CN116508193A - 电池单体接触装置和具有这种电池单体接触装置的电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于具有多个电池单体(12)的电池模块(10)的电池单体接触装置(20)，所述电池单体通过多个单体连接器(16)彼此电耦联，所述电池单体接触装置具有刚性的印刷电路板(21)，所述印刷电路板在所述多个单体连接器(16)旁边的区域中布置在电池单体(12)上方并且通过多个接触元件(30)与所述多个单体连接器(16)连接。为了安装的简化和可靠性，多个接触元件分别由导电的导线(32)形成，其中，导线(32)在接触元件(30)的第一端部区段(31a)上与印刷电路板(21)导电连接并且在接触元件(30)的相对置的第二端部区段(31b)上可以与相应的单体连接器(16)导电连接和/或耦联到与相应的单体连接器(16)可接触的传感器元件(34)上。

Description

电池单体接触装置和具有这种电池单体接触装置的电池模块
技术领域
本发明涉及一种用于具有多个电池单体和/或电池单体组的电池模块的电池单体接触装置，所述电池单体和/或电池单体组通过多个单体连接器彼此电耦联，以及涉及一种具有这种电池单体接触装置的电池模块。
背景技术
单体管理控制器(CMC)，其监控电池模块的各个电池单体，以便例如执行电池单体的充电过程、电压和充电状态的平衡、调温过程等，需要电池单体接触装置，以便接触电池单体和/或单体连接器，以便获得例如电池单体的电势和温度的相应的测量信号。传统的电池单体接触装置要求用于将信号源连接到信号线路系统上的高的制造技术和安装技术耗费。此外，在传统的电池单体接触装置中经常存在这样的危险，即，电池单体或单体连接器的接触在电池单体运动或膨胀时损坏。
发明内容
本发明的任务是，提供一种具有简单的结构和简单的并且持久可靠的安装的改进的电池单体接触装置。
所述任务通过具有权利要求1的特征的电池单体接触装置来解决。本发明的特别有利的设计方案和改进方案是从属权利要求的主题。
本发明的电池单体接触装置被设计用于具有多个电池单体和/或电池单体组的电池模块，所述电池单体和/或电池单体组通过多个单体连接器彼此电耦联，使得它们根据电池单体的布置和定向串联和/或并联连接。所述电池单体接触装置具有印刷电路板，所述印刷电路板可以在所述多个单体连接器旁的区域中布置在所述电池单体(组)上方并且可以通过多个接触元件与所述多个单体连接器连接，其中，所述多个接触元件分别具有朝向所述印刷电路板的第一端部区段和朝向所述多个单体连接器中的相应单体连接器的与所述第一端部区段对置的第二端部区段。根据本发明提出，多个接触元件分别由导电的导线形成，该导线(i)在接触元件的第一端部区段和第二端部区段之间延伸，(ii)在接触元件的第一端部区段上与印刷电路板导电地连接，并且(iii)在接触元件的第二端部区段上与相应的单体连接器导电地连接和/或被耦联到与相应的单体连接器能接触的传感器元件上。将多个电池单体和/或电池单体组彼此电耦联的多个单体连接器也可以被称为集流排或母线系统。在该上下文中，接触元件由特征形成的特征应当意味着，接触元件不仅在某个地方包含导线而且基本由导线构成。
对于接触元件使用导电的导线具有若干优点。导线是标准构件，其具有简单的结构，该结构可变地设计并且可以与具体的应用情况适配，并且该标准构件在没有附加的特殊元件的情况下实现与印刷电路板(并且因此与印刷电路板的信号线路)并且与单体连接器的简单的电接触(例如通过钎焊或焊接)，这些电接触也可自动化地进行。这能够实现将电池单体接触装置简单且成本有利地安装在电池模块中。此外，这些接触元件的柔性可以补偿电池单体的运动和膨胀，这些运动和膨胀例如可能在充电和放电循环期间出现，这在刚性的接触系统中是不可能的。此外，这些导线可以以简单的方式耦联到检测电池单体和/或单体连接器的特性的传感器元件上(例如温度传感器)。导线接触元件的柔性还有利地实现使用刚性的印刷电路板，该印刷电路板实现在制造和安装中的更容易的操作以及在其上安装诸如电子电路元件的构件。刚性的印刷电路板的形状和尺寸原则上可以与电池模块的任意结构、尤其是与电池单体的任意布置、尺寸和数量适配。同样，导线接触元件的数量、长度、取向和位置原则上可以适配于电池模块的任意结构，尤其适配于用于电池单体的单体连接器的任意布置、形状和数量。
