspektive,
4 eine schematische Darstellung der Hochvoltbatterie von 1 nach einem weiteren Montageschritt,
5 eine schematische Darstellung eines Steckers eines der Batteriemodule der Hochvoltbatterie von 1,
6 eine Darstellung von Komponenten des Steckers von 5,
7 eine schematische Darstellung eines Koppelelements einer Trägervorrichtung der Hochvoltbatterie von 1,
8 eine schematische Darstellung des Koppelelements von 7 mit daran angeklemmten Kabeln,
9 eine schematische Darstellung eines elektrischen Profils, das in das Koppelelement von 7 integriert ist,
10 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie und
11 eine schematische Darstellung eines Koppelelements der Hochvoltbatterie von 10.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
1 zeigt Komponenten einer Hochvoltbatterie 10, in einer initialen Phase des Zusammenbaus der Hochvoltbatterie 10. Dargestellt sind zwei Batteriemodule 12, 14 und eine Trägervorrichtung 16 mit einer Trägerplatte 18 und einem Steckerblock 20. Für die Montage oder den Zusammenbau der Hochvoltbatterie werden die Batteriemodule 12, 14 auf die Trägerplatte 18 aufgesetzt. Hierbei werden die Batteriemodule 12, 14 dann durch Stifte 22 auf der Trägerplatte 18 in ihrer Position fixiert. Von den Stiften 22 sind der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Beim Aufsetzen der Batteriemodule 12, 14 auf die Trägerplatte 18 werden im selben Arbeitsschritt Stecker 24, 26 der Batteriemodule 12, 14 auf den Steckerblock 20 aufgesetzt. Über den Steckerblock 20 sind die Batteriemodule 12, 14 dann in Reihe geschaltet, sodass sich ihre jeweiligen Ausgangsspannungen zu einer Gesamtspannung addieren. Durch Zusammenschalten mit weiteren (nicht dargestellten) Batteriemodulen kann hierdurch eine Summenspannung oder Gesamtspannung erreicht werden, welche die von der Hochvoltbatterie 10 bereitzustellende Hochvoltspannung von bspw. über 60 Volt, insbesondere über 100 Volt darstellt.
Die Stecker 24, 26 sind in jeweiligen Moduldeckeln 28, 30 der Batteriemodule 12, 14 integriert. Der Steckerblock 20 bildet einen Gegenstecker, der in die Tragevorrichtung 16 integriert ist. Das hierdurch gebildete Stecksystem ist konstruktiv so gelöst, dass ein Monteur oder Werker die Batteriemodule 12, 14 nicht verkehrt herum auf die Tragevorrichtung 16 aufstecken kann.
Hierdurch werden Verpolungen vermieden, was die Batteriemontage der Hochvoltbatterie 10 ungefährlich in Bezug auf die elektrischen Spannungen macht.
Zusätzlich sind die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente zum Verbinden der Batteriemodule 12, 14 mit den elektrisch leitfähigen Kontaktelementen im Steckerblock 20 innerhalb von Steckergehäusen der Stecker 24, 26 bzw. innerhalb von Steckergehäusen des Steckerblocks 20 versteckt oder versenkt. Nach außen ist lediglich das elektrisch isolierende oder nicht leitende Material der Steckergehäuse sichtbar. Die in den Steckergehäusen versenkten elektrischen Kontaktelemente sind nach dem Standard IP2X berührbeschützt ausgelegt. Es ist somit nicht möglich, mit dem Zeigefinger irgendwo ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement, das unter Spannung steht, zu berühren.
Die Stecker 24, 26 sind an Stromschienen 32, 34 der Batteriemodule 12, 14 starr befestigt. Durch Aufsetzen der Gehäusedeckel 28, 30 auf das jeweilige Batteriemodul 12, 14 werden die Stromschienen 32, 34 mit dem Pol der galvanischen Zellen der Batteriemodule 12, 14 elektrisch verbunden. Die Stromschienen 32, 34 sind zweipolig, wobei in der Figur lediglich die äußere Verschalung der Stromschienen 32, 34 dargestellt ist, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und die beiden Teilschienen umgibt.
