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AUSSAGE ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung ist eine teilweise Fortsetzung der US-Anmeldung mit der Seriennummer 13/425683, die am 21. März 2012 eingereicht wurde und den Titel INTEGRATED BUSBAR, TERMINAL PIN AND CIRCUIT PROTECTION FOR SENSING INDIVIDUAL BATTERY CELL VOLTAGE trägt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein Spannungserfassungskomponenten, die in Verbindung mit einem von Batterien betriebenen System verwendet werden, und insbesondere eine Vorrichtung für das und ein Verfahren zum Integrieren separater Spannungserfassungskomponenten in eine vereinigte Batterieanordnung als Weg zur Verbesserung der Robustheit der Anordnung und der Herstellbarkeit von Komponenten zur Erfassung von Batteriezellenspannungen.
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Die zunehmende Forderung nach Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen und nach einer Verringerung von Fahrzeugemissionen hat zu der Entwicklung von sowohl Hybridfahrzeugen als auch reinen Elektrofahrzeugen geführt. Reine Elektrofahrzeuge können von einem Batteriestapel (der auch Batterie genannt wird) mit Leistung versorgt werden, während Hybridfahrzeuge zwei oder mehr Energiequellen enthalten, etwa eine Benzinkraftmaschine (die auch als Brennkraftmaschine bezeichnet wird), die entweder als eine Reserve für einen Batteriestapel oder in Zusammenarbeit damit verwendet wird. Es gibt zwei Hauptversionen von Hybridfahrzeugen, die gegenwärtig verwendet werden. In einer ersten Version (die als Hybridarchitektur mit Ladungsentleerung bekannt ist) kann die Batterie aus einem herkömmlichen elektrischen Stromversorgungsnetz, etwa einer Stromleitung mit 120 VAC oder 240 VAC aufgeladen werden. In einer zweiten Version (die als Hybridarchitektur mit Ladungserhaltung bekannt ist) empfängt die Batterie ihre gesamte elektrische Ladung von der Brennkraftmaschine und/oder aus einem regenerativen Bremsen. In beiden Fällen besteht der Batteriestapel typischerweise aus zahlreichen Modulen, welche wiederum aus zahlreichen einzelnen Zellen bestehen. Es können zahlreiche Rahmen, Fächer, Abdeckungen und ähnliche Strukturen enthalten sein, um eine Abstützung für die verschiedenen Zellen, Module und Stapel bereitzustellen, und diese tragen daher dazu bei, eine größere Anordnung von derartigen Zellen, Modulen oder Stapeln zu definieren.
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In einer Form sind die Zellen des Batteriestapels als rechteckiger (d. h. prismatischer) Behälter ausgestaltet, der ein starres Außengehäuse definiert, das als Zellengehäuse bekannt ist und das entlang einer Achse, die durch die ausgerichteten parallelen scheibenähnlichen Oberflächen gebildet wird, gestapelt werden kann (ähnlich wie ein Kartenstapel). Positive und negative Anschlüsse, die an einem Rand auf der Außenseite des Zellengehäuses gelegen sind, sind relativ zueinander mit Bezug auf die Stapelachse seitlich beabstandet und wirken als elektrische Kontakte zur Verbindung (beispielsweise über eine Stromschiene) mit einer äußeren Last oder Schaltung. Innerhalb des Zellengehäuses sind zahlreiche einzelne abwechselnd positive und negative Elektroden voneinander entlang der Stapelrichtung beabstandet und durch nicht leitende Separatoren elektrisch isoliert gehalten. Drähte von allen negativen Elektroden werden innerhalb des Zellengehäuses zusammengesammelt, um den negativen Anschluss zu speisen, während Drähte von allen positiven Elektroden analog zusammengesammelt werden, um den positiven Anschluss zu speisen. In einer Form liefert jede Zelle aus einem prismatischen Behälter Gleichstromelektrizität (DC-Elektrizität) an die vorstehend erwähnten Lasten, etwa an verschiedene Fahrzeugsysteme, die Motoren, Elektroantriebssysteme (ETS) oder dergleichen sowie Hilfsgeräte umfassen. Ein Leistungswechselrichter wird typischerweise für Komponenten verwendet, die Wechselstromleistung statt Gleichstromleistung (AC-Leistung statt DC-Leistung) benötigen; diese Leistungswechselrichter enthalten typischerweise Kondensatormodule und einen Bipolartransistor mit integriertem Gate (IGBT) zum Umwandeln des DC-Eingangssignals in ein AC-Ausgangssignal. Wie vorstehend erwähnt wurde, werden diese Module in einer üblichen Form über eine Stromschiene oder Verkabelungsanordnungen verbunden, wobei sowohl die Stromschienen als auch die zugehörigen Strom übermittelnden Komponenten der Zelle typischerweise aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen daraus bestehen. In einigen Fällen können die Kontakte oder zugehörige elektrische Leiter mit einer dünnen Schicht aus einem anderen Metall beschichtet sein, um die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion oder andere wünschenswerte Eigenschaften zu verbessern.
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Die Stromschiene wird allgemein als vorteilhaft gegenüber Verkabelungsanordnungen angesehen, weil sie (unter anderem) – zusätzlich dazu, dass sie elektrische Verbindungsmöglichkeiten bereitstellt – es ermöglicht, eine Spannungserfassungs- und Überwachungselektronik mit Hilfe einer kompakten Verpackung in die Leistungsverbindung zu integrieren. Darüber hinaus erlaubt ihre allgemeine Struktur, dass alle Anschlüsse, die verwendet werden, um eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Zellen bereitzustellen, relativ zueinander durch eine simple Montageoperation zuverlässig und wiederholbar positioniert werden. In einer Form wird das Überwachen (etwa das Erfassen einer Zellenspannung) typischerweise unter Verwendung einer Schaltungsschutzvorrichtung (d. h. einer Schaltungsschutzsicherung, die oft als ”Sicherung” abgekürzt wird) als elektrischer Schnittstelle zwischen der Stromschiene und einem Anschlusskontakt bewerkstelligt, der als Teil des vorstehend erwähnten Rahmens ausgebildet ist, welcher verwendet wird, um eine strukturelle Abstützung der Batteriezelle oder der Batteriezellen bereitzustellen.
