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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung von Batteriemodulen, ein System, ein Fahrzeug sowie die Verwendung eines Verbindungselements mit Langloch in einer solchen Vorrichtung.
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Hintergrund
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Modulverbinder sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Modulverbinder werden beispielsweise eingesetzt, um Batteriemodule miteinander zu verbinden. Die miteinander verbundenen Batteriemodule bilden eine Batterie bzw. einen Energiespeicher. Die Batteriemodule, auch Zellmodule genannt, umfassen dabei beispielsweise je zwölf 60 Ah Zellen. Die Batteriemodule werden beispielsweise in einer Gehäusewanne eines Elektrofahrzeugs angeordnet. Die Batteriemodule dienen als Energiespeicher des Elektrofahrzeugs.
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Die Funktionsfähigkeit und Lebensdauer eines Antriebstrangs des Elektrofahrzeugs hängt wesentlich von dem Energiespeicher ab und im besonderen Maße von der Anordnung und Verbindung der einzelnen Batteriemodule.
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In diesem Zusammenhang hat sich nun herausgestellt, dass ein Bedarf besteht, einen solchen Modulverbinder weiter zu verbessern, insbesondere besteht ein weiterer Bedarf einen kostengünstigen, robusten und flexiblen Modulverbinder bereitzustellen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Modulverbinder bereitzustellen, insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen möglichst kostengünstigen, robusten und flexiblen Modulverbinder bereitzustellen.
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Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung von Batteriemodulen umfasst: zumindest ein erstes Verbindungselement mit einer ersten Schnittstelle und einer zweiten Schnittstelle; wobei die erste Schnittstelle eingerichtet ist, um mit einem ersten Batteriemodul mechanisch und elektrisch verbunden zu werden; wobei die zweite Schnittstelle eingerichtet ist, um mit einem zweiten Batteriemodul mechanisch und elektrisch verbunden zu werden; und wobei zumindest die erste Schnittstelle eingerichtet ist, um einen geometrischen Toleranzausgleich bei der Montage bereitzustellen.
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Die elektrische und mechanische Verbindung meint vorliegend eine leitende Verbindung eines Pols (beispielsweise ein Pluspol) eines ersten Batteriemoduls mit einem Pol (beispielsweise ein korrespondierender Minuspol) eines zweiten Batteriemoduls zur Übertragung von Strom. Durch die elektrische Verbindung können mehrere Batteriemodule miteinander verbunden bzw. verschaltet werden und so auf diese Weise eine Kapazität eines Energiespeichers, der die jeweiligen Batteriemodule umfasst, erhöht werden. Die mechanische Verbindung meint vorliegend, dass die elektrische Verbindung über ein oder mehrere mechanische Elemente realisiert wird, beispielsweise Stromschienen. Der Begriff Verbindungselement ist vorliegend breit zu verstehen und umfasst alle mechanischen Elemente, die eingerichtet sind, um ein zwei Elemente miteinander zu verbinden. Das Verbindungselement kann dabei unterschiedliche Geometrien aufweisen. Beispielsweise kann Verbindungselement eine stabförmige Geometrie, eine bogenförmige Geometrie, eine dreiecksförmige Geometrie oder eine trapezförmige Geometrie aufweisen. Das Verbindungelement kann beispielsweise einen zylindrischen, quadratischen, ovalen Querschnitt aufweisen. Das Verbindungselement kann einen konstanten oder variablen Querschnitt (bzw. Materialstärke) aufweisen. Das Verbindungselement dient als Übertragungsmittel für Strom. Das Verbindungselement kann dabei aus beliebigen leitenden Materialien bestehen. Beispielsweise besteht das Verbindungselement aus Kupfer oder Aluminium. Der Begriff Batteriemodul meint vorliegend eine Energiespeichereinheit, die eingerichtet ist, um mit einer weiteren Energiespeichereinheit verschaltet zu werden. Vorzugsweise meint der Begriff Batteriemodul eine Energiespeichereinheit, die mehrere Pouch Zellen umfasst. Der Begriff Schnittstelle ist vorliegend breit zu verstehen und umfasst Bereiche eines ersten Elements, die eingerichtet sind, um mit einem Bereich eines weiteren Elements eine Verbindung einzugehen. Der Begriff geometrischer Toleranzausgleich ist vorliegend breit zu verstehen. Der geometrische Toleranzausgleich umfasst dabei eine, zwei, und/oder drei Raumrichtungen. Der Begriff Montage ist vorliegend breit zu verstehen und meint den Zusammenbau bzw. die Montage der einzelnen Batteriemodule im Energiespeicher. Ferner meint der Begriff dabei das Anbringen und Befestigen der Vorrichtung an einem ersten und einem zweiten Batteriemodul. Die Montage umfasst dabei auch das Zusammensetzen weiterer zur Vorrichtung gehörender Elemente (beispielsweise Schrauben, Einhausung etc.).
