DE102022123879A1

DE102022123879A1 - Elektrisches Traktionsbatterie-Modul

Info

Publication number: DE102022123879A1
Application number: DE102022123879.2A
Authority: DE
Inventors: Dominik Grass; Oliver Steiner; Tim Schmidt; Markus Göhring
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2024-03-21

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Traktionsbatterie-Modul (10) mit einem steifen Modulgehäuse und mindestens zwei zueinander benachbarten und elektrisch miteinander verbundenen Zellenpaketen (20) in dem Modulgehäuse (12), wobei die elektrische Verbindung der beiden Zellenpakete (20) miteinander durch eine Steckanordnung (430), bestehend aus einem einem Zellenpaket (20) zugeordneten Stecker (30) mit einem Steckkontaktkörper (34) und einem einem benachbarten Zellenpaket (20) zugeordneten Gegenstecker (40) mit einem zu dem Steckkontaktkörper (34) komplementären Gegensteckkontaktkörper, (42) gebildet ist,wobei der Steckkontaktkörper (34) eine Steckachse (30`) definiert, undwobei der Steckkontaktkörper (34) in einer Querebene (XZ) zu der Steckachse (30`) beweglich in einer Steckerhalterung (36) geführt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Traktionsbatterie-Modul mit mindestens zwei zueinander benachbarten und elektrisch miteinander verbundenen Zellenpaketen innerhalb des Modulgehäuses.
In einem elektrischen Traktionsbatterie-Modul sind innerhalb eines steifen Modulgehäuses mindestens zwei Zellenpakete enthalten, die elektrisch miteinander verbunden sind. Aus DE 10 2018 130 558 A1 ist eine Anordnung mit einer Vielzahl von Traktionsbatterie-Modulen bekannt. Die Zellenpakete innerhalb eines Traktionsbatterie-Moduls sind elektrisch miteinander verbunden. Die elektrische Kontaktierung der Zellenpakete miteinander kann grundsätzlich vor der Unterbringung der Zellenpakete in einem steifen Modulgehäuse erfolgen. Beispiele für die elektrische Kontaktierung der Zellenpakete eines Traktionsbatterie-Moduls sind bekannt aus DE 10 2005 042 169 B4 , DE 10 2011 081 573 B4 und US 9 472 793 B2 .
Ein eine hohe strukturelle Steifheit aufweisendes Modulgehäuse besteht aus einem vierseitigen Extrusionsprofil, dessen zwei offene Enden mit jeweils einem Deckel verschlossen sind. Bei der Montage des Traktionsbatterie-Moduls werden die Zellenpakete durch die offenen Enden einzeln eingesteckt und müssen innerhalb des Modulgehäuses elektrisch miteinander verbunden werden. Hierzu weisen derartige Modulgehäuse typischerweise im Bereich der elektrischen Verbindungen der Zellenpakete entsprechende Montageöffnungen auf, durch die die strukturelle Festigkeit des Modulgehäuses jedoch geschwächt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein elektrisches Traktionsbatterie-Modul mit einer hohen strukturellen Festigkeit zu schaffen, das auf einfache Weise funktionssicher montiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem elektrischen Traktionsbatterie-Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße elektrische Traktionsbatterie-Modul weist ein steifes Modulgehäuse auf, in dem mindestens zwei zueinander benachbarte und elektrisch unmittelbar miteinander verbundene Zellenpakete angeordnet sind. Die elektrische Verbindung der beiden Zellenpakete miteinander ist durch eine Steckanordnung hergestellt. Die Steckanordnung besteht aus einem dem einen Zellenpaket zugeordneten Stecker mit einem Steckkontaktkörper und einem dem anderen benachbarten Zellenpaket zugeordneten Gegenstecker mit einem zu dem Steckkontaktkörper funktional komplementären Gegensteckkontaktkörper.
Der Steckkontaktkörper definiert eine Steckachse, die parallel bzw. deckungsgleich ist mit der Steckachse des Gegensteckkontaktkörpers. Der Steckkontaktkörper ist in einer Querebene zu der Steckachse beweglich in einer Steckerhalterung geführt, so dass der Steckkontaktkörper lateral beweglich ist, jedoch in Richtung der Steckachse in Bezug auf das Zellenpaket unbeweglich ist.
