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Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere Speichereinheiten, wobei zwei benachbarte Speichereinheiten über jeweils eine Stromschiene in Reihe geschaltet sind, welche Stromschiene über Kontaktflächen mit Kontaktflächen der Kontaktelemente der zu verbindenden Speichereinheiten kontaktiert und mittels wenigstens einer Verbindungsschraube mit der jeweiligen Speichereinheit verbunden ist.
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Elektro- und Hybridfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektroantrieb erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Für deren Betrieb ist eine hinreichend dimensionierte Energiespeicheranordnung erforderlich, häufig auch „Hochvoltbatterie” genannt. In einer solchen Energiespeicheranordnung müssen eine Vielzahl von Speichereinheiten in Reihe geschaltet werden. Eine Speichereinheit ist entweder eine einzelne Speicherzelle oder ein Modul aus mehrere, bereits in Reihe geschalteten Speicherzellen. Zur Verbindung der Speichereinheiten werden üblicherweise Stromschienen verwendet. Insbesondere wenn erforderlich ist, die Verbindung zur Stromschiene zur jeweiligen Speichereinheit bei Bedarf wieder lösen zu können, was insbesondere bei der Verbindung von mehrere einzelne Speicherzellen umfassenden Modulen der Fall ist, wird eine Schraubverbindung bevorzugt. Das heißt, dass die Stromschiene über eine Verbindungsschraube mit dem jeweiligen Kontaktelement der zu verbindenden Speichereinheiten verschraubt ist. Hierzu weisen die Stromschiene und das Kontaktelement der Speichereinheit eine einfach Bohrung auf, durch die die Verbindungsschraube gesteckt wird und über eine Mutter fixiert wird. Alternativ ist es auch denkbar, an dem Kontaktelement der Speichereinheit eine Gewindebohrung vorzusehen, in die die Verbindungsschraube eingeschraubt wird. Über diese Schraubverbindung werden die beiden Kontaktflächen der Stromschiene und des Kontaktelements fest miteinander verbunden.
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Soll nun eine solche Verbindung entweder hergestellt oder gelöst werden, ist es erforderlich, mit einem metallischen Werkzeug, üblicherweise einem Schraubendreher und gegebenenfalls einem Schraubenschlüssel, an der Verbindungsschraube respektive der Mutter anzugreifen. Das heißt, dass das Werkzeug im unmittelbaren Kontakt mit stromführenden Elementen ist. Es besteht nun die Gefahr, dass das Werkzeug ein anderes elektrisch aktives Teil berührt und es so zu einem Kurzschluss und ähnlichem kommt.
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US 2014/0127555 A1 ist eine Energiespeichereinrichtung mit einer Vielzahl von Speichermodulen und einer die Speichermodule verbindenden ersten Stromsammelschiene. Jedes Speichermodul umfasst mehrere Speicherzellen und eine die Speicherzellen verbindende Stromsammelschiene. Die einzelnen Speichermodule weisen jeweils einen Kontaktanschluss auf, wobei die einzelnen Module über die ersten Stromsammelschiene, die an den Kontakten ansetzt, miteinander verbunden sind. Die Kopplung zwischen den Modulanschlüssen und der Stromsammelschiene erfolgt über anschlussseitige Zapfen, die in entsprechende Zapfenlöcher an der Stromsammelschiene eingreifen und auf die zur Befestigung der Stromsammelschiene entsprechende Muttern geschraubt werden.
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Aus
US 5,725,396 A ist eine elektrische Verbindungseinrichtung zwischen den Polen eines Akkumolator beschrieben, die ein elektrisches Verbindungskabel aufweist, das an beiden Enden einen Leiterring aufweist, der mittels einer Schraube an einem Pol des Akkumolators befestigt wird. Ferner ist eine Kunststoffisolierung vorgesehen, die den Leiterring umfasst und an einer entsprechenden Kunststoffisolierung des Pols angreift. Die kabelseitige Kunststoffisolierung weist ferner eine flexible Abdeckkappe auf, die auf die Schraube, über die der Leiterring am Pol fixiert ist, gesetzt werden kann.