In 2 ist dargestellt, wie das Batteriemodul 12 auf die (nicht mehr dargestellte) Trägerplatte 18 aufgesetzt ist und im selben Montageschritt der starr mit der Stromschiene 32 verbundene Stecker auf den Steckerblock 20 aufgeschoben worden ist. In 2 ist desweiteren eine in 1 nicht dargestellte Verschalung des Gehäusedeckels 28 dargestellt.
In 3 ist noch einmal das Batteriemodul 12 dargestellt, wie es auf dem Steckerblock 20 aufgesteckt ist. Der Stecker 24 des Batteriemoduls 12 weist eine Wandung 36 aus einem elektrisch isolierendem Material auf. Die Wandung umschließt ein Hohlraum, in welchem zwei elektrischen Kontakte des Batteriemoduls 12 geschützt angeordnet sind. Durch die Wandung 36 sind somit zwei Schächte gebildet, in welchen die elektrischen Kontakte angeordnet sind. Diese beiden Schächte sind über den Steckerblock 20 gestülpt. Der Schacht weist einen Spalt 38 auf, in welchen beim Aufsetzen des Batteriemoduls 12 auf die Trägerplatte 18 ein Steg 40 des Steckerblocks 20 entlang geglitten ist. Der Spalt 38 und der Steg 40 bilden eine Formkodierung für das richtige Aufsetzen des Steckers 24. Des Weiteren bilden der Spalt 38 und der Steg 40 ein Schienensystem, welches das Batteriemodul 12 beim Aufsetzen führt. Von den beiden elektrischen Kontakten, die in den Schächten des Steckers 24 angeordnet sind, sind in 3 elektrisch isolierende Kontaktkappen 42, 44 dargestellt, unter welchen die elektrischen Anbindungen der Kontakte an die Stromschienen 32 berührgeschützt angeordnet sind.
In 4 ist das Ergebnisses eines weiteren Arbeitsschrittes gezeigt, durch welchen auch das Batteriemodul 14 mit dem Stecker 26 auf den Steckerblock 20 aufgesteckt worden ist.
In 5 ist der Stecker 24 im ungesteckten Zustand dargestellt. Durch den Spalt 38 ist einer der elektrischen Kontakte 46 im Inneren eines Steckerschachts 48 zu sehen. Der Schacht 48 ist durch die Wandung 36 aus dem elektrisch isolierenden Material gebildet. Eine Spaltbreite 50 des Spalts 38 und auch ein Öffnungsdurchmesser 52 einer in 5 nach unten weisenden Öffnung des Schachts 48 sind höchstens 12,5 mm groß. Der Stecker 24 weist einen zweiten Schacht 48' mit einem zweiten Spalt 38' auf, wobei in dem zweiten Schacht 48' ein (nicht dargestellt) zweiter elektrischer Kontakt für den zweiten Pol des Batteriemoduls 12 angeordnet ist. Die Schächte 48, 48' stellen Steckerschächte dar.
In 6 sind die einzelnen Komponenten dargestellt, mit welchen der Stecker 24 gebildet sein kann. Dargestellt ist die Steckerwandung 36 aus dem elektrisch isolierenden Material, in welchem die Schächte 48, 48' mit den Spalten 38, 38' ausgestaltet sind. Der elektrische Kontakt 46, der in dem Schacht 48 anzuordnen ist, und ein elektrischer Kontakt 46', welcher in dem Schacht 48' anzuordnen ist, sind an die beiden Teilschienen 54, 56 der Stromschienen 32 bspw. angeschraubt oder angeschweißt oder angenietet. An Enden der Kontakte 46, 46' können Kappen 58, 58' aus einem elektrisch isolierenden Material als weiterer Berührschutz angeordnet sein.