Die elektrische Verbindung der zwei zueinander benachbarten Zellenpakete erfolgt also durch einfaches Zusammenstecken des Steckers mit dem Gegenstecker, wobei die Beweglichkeit des Steckkontaktkörpers in der Querebene zu der Steckachse beim Zusammenbau eine exakte Ausrichtung der Steckachse des Steckkontaktkörpers mit der Steckachse des zellenpaketfesten Gegensteckkontaktkörpers erlaubt. Auf diese Weise wird beim Zusammenstecken des Steckers mit dem Gegenstecker insbesondere ein Verbiegen und Verkanten des Steckkontaktkörpers und/oder des Gegensteckkontaktkörpers der Steckanordnung zuverlässig vermieden. Beim Zusammenstecken werden durch die laterale Beweglichkeit des Steckkontaktkörpers fertigungsbedingte und montagebedingte Abweichungen von der idealen Koaxialität der zusammengesteckten Zellenpakete derart ausgeglichen, dass eine mechanisch spannungsfreie elektrische Verbindung zwischen den zwei zueinander benachbarten Zellenpaketen realisiert ist. Auch nach der Montage und im Betrieb des Traktionsbatterie-Moduls werden Relativbewegungen der beiden elektrisch miteinander verbundenen Zellenpakete zueinander durch die laterale Beweglichkeit des Steckkontaktkörpers ausgeglichen bzw. führen nicht zu Verspannungen innerhalb der Steckanordnung.
Vorzugsweise verbindet eine flexible Verbindungsleitung den Steckkontaktkörper mit einer Batteriezelle des betreffenden Zellenpakets. Die flexible Verbindungsleitung erlaubt eine mechanisch widerstandsarme laterale Beweglichkeit des Steckkontaktkörpers, ohne dass hierdurch die Qualität der elektrischen Verbindung zwischen dem Steckkontaktkörper und dem betreffenden Zellenpaket verschlechtert wird. Ein typisches Beispiel für eine flexible Verbindungsleitung ist ein gewebtes Leitungsband.
Vorzugsweise weist der Steckkontaktkörper und/oder der Gegensteckkontaktkörper eine Fase zur Erleichterung der Einfädelung beim Zusammenstecken des Steckers mit dem Gegenstecker auf. Die Fase kann beispielsweise als Außenkonus- oder als Innenkonus ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist der Steckkontaktkörper stiftartig und ist der komplementäre Gegensteckkontaktkörper buchsenartig ausgebildet.
Vorzugsweise ist eine Steckerhalterung vorgesehen, die einen Führungsschlitz definiert, in dem eine den Steckkontaktkörper haltende Führungsplatte unverlierbar und in beiden Raumrichtungen der Querebene beweglich gehalten ist. Besonders bevorzugt ist der Steckkontaktkörper in eine Mittelposition der Querebene vorgespannt, beispielsweise durch entsprechende Federelemente, die die Führungsplatte bzw. den Steckkontaktkörper in die geometrische Mittelposition vorspannen.
Vorzugsweise ist das Modulgehäuse von einem vierseitigen Extrusionsprofil gebildet, das an seinen beiden offenen Profilenden mit jeweils einem Deckel verschlossen ist. Die Steckachse des Steckkontaktkörpers ist parallel zu der Längserstreckung bzw. der Extrusionsachse des Extrusionsprofils ausgebildet. Die Zellenpakete sind in Richtung der Extrusionsprofil-Längserstreckung in das offene Extrusionsprofil eingesteckt, wobei der Stecker und der Gegenstecker beim mittigen Zusammentreffen ohne einen weiteren Eingriff von außen sich zuverlässig elektrisch miteinander verbinden.
Vorzugsweise sind der Steckkontaktkörper und der Gegensteckkontaktkörper so dimensioniert, dass im zusammengesteckten Zustand ein gewisser Kraftschluss entsteht, durch den eine sichere elektrische Kontaktierung sichergestellt ist.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen elektrischen Traktionsbatterie-Moduls mit zwei Zellenpaket-Paaren, wobei die beiden Zellenpakete eines Paares jeweils durch eine Steckanordnung elektrisch miteinander verbunden sind, und
2 eine detaillierte schematische Darstellung eines Längsschnitts II-II einer der Steckanordnungen der 1.