所述多个接触元件的导线可以优选地分别在所述接触元件的第一端部区段上在穿过所述印刷电路板的至少一个穿通接触部中或者在在所述印刷电路板的表面上的至少一个接触区上与所述印刷电路板导电连接。在穿通接触部的情况下，导线原则上可以从印刷电路板的任意侧被引入到穿通接触部中。在接触区的情况下，这些接触区优选处于印刷电路板的背离电池单体(组)的上侧上。导线在穿通接触部或接触区上的接触优选可以通过钎焊进行，该钎焊也可以自动化地进行。
此外，所述多个接触元件的导线优选地分别被设计成能够在所述接触元件的第二端部区段上与相应的单体连接器的表面焊接。导线在单体连接器上的接触优选可以通过超声焊接方法进行，这需要很少的时间耗费并且能够自动化地进行。
如果导线耦联到传感器元件上，则这种耦联例如可以通过钎焊进行并且传感器元件优选地被设计成能够与相应的单体连接器的表面连接。根据传感器元件的类型，与单体连接器的连接例如可以通过粘合、钎焊或焊接进行。
在本发明的实施方式中，接触元件的导线在接触元件的第一和第二端部区段之间单相地延伸，其中，所述导线的在所述接触元件的第一端部区段上的一个端部与所述印刷电路板导电连接，并且所述导线的在所述接触元件的第二端部区段上的另一个端部与相应的单体连接器导电连接。导线的单相延伸意味着单个的连接线路或者例如接触元件的I形。
在本发明的其他实施方式中，接触元件的导线在接触元件的第一和第二端部区段之间多相地延伸，其中，导线的在接触元件的第一端部区段上的端部与印刷电路板导电连接，并且导线的在接触元件的第二端部区段上的(单弯曲的、多弯曲的或直线的)弧部与相应的单体连接器导电连接。在本发明的又一个其他的实施方式中，接触元件的导线在接触元件的第一和第二端部区段之间多相地延伸，其中，导线的在接触元件的第一端部区段上的(单弯曲的、多弯曲的或直线的)弧部与印刷电路板导电连接，并且导线的在接触元件的第二端部区段上的端部能够与相应的单体连接器导电连接。导线的多相走向意味着至少两个连接线路或例如接触元件的U形或W形。导线的多相走向具有在印刷电路板和相应的单体连接器之间的冗余连接和/或单独的测量和操控连接的附加的优点。
电池单体接触装置的多个接触元件可以可选地全部以前述三个实施方式中的相同的或不同的实施方式来实现。
在本发明的设计方案中，电池单体接触装置还具有至少一个信号管理电路，该信号管理电路安装在印刷电路板上或与印刷电路板连接。该信号管理电路本身与电池模块控制器连接或者集成在该电池模块控制器中。电池模块控制器例如至少部分地根据通过电池单体接触装置获得的测量信号执行充电过程、电压和充电状态的平衡、调温过程(例如尤其是冷却过程)等。电池单体接触装置、信号管理电路和电池模块控制器也可以被共同地称为单体管理控制器(CMC)。
在本发明的另外的设计方案中，电池单体接触装置的印刷电路板可以具有至少一个通风口(例如呈多个孔或一个间隙的形式)。这种通风口可以有助于在刚性印刷电路板下方的电池单体的冷却过程。
本发明的主题也是一种具有多个电池单体和/或电池单体组的电池模块，所述电池单体和/或电池单体组彼此并列布置并且分别具有至少一个正电极端子和至少一个负电极端子；多个单体连接器，所述单体连接器分别将所述多个电池单体(组)中的相邻的电池单体(组)的电极端子互相电连接；以及本发明的上述电池单体接触装置，其中，所述印刷电路板在所述多个单体连接器旁边的区域中布置在所述电池单体(组)上方，并且所述多个接触元件的导电的导线分别在所述接触元件的第二端部区段上与相应的单体连接器导电连接和/或耦联到与相应的单体连接器接触的传感器元件上。所述多个接触元件的导线优选地分别在所述接触元件的第二端部区段上通过超声焊接方法与相应的单体连接器焊接。
电池单体通过单体连接器互相连接并且通过电池模块的电端子与用电器或充电系统可连接。电池单体和电池单体接触装置优选都容纳在模块壳体中。本发明不限于多个电池单体(组)的任何特定数量、尺寸或布置。
