-
Die Erfindung betrifft ein Verbindungssystem für eine Energiespeichereinrichtung und eine Energiespeichereinrichtung mit dem Verbindungssystem.
-
Energiespeichereinrichtungen werden beispielsweise zum Speichern bzw. Zwischenspeichern von elektrischer Energie verwendet. Solche Energiespeichereinrichtungen können u. a. Akkumulatoren- oder Batteriepacks mit mehreren Zellen, d. h. Speicherzellen umfassen.
-
Verbindungssysteme kommen in der Regel zum Einsatz, um einzelne Zellen, insbesondere Akkumulator- oder Batteriezellen, und/oder aus mehreren Zellen bestehende Einheiten der Energiespeichereinrichtung elektrisch miteinander zu verbinden. Durch entsprechende Verbindungssysteme können die einzelnen Zellen oder Zellverbände in geeigneter Weise zusammengeschaltet werden, so dass eine gewünschte Zielspannung an Polen oder Abgriffen der Energiespeichereinrichtung abgegriffen werden kann.
-
Die
WO 2011/038908 A1 offenbart eine Einrichtung zum elektrischen Zusammenschalten von Zellen eines Batteriepacks mittels Zellverbindern und ein Batteriepack mit den entsprechenden Zellverbindern. Die Zellverbinder sind als flexible Bügel aus elektrisch leitendem Material gebildet und auf einer Montageplatte mittels Haltemitteln gehaltert. Auf der Montageplatte sind erste Leiterbahnen angebracht, durch welche die Zellverbinder elektrisch miteinander verbunden sind. Zumindest einige der Zellverbinder kontaktieren zweite, ebenfalls auf der Montagplatte angeordnete Leiterbahnen, die dazu ausgebildet sind, Betriebsparameter der Zellen zu ermitteln oder zu messen. Die ersten und zweiten Leiterbahnen sind über elektrische Steckverbindungen, über Zwischenkontaktflächen oder Kabelverbindungen kontaktierbar.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verbindungssystem anzugeben. Insbesondere soll ein kostengünstiges und raumsparendes Verbindungssystem für eine Energiespeichereinrichtung bereitgestellt werden.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verbindungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Energiespeichereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
-
Es wird ein Verbindungssystem für eine Energiespeichereinrichtung zur Speicherung elektrischer Energie vorgeschlagen.
-
Vorzugsweise ist die Energiespeichereinrichtung als ein Akkumulator- oder Batteriepack ausgebildet und/oder umfasst zumindest einen Akkumulator, Akkumulatorpack oder Batteriepack. Die Energiespeichereinrichtung weist eine Mehrzahl an Zellen, insbesondere Akkumulator- oder Batteriezellen auf, welche vorzugsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind. Aber auch Verschaltung von NiMH-Zellen, Thermalbatterien und Zellen von Brennstoffzellen sind möglich. Möglich ist, dass jede Zelle eine oder mehrere Unterzellen umfassen kann. Die Speicherung elektrischer Energie in den Zellen kann elektrisch und/oder chemisch erfolgen.
-
Das Einsatzgebiet derartiger Energiespeichereinrichtungen ist vielfältig. Insbesondere eignen sich solche Energiespeichereinrichtungen zum Antrieb von Elektromotoren von Elektrofahrzeugen, zur dezentralen Speicherung und/oder Bereitstellung elektrischer Energie, insbesondere zur Bereitstellung von Energie in Flugzeugen. Insbesondere können diese Energiespeichereirichtungen verwendet werden, Energie in einem Energieversorgungsnetz zu puffern. Weitere Anwendungen sind denkbar, insbesondere Anwendungen im Bereich alternativer Antriebssysteme, insbesondere für Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge.
-
Des Verbindungssystem ist vorzugsweise plattenartig, d. h. in plattenartiger Form, ausgebildet. Auf Grund der plattenartigen Form kann, die Energiespeichereinrichtung beispielsweise dort bedeckt werden, wo Pole der Zellen angeordnet sind. Oder anders ausgedrückt, das Verbindungssystem kann durch die plattenartige Form Zellpole überdecken, die beispielsweise in einer gemeinsamen Zellpolebene angeordnet sein können. Bevorzugt ist das Verbindungssystem dazu ausgebildet, die Mehrzahl an Zellen der Energiespeichereinrichtung elektrisch miteinander zu verbinden, sodass eine sich entsprechend der mit der Verbindungssystem bewirkten Zusammenschaltung der Zellen ergebende Gesamtspannung abgegriffen werden kann.
