CN106471647A - 可电压保护地制造的机动车电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机动车电池(10)，其具有：多个电池模块(12)，电池模块分别不仅具有多个与共同的电压抽头(24)相连接的电流型的电池单体(36)而且具有与总线联接部(34)相耦联的控制电路(40)；和布置在电池模块(12)处的连接装置(12)以用于使所有电池模块(12)的电压抽头(28)与高压电池联接部(20)相连接和用于使所有电池模块(12)的总线联接部(34)与电池管理系统(92)相连接。本发明的目标是，提供一种结构紧凑的、可电压保护地装配的机动车电池(10)。根据本发明，在每个电池模块(12)中分别将电压抽头(28)和总线联接部(34)集成到共同的插接联接部(24)中，所有电池模块(12)的插接联接部(24)并排地(46)布置成一行，连接装置(12)被设计成唯一的、插到所有插接联接部(24)上的、具有电池管理系统(92)的插接模块(12)。

Description

可电压保护地制造的机动车电池
技术领域
本发明涉及一种具有多个用于产生高电压的电池单体的机动车电池。根据本发明，高电压理解成大于60V、特别是大于100V的电压。本发明也涉及一种机动车，在机动车中提供至少一个根据本发明的机动车电池，本发明也涉及一种用于制造根据本发明的机动车电池的方法。最终，本发明也涉及一种可安装在机动车电池中的插接模块。
背景技术
在制造机动车电池时，将其单个构件彼此装配在一起，其中，通过每个构件提供机动车电池的一个功能。构件理解为分别提供高电压的部分电压的电池模块、使模块相互连接的高压接线部、用于协调电池模块中的控制电路的电池管理系统和所属的使电池管理系统与电池模块中的控制电路相连接的低压接线部。根据本发明，低电压理解成小于60V的电压。
所有这些构件的装配都极为复杂并且具有高的故障可能性，特别是在高压装配的范围中。通过将高压接线部安装在电池模块处，从其模块电压中产生总电压，总电压随着每个新联接的电池模块而增加，直至达到高电压。因此，对于装配工来说，该工作步骤意味着有威胁生命的风险，必须通过高成本的保护措施来防护该风险。
另一问题是构件数量多，这要求在电池系统中大的结构空间，这损害了机动车电池的体积方面的能量密度。此外，由于电池结构的复杂性，在研发阶段和制造中出现相应的成本消耗。对于每个构件来说都有不同的供应商，这些供应商必须不同地进行照料。
从文献DE 10 2011 101 352 A1中已知一种用于车辆的高压电池，在其中，多个电池单体模块固定在载体板上并且彼此通过构造成插接模块的接线盒或配电盒相互接线。
在文献DE 21 2011 100 153 U1中描述了单个的电池模块。该电池模块具有电子机械的板式单体，其可通过带式电极接触。该电的电池模块整体具有板的形状。
在可集成到电池模块中的控制电路方面，从文献DE 198 10 746 A1中得知一种这样的控制电路。在该控制电路的电路板的多个区段上存在用于单个的电流型的电池单体的温度和电压的抽头，并且在至少一个区段上存在用于数据总线联接部的共同的输入和输出部的数据导线。
发明内容
本发明提出的目标是，提供一种结构紧凑的、能以电压保护的方式装配的机动车电池。
该目标通过独立权利要求的主题实现。通过从属权利要求的特征得到本发明的有利的改进方案。
根据本发明，提供一种机动车电池，其特别是高压电池或牵引电池。机动车电池具有多个电池模块，其中每个电池模块具有多个与共同的单体联接部相连接的电流型的电池单体以及一与总线联接部相耦联的控制电路。每个电池模块的所述的单体联接部分别用作由电池单体产生的电压、也就是模块电压的电压抽头，该模块电压形成用于所述高电压的部分电压。该部分电压特别是小于高电压。控制电路可为从现有技术中已知的控制电路，其也被称为CMC(电池单体模块控制器(Cell Module Controller))。控制电路例如可被提供在电池模块之内用以电压监控和/或温度监控。
