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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Aufnahmeeinrichtung für ein Koppelelement, mittels welchem ein elektrischer Pol des Batteriemoduls mit einem anderen elektrischen Pols eines weiteren Batteriemoduls elektrisch koppelbar ist, sowie mit einem Gehäuse, in das die Aufnahmeeinrichtung integriert ist. Die Erfindung betrifft auch ein Modulsystem mit zumindest zwei solchen Batteriemodulen sowie mit einem Koppelelement.
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Aus verschiedenen Gründen wird bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen in für beispielsweise einen Antrieb genutzte Hochvolt-Batteriesystemen zunehmend auf modularisierte Konzepte gesetzt. Bestimmte Baugruppen können dadurch in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen. Ein Hauptgrund ist auch eine Vereinfachung während des Aufbaus sowie im Service- beziehungsweise Reparaturfall.
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Ein wesentliches Modul für solche modularisierten Konzepte ist das Batteriemodul. Dabei handelt es sich typscherweise um einen elektrischen und mechanischen Verbund mehrerer elektrochemischer Zellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, die elektrisch meist eine Reihenschaltung der elektrochemischen Zellen darstellen. Die Zellen eines Batteriemoduls können aber auch parallel verschaltet werden oder als eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung. Normalerweise wird bei der maximal in Reihe geschalteten Zahl der Zellen auf die in Niedervolt-Verschaltungen maximal zulässige Spannung von im Allgemeinen weniger als 60 Volt geachtet. Dies vereinfacht den Aufbau, die Fehlersuche und die Reparatur erheblich, da für Hochvolt-Verschaltungen mit im Allgemeinen mehr als 60 Volt zusätzliche Sicherheitsauflagen erfüllt werden müssen, beispielsweise in Form eines Berührschutzes.
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Entsprechend ergibt sich eine Herausforderung beim Aufbau und beim Rückbau beziehungsweise einer Reparatur eines kompletten Hochvolt-Batteriesystems. Dieses weist dann durch die Reihenschaltung mehrerer der Batteriemodule oft Spannungen um 400 Volt auf. Teile, welche eine gefährliche Spannung führen, dürfen dabei nicht berührbar sein.
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Üblicherweise werden die einzelnen Batteriemodule mittels dann meist berührgeschützter Hochvolt-Steckverbinder miteinander verbunden. Da diese aber für große Ströme von beispielsweise mehr als 350 Ampere ausgelegt werden müssen, ist das eine sehr aufwändige und teure Lösung. Zudem benötigen die Steckverbinder viel Bauraum. Eine alternative Lösung sind hier auch herkömmliche Schraubverbindungen mit Laschen, Profilen, Kabelschuhen und den weiteren üblichen Komponenten. Diese sind jedoch nur auf eine sehr aufwändige Weise berührgeschützt auszuführen.