本发明可以以有利的方式应用于车辆、尤其电动车辆和混合动力车辆并且尤其机动车和摩托车的电池模块，并且也可以应用于能量存储系统和其他电设备。
附图说明
本发明的上述的特征以及另外的特征和优点借助附图从下面对优选的、非限制性的实施例的描述中被更好地理解。在此，部分示意地示出：
图1A示出根据本发明的第一实施例的被装入电池模块中的电池单体接触装置的俯视图；
图1B示出根据本发明的第二实施例的被装入电池模块中的电池单体接触装置的俯视图；
图2示出在图1A/图1B的电池单体接触装置下面的多个电池单体的可能布置的立体图；
图3和图4示出图1A/图1B的电池单体接触装置的局部立体图；
图5至图8示出根据本发明的各种实施方式的各个接触元件的详细立体图；
图9示出可能用于接触元件的跳线的图示；
图10示出根据本发明的实施方式的具有传感器元件的接触元件的详细立体图；并且
图11至图13示出根据本发明的各种另外的实施方式的各个接触元件的详细立体图。
具体实施方式
现在参照图1至图4示例性地更详细地阐述电池模块10和根据本发明的电池单体接触装置20的基本结构。
电池模块10具有布置在模块壳体11中的多个电池单体12(可选地至少部分地呈多个电池单体组的形式)。在该实施例中，电池单体在图1A/图1B的左右方向上彼此并列布置并且分别在上端部区域中具有正电极端子13和负电极端子14，其中，电池单体12的正电极端子13和负电极端子14交替地布置，使得如图2所示，一个电池单体12的正电极端子13邻近一个相邻电池单体12的负电极端子14。
如在图1A和图1B中所示，在电池单体组件上布置有多个单体连接器16，所述多个单体连接器分别具有两个接触区域16a、16b和在两个接触区域16a、16b之间的(优选弹性的)补偿区域16c。单体连接器16分别通过其两个接触区域16a、16b将电池单体12的正电极端子13与相邻的电池单体12的负电极端子14耦联，从而在该实施例中，得出电池模块10中的电池单体12的串联电路。具有通过单体连接器16电耦联的电池单体12的电池模块10的系统对于本领域技术人员而言基本是已知的，并且本发明不局限于其专门的结构，因此可以省去更详细的示出和描述。
如图1A和图1B所示，电池模块10还包括电池单体接触装置20，该电池单体接触装置布置在电池单体12和单体连接器16上方的模块壳体11中。电池单体接触装置20基本由刚性的印刷电路板21组成，该印刷电路板优选可以被设计为多层的印刷电路板。在这些实施例中，印刷电路板21具有基本矩形的基本形状并且被如此确定尺寸，使得该印刷电路板基本在电池单体组件的整个长度上延伸并且配合在单体连接器16的两排之间。
如在图1A和图1B中所表明的那样，印刷电路板21或其信号线路通过多个接触元件30与单体连接器16导电连接。接触元件30被设置在印刷电路板21的两个长侧棱边上。接触元件30的数量对应于单体连接器16的数量，并且接触元件30分别与单体连接器16的接触区域16a或16b连接。因此，电池模块10的电池单体12的电极端子13、14的电势可以通过接触元件30检测。
如图3和图4所示，接触元件30分别具有朝向印刷电路板21的第一端部区段31a和朝向相应单体连接器16的与第一端部区段31a对置的第二端部区段31b。接触元件30分别基本由导电的导线32构成，所述导电的导线在接触元件30的两个端部区段31a、31b之间延伸。优选地，导电的导线32是金属线。导线32在接触元件30的第一端部区段31a上与印刷电路板21(更准确地说，印刷电路板的信号线路)导电连接，并且在接触元件30的第二端部区段31b上，导线32与相应的单体连接器16的接触区域16a或16b导电连接。导线32与印刷电路板21的连接已经在印刷电路板21的制造过程中进行，而导线32与单体连接器16的连接在将印刷电路板21安设到电池模块10中的电池单体组件上之后进行。
将导线用于接触元件30自然地、也就是说在没有另外的附加措施的情况下产生接触元件的弹性，也就是说，第二端部区段31b相对于刚性印刷电路板21上的第一端部区段31a的不仅在垂直于刚性印刷电路板的平面的方向上而且在平行于刚性印刷电路板的平面中的可能的运动。由此，接触元件30能够补偿电池单体12在不同取向中的膨胀以及运动，所述膨胀和运动例如可能在充电和放电循环期间出现。