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Schließlich ist aus
US 2012/0129041 A1 eine Verbindungsstruktur für ein Batteriemodul bekannt. Diese umfasst ein Befestigungsbauteil, das einen Verbindungsabschnitt einer Stromsammelschiene gegen eine Elektrode des Batteriemoduls drückt, um die Stromsammelschiene an der Elektrode zu befestigen. Sie umfasst ferner ein Abstandsbauteil umfassend ein elastisches Element, das zwischen dem Verbindungsabschnitt der Stromsammelschiene und der Elektrode angeordnet ist. Das Abstandsbauteil ist derart ausgebildet, dass es einen Isolierabstand zwischen dem Verbindungsabschnitt der Stromsammelschiene und der Elektrode ausbildet. Das elastische Teil ist elastisch deformierbar, wenn eine Druckkraft vom Befestigungsbauteil auf den Verbindungsabschnitt der Stromsammelschiene ausgeübt wird, so dass der Isolierabstand aufgelöst wird.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Energiespeicheranordnung anzugeben, die demgegenüber verbessert ist und ein sicheres Verbinden und Lösen einer solchen Stromschienenverbindung ermöglicht.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Energiespeicheranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäße vorgesehen, dass die Stromschiene zumindest im Bereich der Verbindung zum jeweiligen Kontaktelement ein Isolierelement aufweist, das die Stromschiene zumindest abschnittsweise bei freiliegender Kontaktfläche umgibt, durch welches Isolierelement wenigstens zwei Verbindungsschrauben greifen, die in einem im Bereich des Kontaktelements der Speichereinheit vorgesehenen Isolierelement fixiert sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung sind an der Stromschiene in den jeweiligen Verbindungsbereichen zum jeweiligen Kontaktelement entsprechende Isolierelemente vorgesehen. Diese Isolierelemente dienen darüber hinaus als Verbindungselemente, da sie die Verbindungsschrauben aufnehmen, über die die Stromschiene an der Speichereinheit fixiert wird. Die Stromschiene ist von dem jeweiligen Isolierelement zumindest abschnittsweise eingefasst, wobei natürlich die jeweilige Kontaktfläche freiliegt. Das heißt, dass das Isolierelement die Oberseite sowie zumindest abschnittsweise die Seitenbereiche umgibt und sich seitlich der Stromschiene ein Stück weit erstreckt, so dass in diesen Bereichen jeweils eine Verbindungsschraube aufgenommen werden kann. Diese Verbindungsschrauben werden nun in ein an der Speichereinheit vorgesehenes Isolierelement, das im Bereich des Kontaktelements vorgesehen ist, eingeschraubt. Das heißt, dass die Schraubverbindung von Isolierelement zu Isolierelement erfolgt, folglich keine der Verbindungsschrauben einen Kontakt zu der Stromschiene respektive dem Kontaktelement hat. Zum Setzen der Schraubverbindung respektive Lösen der Schraubverbindung kann nun gefahrlos mit einem Werkzeug an der Verbindungsschraube angegriffen werden, ohne dass das Werkzeug in Kontakt mit einem stromführenden Bauteil gelangt. Gleichwohl ist eine feste Verbindung gegeben, das heißt, dass die Kontaktflächen der Stromschiene und des Kontaktelements fest gegeneinander gedrückt sind.
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Das Isolierelement weist bevorzugt seitlich verbreitete, die Verbindungsschrauben aufnehmende Abschnitte auf. Das heißt, dass diese seitlichen Abschnitte deutlich breiter respektive stärker ausgelegt sind, als der Abschnitt des Isolierelements, der die Stromschienenoberseite übergreift. Auf diese Weise wird hinreichend Isoliermaterial in den Seitenbereichen vorgehalten, so dass die jeweilige Verbindungsschraube ohne weiteres in diesem Bereich aufgenommen werden kann.