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Eine Verbindungsplatine (ICB, ICB von interconnect board) ist ein rahmenähnliches Element, das mit der Stromschiene zusammenarbeitet, um einen Montageort für die Schaltungsschutzsicherungen und andere Schaltungskomponenten bereitzustellen. Trotz der Vorteile einer auf einer ICB beruhenden Konfiguration leiden herkömmliche Stromschienen und deren Verbindung zu ICBs an bestimmten Nachteilen. Diese Mängel werden besonders akut, wenn man versucht, die Schaltungsschutzsicherungen und die Stromschiene mit der ICB zu verbinden, nachdem sie bereits geformt oder anderweitig ausgebildet wurde. Erstens muss die Stromschiene in einem geläufigen Montageansatz in den Rahmen eingeschnappt oder durch Wärme angeheftet werden. Speziell das Einschnappen ist kein robuster Prozess und ermöglicht zu viel Positionsabweichung. Zweitens erfordert das Widerstandsschweißen der dünnen Drähte der Sicherung an sowohl die Stromschiene als auch den Anschlusskontakt eine genaue Ausrichtung und genaue Prozessfenster, was schwer zu erfüllen ist, wenn sie in ein größeres Teil eingebaut werden, etwa in die ICB. Drittens können die Sicherungsdrähte selbst mechanischen Belastungen ausgesetzt sein; die dünnen Drähte der Sicherung sind allgemein nicht robust genug, um sowohl als mechanisches als auch als elektrisches Bindeglied zwischen dem Anschluss und der Stromschiene zu wirken. Folglich werden alle Fehler oder Verringerungen bei der Schweißqualität den Durchsatz beeinflussen, da die Sicherungsdrähte schließlich ermüden und ausfallen. Auf ähnliche Weise führen diese Montageprobleme zu einer signifikanten Ausfallwahrscheinlichkeit und einer zugehörigen Produktionsausschussrate, wodurch Produktionskosten hochgetrieben werden.
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Eine spezielle Verbindung von ICB zu Stromschiene – der auf einer flexiblen Schaltung beruhende Ansatz – tendiert dazu, eine große Anzahl von Verbindungsstellen zu verwenden, um eine Verbindung zu den Sicherungen zu erreichen; diese Verbindungsstellen (sowie andere Faktoren) bilden einen signifikanten Anteil der Gesamtkosten der ICB eines Batteriestapels. Außerdem tendiert man dazu, die Sicherungen durch Oberflächenmontage auf der flexiblen Schaltung anzubringen. Zwar ist die Oberflächenmontage eines der wenigen brauchbaren kosteneffektiven Verfahren zum Anbringen von Komponenten an einer flexiblen Schaltung, sie kann jedoch problematisch werden, wenn die physikalische Größe der Sicherung groß ist; derartige größere Sicherungen sind notwendig, um gravierendere Fehlerbedingungen zu bewältigen (etwa diejenigen, die mit Kraftfahrzeug-Batteriestapeln und anderen Hochspannungsanwendungen verbunden sind). In diesem Fall ist eine starre Platine für eine größere Sicherung aufgrund der Masse der Komponente besser geeignet; diese Ansätze sind jedoch tendenziell klobig und kostspielig. Darüber hinaus sind derartige Verbindungsschemata in den Bereichen, bei denen die Stromschienenleiterbahn an den U-förmigen Zellenmontagekanälen mit Hilfe einer Ultraschallverschweißung angebracht wird, besonders anfällig für Haltbarkeitsprobleme; diese Probleme werden bei einer Platzierung in einer vibrierenden Umgebung tendenziell verschärft, wenn Ermüdungsprobleme signifikant werden können. Daher gibt es einen Bedarf, die Nachteile dieser und anderer Verbindungstechniken zu überwinden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer integrierten Schaltung zur Verwendung in einem batteriegetriebenen Kraftfahrzeug-Vortriebssystem offenbart. Die Schaltung enthält eine Sicherung mit Drähten zum Herstellen einer elektrischen Kommunikation zwischen einer Stromschiene und einem Anschlusskontakt. In einer bevorzugten Form gibt es eine Schaltung für jede Zelle innerhalb eines größeren Batteriestapels oder einer ähnlichen Anordnung. Im vorliegenden Kontext kann die Schaltung als Teil eines Verbindergehäuses (hier auch einfacher als Gehäuse bezeichnet) ausgebildet sein, das wiederum an der ICB permanent befestigt ist oder anderweitig als Teil derselben oder eines zugehörigen Rahmens ausgebildet ist; in jedem Fall ist die integrale Natur der Verbindung zwischen dem Rahmen und der Spannungserfassungsschaltung (hier auch als Spannungserfassung bezeichnet) derart, dass sie, da sie starr aneinander befestigt sind, im funktionalen Sinn aus einem Stück sind, auch wenn einige sichtbare Indizien ihrer ursprünglichen separaten Natur übrig sein können. Indem sie innerhalb des vorliegenden Kontexts in den Rahmen integriert ist, wird die Spannungserfassungsschaltung ein strukturelles Ganzes, wodurch sie die verbesserte strukturelle Robustheit gegenüber dem Ansatz des Standes der Technik zeigt, bei dem separat ausgebildete Spannungserfassungsschaltungen, die bei wiederholter Handhabung und ähnlichen zu Unterbrechungen neigenden Ereignissen verletzlicher sind, wahrscheinlich auftreten werden. insbesondere ist die Kombination aus der Stromschiene, der Sicherung und dem Anschlusskontakt, welche die integrierte Spannungserfassungsschaltung bilden, – sobald sie mit dem Gehäuse gekoppelt ist – als modulares Ganzes zusammen mit und innerhalb des Gehäuses ausgestaltet, so dass das Gehäuse und die Schaltung zusammen ein autonomes Teil definieren, das in sich selbst eine strukturell robuste integrierte Struktur ist, sowie wenn es an dem größeren Rahmen befestigt wird (etwa durch Umspritzen, Einkapselung oder dergleichen), um ein integraler Bestandteil desselben zu werden.
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In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung zum Erfassen einer Spannung, die von einer Batteriezelle innerhalb eines Batteriestapels erzeugt wird, der aus einer Vielzahl von Batteriezellen besteht, offenbart. Wie vorstehend erwähnt wurde, stellt die zusammengebaute Schaltung die Mittel zum Messen der Spannung jeder einzelnen Zelle in einem Batteriestapel bereit. Die Spannungserfassungsschaltung besteht aus mindestens drei Komponenten, welche einen Anschlusskontakt, eine ummantelte Stromschiene und eine Sicherung (d. h. einen Schaltungsschutz) umfassen, die so zusammengebaut sind, dass sie in ein modulares Gehäuse passen, das wiederum an einer ICB oder an einem Batterierahmen befestigt werden kann. Indem diese elektrisch leitenden Stücke in ein Gehäuse integriert werden und indem das Gehäuse ferner in einen Rahmen (zum Beispiel einen Spritzgussrahmen) integriert wird, kann eine größere Robustheit aller Komponenten realisiert werden. Dies ist besonders wertvoll für die Sicherung, die den Anschlusskontakt und die Stromschiene koppelt, da sie Teil eines kompakten modularen Gehäuses ist, das eine weitaus gröbere Behandlung bei der Handhabung aushalten kann als es die Sicherung und die zugehörigen Komponenten einzeln könnten.