如在图4中所示，电池单体接触装置20也可以具有一对接触元件30，其中，导线32在第二端部区段31b上耦联到传感器元件34(例如温度传感器)上。在这种情况下，传感器元件34与相应单体连接器16的接触区域16b接触。
此外，在图1A的实施例中，在印刷电路板21上安装有电子的信号管理电路22，接触元件30经由印刷电路板21的(未示出的)信号线路与该信号管理电路连接。信号管理电路22例如被设计成执行电压测量方法并且评估从接触元件30获得的测量信号。如图1A所示，信号管理电路22可以经由连接接口23与电池模块控制器24连接。该电池模块控制器24例如用于执行充电过程、电压和充电状态的平衡、调温过程、如尤其是冷却过程等，其中，这些过程至少部分地根据通过电池单体接触装置20获得的测量信号或其信号管理电路22获得的测量值来执行。
图1B的实施例与图1A的实施例的区别在于，在印刷电路板21中没有集成信号管理电路20，而是在印刷电路板21上设置与外部信号管理电路22'的连接接口25。外部信号管理电路22'同样通过连接接口23与电池模块控制器24连接。
如图1A和图1B所示，在这些实施例中，印刷电路板21均具有多个孔作为通风口26，用于辅助处于其下的电池单体12的冷却过程。备选地或附加地，印刷电路板21也可以具有至少一个在刚性的印刷电路板的大部分长度上延伸的通风间隙作为通风口26。这些通风口26用于辅助电池模块10的冷却过程。
下面现在示例性地更详细地描述电池单体接触装置20的接触元件30的不同的具体实施方式。
图5至图8分别示出实施方式，其中，导线32在接触元件30的第一端部区段31a上被引入到印刷电路板21中的穿通接触部36中并且在该穿通接触部36中例如通过钎焊与印刷电路板21或者相应的信号线路导电连接。在接触元件30的第二端部区段31b上，导线32分别与相应的单体连接器16的接触区域的表面导电地连接，例如焊接(优选借助超声焊接方法)。
接触元件30的导线32可以可选地在印刷电路板21的背离电池单体12的上侧上引入到穿通接触部36中(参见例如图5、7、8)或者在印刷电路板21的朝向电池单体12的下侧上引入到穿通接触部36中(参见例如图6)。
导线32可以在接触元件30的两个端部区段31a、31b之间单相地延伸(例如，参见图8)，即，具有单个连接线路的大致I形。在这种情况下，导线32的在接触元件30的第一端部区段31a上的一个端部在印刷电路板21的上侧上插入并且钎焊到印刷电路板21中的穿通接触部36中，并且导线32的在接触元件30的第二端部31b上的另一个端部与相应的单体连接器16焊接。可选地，导线32也可以在图8的实施变型方案中在印刷电路板21的朝向电池单体12的下侧上的第一端部区段31a上引入到穿通接触部36中。
备选地，导线32可以在接触元件30的两个端部区段31a、31b之间多相地延伸(例如，参见图5、6、7)，即，例如具有两个连接线路的大致U形。在这种情况下，导线32的在接触元件30的第一端部区段31a上的两个端部插入并且钎焊到印刷电路板21中的两个穿通接触部36中，并且导线32的在接触元件30的第二端部区段31b上的弯曲的弧部(图5、6)或者基本直线的弧部(图7)与相应的单体连接器16焊接。通过这种多相过程，可以通过所述接触元件30来实现冗余的电压测量。
对于在图5至图7中示出的接触元件30，优选可以使用跳线，如其示例性地在图9中示出的那样。
图10示出一个实施方式，其中，在接触元件30的第一端部区段31a上的多相延伸的导线32插入印刷电路板21中的穿通接触部36中并且在该穿通接触部36中例如通过钎焊与印刷电路板21或相应的信号线路导电地连接，并且在接触元件30的第二端部区段31b上耦联到传感器元件34(例如温度传感器)上。传感器元件34与各个单体连接器16的表面接触(例如通过粘合)，以便例如检测相应的电池单体的温度。可选地，导线32也可以在图10的实施变型方案中单相地在接触元件30的两个端部区段之间延伸和/或在印刷电路板21的朝向电池单体12的下侧上的第一端部区段31a上引入到穿通接触部36中。
