CN114927832A - 电池系统、模块连接器和用于替换电池系统中的故障的电池单体模块的方法 - Google Patents

电池系统、模块连接器和用于替换电池系统中的故障的电池单体模块的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种尤其用于电运行的车辆的电池系统，该电池系统带有：至少两个电池单体模块(3)，其分别具有一定数量的电池单体(7)；和至少一个模块连接器(5)，其将两个电池单体模块(3)彼此电联接。根据本发明，模块连接器(5)两件式地构造，亦即带有连结在第一电池单体模块(3)的接触部位(11)、尤其模块终端处的连接器部段(9)和连结在第二电池单体模块(3)的接触部位(11)、尤其模块终端处的连接器部段(9)，其中，这两个连接器部段(9)在例如在维护情况下可无破坏地脱开的接合部位(F)处彼此电连接。

Description

电池系统、模块连接器和用于替换电池系统中的故障的电池 单体模块的方法
技术领域
本发明涉及一种电池系统、一种模块连接器以及一种用于替换电池系统中的故障的电池单体模块的方法。
背景技术
这种类型的用于电运行的车辆的电池系统具有电池单体模块，在所述电池单体模块中分别布置有电池单体。在每个电池单体模块中设置有电流汇流排，所述电流汇流排将电池单体彼此电连接。电池单体模块的电流汇流排经由模块连接器彼此电连接。
在现有技术中这样的模块连接器无分离部位(例如，片式连接器是由多个层构成的组，即不是一件式的并且是现有技术)地实施，并且焊接在电池单体模块的模块终端上，并且由此不可脱开地连结在电池单体模块的模块终端或电池单体极或模块中的汇流排处。故障的电池单体模块因此不能无破坏地从模块连接器或从还完好的电池单体模块脱开。这具有该缺点，即故障的电池单体模块在维护情况下的替换是工作耗费的。
由US 2015/0140409 A1已知一种电流存储模块和电流存储电池单体。EP 1 333511 A2公开了一种电流波设备(Stromwellengeraet)。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种电池系统、一种模块连接器和一种用于替换电池系统中的故障的电池单体模块的方法，该方法快速地且成本有利地实现故障的电池单体模块在维护情况下的替换。
该目的通过根据本发明的特征来实现。
根据本发明，模块连接器两件式地构造。模块连接器具有连结在第一电池单体模块的接触部位、尤其模块终端处的连接器部段以及连结在第二电池单体模块的接触部位处的连接器部段。两个连接器部段在例如在维护情况下可无破坏地脱开的接合部位处彼此电连接。为了替换故障的电池单体模块，因此足够的是，将两个连接器部段在接合部位处彼此脱开。这具有该优点，即连接器可以自动化地并且以成本有利的方式焊接到电池单体模块的接触部位、尤其模块终端上，并且尽管如此随时通过在接合部位处脱开连接器部段实现故障的电池单体模块的替换。不需要破坏在连接器部段与接触部位之间的焊接连接用于替换。
优选地，两个连接器部段可以在接合部位处经由可脱开的夹持连接部和/或螺旋连接部和/或插接连接部彼此连接。尤其地，螺旋连接部在此具有该优点，即螺旋连接部可以简单地拆卸。
特别优选地，螺旋连接部可以构造有旋拧螺栓，该旋拧螺栓的螺栓杆与旋拧螺母共同作用。在螺旋连接部中，因此连接器部段可以在旋拧螺栓的螺栓头与旋拧螺母之间尤其在通过螺旋连接部产生的张紧力的作用下张紧，并且由此彼此力配合地连接。通过预设不同的理论转矩可以调整张紧力和由此力配合连接的强度。这具有该优点，即螺旋连接部能够以简单的方式尤其在电池系统不同地设计尺寸的情况下适配于不同的负载。
在一具体的实施方式中，连接器部段可以彼此无搭接地布置，亦即在两个连接器部段的接合边缘之间形成螺栓穿引部的情况下，旋拧螺栓的螺栓杆引导通过该螺栓穿引部。也就是说，连接器部段在接合平面中延伸并且在接合边缘处在端侧相对而置地且彼此间隔开地布置。这具有该优点，即不必例如通过对连接器部段进行钻孔来单独地提供螺栓穿引部。