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Es ergibt sich die Aufgabe, eine sichere, hochstromfähige und vereinfachte Lösung für ein elektrisches Kontaktieren von Batteriemodulen, insbesondere Hochvolt-Batteriemodulen, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand es unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul hat eine Aufnahmeeinrichtung für ein Koppelelement, mittels welchem ein elektrischer Pol des Batteriemoduls mit einem anderen elektrischen Pol eines weiteren Batteriemoduls elektrisch koppelbar ist. Das Batteriemodul hat des Weiteren ein Gehäuse, in welches die Aufnahmeeinrichtung integriert ist. Um eine einfache, sichere und hochstromfähige elektrische Kopplung zwischen Batteriemodulen zu erreichen, umfasst die Aufnahmeeinrichtung eine Klemmvorrichtung, mittels welcher das Koppelelement an den elektrischen Pol des Batteriemoduls anpressbar ist. Die Klemmvorrichtung kann dafür ein isolierendes Element aufweisen, welches über einen Mechanismus die elektrisch zu koppelnden Kontaktflächen des Koppelelements und des elektrischen Pols zusammenpressen. Bei dem Batteriemodul kann es sich insbesondere um ein Hochvolt-Batteriemodul mit einer Spannung von mehr als 60 Volt handeln. Das hat den Vorteil, dass auf einfache Weise eine sichere und hochstromfähige Kopplung zwischen unterschiedlichen Batteriemodulen ermöglicht ist. Gerade die Kosten und der Bauraumbedarf werden dabei gegenüber den üblichen Hochvolt-Steckverbindern erheblich gesenkt. Ein weiterer Vorteil ist ein Toleranzausgleich, welcher so durch ein entsprechend geringfügiges versetztes Klemmen des Koppelelements in der Klemmvorrichtung ohne zusätzlichen Aufwand erreicht wird. Überdies ist dies ein sehr variables Konzept, welches auch unabhängig von der konkreten Ausführung des Batteriemoduls, also insbesondere unabhängig von einer Form des Gehäuses des Batteriemoduls und/oder einer Kapazität des Batteriemoduls und/oder einer Spannung des Batteriemoduls einsetzbar ist. Der Mechanismus mit einem isolierenden Element ergibt den Vorteil, dass ein Werkzeug für das Betätigen der Klemmvorrichtung nicht isoliert sein muss, da die Isolation bereits in der Aufnahmeeinrichtung umfasst ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aufnahmeeinrichtung einen Schlitz in dem Gehäuse umfasst, so dass der elektrische Pol des Batteriemoduls von außerhalb des Batteriemoduls ausschließlich durch den Schlitz hindurch kontaktierbar ist. Das Batteriemodul kann also (insbesondere gemäß der einschlägigen Vorschriften) berührsicher ausgeführt sein, indem ein vorgegebenes Maß für die Abmessungen, insbesondere die Breite, des Schlitzes vorgegeben ist. Beispielsweise kann das Batteriemodul so berührungsgeschützt für Objekte mit einem Durchmesser von 12 Millimeter oder mehr ausgeführt werden, indem beispielsweise der Schlitz eine Breite von 10 Millimeter oder weniger aufweist. Der Schlitz kann dabei in Bezug auf eine bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Batteriemoduls nach oben weisende Oberseite des Batteriemoduls vertikal oder horizontal angeordnet sein. Dabei kann sich insbesondere ein vertikaler Schlitz über eine Oberseite und eine Seitenwand des Gehäuses des Batteriemoduls erstrecken und ein horizontaler Schlitz über zwei Seitenwände des Gehäuses des Batteriemoduls. Das hat den Vorteil, dass so eine besonders sichere elektrische Verbindungsmöglichkeit geschaffen wird, welche gerade bei Aufbau, Reparatur und/oder Service sowie bei der Entsorgung für eine erleichterte Handhabung sorgt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Klemmvorrichtung einen Exzenter und/oder einen Nocken umfasst, mittels welchem das Koppelelement mittelbar (beispielsweise über einen durch den Exzenter oder den Nocken verschiebbaren Keil) oder unmittelbar an den elektrischen Pol anpressbar ist. Insbesondere ist der Exzenter und/oder Nocken elektrisch isolierend. Das hat den Vorteil, dass eine Anpresskraft besonders gut dosiert werden kann und die Klemmvorrichtung leicht über ein Werkzeug, beispielsweise einen Schraubendreher, betätigbar ist. Gerade wenn der Exzenter und/oder der Nocken elektrisch isolierend ist, kann auf ein isoliert ausgeführtes Werkzeugverzichtet werden, was die Handhabung nochmals vereinfacht.
