CH720223A2 - Mechanism for internal voltage separation of a replacement battery for an electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Der erfindungsgemässe Mechanismus weist einen Schacht (3) zur Aufnahme einer Tauschbatterie (1) mit mindestens zwei elektrochemischen Energiespeichern sowie elektrische Kontakte (31, 32, 33, 34) auf. Durch diesen Mechanismus werden die elektrochemischen Energiespeicher der Tauschbatterie in Serie verbunden damit die Nennspannung der Tauschbatterie (1) erhöht ist. Dies hat zum Vorteil dass, die Tauschbatterie (1) im ausgebauten Zustand eine höhere Slcherheit für den Benutzer bietet als ein bisheriger Akku welcher eine Spannung von mehr als 50V aufweist, jedoch im eingebauten Zustand nicht die Nachteile eines bisherigen Akkus, welcher eine Spannung von weniger als 50 Volt aufweist besitzt.The mechanism according to the invention has a slot (3) for accommodating a replacement battery (1) with at least two electrochemical energy stores and electrical contacts (31, 32, 33, 34). This mechanism connects the electrochemical energy stores of the replacement battery in series so that the nominal voltage of the replacement battery (1) is increased. This has the advantage that the replacement battery (1) offers greater safety for the user when removed than a previous battery which has a voltage of more than 50V, but when installed does not have the disadvantages of a previous battery which has a voltage of less than 50 volts.
Description
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mechanismus für die Spannungstrennung zwischen den Zellmodulen innerhalb einem austauschbaren Batterie für elektrische betriebenes Fahrzeuge. [0001] The present invention relates to a mechanism for voltage separation between the cell modules within a replaceable battery for electric powered vehicles.
(Stand der Technik)(State of the art)
[0002] Für elektrische Fahrzeuge sind Methoden bekannt welche es ermöglicht das die Batterien in den Fahrzeugen innerhalb von Sekunden oder Minuten aus dem Fahrzeug zu entnehmen um sie Beispielsweise durch eine geladene Batterie auszutauschen zu können. Ein Patent eines solche Beschreibung ist dabei WO2021071412A1 ELECTRIC VEHICLE WITH MODULAR BATTERY SYSTEM [0002] Methods are known for electric vehicles which make it possible to remove the batteries in the vehicle within seconds or minutes in order to be able to replace them with a charged battery, for example. A patent of such a description is WO2021071412A1 ELECTRIC VEHICLE WITH MODULAR BATTERY SYSTEM
[0003] Die Elektronischenbauteilen welche den Vortrieb des elektrischen Fahrzeuge erzeugen besitzen oft nominale Spannungen welche die 50 Volt stark überschreiten. Dies kann somit führen das die Batterien selbst auch eine nominale Spannung besitzen welche die 50 Volt stark übersteigen. [0003] The electronic components that generate the propulsion of electric vehicles often have nominal voltages that greatly exceed 50 volts. This can therefore lead to the batteries themselves also having a nominal voltage that greatly exceeds 50 volts.
[0004] Die Europäischen Union hat die Rechtline ECE 136 „Einheitliche Bedingungen für die Genehmigung von Fahrzeugen der Klasse L hinsichtlich der besonderen Anforderungen an den Elektroantrieb erwähnen“ verfasst welche die Anforderungen an die elektrischen System von elektrische Fahrzeuge der Kategorie L regelt. Dabei sind nach Definition alle Bauteile welche eine Spannung von über 50 Volt Spannung besitzen ein Teil des Hochspannung System welche höhere Anforderungen genügen müssen. [0004] The European Union has drawn up the regulation ECE 136 "Uniform provisions concerning the approval of vehicles of category L with regard to the special requirements for electric propulsion" which regulates the requirements for the electrical system of electric vehicles of category L. By definition, all components with a voltage of more than 50 volts are part of the high-voltage system and must meet higher requirements.
[0005] Alle elektrischen Bauteile welche eine Spannung kleiner 50 Volt besitzen fallen deshalb unter die Rechtlinien 2001/95/EG über die allgemeinen Produktsicherheit welche durch die Europäische erlassen wurde auf welchen die Mitgliedstaaten ihr Rechtsvorschriften verfasst haben welche die Anforderungen an elektrische Betriebsmittel regelt für Konsumenten. Dies bedeuten das Bauteile welche ein Spannung geringer als 50 Volt aufweisen weniger Anforderungen erfüllen müssen weil Sie keine Lebensbedrohliche Spannung besitzen [0005] All electrical components that have a voltage of less than 50 volts are therefore subject to the directive 2001/95/EC on general product safety issued by the European Union, on which the member states have drawn up their legislation regulating the requirements for electrical equipment for consumers. This means that components that have a voltage of less than 50 volts have to meet fewer requirements because they do not have a life-threatening voltage.