图11至图13分别示出一个实施方式，其中，导线32在接触元件30的第一端部区段31a上不是钎焊在至少一个穿通接触部36中而是钎焊在印刷电路板21的表面上的接触区38上。在接触元件30的第二端部区段31b上，该导线32也分别与相应的单体连接器16的接触区域的表面导电地连接，例如焊接(优选借助超声焊接方法)。在图11至图13的实施方式中，导线32钎焊所在的接触区38设置在印刷电路板21的上侧上；备选地也可能的是，设置用于将导线32钎焊在印刷电路板21的下侧上的接触区38上。
在图11的实施方式中，导线32在接触元件30的两个端部区段31a、31b之间多相地延伸，其中，导线32的在接触元件30的第二端部区段31b上的两个端部与相应的单体连接器16焊接，并且导线32的在接触元件30的第一端部31a上的基本直线的弧部(备选地，弯曲的弧部)被钎焊在印刷电路板21上的接触区38上。
在图12的实施方式中，导线32在接触元件30的两个端部区段31a、31b之间同样多相地延伸。但是，在此，导线32的在接触元件30的第一端部区段31b上的两个端部被钎焊在印刷电路板21上的两个接触区38上(备选地在共同的接触区上)并且导线32的在接触元件30的第二端部区段31b上的基本直线的弧部(备选地弯曲的弧部)与相应的单体连接器16焊接。
在图13的实施方式中，导线32在接触元件30的两个端部区段31a、31b之间仅单相地延伸，其中，导线32的在所述接触元件30的第一端部区段31b上的一个端部被钎焊在印刷电路板21上的接触区38上，并且所述导线32的在所述接触元件30的第二端部区段31b上的另一个端部与相应的单体连接器16焊接。
在本发明的由所附权利要求限定的范围内，也可以想到接触元件30的另外的实施方式，所述实施方式例如包含图5-8和10-13的实施方式的特征的其他特征变型方案和/或其他组合。例如，也可以类似于图10的实施方式将图11、12、13的实施方式与传感器元件34组合。例如，图5-7和10-12的实施方式的多相延伸的导线也可以包括多于两个的连接线路，例如作为W形。
具有根据本发明的电池单体接触装置20的所描述的电池模块10例如能够用于车辆、尤其是电动车辆和混合动力车辆并且尤其是机动车和摩托车，或者用于能量存储系统或者用于其他的电设备(例如电子家用设备)。
附图标记列表
10 电池模块
11 模块壳体
12 电池单体
13 正电极端子
14 负电极端子
16 单体连接器
16a、16b 单体连接器的接触区域
16c 单体连接器的补偿区域
20 电池单体接触装置
21 印刷电路板
22 信号管理电路
22' 外部信号管理电路
23 用于电池模块控制器的连接接口
24 电池模块控制器
25 与外部信号管理电路的连接接口
26 通风口
30 接触元件
31a 朝向印刷电路板的第一端部区段
31b 朝向相应的单体连接器的第二端部区段
32 导电的导线
34 传感器元件
36 穿通接触部
38 接触区

Claims (10)

1.一种用于电池模块(10)的电池单体接触装置(20)，所述电池模块具有多个电池单体(12)和/或电池单体组，所述多个电池单体和/或电池单体组通过多个单体连接器(16)彼此电耦联，其中，电池单体接触装置(20)具有印刷电路板(21)，所述印刷电路板能够在所述多个单体连接器(16)旁边的区域中布置在电池单体(12)和/或电池单体组上方并且能够通过多个接触元件(30)与所述多个单体连接器(16)连接，
其中，所述多个接触元件(30)分别具有朝向印刷电路板(21)的第一端部区段(31a)和与第一端部区段(31a)相对置的第二端部区段(31b)，所述第二端部区段朝向所述多个单体连接器(16)中的一个相应的单体连接器，并且
所述多个接触元件(30)分别由能导电的导线(32)形成，其中，导线(32)在接触元件(30)的第一端部区段和第二端部区段(31a、31b)之间延伸，其中，导线(32)在接触元件(30)的第一端部区段(31a)上与印刷电路板(21)导电地连接，并且导线(32)在接触元件(30)的第二端部区段(31b)上能够与所述相应的单体连接器(16)导电连接和/或被耦联到能够被置于与所述相应的单体连接器(16)接触的传感器元件(34)上。