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Batteriemodule durch die Fertigung eine Fertigungstoleranz aufweisen und infolgedessen eine Toleranz für den Einbau bzw. Zusammenbau zum Energiespeicher einen Toleranzausgleich benötigen. Ferner kommt es im Fahrbetrieb eines Elektrofahrzeugs zu Temperaturänderungen der Modulverbinder durch die Änderung der Umgebungstemperatur und durch Stromverluste in Form von abgegebener Wärme. Die Temperaturänderungen resultieren in thermischen Ausdehnungen. Ferner kommt es beim Laden und Entladen zu Volumenänderungen des Batteriemoduls. Zum Ausgleich der Fertigungstoleranzen bei Montage und zum Ausgleich der Lasten durch Temperatur, Betrieb, Be- und Entladezyklus im Betrieb weisen herkömmliche Vorrichtungen zum Verbinden von Batteriemodulen Verbindungselemente auf, die aus mehreren Teilen bestehen und flexible Bereiche aufweisen. Die flexiblen Bereiche werden durch Drahtgeflechte bzw. Litzen, die an die Schnittstellen eingeschweißt sind, realisiert. Dies erfordert einen erhöhten Kostenaufwand aufgrund des Schweißvorgangs, der erhöhten Teileanzahl, einer Reduktion auf schweißbare Werkstoffe (d.h. Aluminium ist ausgeschlossen). Die vorliegende Erfindung löst die Problematik des Toleranzausgleichs durch die Bereitstellung einer Schnittstelle, die es ermöglicht Fertigungstoleranzen auszugleichen. Die Schnittstelle kann dabei beispielsweise ein Langloch sein, das in Kombination mit einer Durchgangsbohrung als zweiter Schnittstelle einen Toleranzausgleich in zwei Richtungen ermöglicht. Die vorliegende Erfindung kann dabei auf Schweißen, Drahtgeflechte bzw. Litzen, Kombination Drahtgeflecht/Kompaktteil zum Toleranzausgleich verzichten.
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Vorzugsweise ist das zumindest erste Verbindungselement einteilig ausgeführt und weist keine Fügestellen auf. Die einteilige Ausführung des Verbindungselements zeichnet sich durch eine Reduktion der Teileanzahl gegenüber herkömmlichen Modulverbindern aus. Der Verzicht auf Fügestellen in der einteiligen Ausführung wird durch Übernahme des Bereitstellens eines Toleranzausgleichs durch die Schnittstelle ermöglicht. Die Fügestellen, die bei konventionellen Modulverbindern kompakte Bereiche (d.h. steife Bereiche, die Schnittstellen) mit weichen Bereichen (d.h. Drahtgeflechte, Litzenbereiche) verbinden, sind vorliegend nicht notwendig. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung. Die einteilige Ausführung des Verbindungselements umfasst beispielsweise ein Kupferflachzeug mit zwei Schnittstellen oder ein Aluflachzeug mit zwei Schnittstellen.