所有电池模块都相互连接，确切地说通过接线装置相互连接，所有电池模块的单体联接部都通过接线装置与高压电池联接部相联接并且所有电池模块的总线联接部都通过接线装置与机动车电池的电池管理系统相连接。
为了借助于电池模块提供结构紧凑的且能以电压保护的方式制造的机动车电池，根据本发明设置成，在每个电池模块中分别将(特别是两极的)电压抽头和总线联接部集成到共同的插接联接部中。因此，联接触点优选地沿着共同的插接方向取向。相应地，一方面使电压抽头相互连接并且另一方面使总线联接部与电池管理系统相耦联的联接装置被设计成唯一的、插到所有插接联接部上的、具有电池管理系统的插接模块。因此，所有电池模块的插接联接部在机动车电池中都并排布置在一行中，例如上下叠置在一行中。
通过机动车电池的根据本发明的设计方案，可进行以下的有利的根据本发明的方法。将电池模块堆垛在一起，其中，电池模块的插接联接部保持彼此电分离。由此避免，在堆垛电池模块时产生大于每个电池模块的部分电压的总电压。插接联接部以所描述的方式并排地成一行定向。之后，将插接模块插到已定向的插接联接部上。由此，同时使所有电压抽头相互连接，从而其总电压产生高电压。同时，所有电池模块的总线联接部与电池管理系统相连接。
换句话说，以有利的方式实现，在低电压时将电池模块堆垛并且定向，并且利用唯一的、优选最后的装配步骤，通过插上插接模块进行所有电压抽头的连接，而随后不需要在机动车电池处进行其它对于装配工来说危险的制造步骤。
总地来说得到的优点是，机动车电池可由预制件装配而成，这些预制件都不产生高电压，并且利用唯一的工作步骤通过插上插接模块才在装配时产生高电压。
优选地，每个电池模块具有自身的壳体，通过该壳体使电池单体和控制电路与电池模块的周围环境电绝缘。由此得到的优点是，每个电池模块可作为单个的封闭的构件进行处理。壳体特别是由塑料制成并且具有固定装置，例如通孔或卡锁连接器，借助于固定装置可使电池模块相互螺旋连接或者卡锁，并且借助于固定装置可将电池模块固定在机动车的结构件、例如底板上。
优选地，每个电池模块设计成扁平的板。为此，在电池模块中，分别作为薄膜电池单体提供电池单体。这种薄膜电池单体或袋状电池单体在现有技术中是已知的。通过提供板形的电池模块得到的优点是，所有电池模块的并排成行的插接联接部可共同地通过相对较小地构造的插接模块相互连接。
插接模块同样是本发明的组成部分。其具有的优点是，电池模块可在唯一的工作步骤中相互连接，然后在该工作步骤中才在机动车电池处产生高电压。插接模块具有壳体，其利用插接侧被插到电池模块的并排布置的插接联接部上。相应地，插接侧具有多个彼此邻近地布置的联接区，其中每个联接区具有用于插到电池模块的电压抽头上的电触点对和用于与同一电池模块的总线联接部相连接的总线联接部。在壳体中布置有接线装置，联接区的触点对通过该接线装置相互连接。例如，通过该接线装置可引起电池模块的电压抽头的串联。此外，在壳体中布置有电池管理系统，该电池管理系统与所有接触区的相应的总线联接部相耦联。通过插接模块，也可截取机动车中的机动车电池的高压，即例如引导到马达。为此，提供带有布置在壳体处的高压联接部的联接装置，该高压联接部用于输出在接线单元中所连接的联接区上形成的高电压。
优选地，在插接模块中设置成，在接触区中，相应的触点对通过两个布置在或沉入相应的插接井状部中的电触点形成。由此，防止了在将插接模块插到电池模块上时的电弧和电压击穿。在本发明中，插接井状部理解成壳体壁中的、由电绝缘的材料形成的井状部。
通过使高压联接部具有两个布置在相应的插接井状部中的、具有电绝缘的盖的电接触销，高压联接部同样优选地设计成接触保护的。于是在插上插接模块之后不再可能例如利用手指或工具无意地接触高压联接部的接触销。