[0006] Dies Bedeutet für die austauschbaren Batterien für ein elektrischen Fahrzeug es wünschenswert ist die Spannung der austauschbaren Batterien möglichst unter 50 Volt zu halten damit weniger Anforderungen erfüllt werden müssen jedoch die Produktsicherheit gewährleistet ist. [0006] This means that for the replaceable batteries for an electric vehicle it is desirable to keep the voltage of the replaceable batteries as low as possible below 50 volts so that fewer requirements have to be met but product safety is ensured.
[0007] Die Problematik ist jedoch das Elektrofahrzeuge physikalisch Bedingt tendenziell mit höheren Nennspannungen betrieben werden und somit wäre für Benutzung einer Tauschbatterie welche eine Spannung unter 50 Volt besitzt ein Spannungstransformator nötig um Sie mit dem Hochspannungssystem des Elektrofahrzeug verbinden zu können. Dieser Spannungstransformator erzeugt dabei unerwünschte Verluste. [0007] The problem, however, is that electric vehicles tend to be operated with higher nominal voltages for physical reasons and thus a voltage transformer would be necessary to use a replacement battery with a voltage of less than 50 volts in order to be able to connect it to the high-voltage system of the electric vehicle. This voltage transformer generates undesirable losses.
[0008] Ziel dieser Erfindung ist es eine austauschbare Batterie für Elektrofahrzeuge zu ermöglichen welche die Rechtlinien der Produktsicherheit erfühlt jedoch keinen Spannungstransformator benötigt um an das Hochspannung System des elektrische System des Antriebes angeschlossen zu werden. [0008] The aim of this invention is to provide a replaceable battery for electric vehicles which complies with product safety guidelines but does not require a voltage transformer to be connected to the high voltage system of the drive's electrical system.
[0009] Die austauschbaren Batterie für Elektrofahrzeuge besitzt mehre Zellmodule welche innerhalb eines Gehäuses miteinander mechanisch verbunden sind jedoch Elektrisch keine Kopplung besitzen. Erst beim einführen der austauschbaren Batterie in den vorgesehene Batterieschacht werden die Zellmodule durch einen Mechanismus miteinander elektrisch Verbunden. [0009] The replaceable battery for electric vehicles has several cell modules which are mechanically connected to one another within a housing but have no electrical connection. Only when the replaceable battery is inserted into the battery compartment provided are the cell modules electrically connected to one another by a mechanism.
[0010] Vorteil dieses System ist das die austauschbare Batterie mithilfe dieser Methode keinen Transformator benötigt um an die Antriebselektronik angeschlossen zu werden zu können und trotzdem im ausgebauten Zustand die Rechtline für Produktsicherheit entspricht. [0010] The advantage of this system is that the replaceable battery does not require a transformer to be connected to the drive electronics and still complies with the product safety regulations when removed.
[0011] Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Sie zeigt: Fig. 1: Schematische Schnittansicht der austauschbaren Batterie im ausgebauten Zustand Fig. 2: Schematische Schnittansicht beim einführen beziehungsweise entnehmen der austauschbaren Batterie aus ihrem dafür vorgesehenem Batterieschacht welche sich in einem Fahrzeug befindet. Fig 3. Schematische Schnittansicht der eingesetzten austauschbaren Batterie in dem dafür vorgesehenem Batterieschacht welches sich in einem Fahrzeug befindet.[0011] The invention is illustrated in the drawings. They show: Fig. 1: Schematic sectional view of the replaceable battery in the removed state. Fig. 2: Schematic sectional view when inserting or removing the replaceable battery from its battery compartment provided for it, which is located in a vehicle. Fig. 3: Schematic sectional view of the replaceable battery inserted in the battery compartment provided for it, which is located in a vehicle.
[0012] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein elektrischen Verbindungsmechanismus für ein austauschbares Batteriepacket zu ermöglich damit das austauschbare Batteriepacket im ausgebauten Zustand die Richtlinien 2001/95/EG der Produktsicherheit erfüllt jedoch im eingebauten Zustand Teil des Hochvoltsystem, nach Definition der ECE 136 wird. [0012] The object of the present invention is to provide an electrical connection mechanism for a replaceable battery pack so that the replaceable battery pack complies with the product safety directive 2001/95/EC when removed, but becomes part of the high-voltage system when installed, as defined by ECE 136.