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Vorzugsweise ist die zumindest erste Schnittstelle ein Langloch und die zumindest zweite Schnittstelle ein Durchgangsloch. Beispielsweise kann über eine Schraubverbindung das Verbindungselement über das Langloch mit einem ersten Batteriemodul verbunden werden. Beispielweise kann über eine weitere Schraubverbindung das Verbindungselement über das Durchgangsloch mit einem zweiten Batteriemodul verbunden werden. Mit Hilfe des Durchgangslochs und des Langlochs kann ein Toleranzausgleich bei der Montage vorteilhafterweise ermöglicht werden bei gleichzeitig steifer Ausführung des Verbindungselements. Das Verbindungselement ist vorzugsweise steif ausgeführt. Steif bedeutet in diesem Zusammenhang das keine unterschiedlichen Elemente (Drahtgeflechte etc.) eingeschweißt sind und sich die Materialstärke des Verbindungselements nicht wesentliche über die Ausdehnung ändert und etwaige Verformungen über eine geometrische Ausführung (z.B. Bogenform) realisiert werden. Die möglichen Fertigungs- und Montagetoleranzen umfassen bevorzugt 3mm und besonders bevorzugt 4mm.
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Vorzugsweise weist das Verbindungselement weiter zumindest einen Verformungsbereich auf, der eingerichtet ist, um thermische Lasten und/oder mechanische Lasten nach einer Montage durch eine Verformung des Verformungsbereichs auszugleichen. Es sei an dieser darauf hingewiesen, dass der Verformungsbereich nicht durch eine Materialschwächung im Sinne einer Reduktion des Querschnitts Verbindungselements realisiert wird sondern durch die geometrische Gestalt des Verbindungselements. Beispielweise umfasst der Verformungsbereich einen Bogen, oder ein Dreieck. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten aus, da ein geringer Fertigungsaufwand für beispielsweise das Biegen vorliegt als zusätzliche Schwächung durch beispielsweise Laserschneiden. Der Verformungsbereich kann dabei in vorteilhafter Weise einen Toleranzausgleich in einer dritten Raumrichtung ermöglichen. Ferner kann der Verformungsbereich im montierten Zustand, d.h. wenn das Verbindungselement fest mit dem ersten Batteriemodul und dem zweiten Batteriemodul beispielsweise verschraubt ist und somit im Wesentlichen steif verbunden ist, thermische Lasten und mechanische Lasten durch eine vorzugsweise elastische Verformung aufnehmen. Dies kann vorteilhafterweise eine Beschädigung der Schnittstellen an den Batteriemodulen verhindern.
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Vorzugsweise weist der zumindest eine Verformungsbereich annähernd eine Dreiecksbogenform auf. Die Dreiecksform ermöglicht vorteilhafterweise eine Stapelung der Verbindungselemente übereinander. Dies kann die Flexibilität einer parallelen Anordnung von mehreren Verbindungselementen übereinander ermöglichen, um beispielweise gezielt die Nachgiebigkeit einzustellen oder den Querschnitt zur Anpassung des leitbaren Stroms.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zwei oder mehr Verbindungselemente umfasst, wobei die Verbindungselemente vorzugsweise übereinander angeordnet sind. Insbesondere können die zwei oder mehr Verbindungselemente identisch ausgeführt sein. Anstelle eines Verbindungselements mit einem starken Querschnitt können zwei oder mehr identische Verbindungselemente mit einem schwächeren Querschnitt übereinander angeordnet werden. Dadurch wird vorteilhafterweise eine höhere Nachgiebigkeit und eine größere Aufnahme von Lasten bzw. ein erhöhter Toleranzausgleich ermöglicht.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiter eine erste Schraube zur Verbindung der ersten Schnittstelle mit dem ersten Batteriemodul und eine zweite Schraube zur Verbindung der zweiten Schnittstelle mit dem zweiten Batteriemodul. Durch die Schraubverbindung lässt sich die Vorrichtung unter geringem Zeitaufwand und reproduzierbar montieren. Vorteilhafterweise lässt sich die ganze Vorrichtung bis zur finalen Verschraubung leicht ausrichten, sodass eine vereinfachte Montage realisierbar ist.