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Dabei kann das Isolierelement die Stromschiene an drei Seiten vollständig umfassen, so dass lediglich die Kontaktfläche freiliegt. Das heißt, dass die beiden seitlichen Abschnitte sich bis in die Ebene der Kontaktfläche erstrecken.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass sich das Isolierelement mit seinen seitlichen Abschnitten über die Ebene der Kontaktfläche hinaus erstreckt und eine zum Isolierelement der Speichereinheit hin offene Aufnahme aufweist, in die ein Randabschnitt des Isolierelements der Speichereinheit eingreift. Das heißt, dass beide seitlichen Abschnitte relativ weit über die Kontaktfläche hinausgezogen sind und jeweils eine zur Speichereinheit hin offene Aufnahme aufweisen. Beim Zusammenfügen von Stromschiene und Speichereinheit greift ein Randabschnitt des Isolierelements der Speichereinheit in diese Aufnahme ein, wobei bevorzugt die Form der Aufnahme der Form des Randabschnitts entspricht, so dass sich ein sicherer Halt ergibt. Die Verbindungsschraube wird nun in den Rand eingeschraubt. Dadurch, dass die Seitenabschnitte über die Kontaktflächenebene hinausgezogen sind, ist ein zusätzlicher Berührungs- und Montageschutz gegeben.
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Dieser kann noch dadurch verbessert werden, dass sich auch der Randabschnitt über die Ebene der Kontaktfläche hinaus erstreckt. Das heißt, dass damit letztlich auch die Kontaktfläche der Speichereinheit vertieft angeordnet ist.
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Die Isolierelemente selbst sind bevorzugt aus Kunststoff, wobei natürlich ein Kunststoff verwendet wird, der die entsprechend geforderten Isolationseigenschaften aufweist. Dabei ist es denkbar, die Kunststoff-Isolierelemente direkt an der Stromschiene anzuspritzen, das heißt, das Isolierelement als solches durch einen Spritzvorgang an der Stromschiene auszubilden. Alternativ ist es auch denkbar, vorgefertigte Isolierelemente an der Stromschiene anzukleben.
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Bevorzugt weisen die Isolierelemente Bohrungen zur Aufnahme der Verbindungsschrauben auf, also einfache Durchsteckbohrungen, durch die die Verbindungsschrauben, die mit ihrem Schraubenkopf dann auf der Oberseite des Isolierelements aufgelagert sind, greifen, und mit ihrem Gewinde am Isolierelement der Speichereinheit verschraubt sind.
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Dabei können die Verbindungsschrauben entweder direkt in das Isolierelement der Speichereinheit eingeschraubt sein, wobei auch dieses Isolierelement bevorzugt aus Kunststoff ist. Alternativ ist es denkbar, dass im Isolierelement der Speichereinheit Gewindehülsen vorgesehen sein, in die die Verbindungsschrauben eingeschraubt sind. Diese Gewindehülsen können in entsprechenden Sackbohrungen, die in das Isolierelement der Speichereinheit eingebracht sind, eingesetzt, beispielsweise eingeklebt werden, wobei die Gewindehülsen vollständig vom Isolierelement umgeben sind und natürlich keinen Kontakt zu dem Kontaktelement aufweisen.
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Das Isolierelement der Speichereinheit ist bevorzugt ein Gehäuse oder ein Gehäuseabschnitt der Speichereinheit, in dem entweder die eine Batteriezelle oder im Fall eines Moduls die mehreren Batteriezellen aufgenommen sind.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung,
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2 eine Prinzipdarstellung des Verbindungsbereichs einer Stromschiene zur Speichereinheit vor der Herstellung der festen Verbindung,
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3 die Darstellung aus 2 mit fester Verbindung von Stromschiene zur Speichereinheit,
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4 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Verbindung von Stromschiene und Speichereinheit vor Herstellung der festen Verbindung, und
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5 die Darstellung aus 4 im fest verbundenen Zustand.