[0013] Das austauschbare Batteriepacket, folgend Tauschbatterie genannt, ist dabei eine Behälter welcher aus mehrere elektrochemische Energiespeicher besteht und für den Betrieb in einem elektrisch angetriebenes Fahrzeug bestimmt ist. Das elektrisch angetriebene Fahrzeug, auch Elektrofahrzeug genannt, besitzt dabei ein elektrisches System welche eine Betriebsspannung unter 50 Volt aufweist und ein elektrisches System welche eine Betriebsspannung über 50 Volt welches folgend Hochvoltsystem genannt, aufweist. [0013] The exchangeable battery pack, hereinafter referred to as the exchangeable battery, is a container which consists of several electrochemical energy storage devices and is intended for use in an electrically powered vehicle. The electrically powered vehicle, also referred to as an electric vehicle, has an electrical system which has an operating voltage of less than 50 volts and an electrical system which has an operating voltage of more than 50 volts, hereinafter referred to as a high-voltage system.
[0014] Der beschriebene elektrische Verbindungsmechanismus besteht dabei aus zwei Baugruppen welche jeweils zum einen Teil im Elektrofahrzeug und zum anderen Teil in der Tauschbatterie befindet. Merkmal dieser Tauschbatterie ist es das sie sich aus mindestens zwei oder mehr elektrochemische Energiespeicher besteht welche mechanisch gesehen sich in einem rechteckigen oder zylinderförmigen Behälter befindet jedoch elektrisch keine Verbindung untereinander besitzen. [0014] The described electrical connection mechanism consists of two components, one part of which is located in the electric vehicle and the other part in the exchange battery. The feature of this exchange battery is that it consists of at least two or more electrochemical energy storage devices which, from a mechanical point of view, are located in a rectangular or cylindrical container but have no electrical connection to one another.
[0015] Figur 1 ist dabei ein sinngemässes Beispiel einer schematisches Darstellung einer Tauschbatterie 1 welche sich im Ausgebauten Zustand befindet welche aus zwei Komponenten besteht welche Batterieelement 10 und 20 genannt wird. Das Batterieelement 10 setzt sich dabei aus mindestens einem elektrochemische Energiespeicher 10, einer Elektronik 12, einem positiven Pol 13 und einem negative Pol 14 zusammen welch untereinander eine sinnvolle elektrischen Verbindung besitzen. Das Batterieelement 20 kann dabei einen identischen Aufbau wie das Batterieelement 10 aufweisen. [0015] Figure 1 is an example of a schematic representation of a replacement battery 1 which is in the removed state and consists of two components which are called battery elements 10 and 20. The battery element 10 is made up of at least one electrochemical energy storage device 10, an electronics unit 12, a positive pole 13 and a negative pole 14 which have a useful electrical connection to one another. The battery element 20 can have an identical structure to the battery element 10.
[0016] Die gepunktete-gestrichen Line soll dabei die elektrische Trennung, auch Isolierung genannt, zwischen den Batterieelementen 10 und 20 symbolisieren. [0016] The dotted-dashed line is intended to symbolize the electrical separation, also called insulation, between the battery elements 10 and 20.
[0017] Zwischen dem positiven Pol 13 und dem negative Pol 14 besteht ein elektrischen Spannungspotential welche sich stehts unterhalb von 50 Volt befindet. Analoge gilt diese Eigenschaft auch zwischen dem positiven Pol 23 und dem negativen Pol 24. [0017] Between the positive pole 13 and the negative pole 14 there is an electrical voltage potential which is always below 50 volts. This property also applies analogously between the positive pole 23 and the negative pole 24.
[0018] Anzahl von Bauteilen sowie die Bauteilbezeichnung in diesem Beispiel von Figur 1 kann in Realität abweichen. [0018] The number of components as well as the component designation in this example of Figure 1 may differ in reality.
[0019] Wie zuvor erwähnt ist die zweck dieser Tauschbatterie das Sie in einem Elektrofahrzeug als Energiequelle benützt wird. Dabei ist mit dem Begriff Tauschbatterie ein elektrischen Energiespeicher welche eine rechteckige oder zylindrische Form besitzt zu verstehen welche ohne gebrauch von Werkzeugen aus dem Elektrofahrzeug eingebaut beziehungsweise gleichermassen ausgebaut werden kann. [0019] As previously mentioned, the purpose of this replacement battery is to be used as an energy source in an electric vehicle. The term replacement battery refers to an electrical energy storage device which has a rectangular or cylindrical shape and which can be installed or removed from the electric vehicle without the use of tools.