在一优选的实施方式中，相应的连接器部段的接合边缘可以具有向相对而置的连接器部段的方向敞开的以及优选地半圆形的凹处。凹处横向于螺旋轴线在两侧由边缘侧翼限制，其中，尤其在组装状态下，连接器部段的彼此相对而置的边缘侧翼处于对接连接中或稍微彼此间隔开。由此，螺栓穿引部具有基本上连续无中断的开口边缘，并且连接器部段可以在接合部位的区域中彼此对接地定位或彼此以仅较小的间隙定位。螺栓穿引部在这种情况下多数由凹处提供。由此对于相邻的电池单体模块的电联接的必需的结构空间减少，在该结构空间中，连接器部段可以在利用凹处的情况下被更近地推移到一起以形成螺栓穿引部。此外，构件成本减少(铜=昂贵)，并且可以独立于相邻的模块拆卸/装配。
优选地，连接器部段可以制造为通用件。这具有该优点，即在用于电池系统的装配的部件供应中，所有连接器部段可以相同地来处理，由此物流耗费减少。变体减少也导致更小的看管耗费(数据维护，质量保障)。
特别优选地，接合部位可以除了螺旋连接部之外具有至少一个保险元件，该保险元件在连接器部段横向于螺旋轴线、也就是说尤其在接合平面中受拉伸负载的情况下阻止连接器部段从螺旋连接部中意外脱开。拉伸负载由此不仅仅由螺旋连接部吸收，而且也按份额地通过保险元件吸收。这具有该优点，即在使用保险元件的情况下，螺旋连接部可以更小地设计尺寸，或者为了建立螺旋连接部应施加的转矩可以更小地选择。
在一具体的实施方式中，保险元件可以是保险弓形架(Sicherungsbuegel)，所述保险弓形架可以与两个连接器部段的配对轮廓形状配合连接。由此得到力配合连接和形状配合连接，所述力配合连接和形状配合连接相比于纯螺旋连接具有更高的连接强度。
在一优选的实施方式中，保险弓形架可以材料统一地和/或一件式地模制在螺栓头处，尤其在螺栓头下侧处。保险弓形架由此与旋拧螺栓一起形成整体式构件。由此简化螺旋连接部的装配，因为保险弓形架不必附加于螺旋连接部的旋拧螺栓来添加，而是在使用旋拧螺栓时已经一并提供。
在一特别优选的实施方式中，每个连接器部段可以是尤其板条状的板材部件。尤其地，板条状的板材部件的较窄的横向板材棱边在此可以形成接合边缘，并且在板条状的板材部件的至少一个纵向板材棱边处可以构造与保险弓形架共同作用的配对轮廓。备选于此或附加于此，保险弓形架尤其可以包围纵向板材棱边。由于配对轮廓在该实施方式中直接通过连接器部段提供，可以省去附加的构件，所述附加的构件尤其将使螺旋连接部的装配变得困难。
优选地，每个电池单体模块中的电池单体可以经由至少一个电流汇流排彼此电联接，其中，电流汇流排与电池单体模块接触部位电连接。由此不是每个电池单体单独地与电池单体模块接触部位连接。取而代之，全部的电池单体模块借助于电流汇流排与电池单体模块接触部位电连接。这具有该优点，即这样的电池单体模块可以特别结构空间有利地制造。
在一具体的实施方式中，相应的连接器部段可以经由焊接连接连结到配属的电池单体模块接触部位处。如上文已经提到的那样，这样的焊接连接可以容易自动化并且因此可以成本有利地制造。备选于焊接连接，连接器部段和电流汇流排也可以材料统一地构造为共同的构件。这具有该优点，即可以省去否则必需的焊接连接。由此降低电池系统的制造耗费。
优选地，在螺旋连接部中可以设置有尤其弹性屈服的垫片，该垫片布置在旋拧螺母与连接器部段之间。尤其地，借助于垫片确保从旋拧螺母到连接器部段中的均匀的张紧力导入。这具有该优点，即相对于没有垫片的螺旋连接部在张紧力相同的情况下提高了在连接器部段之间的力配合连接的强度。垫片的另一功能在于，该垫片补偿螺旋连接部中的设置力损失(Setzkraftverlust)。尤其针对螺旋连接部的部件和/或连接器部段由铝制成的情况，通过补偿设置力损失得到在接合部位处的可靠的且耐用的力配合连接。
特别优选地，在接合部位处彼此连接的连接器部段可以在电池组装时作为预装配单元来提供。由此省去在已经装配的电池单体模块中在接合部位处设置螺旋连接部。这具有该优点，即螺旋连接部可以已经在电池系统的电池壳体之外完成构造，并且可以省去在已经装配的电池单体模块之间的耗费的装配工作。如此制造的预装配单元优选地可以在焊接过程中连结到电池单体模块接触部位处。如上文已经提到的那样，这种焊接过程可以简单自动化，使得预装配单元可以成本有利地连结到电池单体模块接触部位处。
