-
Die Erfindung betrifft eine Kontaktfeder zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einer Batteriezelle und einem Parallelblech in einem Batteriemodul, aufweisend einen kronenförmigen Grundkörper mit einem oberen Kronenring zum Kontaktieren des Parallelblechs, einem unteren Kronenring zum Kontaktieren einer Batteriezelle, und Federarme, die in Umfangsrichtung des oberen Kronenrings an diesem ausgestaltet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, einem Parallelblech für eine elektrische Parallelverbindung der Batteriezellen miteinander sowie mehreren Kontaktfedern.
-
Stand der Technik
-
Gattungsgemäße Kontaktfedern sowie ein zugehöriges Batteriemodul sind aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2015 005 529 A1 bekannt. Dort wird ein Batteriemodul beschrieben, das eine Mehrzahl von Batteriezellen mit je einem Minuspol und je einem an einer gegenüberliegenden Seite des Minuspols angeordneten Pluspol aufweist. In dem Batteriemodul sind ferner eine Grundplatte und ein Parallelblech angegeben, wobei die Grundplatte eine Mehrzahl von Aufnahmebereichen aufweist, die jeweils zur Aufnahme einer Batteriezelle vorgesehen sind. Je eine Batteriezelle ist mit ihrem Minuspol in je einem Aufnahmebereich der Grundplatte angeordnet. An einer von der Grundplatte abgewandten Seite der Mehrzahl der Batteriezellen ist das Parallelblech, das zur Kontaktierung der Batteriezellen am Pluspol vorgesehen ist, auf den Batteriezellen angeordnet.
-
Zum Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen Parallelblech und den jeweiligen Batteriezellen sind Kontaktfedern bereitgestellt, die einen Kronenring mit Federarmen aufweisen, der in Richtung der Batteriezellen in einem tellerförmigen Kontaktbereich endet. Tritt nun ein interner Kurzschluss im Batteriemodul auf, bleibt die Batteriezelle, an oder in welcher der Kurzschluss stattgefunden hat, stets im seriellen Zellenverbund. Durch das Parallelblech kann es nun zu Spannungsverschiebungen kommen, welche die Batteriezellen und somit das Batteriemodul beschädigen oder zerstören können.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Um der voranstehend beschriebenen Problematik Rechnung zu tragen, werden eine Kontaktfeder nach Anspruch 1 sowie ein Batteriemodul nach Anspruch 10 bereitgestellt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Unteransprüchen und den Figuren. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Kontaktfeder beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kontaktfeder, insbesondere in Form einer federnden Kontaktkrone, zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einer Batteriezelle und einem Parallelblech in einem Batteriemodul bereitgestellt. Die Kontaktfeder weist einen kronenförmigen Grundkörper mit einem oberen Kronenring zum Kontaktieren des Parallelblechs, einem unteren Kronenring zum Kontaktieren einer Batteriezelle und Federarme bzw. Kronenzacken, die in Umfangsrichtung des oberen Kronenrings an diesem, also am oberen Kronenring, ausgestaltet sind, auf. Erfindungsgemäß sind der obere Kronenring und der untere Kronenring miteinander durch wenigstens einen Schmelzsteg für die elektrische Verbindung zwischen der Batteriezelle und dem Parallelblech verbunden, wobei der wenigstens eine Schmelzsteg zum Schmelzen und dadurch zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring bei Überschreiten einer vordefinierten Spannung und/oder einem vordefinierten Strom an dem wenigstens einen Schmelzsteg ausgestaltet ist.
-
Tritt nun ein interner Kurzschluss an einer Batteriezelle und/oder zwischen einer Batteriezelle und dem Parallelblech auf, schmilzt der wenigstens eine Schmelzsteg nach dem Prinzip einer Schmelzsicherung und die elektrische Verbindung in einem Betriebszustand des Batteriemoduls zwischen dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring und somit auch zwischen dem Parallelblech und der zugehörigen Batteriezelle wird getrennt. Entsprechend wird der serielle Zellenverbund der niederohmigen Batteriezelle unterbrochen und die anderen parallelgeschalteten Zellen bleiben vom Kurzschluss unberührt.
-
Dadurch können mit Hilfe des wenigstens einen Schmelzstegs eine Fehlfunktion sowie eine Beschädigung des Batteriesystems im Kurzschlussfall bzw. im Überspannungsfall auf einfache und kostengünstige Weise verhindert werden.
-
Unter dem wenigstens einen Schmelzsteg kann ein Schmelzsteg als Schmelzsicherung verstanden werden. Der wenigstens eine Schmelzsteg ist vorzugsweise in Form eines Verjüngungsstegs oder eines Verjüngungsabschnitts zwischen dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring ausgestaltet. Der wenigstens eine Schmelzsteg kann mithin zumindest abschnittsweise eine konkave Form aufweisen.