[0020] Das Elektrofahrzeug besitzt ein oder eine viel Zahl von Fächer, folgend Batteriefächer genannt, welche dazu bestimmt sind jeweils eine Tauschbatterie aufzunehmen. Die Einbauposition der Tauschbatterie kann zum einen durch die kongruente Form der Querschnittsfläche der Tauschbatterie und des Batteriefaches bestimmt sein oder durch eine Schienenmechanismus welche die Tauschbatterie in dem Batteriefach führt. Das Batteriefach ist dabei ein rechteckig oder zylindrischer Schacht der zumindest zur einer Seite eine Öffnung besitzt. [0020] The electric vehicle has one or a large number of compartments, hereinafter referred to as battery compartments, each of which is intended to accommodate a replacement battery. The installation position of the replacement battery can be determined by the congruent shape of the cross-sectional area of the replacement battery and the battery compartment or by a rail mechanism that guides the replacement battery in the battery compartment. The battery compartment is a rectangular or cylindrical shaft that has an opening on at least one side.
[0021] Die Figur 2 ist ein Beispiel, einer sinngemässe Darstellung eines Batteriefaches und einer Tauschbatterie, bei dem die dargestellten Elementen in der Realität eine abweichende Form und Position aufweisen können. [0021] Figure 2 is an example of a representation of a battery compartment and a replacement battery, in which the elements shown may have a different shape and position in reality.
[0022] In Figur 2 ist das einsetzten beziehungsweise das entnehmen eine Tauschbatterie 1 aus dem Batteriefach 3 aus dem Fahrzeug 2 in einer Schnittdarstellung abgebildet. Dabei ist nur ein Ausschnitt von dem Fahrzeug 2 in der Figur 2 erstlich da das Batteriefach in eine durch den Hersteller gewählten Stelle im Elektrofahrzeug positioniert werden kann. [0022] Figure 2 shows a sectional view of the insertion or removal of a replacement battery 1 from the battery compartment 3 of the vehicle 2. Only a section of the vehicle 2 is shown in Figure 2, firstly because the battery compartment can be positioned in a location in the electric vehicle selected by the manufacturer.
[0023] Das Merkmal des Batteriefaches 3 ist das es mindestens 4 elektrischen Kontaktstellen besitzt 33 bis 34 welche dazu bestimmt sind einen elektrischen Verbindung zur Tauschbatterie zu ermögliche im nachfolgenden Text erläutert ist. [0023] The feature of the battery compartment 3 is that it has at least 4 electrical contact points 33 to 34 which are intended to enable an electrical connection to the replacement battery as explained in the following text.
[0024] Ist die Tauschbatterie in das Batteriefach vollständig eingeführt, wie es beispielsweise in der sinngemässen Darstellung von Figur 3 ersichtlich ist, befinden sich die Tauschbatterie 1 im eingebauten Zustand. Dies welche dazu führt dass, die Tauschbatterie 1 mithilfe des hier vorgestellten Mechanismus in das elektrische System 4 des Elektrofahrzeug 2 eingebunden wird. [0024] If the replacement battery is completely inserted into the battery compartment, as can be seen, for example, in the analogous representation of Figure 3, the replacement battery 1 is in the installed state. This results in the replacement battery 1 being integrated into the electrical system 4 of the electric vehicle 2 using the mechanism presented here.
[0025] In Figur 3 ist neben den mechanischen Elementen wie die Tauschbatterie 1 und dem Batteriefach 3 in dem Elektrofahrzeug 2 ist auch die Elektronik 4 des Elektrofahrzeug in simplifizierter Form schematisch Dargestellt. Dabei ist mit dem Begriff Elektronik 4 das umfassende elektrische System des Elektrofahrzeug als gesamtes System zu verstehen in welches sich aus einem Hochspannung- sowie aus einem Niederspannungssystem zusammensetzt. Die elektrischen Kontakte 31 bis 34 des Batteriefaches und die elektrische Kontakte 13,14,23 und 24 habe dabei eine Form welche, bei eingebauten Zustand der Tauschbatterie in dem Batteriefach, eine sinnvolle und elektrisch gut Leitende Verbindung ermöglicht. Mit einer gut elektrische leitende Verbindung ist eine Verbindung zu verstehen welche zuverlässig, beim einsetzten der Tauschbatterie in das Batteriefach, eine elektrische Verbindung gewährleisten kann mit kleinen ohmschen Übergangswiderständen. [0025] In Figure 3, in addition to the mechanical elements such as the replacement battery 1 and the battery compartment 3 in the electric vehicle 2, the electronics 4 of the electric vehicle are also shown schematically in a simplified form. The term electronics 4 is to be understood as the comprehensive electrical system of the electric vehicle as a whole system which consists of a high-voltage and a low-voltage system. The electrical contacts 31 to 34 of the battery compartment and the electrical contacts 13, 14, 23 and 24 have a shape which, when the replacement battery is installed in the battery compartment, enables a sensible and electrically conductive connection. A good electrically conductive connection is to be understood as a connection which can reliably ensure an electrical connection with low ohmic contact resistance when the replacement battery is inserted into the battery compartment.