不仅螺旋连接部的部件而且连接器部段优选地可以由纯铝或铝合金制造。相比于制造由铜或铜合金构成的同一部件得到显著的成本节省。
本发明还涉及一种用于替换电池系统中的故障的电池单体模块的方法。在该方法中，故障的电池单体模块经由传统的、也就是说一件式的模块连接器与能运转的电池单体模块电联接。为了仍实现替换，在第一过程步骤中将一件式的连接器分开并且取出故障的电池单体模块。在第二过程步骤中加工保留在能运转的电池单体模块处的连接器残留部，亦即优选地在形成包括凹处以及边缘侧翼在内的接合边缘和/或配对轮廓的情况下。在能运转的电池单体模块处由此产生连接器部段，该连接器部段在接合部位的区域中与上文已经描述的连接器部段相一致。接着在第三过程步骤中因此将带有根据上述实施方案的模块连接器的连接器部段的新的电池单体模块插入到电池系统中。接着在第四过程步骤中将两个电池单体模块的连接器残留部和连接器部段在形成螺旋连接部的情况下彼此连接。该方法具有以下优点：即使在一件式的模块连接器(其尤其焊接在电池单体模块接触部位处)的情况下也简化故障的电池单体模块的替换。
附图说明
下面依据附图描述本发明的实施例。
其中：
图1以示意性的侧视图示出了电池系统，在该电池系统中，两个电池单体模块借助于两件式的模块连接器彼此电联接；
图2示出了相应于图1的视图，其中，模块连接器从电池单体模块脱开；
图3以分解图示出了模块连接器；
图4根据图1中绘制的剖切伸延线A-A以从上方的视图示出了在接合部位处的螺旋连接部；
图5以侧剖视图示出了电池系统，在该电池系统中，连接器部段与电池单体模块的电流汇流排材料统一地构造并且构造为共同的构件；以及
图6至图9以侧剖视图示出用于替换故障的电池单体模块的方法的过程步骤。
具体实施方式
在图1中示出了电池系统1，在该电池系统中两个电池单体模块3经由两件式的模块连接器5彼此电联接。在每个电池单体模块3中容纳有一定数量的电池单体7。模块连接器5具有两个构造为通用件的连接器部段9，所述连接器部段在接合部位F处彼此电连接。连接器部段9中的每个在背对接合部位F的端部处与电池单体模块3的接触部位11(也参见图2)、尤其模块终端焊接连接。在接合部位F处，连接器部段9借助于螺旋连接部连接。
接合部位F的构造依据图3可看出。螺旋连接部具有旋拧螺栓12，该旋拧螺栓由螺栓杆13和材料统一地且一件式地联结在螺栓杆处的螺栓头15形成。附加地，螺旋连接部具有垫片17和旋拧螺母19。如依据图1可看出的那样，连接器部段9在螺旋连接部的装配状态下在通过螺旋连接部施加的张紧力的作用下在螺栓头15与旋拧螺母19之间张紧，也就是说处于力配合连接。在此，为了均匀导入通过螺旋连接部施加的张紧力，垫片17中间放置在旋拧螺母19与连接器部段9之间。
如这依据图3可看出的那样，连接器部段9构造为带有较窄的横向板材棱边21和两个纵向板材棱边23的板条状的板材部件。横向板材棱边21分别构造连接器部段9的接合边缘。在图1中示出，连接器部段9在接合部位F中在形成螺栓穿引部B的情况下彼此无搭接地布置。也就是说，连接器部段9处于接合平面E(参见图3)中并且在接合部位F的区域中彼此间隔开，从而在连接器部段9的横向板材棱边23之间构造螺栓穿引部B，螺栓杆13引导穿过该螺栓穿引部。
在图4中示出了沿着图1中表明的剖切平面A-A的剖视图。在连接器部段9的横向板材棱边21处分别设置有半圆形的凹处23。凹处23横向于螺旋轴线S(参见图3)在两侧由边缘侧翼27限制。
在螺栓头15处材料统一地且一件式地模制有保险弓形架29。保险弓形架29与配对轮廓31接合，所述配对轮廓与保险弓形架29共同作用，并且所述配对轮廓构造在连接器部段9的纵向板材棱边23处。通过保险弓形架29与配对轮廓31的共同作用，连接器部段9借助于保险弓形架被带到形状配合。在横向于螺旋轴线S(参见图3)到连接器部段9上的拉伸负载FZ的情况下，所述连接器部段不仅通过由螺旋连接部提供的力配合连接，而且附加地也借助于通过保险弓形架29接合到配对轮廓31中提供的形状配合连接保持在一起。由此阻止连接器部段9从螺旋连接部中意外脱开。