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Vorzugsweise weisen die erste und zweite Schraube jeweils eine Vorrasteinrichtung zur Montage auf. Durch die Vorrasteinrichtung der Schrauben wird eine vereinfachte Montage der Vorrichtung ermöglicht.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiter eine erste Montagehülse, die eingerichtet ist, einen Abstand zwischen der ersten Schnittstelle und dem ersten Batteriemodul einzustellen; eine zweite Montagehülse, die eingerichtet ist, einen Abstand zwischen der zweiten Schnittstelle und dem zweiten Batteriemodul einzustellen. Über die Montagehülse wird weiterhin der Strom geleitet. Ferner wird sie erst durch die Verschraubung kraftschlüssig mit dem ersten Batteriemodul und dem Verbindungselement bzw. mit dem zweiten Batteriemodul und dem Verbindungselement verbunden. Die Montagehülse dient ferner vorteilhafterweise der Beabstandung, die für eine Anbringung einer Isolierung bzw. eines Berührschutzes notwendig ist.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiter einen Berührschutz, der eingerichtet ist, um eine Berührung stromführender Bereiche der Vorrichtung von außen zu verhindern, und wobei der Berührschutz aus einem nichtleitenden Material besteht. Der Berührschutz besteht beispielsweise aus Kunststoff.
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Vorzugsweise umfasst der Berührschutz zwei oder mehr Gehäuseteile, die kraft- und oder formschlüssig miteinander verbunden sind. Die mehrteilige Ausführung des Berührschutzes, sowie die Verbindung dieser beispielsweise durch Stecken und Verschrauben durch die oben genannten Schrauben, ermöglicht eine aufwandsarme und reproduzierbare Montage.
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Vorzugsweise ist der Berührschutz derart dimensioniert ist, dass er an dem ersten und/oder dem zweiten Verbindungselement verschiebbar anzuordnen ist, um Montagetoleranzen und/oder thermische und/oder mechanische Lasten durch Verschiebung auszugleichen. Die Dimensionierung des Berührschutzes umfasst ein entsprechendes Montagespiel gegenüber dem ersten und ggfs. weiteren Verbindungselementen.
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Vorzugsweise besteht das Verbindungselement aus Kupfer oder aus Aluminium mit Nickelbeschichtung oder aus Aluminium mit Zinnbeschichtung. Ein Aluminium mit Nickelbeschichtung oder Zinnbeschichtung wird durch das Wegfallen von Schweißvorgängen ermöglicht.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein System, umfassend: zumindest eine oben näher beschriebene Vorrichtung, zumindest ein erstes Batteriemodul und ein zweites Batteriemodul.
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Ein weiter Aspekt betrifft ein Fahrzeug, aufweisend ein oben näher beschriebenes System.
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Ein letzter Aspekt betrifft eine Verwendung eines Verbindungselements mit einem Langloch zum Toleranzausgleich in einer oben näher beschriebenen Vorrichtung.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung der Figuren gegeben. Darin zeigt
- 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden von Batteriemodulen einer ersten bevorzugten Ausführungsform; und
- 2 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden von Batteriemodulen einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 10 zum elektrischen und mechanischen Verbinden von Batteriemodulen. Die Vorrichtung 10 umfasst ein erstes Verbindungselement 11. Das Verbindungselement 11 weist eine erste Schnittstelle 13 und eine zweite Schnittstelle 14 auf. Die erste Schnittstelle 13 ist eingerichtet, um mit dem ersten Batteriemodul mechanischen und elektrisch verbunden zu werden. Die erste Schnittstelle 13 ist vorliegend als Langloch ausgeführt. Die erste Schnittstelle 13 ist