In 7 ist der Steckerblock 20 ohne aufgesteckte Stecker 24, 26 dargestellt. Aus einem elektrisch isolierenden Material ist eine Steckerwandung 60 gebildet, welche zwei z. B. röhrenförmige oder hohlzylinderische Steckerschächte 62, 62' bildet. In den Steckerschächten 62, 62' sind elektrische Gegenkontakte für die Kontakte 46, 46' angeordnet. Es kann sich bspw. um einen Käfig aus Drahtgeflecht handeln, der bspw. hyperboloidisch ausgeformt ist. Ein Außendurchmesser 64 der Steckerschächte 62, 62' kann dem Durchmesser 52 der Steckerschächte 48, 48' entsprechen. Hierdurch ist es möglich, die Steckerschächte 62, 62', d. h. die gesamte Steckerwandung 60 der Steckerschächte 62, 62' in die Steckerschächte 48 bzw. 48' mit einzuführen. Daher ist es nicht nötig, die in den Steckerschächten 62, 62' angeordneten Gegenkontakte frei zu legen, um sie mit den Kontakten in den Steckern 46, 46' elektrisch zu verbinden. Mit anderen Worten kann der Gegenkontakt z. B. in einer Röhre aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet sein, sodass sich die Röhre mit dem darin angeordneten Gegenkontakt in den Schacht 48 bzw. 48' einschieben lässt.
In 8 ist der Steckerblock 20 zusätzlich mit daran befestigten Kabeln 66, 66' dargestellt. Die Kabel 66, 66' weisen ebenfalls Schächte 68, 68' auf, in denen weitere Gegenkontakte für Kontakte der Batteriemodule 12, 14 angeordnet sind. Über die Kabel 66, 66' kann der Steckerblock 20 bspw. mit einem weiteren (nicht dargestellten) Steckerblock oder auch mit einem Batterieanschluss der Hochvoltbatterie 10 elektrisch verbunden sein. Die Schachtwände 70, 70' der Schächte 68, 68' können bspw. ebenfalls röhrenförmig oder hohlzylinderisch ausgestaltet sein. Die Kabel 66, 66' können bspw. an dem Steckerblock 20 angeklippst sein oder mit diesem verschraubt sein. In 9 ist der Steckerblock 20 ohne die elektrisch isolierende Steckerwandung 60 dargestellt. Die Steckerwandung 60 schirmt auch ein elektrisch leitfähiges Profil 72 elektrisch ab. Durch das Profil 72 sind zwei Gegenkontakte 74, 74' elektrisch miteinander verbunden. Die Gegenkontakte 74, 74' sind in dem gezeigten Beispiel aus einem Drahtgeflecht gebildet. Das Profil 72 kann Kühlrippen 76 aufweisen, um das Profil 72 zu kühlen.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform einer Hochvoltbatterie 78 dargestellt. Bei der Hochvoltbatterie 78 können durch einen einzelnen Steckerblock 80 insgesamt vier Batteriemodule verbunden sein, von denen in 10 zwei Batteriemodule 82, 84 dargestellt sind. Jedes Batteriemodul 82, 84 kann Steckerschächte 86 aufweisen, in denen jeweils ein Kontakt zum elektrischen Kontaktieren der Batteriemodule 82, 84 mit dem Steckerblock 80 angeordnet sein können. Auch der Steckerblock 80 kann Steckerschächte 88 aufweisen, in denen Gegenkontakte zum elektrischen Kontaktieren der Kontakte der Batteriemodule 82, 84 angeordnet sein können. Durch den Steckerblock 80 ist es möglich, immer zwei Batteriemodule 82, 84 parallel zu schalten und diese parallel geschalteten Batteriemodule 82, 84 mit zwei weiteren parallel geschalteten (nicht dargestellten) Batteriemodulen zu einer Reihenschaltung zu verschalten. In 11 ist noch einmal der Steckerblock 80 allein dargestellt, wobei einige der Gegenkontakte in den Steckerschächten 88 über ein Profil 90 elektrisch miteinander verschaltet sind und zwei Kabel 66, 66' den Steckerblock 80 mit einem weiteren Steckerblock oder elektrischen Anschlüssen der Hochvoltbatterie 78 elektrisch verbinden können. Die Steckerschächte 88 sind aus einem elektrisch isolierenden Material ausgestaltet.