-
Der obere Kronenring ist vorzugsweise in einer anderen Ebene als der untere Kronenring positioniert. Insbesondere befinden sich der obere Kronenring und der untere Kronenring zumindest mit deren Hauptbestandteilen in unterschiedlichen Ebenen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante sind die obere Ebene, in welcher sich der obere Kronenring oder zumindest ein Hauptbestandteil des oberen Kronenrings befindet, und die untere Ebene, in welcher sich der untere Kronenring oder zumindest ein Hauptbestandteil des unteren Kronenrings befindet, parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Demnach erstreckt sich der Schmelzsteg vorzugsweise aus einer Ebene vom oberen Kronenring in eine andere Ebene zum unteren Kronenring.
-
Der obere Kronenring kann einen Laschenabschnitt oder einen gebördelten Rand aufweisen, der entlang eines Innenumfangs des oberen Kronenrings in Richtung des unteren Kronenrings geformt ist. Der untere Kronenring kann einen Laschenabschnitt oder einen gebördelten Rand aufweisen, der entlang eines Außenumfangs des unteren Kronenrings in Richtung des oberen Kronenrings geformt ist. Der Schmelzsteg kann demnach zwischen dem oberen Laschenabschnitt des oberen Kronenrings und dem unteren Laschenabschnitt des unteren Kronenrings ausgestaltet sein. Der Innendurchmesser des oberen Kronenrings kann dafür gleich oder zumindest im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des unteren Kronenrings sein.
-
Der obere Laschenabschnitt und der untere Laschenabschnitt sind vorzugsweise derart gebogen bzw. geformt, dass der Schmelzsteg in einer Richtung vom oberen Laschenabschnitt zum unteren Laschenabschnitt gerade oder im Wesentlichen gerade verläuft bzw. eine entsprechend wellen- oder winkelfreie Form aufweist. Mithin ist der Schmelzsteg besonders einfach ausgestaltet, schafft in einem normalen Betriebszustand eine sichere Verbindung zwischen dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring und gewährleistet trotzdem eine zuverlässige Trennung der elektrischen Verbindung durch Schmelzen in einem Kurzschluss- bzw. Überspannungsfall.
-
Der Grundkörper mit dem oberen Kronenring, dem unteren Kronenring, dem wenigstens einen Schmelzsteg und den Federarmen ist vorzugsweise als monolithisches bzw. einstückiges Bauteil ausgestaltet.
-
Der wenigstens eine Schmelzsteg zwischen dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring bzw. die daraus resultierenden Lücken zwischen dem wenigstens einen Schmelzsteg, dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring können im Stanz- oder Umformprozess sowie durch Materialabtrag, beispielsweise durch Laserschneiden, hergestellt werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der obere Kronenring und der untere Kronenring miteinander durch mehrere Schmelzstege für die elektrische Verbindung zwischen der Batteriezelle und dem Parallelblech verbunden sind. Dadurch kann in einem normalen Betriebszustand eine stabile mechanische Verbindung zwischen dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring gewährleistet werden. Im Falle eines Kurzschlusses bzw. einer Überspannung zwischen Batteriezelle und Parallelblech können die Schmelzstege, die insbesondere jeweils die gleiche Länge, Breite und/oder Höhe aufweisen, trotzdem zuverlässig schmelzen und entsprechend sicher die elektrische Verbindung zwischen Batteriezelle und Parallelblech trennen. Mit mehreren Schmelzstegen können zudem ein besonders gleichmäßiger Halt und eine entsprechend gleichmäßige Belastung an der Kontaktfeder erreicht werden. Dadurch ist die Kontaktfeder auch in einem mobilen Einsatz besonders sicher vor Beschädigungen, wodurch die gewünschte elektrische Verbindung zwischen Batteriezelle und Parallelblech in einem Normalzustand jeweils zuverlässig gewahrt werden kann.
-
Ferner ist es möglich, dass die Schmelzstege mit einem Winkel in einem Bereich zwischen 80° und 150° in Umfangsrichtung des Grundkörpers voneinander beabstandet sind. Bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass die Abstände zwischen den Schmelzstegen nicht zu nahe aber auch nicht zu weit entfernt voneinander sein dürfen, um möglichst wenig Material für die Schmelzstege zu benötigen, einen sicheren Halt des unteren Kronenrings am oberen Kronenring zu gewährleisten und trotzdem den gewünschten Schmelzsicherungseffekt realisieren zu können. Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von drei oder vier Schmelzstegen herausgestellt, die jeweils gleichmäßig in einem Abstand von 120° bzw. 90° voneinander in Umfangsrichtung der Kronenringe an bzw. zwischen diesen ausgestaltet sind. Durch die gleichmäßige und ggf. symmetrische Anordnung der Schmelzstege zwischen dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring können die Batteriezellen im Batteriemodul gleichmäßig druckbeaufschlagt werden. Dies führt zu einem stabilen Betrieb des Batteriemoduls.