-
Zum elektrischen Zusammenschalten der Zellen umfasst das Verbindungssystem eine Mehrzahl an Zellverbindern. Vorzugsweise kontaktieren die Zellverbinder bei Auflage des Verbindungssystems auf der Energiespeichereinrichtung jeweils einen positiven und einen negativen Pol zweier Zellen, um die beiden Zellen elektrisch miteinander zu verbinden. Der Zellverbinder kann beispielsweise eine rechteckige Form oder Außenkontur aufweisen, z. B. in Form eines rechteckigen Streifens ausgebildet sein. Der Zellverbinder ist dabei derart dimensioniert, dass er sich zur Herstellung einer elektrischen Verbindung vom Pluspol der einen Zelle zum Minuspol der anderen der zu verbindenden Zellen erstrecken kann. Neben der vorweg beschriebenen Reihenschaltung ist auch eine Parallelverschaltung der Zellen möglich.
-
Das Verbindungssystem umfasst ferner eine Speicherkontrolleinheit insbesondere zur Statusüberwachung der Zellen, insbesondere zur Überwachung eines Energievorrats oder Ladezustands der Zellen. Des Weiteren umfasst das Verbindungssystem eine Mehrzahl an Kontrollleitungen, die zur Übertragung elektrischer Signale zwischen den Zellverbindern und der Speicherkontrolleinheit geeignet und/oder ausgebildet sind. Anhand der übermittelten Signale erfasst und/oder erkennt und/oder überwacht die Speicherkontrolleinheit den Status, insbesondere Energievorrat oder Ladezustand, der Zellen, die durch den Zellverbinder zusammengeschaltet, d. h elektrisch miteinander verbunden, sind.
-
Erfindungsgemäß sind mindestens einer der Zellverbinder und mindestens eine diesem Zellverbinder zugeordnete, bzw. eine zu diesem Zellverbinder gehörende, Kontrollleitung als ein Übertragungselement gemeinsam, insbesondere einstückig, aus einem Halbzeug gefertigt.
-
Beispielsweise ist das Halbzeug als ein aufgewickeltes Metallband, insbesondere als ein so genanntes Coil ausgebildet. Im Speziellen werden der Zellverbinder und die diesem zugeordnete Kontrollleitung bei der Fertigung und insbesondere zeitgleich, insbesondere als eine Einheit, als das Übertragungselement aus dem Halbzeug, insbesondere Metallband, herausgetrennt, insbesondere gestanzt. Somit bilden Zellverbinder und die zugeordnete Kontrollleitung eine einstückige Einheit. Insbesondere sind der mindestens eine Zellverbinder und die mindestens eine dem Zellverbinder zugeordnete Kontrollleitung aus einem gemeinsamen Materialabschnitt des Halbzeugs gefertigt.
-
Bevorzugt ist, dass mehrere Übertragungselemente, umfassend jeweils Zellverbinder und Kontrolleitung, in einem Fertigungsgang, insbesondere zusammen und/oder zeitgleich, gefertigt werden. Hierzu können die mehreren Übertragungselemente z. B. beabstandet nebeneinander, gemeinsam und/oder zeitgleich aus dem Halbzeug herausgetrennt werden. Bevorzugt werden die zumindest für einen Abschnitt des Verbindungssystems erforderlichen Übertragungselemente, ggf. sogar alle Übertragungselemente eines Verbindungssystems, zeitgleich aus dem Halbzeug herausgetrennt.
-
Dadurch dass der Zellverbinder und die dem Zellverbinder zugeordnete Kontrollleitung, die zusammen das Übertragungselement bilden, gemeinsam aus dem Halbzeug gefertigt werden können, kann das Verbindungssystem hinsichtlich Design, Bauraum, Kosten und Gebrauchssicherheit vereinfacht bzw. optimiert werden.
-
Ein besonderer Vorteil ist, dass das Übertragungselement einteilig bzw. einstückig ausgebildet ist und der Schritt der Herstellung einer ansonsten erforderlichen elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen dem Zellverbinder und der Kontrollleitung entfallen kann. Insbesondere können Kosten dadurch eingespart werden, dass ansonsten erforderliche sog. Mischschweißverbindungen zwischen den Zellverbindern und den Kontrollleitungen entfallen.
-
Insbesondere wegen den nicht vorhandenen bzw. erforderlichen Mischschweißverbindungen oder anderer elektrischer Kontaktierungen und Verbindungen zwischen Zellverbinder und Kontrollleitung können auch vergleichsweise vorteilhafte elektrische Eigenschaften für das Übertragungselement erreicht werden.
-
Weiterhin ergibt sich durch die Einteiligkeit und Einmaterialigkeit, insbesondere die monolithische Ausgestaltung, der Übertragungselemente in vorteilhafter Weise eine einfache und schnelle Montage im Verbindungssystem. Erwähnenswert ist weiterhin, dass durch die einstückig aus dem Halbzeug hergestellten Übertragungselemente Bauraum im Verbindungssystem eingespart werden kann. Ferner ermöglichen die vorgeschlagenen Übertragungselemente auch Gewichtseinsparungen.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Übertragungselement als ein Stanzteil ausgebildet. Vorzugsweise wird das Übertragungselement bei der Fertigung aus dem Halbzeug, insbesondere dem Metallband, im Speziellen aus dem Coil, ausgestanzt.