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Dabei kann insbesondere der Exzenter und/oder Nocken eine Rastung aufweisen. Das hat den Vorteil, dass durch die Rastung eine dauerhafte Kontaktflächenpressung mit einem vorgegebenen Druck möglich ist. Ist auf Grund der Rastung eine Drehung des Exzenters oder Nockens nur in einer Richtung möglich, so wird die Zuverlässigkeit der Klemmvorrichtung nochmals erhöht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Klemmvorrichtung zumindest einen Keil umfasst, mit welchem das Koppelelement an den elektrischen Pol anpressbar ist. Insbesondere ist der Keil dabei elektrisch isolierend. Der Keil kann dabei zwischen dem elektrischen Pol und einer fest mit dem Gehäuse oder einer anderen Komponenten des Batteriemoduls verbundenen Abstützung beweglich angeordnet sein. Der Keil kann insbesondere durch ein weiteres Element, wie einen Nocken oder einen Exzenter einer drehbaren Scheibe, betätigt werden. Es kann auch an dem Keil eine Schraube angeordnet sein, über welche der Keil in einer Führung verschiebbar ist. Dabei kann dann entsprechend der Keil oder die Schraube elektrisch isolierend sein. Wird der Keil über einen Nocken verschoben, so ist hier eine axiale oder radiale Kraftrichtung über den Nocken für ein Verschieben des Keils nutzbar. Insbesondere kann auch der Keil eine Rastung aufweisen. Die Verwendung eines Keils hat den Vorteil, dass eine Klemmkraft, über welche das Koppelelement an den elektrischen Pol angepresst ist, großflächig verteilt ist und lokale Kraftspitzen verhindert werden. Damit wird die Sicherheit und Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung weiter erhöht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Klemmvorrichtung durch einen Verriegelungsmechanismus blockierbar ist. Dabei ist in dem blockierten Zustand der Klemmvorrichtung das Koppelelement nicht oder im Vergleich zu einem unblockierten Zustand der Klemmvorrichtung erschwert in der Aufnahmeeinrichtung aufnehmbar. Der Verriegelungsmechanismus kann zum Beispiel automatisch deaktiviert werden, wenn das Batteriemodul in einer vorgesehenen Einbauposition, beispielsweise auf einer entsprechend abgestimmten Bodenplatte oder an einem benachbarten Batteriemodul platziert ist. Dies kann beispielsweise über eine Nase in einem Gehäuse des Nachbarmoduls oder der passenden Bodenplatte oder über ein anderes Mittel, welches eine Wechselwirkung des Batteriemoduls mit der Bodenplatte oder dem Nachbar-Batteriemodul ermöglicht, realisiert sein. Das hat den Vorteil, dass die Sicherheit des Batteriemoduls nochmals erhöht wird, indem ein unbefugtes Berühren des elektrischen Pols erschwert wird.
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Zur Erschwerung einer Vornahme unbefugter Handlungen kann vorgesehen sein, dass die Klemmvorrichtung nur über ein Spezialwerkzeug betätigbar ist. Überdies kann die Klemmvorrichtung, insbesondere eine Rastung der Klemmverbindung, Einwegelemente umfassen, welche bei einer Reparatur, insbesondere bei einem Lösen der Klemmvorrichtung, zerstört werden. Für diese Einwegelemente ist bevorzugt aus Sicherheitsgründen eine Herstellerbindung vorgesehen, sodass die Einwegelemente nicht über unkontrollierte Quellen beziehbar sind. Auch damit wird eine Vornahme von Handlungen von unbefugten Personen an dem Batteriemodul erschwert oder verhindert.