eingerichtet, um einen geometrischen Toleranzausgleich bei der Montage bereitzustellen. Durch das Langloch wird eine eindimensionale Verschiebbarkeit zum Toleranzausgleich bereitgestellt. Durch das Durchgangsloch wird weiterhin ein zweiter Drehfreiheitsgrad bereitgestellt, wodurch in Summe eine zweidimensionaler Toleranzausgleich ermöglicht wird. Die zweite Schnittstelle 14 ist vorliegend als Durchgangsbohrung ausgeführt. Die zweite Schnittstelle 14 ist eingerichtet, um mit einem zweiten Batteriemodul mechanisch und elektrisch verbunden zu werden. Das Verbindungselement 11 weist einen Verformungsbereich 17 auf. Der Verformungsbereich 17 ist vorliegend als Dreiecksbogenform ausgeführt. Der Verformungsbereich 17 nimmt sowohl thermische als auch mechanische Lasten während dem Betrieb des Energiespeichers in einem Elektrofahrzeug auf. Ferner stellt der Verformungsbereich 17 einen translatorische Toleranzausgleich in vertikaler Richtung 18 bereit. Der Verformungsbereich 17 dient ferner zur Aufnahme von Lasten in alle drei Raumrichtungen während des Betriebs. Das Verbindungselement 11 besteht vorliegend aus Kupfer und ist einteilig ausgeführt. Das Verbindungselement 11 wurde vorliegend durch Biegen und Stanzen hergestellt. Die Vorrichtung 10 weist vorliegend weiterhin ein zweites Verbindungselement 12 auf. Das zweite Verbindungselement ist über dem ersten Verbindungselement angeordnet und ermöglicht eine gezielte Einstellung der Nachgiebigkeit der Vorrichtung. Das zweite Verbindungselement 12 ist identisch zum ersten Verbindungselement 11. Weiterhin weist die Vorrichtung 10 eine Schraube 15 sowie eine Montagehülse 16 auf.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 20 zum elektrischen und mechanischen Verbinden von Batteriemodulen einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Die Vorrichtung 20 ist vorliegend montiert gezeigt. Die Vorrichtung 20 umfasst vorliegend ein erstes Verbindungselement 21 und ein zweites Verbindungselement 22 sowie eine erste Schraube 23 und eine zweite Schraube 24. Die erste Schraube 23 und die zweite Schraube 24 weisen jeweils eine Vorrasteinrichtung auf. Die Vorrichtung 20 weist weiterhin eine erste Montagehülse 25 und eine zweite Montagehülse 26 auf. Die erste Montagehülse 25 ist eingerichtet, einen Abstand zwischen der ersten Schnittstelle und dem ersten Batteriemodul (nicht dargestellt) einzustellen. Die zweite Montagehülse 26 ist eingerichtet, einen Abstand zwischen der zweiten Schnittstelle und dem zweiten Batteriemodul (nicht dargestellt) einzustellen. Ferner wird über die Montagehülsen 25 und 26 der Strom geleitet. Die Vorrichtung 20 weist vorliegend weiterhin einen Berührschutz auf, der mehrteilig ausgeführt ist und vorliegend aus Kunststoff besteht. Der Berührschutz umfasst die Gehäuseteile 27, 28, 29. Die Gehäuseteile 27, 28, 29 werden bei der Montage über die beiden Verbindungselemente 21 und 22 sowie die Schraube 24 und die Montagehülsen 25 und 26 geschoben und zusammengesteckt. Die Schraube 23 wird im Anschluss eingesetzt, wodurch der Berührschutz, der den Nutzer von dem Berühren Strom führender Teile abhält, vollständig geschlossen ist. Durch ein entsprechendes Spiel der Gehäuseteile 27, 28 und 29 wird eine erleichterte Montage der Vorrichtung 20 ermöglicht. Durch das Anziehen der Schrauben 24 und 25 in korrespondierende Buchsen (nicht dargestellt) auf den ersten und zweiten Batteriemodulen (nicht dargestellt) wird die Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden der Batteriemodule komplett montiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 20
- Vorrichtung
- 11, 12, 21, 22
- Verbindungselement
- 13
- erste Schnittstelle
- 14
- zweite Schnittstelle
- 15,23,24
- Schraube
- 16, 25, 26
- Montagehülse
- 17
- Verformungsbereich
- 27, 28, 29
- Gehäuseteil