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In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriestapel offenbart, der ausgestaltet ist, um Antriebsleistung für ein Fahrzeug bereitzustellen. Der Batteriestapel enthält zahlreiche Batteriezellen, einen Rahmen für jede Batteriezelle, um zu ermöglichen, dass die Zelle befestigt wird, und eine Spannungserfassungsschaltung, die an dem Rahmen befestigt ist, wobei die Spannungserfassungsschaltung die Sicherung, die Stromschiene und den Anschlusskontakt, die vorstehend erwähnt wurden, sowie ein Gehäuse enthält, das ausgestaltet ist, um die Sicherung, die Stromschiene und den Anschlusskontakt in elektrischer Kommunikation miteinander zu halten. Bei einer speziellen Form definiert das Gehäuse eine geformte Struktur derart, dass, sobald die Verbindung zwischen den verschiedenen elektrisch leitenden Komponenten hergestellt wurde, die Spannungserfassungsschaltung eine modulare Einheit definiert. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist die geformte Struktur des Gehäuses vorzugsweise ferner in die geformte Struktur des Rahmens eingeformt; ein derartiges Einformen, Einkapseln, Umspritzen oder dergleichen stellt eine integrale Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Rahmen sicher. In einer bevorzugten Form umfassen die Formen, die durch das geformte Gehäuse definiert werden, verschiedene Formationen zur Aufnahme der elektrisch leitenden Teile der Spannungserfassungsschaltung. Der Fachmann wird feststellen, dass der Batteriestapel zusätzliche Merkmale für eine mechanische oder elektrische Unterstützung enthalten kann, welche zusätzliche Rahmen, Behälter, Kühlkreise oder dergleichen umfassen.
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In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung offenbart, die eine integrierte Schaltung zur Verwendung in einem batteriegetriebenen Kraftfahrzeugantriebssystem enthält. Die Anordnung kann mechanisch und elektrisch zahlreiche prismatische Batteriezellen in Zellenaufnahme-Montagekanäle aufnehmen, die in oder an einer ICB ausgebildet sind. Eine Stromschiene, die mehrere einzelne signalführende Leitungen definiert, und eine Kupplung (die in einer bevorzugten Form ein Verbindungskopfstück zur elektrischen Überwachung ist) zur Herstellung einer Signalverbindung zwischen jedem der Kanäle und der Kupplung durch eine jeweilige der einzelnen signalführenden Leitungen sind in der ICB ausgebildet; auf diese Weise weist jede Batteriezelle (oder eine Gruppe von Batteriezellen in Konfigurationen, bei denen mehrere Batterien parallel sind, so dass die Spannung an der gesamten Gruppe gemessen wird), die in einem jeweiligen Kanal platziert ist, eine dedizierte Spannungserfassungsschaltung auf, die Spannungsinformationen, welche jede Zelle betreffen, durch die Stromschiene und weiter zu einer Zellenüberwachungs- oder Steuerungsschaltung durch die Kupplung hindurch senden kann. Es ist signifikant, dass die Stromschiene in der ICB einstückig ausgebildet ist, etwa durch Umspritzen. Auf eine ähnliche Weise können die Kanäle einstückig mit der ICB ausgebildet sein. Auf diese Weise können die Sicherungen mit den jeweiligen signalführenden Leitungen erst installiert und elektrisch gekoppelt werden, nachdem die Stromschiene und die Kanäle (welche wie vorstehend beschrieben vorzugsweise einstückig in der ICB mit Hilfe von Umspritzen ausgebildet sind) in der ICB ausgebildet worden sind. Auf diese Weise ist die Verbindung jeder Sicherung (etwa durch eine Zinnfusion, die nachstehend erörtert wird) der letzte Schritt beim Ausbilden jeder Spannungserfassungsschaltung. Indem die Stromschiene einstückig mit der ICB ausgebildet wird (etwa durch Umspritzen oder dergleichen) kann eine robustere Anordnung erzeugt werden, die widerstandsfähig gegen Vibrationen, eine Handhabung und andere Bedingungen und Umgebungen, die eine Beschädigung herbeiführen können, ist.
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In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriestapel offenbart, der ausgestaltet ist, um Antriebsleistung für ein Fahrzeug bereitzustellen. Der Batteriestapel enthält zahlreiche prismatische Batteriezellen, die entlang einer Stapelachse ausgerichtet sind, um zwischen ihnen eine zueinander hin weisende Beziehung zu definieren. Zudem sind eine Zellenüberwachungselektronik, ein Käfig, der ausgestaltet ist, um die Vielzahl der Zellen zu enthalten, und eine Anordnung, die mit dem Käfig und/oder den Zellen gekoppelt ist, enthalten. Eine ICB enthält zahlreiche Montagekanäle zur Aufnahme von Batteriezellen, sowie eine Kupplung und eine Stromschiene, wobei die letztere eine Signalverbindung zwischen jedem der Kanäle und der Kupplung durch eine jeweilige der einzelnen signalführenden Leitungen herstellt. Eine Spannungserfassungsschaltung wirkt signaltechnisch mit jedem der Kanäle und einem jeweiligen Abschnitt der Stromschiene zusammen, und sie ist zusätzlich in der ICB ausgebildet, so dass sie mindestens eine Sicherung und mindestens eine elektrisch leitende Leitung enthält, die mit der Sicherung gekoppelt ist. Vorzugsweise sind die Stromschiene und/oder die Kanäle einstückig mit der ICB ausgebildet, etwa durch Umspritzen (im Fall der Stromschiene) oder gemeinsames Ausformen (im Falle der Kanäle). In der Stromschiene, in der Leiterbahn oder im Anschluss können Taschen ausgebildet sein, um ein flächendeckendes Koppeln der Drahtleitung einer Sicherung zu dem passenden Teil an einer derartigen Stromschiene, Leiterbahn oder einem derartigen Anschluss zu ermöglichen. Im vorliegenden Kontext kann die elektrisch leitende Leitung entweder einen Teil der Tasche ausbilden oder mit der Tasche elektrisch so verbunden sein, dass ein axialer Draht, der sich von der Sicherung weg erstreckt, mit der elektrisch leitenden Leitung über ein Widerstandsschweißen, eine Zinnfusion oder dergleichen leicht gekoppelt werden kann. Wie nachstehend in Verbindung mit der Partneranmeldung erörtert wird, ist das Zinnfusionsverfahren ein besonders wertvoller Weg zur elektrischen Verbindung der Sicherung mit der Leiterbahn, der Stromschiene, dem Anschluss oder einer ähnlichen elektrisch leitenden Leitung, die innerhalb der ICB ausgebildet ist, da es eine Beschädigung an den Drähten, die sich von der Sicherung weg erstrecken, signifikant reduziert. Zusätzlich zu den vorstehend erörterten Merkmalen wird der Fachmann feststellen, dass der Batteriestapel zusätzliche Merkmale für eine mechanische oder elektrische Unterstützung enthalten kann, welche zusätzliche Rahmen, Behälter, Kühlkreise oder dergleichen umfassen.