根据本发明的插接模块的一种改进方案设置成，提供至少一个设计用于分别联接接触器的控制联接部，所述控制联接部与设计用于控制接触器的电池管理系统的控制装置相耦联。这种控制联接部也被称为BJB(电池接线盒)。通过设置这种控制联接部，能够由插接模块的电池管理系统控制接触器，例如为了紧急切断或者断开在机动车电池之内的电连接。
为了使每个触点对的电触点相互连接，即，例如引起电池模块的串联，根据一种实施形式，插接模块的接线装置具有刚性的金属型材部件，通过这些金属型材部件分别使一个联接区的触点对的电触点与另一联接区的触点对的电触点电流耦联。在此，所有触点对优选串联。金属型材部件得到的优点是，其可刚性地与插接模块的壳体相连接，从而在将插接模块插到电池模块上时保证了可靠的力传递。
如已经阐述的那样，本发明也涉及一种机动车。根据本发明的机动车优选地构造成汽车、特别是乘用车。根据本发明的机动车的突出之处在于，其具有至少一个按照根据本发明的机动车电池的实施形式的机动车电池。
附图说明
以下描述本发明的实施例。为此分别以示意图示出：
图1示出了根据本发明的机动车电池的一种实施形式，
图2示出了机动车电池的单个电池模块，
图3示出了电池模块的插接联接部，
图4示出了电池模块的分解图，
图5示出了在一制造步骤期间的机动车电池的电池模块，
图6示出了在另一制造步骤期间的电池模块，
图7示出了在制造机动车电池期间的插上过程，通过该插上过程使电池模块借助于插接模块相互连接，
图8从另一视角示出了插上过程，
图9示出了插接模块的插接侧，
图10示出了插接模块的用于输出机动车电池的高电压的联接装置，
图11示出了联接装置的插接触点，
图12示出了在插接模块装配期间的插接模块，
图13示出了插接模块的分解图，
图14示出了在装配之前的插接模块的单个部件，
图15示出了布置在插接模块中的接线装置，
图16示出了在接线装置中提供的金属型材。
具体实施方式
以下阐释的实施例为本发明的优选的实施形式。但是，在该实施例中，该实施形式的所描述的部件分别表示本发明的单个的、彼此独立的特征，这些特征也可分别彼此独立地改进本发明并且由此也可单个地或者以与所示出的组合不同的组合被视为本发明的组成部分。此外，所描述的实施形式也可通过本发明的其它已经描述过的特征来补充。
图1示出了机动车电池或简称电池10，其可为高压电池或牵引电池。例如，电池10可设计成，用于产生在400V和500V之间的、例如440V的高电压。电池10的工作电流例如可在25A至45A的范围中，例如可为35A或37A。电池10的宽度B例如可在50cm至120cm的范围中，例如在60cm至90cm的范围中。深度T例如可在45cm至80cm的范围中，例如在55cm至65cm的范围中。电池的高度H例如可在10cm至25cm的范围中、特别是10cm至20cm的范围中。
电池10由多个电池模块12形成，这些电池模块可共同地堆垛成模块堆14。根据所需的高电压和所需的工作电流，可根据需求选择机动车电池10中的电池模块12的数量。
每个电池模块12可具有板的形状。这些板可利用其宽侧彼此堆垛。电池模块12可通过插接模块16相互连接。插接模块16此外可具有联接装置18，联接装置可具有高压联接部20，在高压联接部处可截取或提取由电池10产生的高电压。高电压是由单个电池模块12的部分电压或模块电压组成的总电压。在此，每个电池模块12可产生一电压、即模块电压，其在本发明的意义中为低电压。
通过将插接模块16插到模块堆14上，模块12可在唯一的工作步骤中相互连接，从而通过插上插接模块16才在高压联接部20处形成高电压。至此，电池模块12可在没有特殊的防止高电压的预防措施的情况下堆垛成模块堆14。