2.根据权利要求1所述的电池单体接触装置(20)，其中，所述多个接触元件(30)的导线(32)分别在接触元件(30)的第一端部区段(31a)上在穿过印刷电路板(21)的至少一个穿通接触部(36)中或者在在印刷电路板(21)的表面上的至少一个接触区(38)上与印刷电路板(21)导电连接。
3.根据权利要求1或2所述的电池单体接触装置(20)，其中，所述多个接触元件(30)的导线(32)分别被设计成能够在接触元件(30)的第二端部区段(31b)上与所述相应的单体连接器(16)的表面焊接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体接触装置(20)，其中，所述多个接触元件(30)的至少一个导线(32)单相地在接触元件(30)的第一端部区段和第二端部区段(31a、31b)之间延伸，其中，导线(32)的在接触元件(30)的第一端部区段(31a)上的一个端部与印刷电路板(21)导电连接，并且导线(32)的在接触元件(30)的第二端部区段(31b)上的另一个端部与所述相应的单体连接器(16)导电连接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体接触装置(20)，其中，所述多个接触元件(30)的至少一个导线(32)多相地在接触元件(30)的第一端部区段和第二端部区段(31a、31b)之间延伸，其中，导线(32)的在接触元件(30)的第一端部区段(31a)上的端部与印刷电路板(21)导电连接，并且导线(32)的在接触元件(30)的第二端部区段(31b)上的弧部能够与所述相应的单体连接器(16)导电连接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体接触装置(20)，其中，所述多个接触元件(30)的至少一个导线(32)多相地在接触元件(30)的第一端部区段和第二端部区段(31a、31b)之间延伸，其中，导线(32)的在接触元件(30)的第一端部区段(31a)上的弧部与印刷电路板(21)导电连接，并且导线(32)的在接触元件(30)的第二端部区段(31b)上的端部能够与所述相应的单体连接器(16)导电连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体接触装置(20)，所述电池单体接触装置还具有至少一个信号管理电路(22、22')，所述至少一个信号管理电路被安装在印刷电路板(21)上或者与印刷电路板(21)连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体接触装置(20)，其中，所述印刷电路板(21)具有至少一个通风口(26)。
9.一种电池模块(10)，所述电池模块具有：
多个电池单体(12)和/或电池单体组，所述多个电池单体和/或电池单体组彼此并列地布置并且分别具有至少一个正电极端子(13)和至少一个负电极端子(14)；
多个单体连接器(16)，所述多个单体连接器分别将所述多个电池单体(12)和/或电池单体组中的相邻的电池单体和/或电池单体组的电极端子(13、14)互相电连接；和
根据前述权利要求中任一项所述的电池单体接触装置(20)，其中，印刷电路板(21)在所述多个单体连接器(16)旁边的区域中布置在所述电池单体(12)和/或电池单体组上方，并且所述多个接触元件(30)的能导电的导线(32)分别在接触元件(30)的第二端部区段(31b)上与相应的单体连接器(16)导电连接和/或被耦联到与所述相应的单体连接器(16)接触的传感器元件(34)上。
10.根据权利要求9所述的电池模块(10)，其中，所述多个接触元件(30)的导线(32)分别在接触元件(30)的第二端部区段(31b)上通过超声焊接方法与相应的单体连接器(16)焊接。
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