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In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen Konnektivität mit einem Batteriestapel eines Kraftfahrzeugantriebsystems offenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine ICB bereitgestellt wird, die eine Vielzahl von Batteriezellen-Montagekanälen darauf definiert, dass eine Zellenüberwachungselektronikkupplung mit der ICB verbunden wird, und dass eine Stromschiene einstückig mit der ICB und der Kupplung ausgebildet wird, um zwischen diesen eine Signalverbindung herzustellen. Die Stromschiene wird derart ausgestaltet, dass jeder der Kanäle eine dedizierte Signalverbindung mit der Kupplung durch eine jeweilige der einzelnen signalführenden Leitungen aufweist. Indem eine Spannungserfassungsschaltung mit jedem der Kanäle und einem jeweiligen Abschnitt der Stromschiene signaltechnisch verbunden wird, kann jede der Spannungserfassungsschaltungen, die in der ICB ausgebildet werden, verwendet werden, um Indizien für Batteriespannungsabweichungen an die Kommunikationsschaltungen zur elektrischen Überwachung liefern sowie einen Schaltungsschutz durch eine oder mehrere Sicherungen bereitstellen. Mindestens die Stromschiene und die ICB sind einstückig ausgebildet, etwa durch Umspritzen. Für Sicherungen ausgestaltete Öffnungen oder ähnliche Ausnehmungen können als Teil des Umspritzens der ICB in einem Stück ausgebildet werden, um das Platzieren und das anschließende elektrische Verbinden der Sicherungen zu ermöglichen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende genaue Beschreibung von speziellen Ausführungsformen kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Strukturen durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, und in denen:
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1 eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Fahrzeugs ist, das mit einer Hybridleistungsquelle ausgestaltet ist und die Integration eines Batteriestapels mit verschiedenen anderen Teilkomponenten des Fahrzeugs zeigt;
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2A und 2B jeweilige Ansichten von oben und von der Seite der Verbindung zwischen einer Stromschiene, einem Anschlusskontakt und einer Sicherung einer Spannungserfassungsschaltung in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik zeigen;
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3A das geformte Gehäuse mit dem darin platzierten Anschlusskontakt in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3B das Gehäuse von 3A verbunden mit der Stromschiene und der Sicherung zeigt, um eine modulare, integrierte Spannungserfassungsschaltung in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zu definieren;
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4A die Stromschiene von 3B isoliert zeigt;
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4B den Anschlusskontakt von 3A und 3B isoliert zeigt;
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5A eine Ansicht von einer Seite der Integration der modularen integrierten Spannungserfassungsschaltung von 3B in einen Abschnitt eines Batteriezellenrahmens zeigt;
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5B eine Ansicht von der gegenüberliegenden Seite der integrierten Spannungserfassungsschaltung von 5A zeigt;
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6 eine vereinfachte Explosionsansicht eines Batteriestapels ist, der in dem Fahrzeug von 1 verwendet werden kann;
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7 eine perspektivische Ansicht von oben auf eine ICB in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt, die Sicherungen zeigt, die in die Spannungserfassungsschaltung zwischen den Stromschienen und den Anschlusskontakten eingebaut sind; und
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8 eine Detailansicht der Spannungserfassungsschaltung einer Sektion 8 von 7 zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit Bezug zunächst auf 1 und 6 ist eine schematische Zeichnung eines hybrid angetriebenen Fahrzeugs 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Innerhalb des vorliegenden Kontexts ist festzustellen, dass der Begriff ”Fahrzeug” auf ein Auto, einen Lastwagen, einen Van oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV) oder dergleichen zutreffen kann. Das Fahrzeug 10 enthält eine ICE 20, eine Batterie 30 (die hier auch als Batteriestapel, Modul oder ähnliches bezeichnet wird, um die zusammengesetzte Natur von vielen Batteriezellen darin zu betonen) und eine elektronisches Steuerungssystem 40, wobei die ICE 20 und/oder die Batterie 30 mit einem Elektromotor/Generator 25 gekoppelt sein können. Das Fahrzeug 10 enthält ferner einen Antriebsstrang 50 (der in der Form einer Antriebswelle oder dergleichen vorliegen kann), um Antriebsleistung von der ICE 20, vom Motor/Generator 25 oder von der Batterie 30 an ein oder mehrere der Räder 60 zu liefern. Die Batterie 30 enthält ein Ladezustands-System (SOC-System) 32 und eine Leistungswechselrichteranordnung 34, wobei letztere verschiedene Module enthält, welche diejenigen für den IGBT und Kondensatoren (nicht gezeigt) sowie andere leitende Elemente umfassen, die ausgestaltet sind, um eine Strecke für einen Stromfluss zwischen diesen und anderen zugehörigen batteriebezogenen elektronischen Komponenten bereitzustellen. Stromschienenanordnungen (Abschnitte von diesen werden nachstehend in größerem Detail gezeigt und erörtert) stellen eine kompakte, zuverlässige elektrische Verbindung zwischen diesen verschiedenen Modulen bereit. Zusätzliche Unterstützungsgeräte, etwa ein Radiator 70, sind ebenfalls gezeigt. Obwohl die Batterie 30 (welche wie vorstehend erörtert als Teil einer größeren Anordnung in einem Rahmen platziert sein kann) im Heck des Fahrzeugs 10 gezeigt ist, kann sie an einer beliebigen geeigneten Stelle angeordnet sein, um ihre elektrische Kopplung (mit Hilfe von Stromschienen, die nachstehend in größerem Detail erörtert werden) an die verschiedenen elektrischen Komponenten zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform ist die Batterie 30 eine Anordnung oder ein Stapel, der aus zahlreichen Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion-Zellen) besteht (die nicht einzeln gezeigt sind). Das elektronische Steuerungssystem 40 kann ein Modul 42 für einen variablen Motorantrieb enthalten, um das Drehmoment und die Drehzahl des Elektromotors sowie andere Fahrzeugfunktionen zu steuern. Der Fachmann wird feststellen, dass, obwohl das Fahrzeug 10 gegenwärtig als ein hybrid betriebenes Fahrzeug gezeigt ist, auch ein Fahrzeug mit rein elektrischer Leistung (d. h. eines ohne den Bedarf für die ICE 20) als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung angesehen wird.