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Die Erfindung betrifft auch ein Modulsystem mit zumindest zwei Batteriemodulen nach einer der beschriebenen Ausführungsformen sowie mit einem Koppelelement, mit dem die Batterieelemente elektrisch gekoppelt sind. Hier ermöglicht die geschilderte Schaltung der Batteriemodule ein besonders dichtes, bauraumsparendes Anordnen der Batterieelemente aneinander. Insbesondere können sie aneinander angrenzend angeordnet sein. Dadurch ergeben sich Bauraumvorteile und zugleich eine große Flexibilität durch die Modularität des Ansatzes. Überdies wird, gerade durch die beschriebene Form der Aufnahmeeinrichtung, zugleich auch ein Toleranzausgleich in der Anreihung von mehreren Batteriemodulen aneinander umgesetzt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Modulsystems weist das Koppelelement einen Metallstreifen auf, der insbesondere auch einen elektrisch isolierten Bereich hat. Alternativ besteht das Koppelelement aus einem Metallstreifen. Das Koppelelement kann auch eine elektrisch isoliert ausgeführte Nase, einen Griff, eine Lasche oder dergleichen aufweisen. Dadurch wird ein einfacher Ausbau des Koppelelements bei einer Demontage ermöglicht. Das hat den Vorteil, dass das Koppelelement hochstromgeeignet ist und dennoch äußerst einfach und kostengünstig gefertigt sein kann. Das Koppelelement kann beispielsweise ein Aluminium- oder Kupferstreifen mit entsprechenden Abmessungen sein. Dadurch wird auf einfache Weise eine zuverlässige, sichere und hochstromfähige Kopplung der Batteriemodule erreicht. Durch eine entsprechende Gestaltung, beispielsweise durch Führungen und dergleichen, wird dabei sichergestellt, dass auch während des Einlegens oder des Herausnehmens des Koppelelements durch eine Bedienperson keine Spannung führenden Teile berührbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. 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, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Batteriemoduls sowie eines zugeordneten Koppelelementes in einer Schrägansicht;
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2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Modulsystems mit zwei Batteriemodulen und einem Koppelelement in einer Draufsicht; und
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3 eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Modulsystems mit zwei Batteriemodulen und einem Koppelelement in einer Draufsicht.
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Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den identischen Bezugszeichen bezeichnet.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriemoduls mit einem zugeordneten Koppelelement dargestellt. Das Batteriemodul 1 weist dabei vorliegend ein quaderförmiges Gehäuse 2 auf. Ebenfalls hat das Batteriemodul 1 eine Aufnahmeeinrichtung 3 für ein Koppelelement 4, mittels welchem ein vorliegend nicht dargestellter Pol des Batteriemoduls 1 mit einem anderen elektrischen Pol eines weiteren Batteriemoduls elektrisch koppelbar ist. Im gezeigten Beispiel umfasst die Aufnahmeeinrichtung 3 einen Schlitz 5 in dem Gehäuse. Der elektrische Pol ist vorliegend nicht dargestellt, kann jedoch durch den Schlitz 5 hindurch kontaktiert werden. Die Aufnahmeeinrichtung 3 umfasst im gezeigten Beispiel auch eine Öffnung 6, durch welche ein Bedienwerkzeug 7 mit einer vorliegend nicht dargestellten Klemmvorrichtung welche Teil der Aufnahmeeinrichtung ist, vorübergehend in kraftschlüssige Verbindung gebracht werden können.
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Das Koppelelement 4 ist vorliegend als einfacher Metallstreifen, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer ausgeführt. Er ist im gezeigten Beispiel derart bemessen, dass er in den Schlitz 5 einführbar ist, um so den nicht dargestellten Pol des Batteriemoduls 1 zu kontaktieren. In dem gezeigten Beispiel weist das Koppelelement 4 auch einen isolierten Teilbereich 8 auf, so dass das Koppelelement 4 gefahrlos aus dem Schlitz 5 entnommen werden kann. Dabei handelt es sich im gezeigten Beispiel um einen mittleren Bereich des Koppelelementes 4, so dass die jeweiligen Enden Kontaktflächen zum elektrischen Kontaktieren eines jeweiligen Pols umfassen.