Ein Vergleich der Steckerblöcke 20 und 80 zeigt, dass das Prinzip immer dasselbe bleibt und beliebige Anordnungen von Batteriemodulen möglich sind, ohne dass auf den erfindungsgemäß bereitgestellten Hochvoltschutz verzichtet werden muss.
Insgesamt ermöglicht das Bereitstellen der Kontakte der Batteriemodule und der Gegenkontakte der Steckerblöcke in jeweiligen Steckerschächten eine gefährdungsfreie Montage der Module, d. h. eine Verbesserung der Arbeitssicherheit. Die Montage kann sowohl manuell oder auch durch Roboter automatisiert durchgeführt werden, wobei durch die geringeren Sicherheitsmaßnahmen weniger Arbeitszeit und Kosten bei der Herstellung der Hochvoltbatterie anfallen. Durch die konstruktive Kodierung der Stecker ist ein Falschverbau unmöglich. Zudem ist die Anordnung toleranzfreundlich, insbesondere durch die flexiblen Drähte der Gegenkontakte. Durch die Ausgestaltung der Steckerblöcke 20, 80 ist das System flexibel erweiterbar und umsetzbar auf unterschiedliche Batterieanordnungen. Das hyperboloide Stecksystem der Gegenkontakte ist geeignet, um eine zuverlässige Kontaktierung auch bei großen Vibrationen sicher zu stellen, woraus sich eine hohe Lebensdauer der Hochvoltbatterie ergibt. Zudem ist das System servicefreundlich, d. h. sollten Batteriemodule später einmal ausgetauscht werden müssen, können die Module gefahrlos abgesteckt und erneuert werden. Durch geeignete Materialwahl und Dimensionierung lassen sich die Stecker und die Steckerblöcke im gesteckten Zustand wasserdicht ausgestalten. Auch ist die Dimensionierung der leitfähigen Querschnitte flexibel, sodass die Stromtragfähigkeit je nach Bedarf konstruktiv angepasst werden kann.
Insgesamt ist somit durch die Erfindung ein berührgeschütztes Stecksystem für modular aufgebaute Batteriesysteme bereit gestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/087788 A2 [0002]
WO 2013/184926 A1 [0002]

Claims

Hochvoltbatterie (10, 78) zum Bereitstellen einer Hochvoltspannung in einem Kraftfahrzeug, wobei die Hochvoltbatterie (10, 78) zwei Batteriemodule (12, 14, 82, 84) aufweist, die zum Erzeugen der Hochvoltspannung über ein Koppelelement (20, 80) in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – jedes Batteriemodul (12, 14, 82, 84) Steckerschächte (48, 48', 86) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist und darin jeweils ein elektrischer Kontakt (46, 46') angeordnet ist, und – das Koppelelement (20, 80) Steckerschächte (62, 62', 88) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist und darin jeweils ein Gegenkontakt (68, 68') angeordnet ist, und – die Steckerschächte (48, 48', 86) der Batteriemodule (12, 14, 82, 84) und die Steckerschächte (62, 62', 68, 68', 86) des Koppelelements (20, 80) paarweise ineinander gesteckt sind, so dass sich jeweils der darin angeordnete Kontakt (46, 46') und der Gegenkontakt (74, 74') berühren.
Hochvoltbatterie nach Anspruch 1, wobei durch die Steckerschächte (48, 48', 68, 68', 86, 88) jeweils mindestens ein Berührschutz nach Schutzart IP2X für den darin angeordneten Kontakt (46, 46') oder Gegenkontakt (74, 74') bereitgestellt ist.