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Speziell mit Bezugnahme auf 6 sind Details in Verbindung mit dem Batteriestapel 30 in einer teilweisen Explosionsansicht gezeigt. In Abhängigkeit von der gewünschten Leistungsausgabe können zahlreiche Batteriezellen 305 entlang einer Stapelachse A-A zu Modulen 310 ausgebildet sein, die zu einer Gruppe oder Sektion 315 kombiniert sein können; diese können ausgerichtet sein, um von einem gemeinsamen Fach 320 abgestützt zu werden, das auch als Abstützung für Kühlschläuche 325 wirken kann, die in Konfigurationen verwendet werden können, bei denen eine Zusatzkühlung gewünscht sein kann. Eine Trennwand 330 kann eine primäre Stützstruktur definieren, die als Schnittstelle zu den Kühlschläuchen 325 dienen kann sowie eine Batterieentfernungseinheit für den Fall, dass eine Batteriewartung benötigt wird, beherbergen kann. Zusätzlich zum Bereitstellen der Abstützung für die zahlreichen Batteriemodule 310 können das Fach 320 und die Trennwand 330 andere Module abstützen, etwa ein Spannungs-, Strom- und Temperaturmessmodul (VITM) 335 (welches als ”Zentralgehirn” wirkt, um die einzelnen Zellenspannungsinformationen über ein (nicht gezeigtes) lokales Netzwerk zu sammeln). Die Anordnung der einzelnen Batteriezellen 305 (die nachstehend in größerem Detail erörtert werden muss) innerhalb eines der Batteriemodule 310, wie auch die Abdeckung derselben durch eine ICB 340 ist gezeigt. Ein separates Spannungs- und Temperaturmodul (VTSM (nicht gezeigt)) kann auf jeder der drei Hauptbatteriesektionen 315 sitzen, welche den T-förmigen Stapel 30 bilden, um Zellenspannungen von jeder ICB 340 an das VITM 335 zu übermitteln. Variationen an dieser Stromschiene, die verwendet wird, um elektrische Verbindungsfunktionen zwischen verschiedenen Zellen 305 und einem oder mehreren elektrischen Überwachungs- oder Steuerungsgeräten bereitzustellen, werden nachstehend in größerem Detail erörtert. Andere Merkmale, etwa eine Unterbrechung 345 zur manuellen Wartung, eine Isolation 350 und eine Abdeckung 355 komplettieren den Batteriestapel 30.
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Bei einem typischen Beispiel kann der Batteriestapel 30 etwa 200 bis 300 einzelne Batteriezellen 305 enthalten, obwohl (wie die Anordnung) die Anzahl der Zellen 305 in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf des Fahrzeugs 10 und seinem elektronischen Steuerungssystem 40 größer oder kleiner sein kann. In einer bevorzugten Form definieren die Zellen 305 eine starre, rechteckige (d. h. prismatische) Form. Bei einer spezielleren Form bestehen die Zellen 305 aus einer prismatischen Beutelvariante statt der prismatischen Behältervariante. Die Platzierung der einzelnen Batteriezellen 305 im Batteriestapel 30 ist gezeigt, wobei die ICB 650 (die in 7 gezeigt und nachstehend in größerem Detail erörtert wird) über oder unter den ausgerichteten Zellen 305 platziert sein kann, um sowohl die Funktion der Montage als auch die Funktion der elektrischen Überwachung und Steuerung der Zellen 305 bereitzustellen. Im vorliegenden Kontext werden die Begriffe ”Batteriezelle”, ”Batteriemodul” und ”Batteriestapel” (sowie deren verkürzte Varianten ”Zelle”, ”Modul” und ”Stapel”) verwendet, um verschiedene Ebenen von Komponenten eines gesamten batteriebasierten Leistungssystems sowie deren Anordnung zu beschreiben. Beispielsweise werden zahlreiche einzelne Batteriezellen 305 in einer zueinander hin weisenden Beziehung entlang einer Stapelachse A-A derart stapelt, dass sich ihre Ränder im Wesentlichen ausrichten, um eine allgemein rechteckige Gestalt zu definieren. Diese Zellen 305 bilden die Bausteine von Batteriemodulen 310 (in Verbindung mit Zusatzgeräten), die wiederum den vollständigen Batteriestapel 30 bilden. Die Verwendung eines oder mehrerer dieser Begriffe wird sich aus dem Kontext ergeben. Die verschiedenen Batteriezellen und Module können wie gezeigt ausgerichtet sein, um durch ein gemeinsames Fach abgestützt zu werden, das auch als Unterstützung für Kühlschläuche, Kopfstücke, Krümmer oder zugehörige Leitungen wirken kann, wenn eine zusätzliche Kühlung gewünscht sein kann.
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Unter Bezugnahme als Nächstes auf 2A und 2B sind Details gezeigt, die einen Abschnitt einer erwähnten Stromschienen-Teilanordnung 100 (2A) des Standes der Technik und eine Spannungserfassungsschaltung 105 darstellen, die aus der Verbindung zwischen einer Stromschiene 110 und einem Anschlusskontakt 120 durch eine Sicherung 130 besteht. Im Speziellen sind die verschiedenen Komponenten, welche die Spannungserfassungsschaltung 105 bilden, an einem Abschnitt eines Rahmens 140 direkt angebracht, der verwendet wird, um eine mechanische oder strukturelle Abstützung für diese und andere Komponenten bereitzustellen. Außerdem sind zusätzliche Komponenten wie etwa ein Batteriezellen-Abstützfach 36 vorzugsweise so dimensioniert, dass sie mit dem Rahmen 140 strukturell zusammenarbeiten. In einer Form ist der Rahmen 140 etwa 250 Millimeter (d. h. etwa zehn Zoll) entlang seiner längsten Kante lang und er enthält ferner Öffnungen 150, die darin ausgebildet sind, um eine Verbindung durch eine Schraube oder ein ähnliches Befestigungselement (nicht gezeigt) zu fördern. Der Fachmann wird feststellen, dass nur ein kleiner Teil des Rahmens 140 gezeigt ist, wobei zahlreiche derartige Rahmen 140 (mit montierten Zellen 36 und Spannungserfassungsschaltungen 105) gestapelt oder anderweitig angeordnet sind, um eine mechanisch starre Strecke bereitzustellen, um das Fließen eines Stroms aus den einzelnen Batteriezellen 36 an die verschiedenen leistungsverbrauchenden Komponenten im Fahrzeug 10 zu ermöglichen. In Abhängigkeit von der Konfiguration können andere (nicht gezeigte) Komponenten jeder einzelnen Stromschienen-Teilanordnung 100 einen positiven DC-Anschluss und einen negativen DC-Anschluss sowie zahlreiche andere Komponenten umfassen, um eine elektrische Konnektivität zwischen den positiven und negativen Anschlüssen der einzelnen Batteriezellen sowie mit anderen Komponenten der Batterie 30 herzustellen. Es soll erwähnt werden, dass jegliche DC/AC-Umwandlung außerhalb des Batteriestapels stattfindet und gegenwärtig nicht gezeigt ist. Jede Stromschienen-Teilanordnung 100 überträgt einen Strom, der von den positiven und negativen Anschlüssen der DC-Quelle (d. h. der Batteriezelle 36) empfangen wird, (neben anderen Komponenten) an IGBT-Vorrichtungen, Leistungsdioden oder andere Komponenten, die jeweils das DC-Signal in ein einphasiges AC-Signal umwandeln können. Wie vorstehend erwähnt wurde, können bei einer Form zumindest die elektrisch leitenden Abschnitte der Stromschienen-Teilanordnung 100 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen, und sie können zusätzlich metallüberzogen sein.