在图2中示出了单个电池模块12。模块堆14的电池模块12中的每一个能以相同的方式设计。电池模块12可具有由电绝缘的材料、例如塑料制成的模块壳体22。电池模块12可具有插接联接部24，插接模块16可插接在插接联接部处。插接联接部24可布置在壳体22的凹入部26中，从而插接模块16可沉入凹入部26中。
在图3中作为图2的放大局部示出了插接联接部24。插接联接部24不仅可具有带有正极30和负极32的电压抽头28，也可具有总线联接部34。在电压抽头28处可截取模块电压。插接模块可通过总线联接部34与电池模块12的控制电路相耦联，控制电路可布置在壳体22中。
在图4中示出了电池模块12的内部结构。壳体22可由两个壳体外壳22'构成，壳体外壳包围控制电路38和电池单体36。电池单体36例如可以是锂离子电池单体。电池单体36可设计成薄膜电池单体。电池单体36可设计成棱柱形。电池单体36可被粘接到壳体部件22'上。
通过连接元件38、例如金属箍/金属弓架可将电池单体36连接成串联电路，由此单体电压累加成模块电压。电池单体36可通过控制电路40监控。控制电路40能以已知的方式设计成电池单体-模块-控制器CMC。
壳体部件22'能以有利的方式具有通孔23，通过该通孔实现了在电池周围环境和模块内部之间的空气交换并且由此实现了电池模块12内腔的冷却。
每个单个电池模块12可独自制成并且作为预制件用于装配机动车电池。
在图5中示出，可如何将电池模块12彼此堆垛在一起。在此，插接联接部24布置成彼此齐平，也就是说并排地布置。通过电池模块12的堆垛，得到模块堆14，其在图6中再次示出。电池模块12可借助于固定装置42彼此固定。例如，在堆垛之后，电池模块12利用螺钉44被旋拧并固定在(未示出的)机动车的车辆底板上。在此，该被部分装配的机动车电池的电压范围始终还在低压范围中。
在图7中示出了最终的装配步骤，在该装配步骤中，将插接模块16插到已经布置成堆垛的各个电池模块12的布置成插接区域46的插接联接部24上。在此，模块堆14可构造成，在相邻的电池模块12的插接联接部中，正极30和负极32布置成侧向错位，如在图7中对于上部的两个电池模块12示出的。
图8从另一视角示出了该插上过程。插接模块16利用插接侧48在插上运动中沿着插接方向50插入插接区域46中。
插接侧48可对于插接区域46中的每个插接联接部24都分别具有联接区52，在图8中出于清晰起见仅仅其中几个联接区设有附图标记。联接区52可具有触点对54和总线联接部56。触点对54可被插到插接联接部24的相应的电压抽头的正极30和负极32上。总线联接部26可被插到同一插接联接部24的总线联接部34上。通过沿着插接方向50的插上运动，所有联接区52可同时被插到插接区域46中对应的插接联接部24上。由此，电池装配结束并且在联接装置处存在高电压。
图9示出，联接区52的每个总线联接部56可如何具有一个或多个总线触点58以用于电接触一个电池模块12的插接联接部24的总线联接部34的对应的电的总线导线。每个触点对54可具有两个电触点，其可布置在插接模块16的壳体60中。在此，可通过壳体60中的通孔62从插接模块16外部到达触点对。由此，正极30和负极32可通过通孔62插入壳体16中并且由此与触点对54的触点进行连接或接触。由此得到的优点是，当在将插接模块通过插上运动50插入插接区域46中时产生高电压时，在插接模块16之外没有导电元件。每个总线联接部56也可具有井状壁64，通过该井状壁一方面可在插上时提供运动引导并且另一方面防止从触点对54到总线触点58上的电压电弧。
图10示出了带有联接装置18的插接模块16的与插接侧48相对的后侧。通过联接装置18提供高压联接部20，其可具有高压正极触点66和高压负极触点68。附加地，联接装置18可具有通信总线联接部70，插接模块16通过该通信总线联接部与机动车的通信总线、例如CAN总线(CAN-控制器局域网络)相连接。机动车电池10的高电压在高压正极触点66和高压负极触点68之间得到。