在图2中，模块连接器5构造为预装配单元，该预装配单元在联接电池单体模块3之前预装配。为此，如依据图3可看出的那样，首先将两个连接器部段9在形成螺栓穿引部B的情况下彼此定位。接着将旋拧螺栓12(参见图1)以螺栓杆13引入到螺栓穿引部B中，使得保险弓形架29接合到连接器部段9处的配对轮廓31中。接着在连接器部段9的背对螺栓头15的侧面处将垫片17插上到螺栓杆13上。在此，保险弓形架29也接合到设置在垫片17处的配对轮廓31中。在拉伸负载FZ的作用下，因此不仅产生了在连接器部段9之间在螺栓头15上延伸的负载路径，而且附加地产生了在连接器部段9之间在垫片17上延伸的另外的负载路径。
接着将旋拧螺母19旋拧到螺栓杆13上，亦即在连接器部段9在螺栓头15与旋拧螺母19之间张紧的情况下。将以这种方式制造的预装配单元，如这依据图2可看出的那样，以相应的连接器部段9焊接到电池单体模块3的接触部位11上。
如这依据图1可看出的那样，电池单体模块3中的电池单体7分别经由电流汇流排33彼此电联接。此外，电流汇流排33与接触部位11电连接，从而在焊上预装配单元之后得到在电池单体模块3的电流汇流排33之间的导电连接。
在图5中示出的电池系统1中，连接器部段9与电流汇流排33材料统一地构造且构造为共同的构件。相比于图1中示出的电池系统1，因此在连接器部段9与接触部位11之间不需要焊接连接，从而可以省去焊上的过程步骤。
下面依据图6至图9说明如下方法，借助于该方法实现电池系统1中的故障的电池单体模块3的替换。在该方法中，从如下电池系统1出发，在该电池系统中，电池单体模块3借助于一件式的模块连接器5电联接。一件式的模块连接器5为此焊接到电池单体模块3的接触部位11上，也就是说不可脱开地连接。由此，模块连接器5不能无破坏地在接触部位11处脱开。
为了在维护情况下实现故障的电池单体模块3的替换，在第一过程步骤中，将模块连接器5在分离部位T处借助于分离工具35分开(参见图6)。接着将故障的电池单体模块3(在右边示出)取出，如这依据图7所示。在图8中现在示出了第二过程步骤，在该第二过程步骤中，在能运转的电池单体模块3(在左边示出)处保留有连接器残留部37。接着在分离部位T的区域中如此加工连接器残留部37，使得连接器残留部37在分离部位T的区域中具有和连接器部段9一样的几何结构和轮廓。也就是说，连接器残留部37也具有凹处25、边缘侧翼27和配对轮廓31。
在加工完连接器残留部37之后，在第三过程步骤中将新的电池单体模块3(在右边示出，参见图8)插入到电池系统1中，该新的电池单体模块具有连接器部段9。新的电池单体模块3如此定位在电池系统1中，使得连接器残留部37和连接器部段9中的凹处24构造螺栓穿引部B。在第四过程步骤中，如这依据图9可看出的那样，在接合部位F处建立螺旋连接部，亦即在连接器残留部37和连接器部段9在旋拧螺母19与螺栓头15之间张紧的情况下。
附图标记列表
1电池系统
3电池单体模块
5模块连接器
7电池单体
9连接器部段
11接触部位
12旋拧螺栓
13螺栓杆
15螺栓头
17垫片
19旋拧螺母
21横向板材棱边
23纵向板材棱边
25凹处
27边缘侧翼
29保险弓形架
31配对轮廓
33电流汇流排
35分离工具
37连接器残留部
B螺栓穿引部
E接合平面
F接合部位
FZ拉伸负载
S螺旋轴线
T分离部位。

Claims (10)

1.一种尤其用于电运行的车辆的电池系统，所述电池系统带有：至少两个电池单体模块(3)，其分别具有一定数量的电池单体(7)；和至少一个模块连接器(5)，其将所述两个电池单体模块(3)彼此电联接，其特征在于，所述模块连接器(5)两件式地构造，其带有连结在所述第一电池单体模块(3)的接触部位(11)、尤其模块终端处的连接器部段(9)和连结在所述第二电池单体模块(3)的接触部位(11)、尤其模块终端处的连接器部段(9)，并且所述两个连接器部段(9)在例如在维护情况下可无破坏地脱开的接合部位(F)处彼此电连接。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述两个连接器部段(9)在所述接合部位(F)处经由可脱开的夹持连接部、螺旋连接部和/或插接连接部彼此连接，并且/或者所述螺旋连接部构造有旋拧螺栓(12)，所述旋拧螺栓的螺栓杆(13)与旋拧螺母(19)共同作用，并且在所述螺旋连接部中所述连接器部段(9)在所述旋拧螺栓(12)的螺栓头(15)与所述旋拧螺母(19)之间张紧。