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Nach dem Stapeln und Verbinden der verschiedenen einzelnen Rahmen 140 wird eine strukturelle Anordnung ausgebildet, die einem im Wesentlichen vollständigen Batteriestapel ähnelt (etwa der Batterie 30). Wie vorstehend erwähnt wurde, ist jede Batteriezelle innerhalb der Batterie 30 an einen entsprechenden Rahmen 140 montiert, der eine Montagestelle enthält, an der eine Sicherung 130 an der Stromschiene 110 und dem Anschlusskontakt 120 befestigt werden kann. Bei einer speziellen Form kann auch ein Fahrwerk oder ein ähnlicher größerer Behälter (nicht gezeigt) verwendet werden, um eine Umhüllung und einen ähnlichen Schutz vor der Umwelt nicht nur für die Batterie 30 sondern auch die internen elektrischen Komponenten bereitzustellen, etwa diejenigen, welche die Leistungswechselrichteranordnung 34 bilden; ein derartiger zusätzlicher Behälter kann aus einem geeigneten Material mit Leitungsmerkmalen bestehen, die mit dem Fahrwerk des Fahrzeugs 10 geerdet sein können, um eine Massequelle für untergebrachte elektrische Komponenten bereitzustellen.
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Der vorstehende Ansatz für den Aufbau der Batterie 30 erfordert, dass jede Spannungserfassungsschaltung 105 im Allgemeinen – und jede Sicherung 130 im Besonderen – aufgenommen und auf dem Rahmen 140 platziert wird; außerdem müssen die elektrischen Drähte der Sicherung 130 (welche typischerweise sehr dünn sind – beispielsweise 0,6 mm im Durchmesser) zum korrekten Widerstandsschweißen auf den Anschlusskontakt 120 und die Stromschiene 110 ausgerichtet werden. Die Manipulation von Objekten mit ganz verschiedenen Maßstäben (speziell der große Maßstab des Rahmens 140 und der viel kleinere Maßstab der Sicherung 130) erhöht die Komplexität des Montageprozesses, und Bewegungen, die innerhalb des größeren Maßstabs als feinmotorisch angesehen werden, können für die speziellen Bedürfnisse der Sicherung 130 und ihrer fragilen Drähte viel zu grob sein. Dies führt wiederum zu einer potentiellen handhabungs- oder prozessbezogenen Beschädigung in der Spannungserfassungsschaltung 105.
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Mit Bezug als Nächstes auf 3A, 3B, 4A, 4B, 5A und 5B sind die verschiedenen Komponenten, die eine Spannungserfassungsschaltungs-Teilanordnung 200 bilden (die hier auch als Anordnung bezeichnet wird) gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Mit Bezug zuerst auf 3A und 3B enthält die Teilanordnung 200 ein Gehäuse 202 zur Aufnahme der Spannungserfassungsschaltung 205 als Weg zum Verringern der Komplexität, der Prozessvariabilität und der Kosten, indem zumindest die Stromschiene 210 und der Anschlusskontakt 220 innerhalb des Gehäuses 202 integral ausgebildet werden, das wiederum integral mit einem Rahmen (etwa einem Rahmen 240) integral ausgebildet wird (etwa durch Umspritzen oder Einkapselung), so dass eine Platzierung und Ausrichtung der Sicherung 230 mit einer signifikanten Verringerung des Beschädigungsrisikos erreicht wird. Im Gehäuse 202 sind verschiedene Formationen definiert, die Öffnungen 202A enthalten, die erlauben, dass flüssige Formen eines Spritzgussrahmenmaterials (beispielsweise Polypropylen) so hindurchgehen, dass sie nach der Erstarrung eine permanente integrale Verbindung zwischen dem Rahmen 240 und dem Gehäuse 202 bilden. Andere Formationen, etwa 202B, 202C und 202D, werden verwendet, um Räume zu definieren, in denen die Stromschiene 210, der Anschlusskontakt 220 bzw. die Sicherung 230 montiert oder anderweitig platziert werden können. Auf ähnliche Weise kann ein Verbinder 202E verwendet werden, um eine Montagestelle für andere Geräte zu definieren, die den Rahmen 240 bildet oder anderweitig damit verbunden sind. Eine Formation 202G definiert eine gebogene Strecke (die so gezeigt ist, dass sie grob serpentinenförmig ist), um zu ermöglichen, dass die Drähte von der Sicherung 210 an komplementären Oberflächen auf der Stromschiene 210 und dem Anschlusskontakt 220 angebracht werden. 3B zeigt im Speziellen, wie das Gehäuse 202 und die Gesamtheit der Stromschiene 210 die Spannungserfassungsschaltungs-Teilanordnung 200 bilden. Bei einer Konstruktionsform ist der Anschlusskontakt 220 in einer Form platziert – welche eine vordefinierte Nut oder eine ähnliche Form sein kann, die in dem Gehäuse 202 ausgebildet ist, während die Stromschiene 210 durch eine geeignete Verbindung mit dem Gehäuse zusammengefügt werden kann. In jedem Fall kann die Sicherung 230, sobald die Stromschienen-Teilanordnung 200 ausgebildet ist, in den Hohlraum oder eine ähnliche Einbuchtung eingeführt werden, die der Formation 202D entspricht. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist die elektrisch leitende Natur der Stromschiene 210 und des Anschlusskontakts 220 derart, dass sie, wenn sie an entsprechenden elektrisch leitenden Drähten 234, 232 der Sicherung 230 befestigt werden, eine elektrisch durchgehende Schaltung 205 bilden. Insbesondere sind geformte Abschnitte 201D und 230A, die in der Stromschiene 210 bzw. dem Anschlusskontakt 220 ausgebildet sind, dimensioniert, um eine sichere Verbindung zwischen den Drähten 234, 232 mit kleinem Durchmesser der Sicherung 230 zu fördern. In einer Form kann die Verbindung durch geeignete mechanische Mittel erfolgen, etwa einen Schnappverschluss, Anheften durch Erhitzen oder dergleichen, während eine elektrische Verbindung durch Widerstandsschweißen oder ein anderes Fügeverfahren bewerkstelligt werden kann, um die nachstehend erörterten Sicherungsverbindungsstellen herzustellen.
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Mit Bezug speziell auf 4A und 4B enthält die Stromschiene 210 eine allgemein leitende Seite 210A, die aus einer Kupferlegierung besteht, welche an einer Stütze 210B befestigt ist, die aus einer Aluminiumlegierung besteht. Eine Öffnung 210C ist ausgelegt, um mit der sperrklinkenförmigen Formation 202B des Gehäuses 202 von 3A zusammenzuarbeiten.
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Mit Bezug speziell auf 5A und 5B ist die Integration des Rahmens 240 und des Gehäuses 202 gezeigt, wobei Oberflächendetails zu letzterem hinzugefügt wurden, um Anfangsdemarkationslinien zwischen den zwei Strukturen besser hervorzuheben. Im Gegensatz zum Stand der Technik weist die Spannungserfassungsschaltung 205 aufgrund ihrer integrierten Konstruktion im Gehäuse 202, der Spannungserfassungsschaltung-Teilanordnung 200 und des Rahmens 240 eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Umweltbelastungen und mechanische Belastungen auf, wodurch die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall reduziert wird. Die Konstruktion der Spannungserfassungsschaltung 205 ist derart, dass zumindest die Stellen innerhalb des Gehäuses 202, an denen die Sicherung 230 und ihre Drähte 232, 234 platziert werden, eine integrale Struktur ausbilden, die anschließend an dem Rahmen 240 befestigt werden kann. Daher können in einer Form das modulare Gehäuse 202 und die Spannungserfassungsschaltung 205 an dem Rahmen 240 während eines Formprozesses des Rahmens 240 befestigt werden, so dass nach dem Abschluss des Formens das Gehäuse 202 und zumindest ein Teil der Spannungserfassungsschaltung 205 in dem Rahmen 240 eingeschlossen sind.