在图11中示出了一种接触保护部72，其可分别在联接装置18中的高压正极触点66和高压负极触点68中提供。高压正极触点66和高压负极触点68可通过金属销74或另一接触元件74提供，该金属销或另一接触元件可布置在具有电绝缘的井状壁78的井状部76、例如塑料井状部中。朝向井口的方向，可在接触元件74上布置电绝缘的盖80。由此，不能将手指或工具插入井状部76中并由此建立与接触元件74的电连接。由此，即便在将插接模块插到模块堆14上之后也可靠地避免了，装配工与处于高电压下的导电元件接触。
在图12中示出了在装配阶段期间的插接模块16。在壳体60中可提供载体板82，在载体板上可布置总线联接部56。载体板82也可具有用于使总线触点58相连接的导体电路。通过接线装置84可提供触点对54的电触点86。相邻联接区52的触点86可通过能导电的桥形元件88相互连接。总地来说，由此可通过一个能导电的、例如可由铝制成的型材元件90提供两个触点86和一个桥形元件88。
在图13中再次单个示出了插接模块16的各元件。通过载体板82可使总线联接部56与电池管理系统92电连接，电池管理系统同样可集成在插接模块16中。电池管理系统92可通过总线联接部56与所有电池模块12的控制电路40交换数据，并且由此以已知的方式控制机动车电池10。电池管理系统92也可与通信总线联接部70相耦联，从而电池管理系统92也可与机动车的通信总线交换数据。
在图14中再次示出了插接模块16的各个可单个制成的元件。
在图15中示出了接线装置84。接线装置84的彼此相对置的侧94、96的型材90可相对彼此错位地布置，从而交替地在侧94和侧96上，相邻联接区52的触点86分别通过桥形元件88连接并且由此将单个电池模块12的插接联接部24的电压抽头28连接成串联电路。于是模块电压的总电压在高压触点66、68之间得到。如已经在图10中示出的那样，高压触点66、68实施在联接装置18中。通过接线装置84也可引起两个或多个电池模块12的并联。则为此设置触点86的其它接线方式。
在图16中示出，型材90的每个单个触点86可如何构造成由导电的材料制成的插接井状部。每个触点86可具有多个冷却肋96，通过冷却肋，即便在电流持久地、例如长于10分钟地位于额定电流强度或超过额定电流强度时都防止型材90过热。在每个井状部中可布置由能导电的金属丝制成的织物98。通过织物98可保证单个电池模块12的电压抽头28的正极30和负极32与每个型材90的触点86的井状壁之间的大面积接触。
机动车电池可如此装配，即，电池模块可在接触保护的条件下相互连接。在此证实了，电池模块12的控制电路的低压连结的功能和借助于接线装置84实施的高压接线以及电池管理系统92的提供可集成在一个构件中，即，插接模块16中。
织物98例如可造型成双曲面，从而在电触点插入时织物紧贴在电触点上。织物可定位或固定在塑料载体上，借助于塑料载体可在没有不期望的变形的情况下将织物插入触点86的相应的井状部中。
因此，该示例示出了这样的模块结构，即，其构造成扁平的并带有棱柱形锂离子单体。模块同时具备用于插接模块的连结部。该新的想法通过带有功能集成(即在插接模块中安置有用于高压连接的构件、用于总线联接的低压连接部、电池管理系统以及高压插接联接部)的全接触保护技术方案实现。如果存在足够的结构空间，甚至可将电池接线盒的功能集成在该插接模块中。如果存在充分的结构空间，甚至可将电池接线盒的功能集成在插接模块中。由此，在装配、再加工和维护期间便已有利地保证了在高电压区域中的完全接触保护。代替五个不同的构件，利用插接模块仅需要一个构件以使电池模块相互连接。实现了简单的装配。与传统的机动车电池相比，节省了结构空间和重量。此外，在研发和构件采购时得到更低的成本。通过节省体积，在机动车中可在没有附加的结构空间占用的情况下提供更多的机动车电池，由此以有利的方式还可提高电驱动的机动车的续航距离。