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1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung 1, umfassend mehrere Speichereinheiten 2, bei denen es sich beispielsweise um Module handelt, die im Inneren ihres Gehäuses mehrere einzelne Speicherzellen 3 aufweisen, wie exemplarisch bei der einen Speichereinheit 2 dargestellt ist.
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Jede Speichereinheit 2 weist in an sich bekannter Weise zwei Kontaktelemente 4, 5 auf. Um die Speichereinheiten 2 in Reihe schalten zu können, sind Stromschienen 6 vorgesehen, wobei jeweils eine Stromschiene einen Kontakt 4 der einen Speicherzelle 2 mit einem Kontakt 5 der benachbarten Speicherzelle 2 verbindet. Diese Verbindung erfolgt unter Verwendung von Verbindungsschrauben, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.
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Selbstverständlich weist die Energiespeicheranordnung 1 noch weitere Elemente auf, wie sie auch in einem entsprechenden Gehäuse aufgenommen ist, wobei diese Elemente respektive das Gehäuse hier nicht näher gezeigt sind.
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2 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung den Verbindungsbereich einer Stromschiene 6 mit einem Kontaktelement, hier exemplarisch eines Kontaktelements 4, wobei der Aufbau respektive der Verbindungsbereich der Stromschiene 6 zu einem Kontaktelement 5 der benachbarten Speicherzelle identisch ist.
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Die Stromschiene 6 ist in ihrem Endbereich, in dem also die Verbindung zum jeweiligen Kontaktelement der Speichereinheit 2 erfolgen soll, mit einem Isolierelement 7 versehen, das im gezeigten Ausführungsbeispiel einen oberen Abschnitt 8 sowie zwei Seitenabschnitte 9 aufweist. Der obere Abschnitt 8 übergreift die Oberseite der Stromschiene 6 über die gesamte Breite, die Seitenabschnitte 9 umgreifen die Seitenflächen der Stromschiene 6 und erstrecken sich bis in die Ebene der Kontaktfläche 10 der Stromschiene 6, schließen also mit dieser im Wesentlichen bündig ab. Die Seitenabschnitte 9 sind ersichtlich verbreitert ausgeführt, verglichen mit der Stärke des oberen Abschnitts 8. Sie dienen der Aufnahme von Verbindungsschrauben 11, die durch entsprechende Durchgangsbohrungen 12, die in die Seitenabschnitte 9 eingebracht sind, gesteckt sind. Mit ihrem Schraubenkopf 13 liegen die Verbindungsschrauben an der Oberseite des Isolierelements 7 auf. Solche Isolierelemente 7 sind an beiden Seiten der Stromschiene 6 angeordnet, alternativ kann die Stromschiene 6 auch über ihre gesamte Länge mit einem durchgehenden Isolierelement 7 versehen sein.
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Gezeigt ist ferner die Speichereinheit 2 in Form einer reinen Prinzipdarstellung mit ihrem Kontaktelement 4, das exemplarisch an einem Gehäuse 14 der Speichereinheit angeordnet ist und natürlich entsprechend mit der oder den im Gehäuseinneren befindlichen Batteriezellen kontaktiert ist. Das Gehäuse 14 stellt ein Isolierelement 15 dar, das sich bis in den Bereich des Kontaktelements 4 erstreckt, und im gezeigten Beispiel mit entsprechenden Randabschnitten 16 ebenfalls bis in die Ebene der Kontaktfläche 17 des Kontaktelements 4 gezogen ist.
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Wird nun die Stromschiene 6 auf das Kontaktelement 4 aufgesetzt, so liegen die Kontaktflächen 10 und 17 aufeinander. Sodann ist es lediglich noch erforderlich, die Verbindungsschrauben 11 in die Stirnflächen der Randabschnitte 16 einzuschrauben. Die Verbindungsschrauben 11 weisen ein entsprechendes Außengewinde auf, das beim Einschrauben in das Kunststoffmaterial der Randabschnitte 16 schneidet, so dass eine sichere Fixierung der Stromschiene 6 an der Speichereinheit 2 gegeben ist. Alternativ zum direkten Einschrauben wäre es denkbar, in die Randabschnitte 16 Gewindehülsen einzusetzen, wie bezüglich der nachfolgenden Ausgestaltung beispielhaft dargestellt ist.