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Noch spezieller mit Bezug auf 5B sind die Sicherung 230 (im Allgemeinen) und die Sicherungsverbindungsstellen 236, 238, die zwischen den Drähten 232, 234 und ihren entsprechenden Verbindungspunkten auf dem jeweiligen Anschlusskontakt 220 und der Stromschiene 210 ausgebildet sind (im Speziellen) besonders für eine Beschädigung anfällig, die während der normalen Herstellung und Handhabung auftreten kann. Die Drähte 232 und 234, die sich von entgegengesetzten Enden der Sicherung 230 weg erstrecken, stellen eine elektrische Konnektivität zu dem Anschlusskontakt 220 bzw. der Stromschiene 210 vorzugsweise durch einen Widerstandsschweißprozess her. Indem es sowohl korrekt dimensionierte elastische Verbindungen als auch eine Präzisionsausrichtung zwischen den Drähten 232 und 234 gibt, kann die Sicherung 230 an dem Gehäuse 202 und an dem Rest der Stromschienen-Teilanordnung 200 mit einem höheren Vertrauensgrad befestigt werden, dass anschließende Rahmenhandhabungsoperationen (d. h. in großem Maßstab) minimale Differenzen bei Fehlausrichtungen im kleinen Maßstab innerhalb der Sicherung 230, der Stromschiene 210 und des Anschlusskontakts 220 nicht ausnützen werden, um die zuverlässige Fabrikation der Spannungserfassungsschaltung 205 zu gefährden. In einer speziellen Form werden zumindest ein signifikanter Abschnitt der Stromschiene 210 und des Anschlusskontakts 220 durch den Kunststoff des Rahmens 240 während des Umspritzprozesses eingekapselt, während die Sicherung 230 vorzugsweise von dem Material des Rahmens 240 im Wesentlichen unbedeckt bleibt. Wie in den beiden vorliegenden Figuren zu sehen ist, gibt es eine signifikante Abdeckung der Verbindung zwischen der Stromschiene 210 und dem Gehäuse 202, sowie zwischen dem Anschlusskontakt 220 und dem Gehäuse 202, während die Sicherung 230 und ihre Drähte 232, 234 im Wesentlichen unbedeckt bleiben. Der Hohlraum oder die zugehörige Vertiefung 202D (am besten in 3A gezeigt) im Gehäuse 202 weist einstückig ausgebildete Zungen oder Höcker 202F auf, um zu ermöglichen, dass die Sicherung 230 sicher an Ort und Stelle einschnappt, während die Serpentinenwände 202G eine sichere Ausrichtung der Drähte 232, 234 auf die jeweiligen Kontaktoberflächen des Anschlusskontakts 220 und der Stromschiene 210 fördern.
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In einer Form können die Sicherungsverbindungsstellen 236, 238, die zwischen den Drähten 232, 234 und deren entsprechenden Verbindungspunkten jeweils an dem Anschlusskontakt 220 und der Stromschiene 210 ausgebildet sind, durch Widerstandsschweißen hergestellt werden. Die Toleranzen, die eine kleinere Anordnung (etwa diejenige, welche in das Gehäuse 202 passt oder anderweitig damit zusammenarbeitet) möglich macht, passen gut zu den Dimensionen der Sicherung 230 und zu den Anforderungen des Widerstandsschweißens. Außerdem ermöglicht die kompakte modulare Natur des Gehäuses 202, dass eine Sicherung 230, die daran befestigt ist, auf eine Weise behandelt wird, die zu der Struktur des Rahmens 240 im größeren Maßstab besser konsistent ist. Auf ähnliche Weise lässt sich die vorliegende Konstruktion des Gehäuses 202 durch Umspritzen leicht in den Trägerrahmen 240 integrieren, wodurch die strukturelle Kontinuität und eine zugehörige Gesamtrobustheit und Herstellbarkeit erhöht werden.
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Durch die vorliegende Konstruktion wird die Montagereihenfolge der vorliegenden Erfindung entgegengesetzt zu derjenigen des Standes der Technik, bei der die drei elektrisch verbundenen Komponenten 110, 120 und 130 der Spannungserfassungsschaltung 105 nach dem Formen oder Ausbilden des Batteriezellenrahmens 140 montiert werden, wohingegen bei der vorliegenden Erfindung die Komponenten 210, 220 und 230 in einer einzigen eigenständigen Einheit kombiniert werden, bevor der Batteriezellenrahmen 240 geformt wird. Dies verbessert die Integrität der Schaltung 205, indem ein eingebauter Träger in der Form des Gehäuses 202 (auf einer ersten, modulareren Ebene) und der größeren Anordnung 200 (auf einer zweiten, ein wenig größeren Ebene) bereitgestellt wird. Darüber hinaus werden durch Verwendung eines Umspritzprozesses zum Befestigen des Gehäuses 202 oder der Anordnung 200 an dem Rahmen 240 zumindest die Stromschiene 210, der Anschlusskontakt [engl.: transfer contact] 220 und deren jeweilige Verbindungen mit dem Gehäuse 202 an Ort und Stelle mit einer Barriere gegen die umgebende Umwelt befestigt.
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Als Nächstes mit Bezug auf 7 und 8 verwendet die ICB 650 das Umspritzen, um eine elektrische Isolation zwischen den und eine strukturelle Unterstützung für die Stromschienen 651, Spannungserfassungs-Leiterbahnen (auch als Anschlusskontaktleiterbahn bezeichnet) 607, die zu den Anschlusskontakten führen, die in dem Verbinderkopfstück 660 enthalten sind, und den Sicherungen 630, die sich zwischen den beiden befinden, zu erreichen. Wie an anderer Stelle in dieser Offenbarung erwähnt wurde, bilden die vorstehenden Komponenten die Spannungserfassungsschaltung 105, die wie eine Schnittstelle zu externen elektrischen Überwachungs- oder Steuerungsgeräten wirkt (wie unter anderem etwa das vorstehend erwähnte Temperaturmessmodul 335 oder das Spannungs- und Temperatur-Teilmodul 340). Die ICB 650 liegt in der Form einer modularen Anordnung vor, die wiederum installiert wird, um in den entsprechenden Rand des Stapels 30 von 6 einzugreifen. Anders als die Ausführungsformen, die in 3A bis 5B dargestellt sind (wo die Integration über ein separates Modul oder Gehäuse 202 stattfindet, das in den ICB-ähnlichen Rahmen 240 eingeschnappt oder auf andere Weise damit verbunden werden kann) erfolgt die Integration von zumindest der Stromschiene 651 (sowie eine mögliche Integration von Abschnitten der Spannungserfassungsschaltung 605, die nachstehend in Verbindung mit 8 erörtert wird) durch eine Form der einheitlichen Konstruktion (etwa durch Umspritzen der ICB 650). Eine derartige Konstruktion reduziert die Teilezahl und macht außerdem die Spannungserfassungsschaltung 605 widerstandsfähiger für die anschließende Komponentenherstellung und Montage, und sie stellt außerdem eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen eine vibrationsinduzierte Belastung bereit. Dieser Vorteil sticht besonders gegenüber dem Ansatz mit flexibler Schaltung des Standes der Technik insofern hervor, als weniger Verbindungsstellen benötigt werden. Auf ähnliche Weise ist die Verwendung einer Kupplung in der Form des Verbindungskopfstücks 660, das wie eine Verbindungsbox für eine elektrische Überwachungsschaltung in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wirkt, robuster als der Ansatz mit Einschnappen, der bei dem Entwurf mit flexibler Schaltung verwendet wird.