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In 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Modulsystems mit hier zwei Batteriemodulen und einem Koppelelement schematisch in einer Draufsicht dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber ist dabei die Aufnahmeeinrichtung 3 mit der Klemmvorrichtung 9 nur für das eine Batteriemodul 1 und nicht für das weitere Batteriemodul 10 dargestellt. Das Koppelelement 4 ist vorliegend bereits in die Aufnahmeeinrichtung 3 eingelegt und koppelt so die beiden Batteriemodule 1, 10 beziehungsweise den Pol 11 des einen Batteriemoduls 1 mit einem anderen elektrischen Pol 12 des weiteren Batteriemoduls 10. Die Klemmvorrichtung 9 umfasst im gezeigten Beispiel einen hier radial gelagerten Exzenter 13, welcher über eine Kraftaufnahme 14, vorliegend einen Vierkant, durch ein Betätigungswerkzeug bewegbar ist und rotierbar gelagert ist. Der Exzenter 13 weist dabei vorliegend auf eine Außenseite eine Rastung 15 auf, in welche hier eine Sperrklinke 16 eingreift. Somit ist der Exzenter 13 vorliegend nur in eine Drehrichtung, nämlich die durch den Pfeil 17 bezeichnete Drehrichtung drehbar. Somit kann durch ein Drehen um eine Drehachse senkrecht zur Zeichenebene der Exzenter 13 das Koppelelement 4 an den elektrischen Pol 11 anpressen. Durch die Rastung 15 und die Sperrklinke 16 wird dabei ein unbeabsichtigtes Lockern der Verbindung vermieden. Da die Klemmvorrichtung 9 unabhängig von einer Position des Koppelelements 4 in x-Richtung das Koppelelement an den elektrischen Pol 11 anpresst, ist so automatisch ein Toleranzausgleich bei der Anreihung der Batteriemodule 1, 10 erzielt. Dadurch kann beispielsweise ein Abstand d zwischen den Batteriemodulen 1, 10 minimiert oder sogar auf null gesetzt werden. Das weitere Batteriemodul 10 umfasst analog eine ähnliche oder gleiche Aufnahmeeinrichtung 3 beziehungsweise Klemmvorrichtung 9.
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In 3 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Modulsystems mit zwei Batteriemodulen und einem Koppelelement schematisch in einer Draufsicht dargestellt. Vorliegend umfasst die Klemmvorrichtung 9 einen beweglichen Keil 18 und eine dem beweglichen Keil 18 zugeordnete feststehende Abstützung 19. Durch ein Verschieben des Keils in x-Richtung wird hier das Koppelelement 4 an den elektrischen Pol 11 angepresst. Das Koppelelement 4 befindet sich somit zwischen dem beweglichen Keil 18 und dem elektrischen Pol und der bewegliche Keil 18 zwischen dem Koppelelement 4 und der feststehenden Abstützung 19. Über eine in x-Richtung wirkende Kraft, welche durch den Pfeil 20 symbolisiert ist, kann somit eine Kraft, mit welcher der elektrische Kontakt zwischen dem Koppelelement 4 und dem elektrischen Pol 11 hergestellt wird, eingestellt werden. Der bewegliche Keil 18 kann dabei beispielsweise über einen Exzenter oder eine Schraube, eingestellt werden. In der dargestellten Ausführungsform ist der Keil 18 aus einem Isoliermaterial. Hierfür kommen beispielsweise ein Kunststoff oder ein Keramik in Frage. Das weitere Batteriemodul 10 umfasst analog eine ähnliche oder gleiche Aufnahmeeinrichtung 3 beziehungsweise Klemmvorrichtung 9.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriemodul
- 2
- Gehäuse
- 3
- Aufnahmeeinrichtung
- 4
- Koppelelement
- 5
- Schlitz
- 6
- Öffnung
- 7
- Bedienwerkzeug
- 8
- isolierter Teilbereich
- 9
- Klemmvorrichtung
- 10
- Batteriemodul
- 11
- Pol
- 12
- Pol
- 13
- Exzenter
- 14
- Kraftaufnahme
- 15
- Rastung
- 16
- Sperrklinke
- 17
- Pfeil
- 18
- Keil
- 19
- Abstützung
- 20
- Pfeil
- d
- Abstand