In der 1 ist schematisch ein elektrisches Traktionsbatterie-Modul 10 in einem Längsschnitt dargestellt. Das Traktionsbatterie-Modul 10 weist ein steifes Modulgehäuse auf, in dem eine Vielzahl an elektrisch miteinander verbundenen Zellenpaketen 20 untergebracht ist. Vorliegend sind zwei übereinanderliegende Paare mit jeweils zwei Zellenpaketen 20 dargestellt, wobei die beiden Zellenpakete 20 eines Paares mittig über eine elektrische Steckanordnung 430 elektrisch miteinander verbunden sind, beispielsweise elektrisch seriell miteinander verbunden sind. Die elektrische Steckanordnung 430 wird von einem Stecker 30 des einen Zellenpakets 20 und einem komplementär ausgebildeten Gegenstecker 40 des anderen Zellpakets 20 gebildet.
Das Modulgehäuse eines fertiggestellten Traktionsbatterie-Moduls 10 ist von einem vierseitigen Metall-Extrusionsprofil 12 gebildet, dessen beide offene Profilenden jeweils mit einem Metall-Deckel 16 verschlossen sind. Während der Montage des Traktionsbatterie-Moduls 10 sind beide Profilenden des Metall-Extrusionsprofils 12 offen, so dass von beiden Extrusionsprofil-Öffnungen 14 aus jeweils Zellenpakete 20 in das Extrusionsprofil 12 zur Mitte eingeschoben werden können.
In der 2 ist die Steckanordnung 430 der 1 vor dem Zusammenstecken des Steckers 30 mit dem Gegenstecker 40 dargestellt. Ein Zellenpaket 20 des Zellenpakete-Paares weist den Gegenstecker 40 auf, der von einem buchsenartig ausgebildeten Gegensteckkontaktkörper 42 gebildet ist, der eine hohlzylindrische Steckbohrung 44 aufweist. Der Gegensteckkontaktkörper 42 weist eine Steckachse 40' auf, die in Längsrichtung des Extrusionsprofils 12 orientiert ist. Der Gegenstecker 40 ist starr ausgebildet und ist zellenpaketfest mit dem Zellenpaket 20 verbunden.
Jedes Zellenpaket 20 weist ein Zellenpaket-Gehäuse 22 mit einer Zellenpaket-Stirnwand 24 auf, die den Gegenstecker 40 bzw. den Stecker 30 trägt. Innerhalb des Zellenpakete-Gehäuses 22 sind mehrere Batteriezellen 26 zu einem Batteriezellen-Paket physisch und elektrisch zusammengefasst.
Die den Stecker 30 aufweisende Stirnwand 24 weist eine Steckerhalterung 36 auf, durch die ein stiftartiger Steckkontaktkörper 34 lateral in beiden Achsen einer Querebene XZ beweglich geführt ist. Die laterale Beweglichkeit des Steckkontaktkörpers 34 beträgt in beiden Achsen der Querebene XZ jeweils mehrere Millimeter. Der vollzylindrische Steckkontaktkörper 34 definiert eine Steckachse 30`, die in Längsrichtung des Extrusionsprofils 12 orientiert ist. An seinem distalen Ende weist der Steckkontaktkörper 34 eine außenkonisch Fase 35 zur Erleichterung der Einfädelung auf. Die Steckerhalterung 36 definiert einen ringartigen Führungsschlitz 32, in dem eine den Steckkontaktkörper 34 haltende Führungsplatte 38 unverlierbar und in beiden Raumrichtungen der Querebene XZ über mehrere Millimeter beweglich gehalten ist. Die Führungsplatte 38 ist größer als eine distale Öffnung 33 der Steckerhalterung 36, durch die der Steckkontakt 34 von der Führungsplatte 38 aus distal herausragt.
Die Steckerhalterung 36 weist ferner eine proximale Öffnung 39 auf, durch die eine flexible elektrische Verbindungsleitung 50 führt, deren eines Leitungsende über eine Schweißverbindung 54 mit der Rückseite der Führungsplatte 38 elektrisch verbunden ist und deren anderes Leitungsende über eine Schweißverbindung 55 mit einer Batteriezelle 26 des Batteriezellen-Stapels elektrisch verbunden ist. Die Verbindungsleitung 50 wird von einem Drahtgeflecht-Leitungskörper 52 gebildet. Der Batteriezellen-Stapel eines Zellenpakets 20 weist eine elektrische Zellenpaket-Spannung von weniger als 60 V auf.
Beim Zusammenstecken des Steckers 30 mit dem Gegenstecker 40 richtet sich der Stecker 30 beim Eintritt der Steckkontaktkörper-Fase 35 in die Steckbohrung 44 mit dem Gegenstecker 40 derart axial aus, dass die beiden Steckachsen 30', 40' praktisch zur Deckung kommen. Hierdurch ergibt sich schließlich eine in gewissem Maße kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Stecker 30 und dem Gegenstecker 40, durch die dauerhaft eine zuverlässige elektrische Verbindung der beiden Zellenpakete 20 miteinander geschaffen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018130558 A1 [0002]
DE 102005042169 B4 [0002]
DE 102011081573 B4 [0002]
US 9472793 B2 [0002]