Hochvoltbatterie (10, 78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei den Batteriemodulen (12, 14, 82, 84) jeweils ein Anschlussstecker (24, 26) ausgebildet ist, welcher die Steckerschächte (48, 48', 86) bereitstellt, und der Anschlussstecker (24, 26) starr mit einem Gehäuse oder einem Deckel (28, 30) des Batteriemoduls (12, 14, 82, 84) verbunden ist.
Hochvoltbatterie (10, 78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer oder mehrere der Kontakte (46, 46') oder Gegenkontakte als Stab ausgestaltet ist und an einem Ende des Stabes eine Kappe (58, 58') aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet ist.
Hochvoltbatterie (10, 78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer oder mehrere der Kontakte oder der Gegenkontakte (74, 74') als Drahtkäfig aus mehreren elastischen Drähten ausgestaltet ist.
Hochvoltbatterie (10, 78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ineinander gesteckten Steckerschächte (48, 48', 68, 68', 86, 88) der Batteriemodule (12, 14, 82, 84) und des Koppelelements (20, 80) eine korrespondierende Formkodierung aufweisen.
Hochvoltbatterie (10, 78) nach Anspruch 6, wobei die Formkodierung jeweils einer der Steckerschächte (48, 48', 86) einen Spalt (38, 38') in einer Schachtwand und der andere der Steckerschächte (68, 68', 88) einen in dem Spalt (38, 38') angeordneten Steg (40) aufweist.
Hochvoltbatterie (10, 78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Koppelelement (20, 80) zwei der Gegenkontakte (74, 74') über ein elektrisch leitendes Profil (72) mit Kühlrippen (76) elektrisch verbunden sind.
Hochvoltbatterie (10, 78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Koppelelement (20, 80) ein Gegenkontakt mit einem Kabel (66, 66') verbunden ist, welches den Gegenkontakt mit einem weiteren Koppelelement der Hochvoltbatterie (10, 78) oder einem Batterieanschluss der Hochvoltbatterie (10, 78) verbindet.
Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Koppelelement (10, 80) an einem Trägerteil (18) befestigt ist, welches die Batteriemodule (12, 14, 82, 84) trägt.
Hochvoltbatterie nach Anspruch 10, wobei das Trägerteil (18) Stifte (22) aufweist, auf welche die Batteriemodule (12, 14, 82, 84) aufgesteckt sind.
Hochvoltbatterie (78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei über das Koppelelement (80) mehr als zwei Batteriemodule (82, 84) elektrisch verbunden sind und/oder die Hochvoltbatterie zumindest ein weiteres Koppelelement mit weiteren daran angesteckten Batteriemodulen aufweist.
Batteriemodul (12, 14, 82, 84) für eine Hochvoltbatterie (10, 78) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodul Steckerschächte (48, 48') aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist und darin jeweils ein elektrischer Kontakt (46, 46') zum elektrischen Anschließen des Batteriemoduls (12, 14, 82, 84) angeordnet ist und die Steckerschächte (48, 48') jeweils dazu ausgelegt sind, einen Steckerschacht (62, 62', 68, 68') des Koppelelements (20, 80) aufzunehmen, so dass der Kontakt (46, 46') in den Steckerschacht (62, 62', 68, 68') des Koppelelements (20, 80) hineinragt, um einen Gegenkontakt (74, 74') des Koppelelements (20, 80) zu berühren.
Trägervorrichtung (16) für eine Hochvoltbatterie (10, 78) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Trägervorrichtung (16) ein Trägerteil (18) zum Halten von zumindest zwei Batteriemodulen (12, 14, 82, 84) und ein an dem Trägerteil (18) befestigtes Koppelelement (20, 80) aufweist, wobei das Koppelelement (20, 80) Schächte (62, 62', 68, 68') aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist und darin jeweils ein Gegenkontakt (74, 74') angeordnet ist, wobei zwei der Gegenkontakte (64, 64') elektrisch miteinander verbunden sind.
Kraftfahrzeug mit zumindest einer Hochvoltbatterie (10, 78) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.