[0026] Mit einer sinnvollen elektrischen Verbindung ist eine Verbindung zu verstehen welche sinngemäss dem nachfolgende Schema entspricht. In dem schematischen Beispiel von Figur 3 sind die elektrischen Kontakte 31 bis 34 ersichtlich, dabei hat der elektrische Kontakt 31 ein positives Spannungspotential , der elektrische Kontakt 34 hat dabei ein negatives Spannungspotential. Ist keine Tauschbatterie 1 in dem Batteriefach 3 eingesetzt wie in Figur 2 dargestellt, dann besitzen die elektrischen Kontakte 32 und 33 kein Spannungspotential. [0026] A sensible electrical connection is a connection which corresponds to the following diagram. In the schematic example in Figure 3, the electrical contacts 31 to 34 are visible, with the electrical contact 31 having a positive voltage potential and the electrical contact 34 having a negative voltage potential. If no replacement battery 1 is inserted in the battery compartment 3 as shown in Figure 2, then the electrical contacts 32 and 33 have no voltage potential.
[0027] Ist eine Tauschbatterie 1 in das Batteriefach 3 eingesetzt wie es in Figur 3 ersichtlich ist, dann bildet der elektrische Kontakt 31 mit dem elektrische Kontant 13 eine elektrische Leitende Verbindung. Analog gilt dies zwischen dem elektrischen Kontakt 34 und dem elektrischen Kontakt 24, zwischen dem elektrischen Kontakt 32 und elektrischen Kontakt 14 sowie bei elektrischen Kontakt 33 und elektrischen Kontakt 23. [0027] If a replacement battery 1 is inserted into the battery compartment 3, as can be seen in Figure 3, then the electrical contact 31 forms an electrically conductive connection with the electrical contact 13. This applies analogously between the electrical contact 34 and the electrical contact 24, between the electrical contact 32 and the electrical contact 14, and between the electrical contact 33 and the electrical contact 23.
[0028] Die elektrischen Kontakte 32 und 33 sind untereinander elektrisch Verbunden was dazu führt das bei eingesetzten Tauschbatterie in das Batteriefach der elektrische Kontakte 14 ein elektrische Verbindung besitzt zu dem elektrischen Kontakt 23. Dies führt dazu das der elektrochemischen Energiespeicher 11 in Serie mit dem elektrochemischen Energiespeicher 21 verbunden ist und somit liegt zwischen dem elektrischen Kontakt 13 und dem elektrischen Kontakt 24 ein Spannungspotential an welches der Addition, dem Spannungspotential zwischen dem elektrischen Kontakt 13 und 14 und dem Spannungspotential zwischen Kontakt 23 und 24, entspricht. Das Spannungspotential zwischen dem elektrischen Kontakt 13 und dem elektrischen kontakt 24 weisst nun eine Betriebsspannung oberhalb von 50V auf. [0028] The electrical contacts 32 and 33 are electrically connected to one another, which means that when a replacement battery is inserted into the battery compartment, the electrical contact 14 has an electrical connection to the electrical contact 23. This means that the electrochemical energy storage device 11 is connected in series with the electrochemical energy storage device 21 and thus there is a voltage potential between the electrical contact 13 and the electrical contact 24 which corresponds to the addition of the voltage potential between the electrical contacts 13 and 14 and the voltage potential between contacts 23 and 24. The voltage potential between the electrical contact 13 and the electrical contact 24 now has an operating voltage above 50V.
[0029] Der hier vorgestellte Mechanismus hat somit die Eigenheit dass es ermöglicht dass, die Tauschbatterie ausserhalb des Fahrzeuges ein Gegenstand ist welche keine elektrische Anschlüsse besitzt welche untereinander ein Spannungspotential von mehr von 50V aufweisen. Im eingebauten Zustand jedoch wird durch die elektrischen Kontakte zum Elektrofahrzeug die Batterieelemente 10 & 20 untereinander in Serie geschlossen und damit bildet die Tauschbatterie ein Teil des Hochvoltsystems des elektrischen Fahrzeuges. [0029] The mechanism presented here has the peculiarity that it allows the replacement battery to be an object outside the vehicle which has no electrical connections which have a voltage potential of more than 50V between them. However, when installed, the battery elements 10 & 20 are connected in series with each other by the electrical contacts to the electric vehicle and the replacement battery thus forms part of the high-voltage system of the electric vehicle.
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