3.根据权利要求1或2所述的电池系统，其特征在于，所述连接器部段(9)彼此无搭接地布置，亦即在所述两个连接器部段(9)的接合边缘之间形成螺栓穿引部(B)的情况下，所述旋拧螺栓(12)的螺栓杆(13)引导通过所述螺栓穿引部。
4.根据权利要求3所述的电池系统，其特征在于，为了构造所述螺栓穿引部(B)，所述相应的连接器部段(9)的接合边缘(21)具有向尤其相对而置的连接器部段(9)的方向敞开的以及优选地半圆形的凹处(25)，所述凹处横向于螺旋轴线(S)在两侧由边缘侧翼(27)限制，并且尤其在组装状态下，所述连接器部段(9)的彼此相对而置的边缘侧翼(27)处于对接连接中或稍微彼此间隔开，使得所述螺栓穿引部(B)具有基本上连续无中断的开口边缘。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的电池系统，其特征在于，所述接合部位(F)除了所述螺旋连接部之外具有至少一个保险元件(29)，所述保险元件在所述连接器部段(9)横向于所述螺旋轴线(S)受拉伸负载(FZ)的情况下阻止所述连接器部段(9)从所述螺旋连接部中意外脱开。
6.根据权利要求5所述的电池系统，其特征在于，所述保险元件是保险弓形架(29)，所述保险弓形架能够与所述两个连接器部段(9)的配对轮廓(31)形状配合连接，并且尤其所述保险弓形架(29)材料统一地和/或一件式地模制在所述螺栓头(15)处，尤其在螺栓头下侧处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，其特征在于，每个连接器部段(9)是尤其板条状的板材部件，并且尤其所述板条状的板材部件的较窄的横向板材棱边(21)形成所述接合边缘，并且在所述板条状的板材部件的至少一个纵向板材棱边(23)处构造与所述保险弓形架(29)共同作用的配对轮廓(31)，并且/或者尤其所述保险弓形架(29)包围所述纵向板材棱边(23)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，其特征在于，每个电池单体模块(3)中的电池单体(7)经由至少一个电流汇流排(33)彼此电联接，并且所述电流汇流排(33)与所述电池单体模块接触部位(11)电连接，并且/或者所述相应的连接器部段(9)经由焊接连接连结到所述配属的电池单体模块接触部位(11)处，或者所述连接器部段(9)和所述电流汇流排(33)材料统一地构造为共同的构件。
9. 一种模块连接器，其用于根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(1)。
10.一种用于替换电池系统(1)中的故障的电池单体模块(3)的方法，在所述方法中，所述故障的电池单体模块(3)经由传统的、一件式的模块连接器(5)与能运转的电池单体模块(3)电联接，在所述方法中
在第一过程步骤中，将所述一件式的连接器(5)分开并且取出所述故障的电池单体模块(3)，
在第二过程步骤中，加工保留在能运转的电池单体模块(3)处的连接器残留部(37)，亦即优选地在形成包括凹处(25)以及边缘侧翼(27)在内的接合边缘(21)和/或配对轮廓(31)的情况下，
在第三过程步骤中，将带有根据权利要求9所述的模块连接器(5)的连接器部段(9)的新的电池单体模块(3)插入到所述电池系统(1)中，并且
在第四过程步骤中，将所述两个电池单体模块(3)的连接器残留部(37)和连接器部段(9)在形成所述接合部位(F)的情况下彼此连接。
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