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In jedem Fall wird durch das Verschrauben der Verbindungsschraube die Kontaktfläche 10 fest gegen die Kontaktfläche 17 gedrückt. Beim Angreifen mit einem Werkzeug an den Köpfen 13 der Verbindungsschrauben 11 kommt das Werkzeug mit keinem stromführenden Bauteil in Verbindung, so dass ein gefahrloses Verschrauben und, ausgehend von dem verschraubten Zustand gemäß 3, auch ein gefahrloses Öffnen der Kontaktierung möglich ist.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verbindung der Stromschiene 6 zum Kontaktelement 4, wobei wiederum der Aufbau in Bezug auf die Verbindung zum Kontaktelement 5 identisch ist.
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Wiederum ist die Stromschiene 6 im Verbindungsbereich mit einem (abschnittsweisen oder sich über die gesamte Länge der Stromschiene 6 erstreckenden) Isolierelement 7 versehen, das einen oberen Bereich 8 sowie zwei Seitenbereiche 9 aufweist, die wiederum deutlich breiter ausgeführt sind als der die Stromschiene 6 oberseitig übergreifende Abschnitt 8. In den seitlichen Abschnitten 9 sind wiederum zwei Verbindungsschrauben 11 angeordnet, die durch entsprechende Durchsteckbohrungen 12 im Isolierelement 7 geführt sind.
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Die seitlichen Abschnitte 9 erstrecken sich deutlich über die Ebene der Kontaktfläche 10 hinaus. Sie weisen zum Isolierelement 15 der Speichereinheit 2 hin offene Aufnahmen 18 auf, in die die Verbindungsschrauben geführt sind.
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Auch die Randabschnitte 16 des Isolierelements 15 der Speichereinheit 2 sind über die Ebene der Kontaktfläche 17 hinaus verlängert ausgeführt. Im gezeigten Beispiel sind in die Randabschnitte Gewindehülsen 19 eingesetzt, beispielsweise unmittelbar eingespritzt oder in entsprechende Bohrungen eingeklebt.
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Wird nun die Stromschiene 6 auf die Speichereinheit 2 aufgesetzt, so greifen die verlängerten Randabschnitte 16 in die Aufnahmen 18 ein. Die Verbindungsschrauben 11 werden in die Gewindehülsen 19 eingeschraubt. In der Montageendstellung liegen wiederum die Kontaktflächen 10 und 17 fest gegeneinander gepresst flächig aneinander, die verlängerten Randabschnitten 16 erstrecken sich tief in die Aufnahmen 18.
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Wiederum lässt sich auf diese Weise eine feste Verbindung der Kontaktflächen 10 und 17 erreichen, ohne dass die Gefahr besteht, dass das zum Herstellen der Verbindung respektive zum Lösen der Verbindung zu verwendende Werkzeug in irgendeiner Weise mit einem stromführenden Bauteil in Verbindung kommt.
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Die Isolierelemente 7 sind bevorzugt direkt an die Stromschiene 6 angespritzt. Hierzu wird die Stromschiene 6 in eine entsprechende Spritzform gebracht, so dass das oder die Isolierelemente angespritzt werden können. Denkbar ist es aber auch, ein oder zwei vorgefertigte Isolierelemente 7 zu verwenden, die auf die Stromschiene 6 geklebt werden. Auch das Gehäuse 14 der Speichereinheit und damit das Isolierelement 15, das das Gehäuse im Bereich der Kontaktelemente 4 und 5 bildet, ist bevorzugt aus Kunststoff und so ausgestaltet, dass ein entsprechender Gehäuseabschnitt, das Isolierelement 15 bilden, im Bereich der Kontaktelemente 4 und 5 ist, so dass die Verbindungsschrauben 11 entsprechend in das Isolierelement 15 eingeschraubt werden können.