-
Darüber hinaus ist es bei einer Kontaktfeder gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass der untere Kronenring tellerförmig mit einem Tellerrand ausgestaltet ist und der wenigstens eine Schmelzsteg am Tellerrand ausgestaltet ist. Unter dem Tellerrand kann der vorstehend beschriebene gebördelte Randbereich des unteren Kronenrings verstanden werden. Durch den Tellerrand kann der wenigstens eine Schmelzsteg stabil in einer Richtung zum oberen Kronenring gehalten werden, ohne dass der Schmelzsteg selbst einen Knick oder eine entsprechende Verformung aufweisen müsste. Der Tellerrand schafft demnach auf einfache Weise eine stabile Basis für den wenigstens einen Schmelzsteg für einen sicheren Halt zwischen dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring. Der Tellerrand weist vorzugsweise eine Krümmung in einem Bereich zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 20° und 80°, auf.
-
Bei einer erfindungsgemäßen Kontaktfeder kann es ferner von Vorteil sein, dass der wenigstens eine Schmelzsteg in einer Richtung vom oberen Kronenring zum unteren Kronenring eine Breite in einem Bereich zwischen 1 mm und 0,2 mm aufweist. Diese Maße haben sich bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschend als ausreichend herausgestellt, um eine stabile Verbindung zwischen dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring während eines Normalbetriebs des Batteriemoduls gewährleisten zu können. Mehr Material könnte zu einem zu späten Schmelzen der Schmelzstege führen, weniger Material zu einer mangelhaften mechanischen Verbindung zwischen den Kronenringen. Besonders vorteilhaft hat sich eine Breite in einem Bereich zwischen 0,8 mm und 0,4 mm herausgestellt.
-
Weiterhin ist es möglich, dass bei einer Kontaktfeder gemäß der vorliegenden Erfindung der obere Kronenring koaxial zum unteren Kronenring angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Druckbeaufschlagung zwischen Parallelblech und der jeweiligen Batteriezelle besonders gleichmäßig gestalten, wodurch sich ein entsprechend gleichmäßiger Kontakt zwischen dem Parallelblech und der jeweiligen Batteriezelle herstellen lässt.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es bei einer Kontaktfeder möglich, dass der Außenumfang des oberen Kronenrings einen größeren Durchmesser als der Außenumfang des unteren Kronenrings aufweist. Durch die Verjüngung der Kontaktfeder vom oberen Kronenring in Richtung des unteren Kronenrings lassen sich Material und damit auch Kosten und Gewicht bei der Herstellung der Kontaktfeder sparen. Zur Kontaktierung der Batteriezelle reicht ein unterer Kronenring mit einem relativ kleinen Durchmesser aus. Der größere Durchmesser des oberen Kronenrings bietet Vorteile hinsichtlich einer Befestigung der Kontaktfeder an einem Schweißstempel, an welchem mehrere Kontaktfedern befestigt werden können, bevor sie mit dem Parallelblech und den einzelnen Batteriezellen verbunden werden.
-
Hierzu können bei einer erfindungsgemäßen Kontaktfeder die Federarme L-förmig am oberen Kronenring ausgestaltet sein. Dadurch lässt sich die Kontaktfeder besonders leicht an den Schweißstempel klipsen. Die Federarme springen vorzugsweise monolithisch bzw. einstückig aus dem oberen Kronenring bzw. aus dem Grundkörper hervor. Von Vorteil kann es sein, wenn die Federarme L-förmig am oberen Kronenring ausgestaltet sind, wobei der innere Winkel der L-förmigen Federarme kleiner als 90° ist. Damit lässt sich die Clipsverbindung der Kontaktfeder mit dem Schweißstempel besonders einfach und zuverlässig herstellen.