Claims

Elektrisches Traktionsbatterie-Modul (10) mit einem steifen Modulgehäuse und mindestens zwei zueinander benachbarten und elektrisch miteinander verbundenen Zellenpaketen (20) in dem Modulgehäuse, wobei die elektrische Verbindung der beiden Zellenpakete (20) miteinander durch eine Steckanordnung (430) gebildet ist, die aus einem dem einen Zellenpaket (20) zugeordneten Stecker (30) mit einem Steckkontaktkörper (34) und einem dem anderen Zellenpaket (20) zugeordneten Gegenstecker (40) mit einem zu dem Steckkontaktkörper (34) komplementären Gegensteckkontaktkörper (42) besteht, wobei der Steckkontaktkörper (34) eine Steckachse (30`) definiert, und wobei der Steckkontaktkörper (34) und/oder der Gegensteckkontaktkörper (42) in einer Querebene (XZ) zu der Steckachse (30`) beweglich in einer Steckerhalterung (36) geführt ist.
Elektrisches Traktionsbatterie-Modul (10) nach Anspruch 1, wobei eine flexible Verbindungsleitung (50) den Steckkontaktkörper (34) und/oder der Gegensteckkontaktkörper (42) mit einer Batteriezelle (26) des betreffenden Zellenpakets (20) elektrisch verbindet.
Elektrisches Traktionsbatterie-Modul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Steckkontaktkörper (34) und/oder der Gegensteckkontaktkörper (42) eine Fase (35) zur Erleichterung der Einfädelung aufweist.
Elektrisches Traktionsbatterie-Modul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Steckkontaktkörper (34) stiftartig und der Gegensteckkontaktkörper (42) buchsenartig ausgebildet ist, oder der Steckkontaktkörper rechteckig und der Gegensteckkontaktkörper mit einer U-Form ausgebildet ist.
Elektrisches Traktionsbatterie-Modul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steckerhalterung (36) einen Führungsschlitz (32) definiert, in dem eine den Steckkontaktkörper (34) haltende Führungsplatte (38) unverlierbar und in beiden Raumrichtungen der Querebene (XZ) beweglich gehalten ist.
Elektrisches Traktionsbatterie-Modul (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Modulgehäuse (12) von einem vierseitigen Extrusionsprofil (12) gebildet ist, das an seinen beiden offenen Profilenden mit jeweils einem Deckel (16) verschlossen ist, wobei die Steckachse (30`) des Steckkontaktkörpers (34) parallel zur Längserstreckung des Extrusionsprofils (12) ist.