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Speziell mit Bezug auf 8 besteht die Spannungserfassungsschaltung 605 mindestens aus der Schaltungsschutzsicherung 630 und einer elektrisch leitenden Leitung in der Form eines allgemein zylindrisch geformten axialen Drahts 635, der an die Anschlusskontaktleiterbahn 607 angepasst werden kann, welche als Kontaktpunkt für die Sicherung 630 mit einem Anschlusskontakt dient, der in dem Kopfstück 660 enthalten ist, welche alle in die ICB 650 passen. Indem zumindest einige dieser elektrisch leitenden Stücke in ein singuläres Ganzes innerhalb der ICB 650 integriert werden, kann eine größere Robustheit aller montierten Komponenten realisiert werden. Dies ist speziell wertvoll als Beitrag dafür, dass die Sicherung 630 und ihre Drähte 635 eine viel gröbere Montage und eine anschließende Handhabung und Behandlung in Verwendung aushalten, als wenn die Sicherung 630 und ähnliche Komponenten einzeln montiert würden. In einer bevorzugten Form werden die Drähte 635 von der Sicherung 630 mit den Leiterbahnen oder der Anschlusskontaktleiterbahn 607 verschweißt oder auf andere Weise permanent zusammengefügt. Eine Öffnung oder eine ähnliche Ausnehmung 655, die in dem Abschnitt der ICB 650 ausgebildet ist, der die Umspritzung bildet, stellt einen leichten Zugang eines Montagewerkzeugs sicher, während eine Tasche 637 einen sicheren Platzierungsort und ein anschließendes Anpassen zwischen der Sicherung 630 und der ICB 650 bereitstellt. In einer bevorzugten Form gibt es eine Schaltung 605 für jede Zelle 305 in einem größeren Batteriestapel 30, so dass die Schaltung 605 das Mittel bereitstellt, um zu messen, wann eine Spannungsschwankung in jeder individuellen Zelle 305 auftritt.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, ist eine Technik zum Zusammenfügen der Sicherungen 630 mit Spannungserfassungsleiterbahnen oder Anschlusskontakten 607 (oder anderen elektrisch leitenden Leitungen), die in der ICB 650 ausgebildet sind, das Zinnfusionsverfahren. In diesem Verfahren (was von einem der gegenwärtigen Erfinder unter der US-Patentanmeldung 14/461,583 mit dem Titel TIN FUSION JOINING FOR ROBUST INTEGRATION OF ELECTRICAL COMPONENTS WITH AXIAL LEADS entwickelt wurde, welche dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört und welche durch Bezugnahme vollständig hier mit aufgenommen ist) kann die Sicherung 630 an der ICB 650 befestigt werden und dann einem spezialisierten Schweißprozess unterzogen werden, als ein Weg zum Verringern von Belastungen und einer zugehörigen Ermüdung oder von Verbindungsstellenausfällen aufgrund von Brüchen.
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Neben dem Zinnfusionsverfahren, das vorstehend erwähnt wurde, können als Alternative andere Prozesse verwendet werden, etwa das herkömmliche Schweißen, Löten oder ähnliche Ansätze zum elektrischen Fügen. Zum Beispiel kann ein Widerstandspunktschweißgerät verwendet werden, um die Zinnbeschichtung auf die zusammenpassenden Drähte 635 oder Anschlusskontaktleiterbahnen 607 zu schmelzen. Außerdem kann durch Bilden von Biegungen (die gegenwärtig bei 90° gezeigt sind, obwohl der Fachmann feststellt, dass auch andere Winkel verwendet werden können) in den Drähten 635 ein Zuwachs der mechanischen Entlastung in Ansprechen auf Probleme der thermischen Expansion und Kontraktion verbessert werden. Zudem werden dadurch, dass die Sicherung 630 frei bleibt (d. h. nicht umspritzt wird), Probleme der thermischen Expansion und Kontraktion weiter vermieden. Auf ähnliche Weise fördern die übertriebenen Größen der Öffnungen 655, die in der Umspritzung der ICB 650 ausgebildet sind, das leichte Einführen der Spitze oder Elektrode des Widerstandsschweißgeräts (keines von diesen ist gezeigt).
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Es wird angemerkt, dass Begriffe wie ”vorzugsweise”, ”für gewöhnlich” und ”typisch” hier nicht verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung zu begrenzen oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder auch nur wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Stattdessen sollen diese Begriffe nur alternative oder zusätzliche Merkmale betonen, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder auch nicht. Auf ähnliche Weise wird angemerkt, dass für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung der Begriff ”wesentlich” hier verwendet wird, um den inhärenten Grad an Ungewissheit darzustellen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder einer anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Begriff wird hier auch verwendet, um den Grad zu repräsentieren, um welchen eine quantitative Darstellung von einem angegebenen Bezugswert variieren kann, ohne dass dies zu einer Veränderung in der Grundfunktion des fraglichen Gegenstands führt.
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Für die Zwecke des Beschreibens und Definierens der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass die Begriffe ”Batterie”, ”Batteriestapel” oder dergleichen hier verwendet werden, um eine Kombination aus einzelnen Batteriezellen zu repräsentieren, die verwendet wird, um einen elektrischen Strom bereitzustellen, vorzugsweise für Fahrzeugs-, Vortriebs- oder ähnliche Zwecke. Ferner sollen Variationen der Begriffe ”Automobil”, ”Automotive”, ”Fahrzeug” und dergleichen generisch aufgefasst werden, sofern der Kontext es nicht anders vorgibt. Folglich wird eine Bezugnahme auf ein Automobil so verstanden, dass sie Autos, Lastwägen, Busse, Motorräder und andere ähnliche Transportmittel umfasst, sofern es nicht im Kontext spezieller angegeben ist.
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Nachdem die Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, ist festzustellen, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Insbesondere wird in Betracht gezogen, dass, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung begrenzt ist.