总地来说，该示例示出了，可如何通过本发明提供带有集成的电池管理低压和高压插头的高压插接模块。

Claims (10)

1.一种机动车电池(10)，具有多个电池模块(12)，所述电池模块分别不仅具有多个与共同的电压抽头(24)相连接的电流型的电池单体(36)而且具有与总线联接部(34)相耦联的控制电路(40)，该机动车电池还具有布置在所述电池模块(12)上的连接装置(12)，该连接装置用于使所有电池模块(12)的电压抽头(28)与高压电池联接部(20)相连接和用于使所有电池模块(12)的总线联接部(34)与电池管理系统(92)相连接，
其特征在于，
在每个电池模块(12)中分别将所述电压抽头(28)和所述总线联接部(34)集成到共同的插接联接部(24)中，所有电池模块(12)的插接联接部(24)都并排地(46)布置成一行，所述连接装置(12)被设计成唯一的、插到所有插接联接部(24)上的、具有电池管理系统(92)的插接模块(12)。
2.根据权利要求1所述的机动车电池(10)，其中，每个电池模块(12)具有自身的壳体(22)。
3.根据权利要求1或2所述的机动车电池(10)，其中，在所述电池模块(12)中，所述电池单体(36)分别设计成薄膜电池单体，每个电池模块(12)被设计成扁平的板。
4.一种用于根据权利要求1至3中任一项所述的机动车电池(10)的插接模块(16)，该插接模块具有：
-构造在壳体(22)上的插接侧(48)，该插接侧具有多个彼此邻近地布置的、分别具有电触点对(54)和总线联接部(56)的联接区(52)，
-布置在所述壳体(22)中的接线装置(84)，该接线装置用于使所述联接区(52)的触点对(54)相互电连接，
-布置在所述壳体(22)中且与所有接触区(52)的相应的总线联接部(56)相耦联的电池管理系统(94)，以及
-带有布置在所述壳体(22)上的高压联接部(20)的联接装置(18)，所述高压联接部用于输出通过在接线单元(84)中所连接的联接区(52)形成的高电压。
5.根据权利要求4所述的插接模块(16)，其中，在所述接触区(52)中，触点对(54)通过两个布置在相应的插接井状部(62)中的电触点(86)形成。
6.根据权利要求4或5所述的插接模块(16)，其中，所述高压联接部(20)具有两个布置在相应的插接井状部(78)中的、具有电绝缘的盖(80)的电接触销(74)。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的插接模块(16)，其中，所述接线装置(84)具有刚性的金属型材部件(90)，通过所述金属型材部件分别使一个联接区(52)的触点对(54)的电触点(86)与另一联接区(52)的触点对(54)的电触点(86)电流耦联。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的插接模块(16)，其中，提供至少一个被设计用于分别联接接触器的控制联接部，所述控制联接部与电池管理系统(94)的被设计用于控制接触器的控制装置相耦联。
9.一种机动车，具有至少一个根据所述权利要求中任一项所述的机动车电池(10)。
10.一种用于制造根据权利要求1至3中任一项所述的机动车电池的方法，该方法具有以下步骤：
-在所有电池模块的插接联接部电断开的情况下叠放所述电池模块，
-使所述插接联接部并排地取向，
-插上插接模块并由此同时连接所有电池模块的电压抽头和使总线联接部与电池管理系统相耦联。
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