-
Bei einer erfindungsgemäßen Kontaktfeder ist es außerdem möglich, dass der Schmelzsteg aus einem metallischen, insbesondere elektrisch leitenden, und elastisch rückverformbaren Werkstoff besteht. So kann der Schmelzsteck beispielsweise Federstahl aufweisen oder aus Federstahl bestehen. Damit können die geforderte Elastizität, Stabilität zwischen dem oberen Kronenring und dem unteren Kronenring sowie die erforderliche Schmelzbarkeit im Überspannungsfall erreicht werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, einem Parallelblech für eine elektrische Parallelverbindung der Batteriezellen miteinander, und mehreren Kontaktfedern, die jeweils wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sind, zur Verfügung gestellt. Erfindungsgemäß stehen die Kontaktfeder für die elektrische Parallelverbindung der Batteriezellen jeweils mit dem Parallelblech und einer Batteriezelle in Kontakt. Damit bringt das erfindungsgemäße Batteriemodul die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kontaktfeder beschrieben worden sind.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
-
Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Kontaktfeder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 die in 1 dargestellte Kontaktfeder in einer Draufsicht, und
- 3 ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen sowie mehreren erfindungsgemäßen Kontaktfedern gemäß 1 und 2.
-
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Kontaktfeder 1 in Form einer federnden Kontaktkrone zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einer Batteriezelle und einem Parallelblech 3 in einem Batteriemodul 4 dargestellt.
-
Die Kontaktfeder 1 weist einen kronenförmigen Grundkörper 5 mit einem oberen Kronenring 6 zum Kontaktieren des Parallelblechs 3, einem unteren Kronenring 7 zum Kontaktieren einer Batteriezelle, und Federarmen 8 in Form von Kronenzacken, die in Umfangsrichtung des oberen Kronenrings 7 am oberen Kronenring 7 ausgestaltet sind, auf.
-
Der obere Kronenring 6 und der untere Kronenring 7 sind miteinander durch drei Schmelzstege 2 für die elektrische Verbindung zwischen der Batteriezelle und dem Parallelblech 3 verbunden, wobei die Schmelzstege 2 zum Schmelzen und dadurch zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem oberen Kronenring 6 und dem unteren Kronenring 7 bei Überschreiten einer vordefinierten Spannung und/oder einem vordefinierten Strom an dem wenigstens einen Schmelzsteg 2 ausgestaltet sind.
-
Die drei Schmelzstege 2 sind mit einem Winkel von 120° in Umfangsrichtung des Grundkörpers 5 voneinander beabstandet. Der untere Kronenring 7 ist tellerförmig mit einem Tellerrand 9 ausgestaltet, wobei die Schmelzstege 2 jeweils am Tellerrand 9 ausgestaltet sind. Der Tellerrand 9 ist in Form eines gebördelten Randbereichs am unteren Kronenring 7 ausgestaltet. Ein solcher Randbereich ist ebenfalls am oberen Kronenring 6 ausgestaltet, genauer gesagt an einem inneren Randbereich des oberen Kronenrings 6.
-
Der wenigstens eine Schmelzsteg 2 weist in einer Richtung vom oberen Kronenring 6 zum unteren Kronenring 7 an seiner schmälsten Stelle eine Breite von ca. 0,5 mm auf.
-
Ferner kann in 1 erkannt werden, dass der Außenumfang des oberen Kronenrings 6 einen größeren Durchmesser als der Außenumfang des unteren Kronenrings 7 aufweist. Genauer gesagt entspricht der Durchmesser des Außenumfangs des unteren Kronenrings 7 in etwa dem Durchmesser des Innenumfangs des oberen Kronenrings 6.
-
Darüber hinaus ist gezeigt, dass die Federarme 8 L-förmig am oberen Kronenring 6 ausgestaltet sind, wobei der innere Winkel der L-förmigen Federarme 8 jeweils etwas kleiner als 90° ist. Die Kontaktfeder besteht aus einem metallischen, sowohl elektrisch leitenden als auch elastisch rückverformbaren Werkstoff. Durch die Federwirkung der Kontaktfeder wird in radialer Richtung die Kontaktierung an der Batteriezelle hergestellt.
-
In 2 ist die in 1 dargestellte Kontaktfeder 1 in einer Draufsicht dargestellt. In der Draufsicht kann erkannt werden, dass der obere Kronenring 6 koaxial zum unteren Kronenring 7 angeordnet ist. Ferner kann erkannt werden, dass der Durchmesser des Außenumfangs des unteren Kronenrings 7 in etwa dem Durchmesser des Innenumfangs des oberen Kronenrings 6 entspricht bzw. etwas kleiner ist, vorliegend um weniger als 5 mm.
-
3 zeigt ein Batteriemodul 4 mit mehreren Batteriezellen, die in einem Kühlkörper verdeckt angeordnet sind. Das Batteriemodul 4 weist ferner ein Parallelblech 3 für eine elektrische Parallelverbindung der Batteriezellen miteinander sowie mehrere mit Bezug auf 1 und 2 beschriebene Kontaktfedern 1 auf. Die Kontaktfedern 1 stehen für die elektrische Parallelverbindung der Batteriezellen jeweils mit dem Parallelblech 6 und einer Batteriezelle in Kontakt.
-
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die zu den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015005529 A1 [0002]