-
In einer bevorzugten Ausbildungsform ist das Übertragungselement aus einem Stufenband gestanzt, welches im Stanzbereich unterschiedliche Dicken, insbesondere eine erste und eine zweite Dicke, aufweist. Vorzugsweise ist das Stufenband derart ausgebildet und/oder die Stanzung derart durchgeführt, dass der Zellverbinder des Übertragungselements die erste Dicke aufweist, und dass die dem Zellverbinder zugeordnete Kontrollleitung des Übertragungselements die zweite Dicke aufweist. Besonders bevorzugt ist die erste Dicke größer als die zweite Dicke.
-
Beispielsweise weist der Zellverbinder des Übertragungselements die erste Dicke von maximal 3,0 mm, vorzugsweise 2,0 mm, 1,5 mm oder 1,2 mm auf. Die dem Zellverbinder zugeordnete Kontrollleitung weist die zweite Dicke von vorzugsweise maximal 1,5 mm, vorzugsweise 1,0 mm, 0,7 mm, oder 0,5 mm auf. In bevorzugter Ausbildung beträgt die erste Dicke des Zellverbinders etwa 1,2 mm die zweite Dicke der Kontrollleitung etwa 0,5 mm.
-
Durch die Ausbildung des Zellverbinders und der Kontrollleitung in den unterschiedlichen Dicken kann die generell unterschiedliche und jeweils erforderliche Stromtragfähigkeit, d. h. Stromfestigkeit, der beiden Elemente berücksichtigt werden. Das bedeutet, dass die Dicke der elektrischen Leitersegmente des Übertragungselements entsprechend der jeweiligen Stromfestigkeit gewählt werden kann, indem als Halbzeug ein Stufenband mit entsprechenden Dickenstufen verwendet wird. In der Regel wird der über den Zellverbinder ein höherer Strom fließen als über die Kontrollleitung. Durch die gegenüber dem Zellverbinder reduzierte Dicke der Kontrollleitung kann Material und damit Gewicht eingespart werden.
-
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Übertragungselemente in einer Reihe angeordnet. Vorzugsweise sind hierzu mindestens zwei der Zellverbinder beabstandet zueinander in der Reihe, insbesondere fluchtend zueinander bzw. hintereinander, angeordnet, wobei sich von jedem der in Reihe angeordneten Zellverbinder die den jeweiligen Zellverbindern zugeordneten Kontrollleitungen weg erstrecken. Die Zellverbinder und/oder die Kontrollleitungen liegen bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene.
-
Die Kontrollleitungen können sich in einer geeigneten Leitungsführung zur Speicherkontrolleinheit oder zu einer für die Speicherkontrolleinheit vorgesehenen Aufnahme oder Schnittstelle hin erstrecken.
-
Optional ergänzend umfasst die Reihe aus mindestens zwei Zellverbindern und jeweils zugeordneten Kontrollleitungen des Weiteren zwei Abgriffeinrichtungen, welche zum Abgriff einer durch die Energiespeichereinrichtung erzeugten elektrischen Spannung, d. h. einer durch die von den Zellverbindern verbundenen Zellen erzeugten elektrischen Spannung, geeignet und/oder ausgebildet sind.
-
Insbesondere bilden mehrere der Übertragungselemente und optional ergänzend, die beiden Abgriffeinrichtungen, als Komponenten zusammen einen so genannten Leadframe des Verbindungssystems. Beispielsweise ist der Leadframe als ein Stanzgitter aus dem Halbzeug gebildet.
-
Vorzugsweise wird der Leadframe bei, während oder unmittelbar nach dem Stanzen mit Kunststoff umspritzt, sodass die den Leadframe bilden Komponenten sicher, insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden sind, nicht auseinanderfallen können, und zumindest teilweise vor Korrosion geschützt sind.
-
Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass das Verbindungssystem einen ersten und einen zweiten Leadframe umfasst. Hierbei ist es bevorzugt, dass einer der beiden Leadframes alle bisher genannten Komponenten, d. h. mindestens zwei Zellverbinder, die den Zellverbindern zugeordneten Kontrollleitungen und die beiden Abgriffeinrichtungen umfasst, wobei der andere der beiden Leadframes bevorzugt lediglich mindestens zwei Zellverbinder und zugehörige Kontrollleitungen umfasst.
-
Eine bevorzugte konstruktive Umsetzung der Erfindung sieht vor, dass sich die in einer Reihe angeordneten Zellverbinder des ersten Leadframes und die in einer Reihe angeordneten Zellverbinder des zweiten Leadframes gleichlaufend zueinander, insbesondere bezüglich einer Mittenebene zwischen den Reihen in symmetrischer Anordnung, erstrecken. Bevorzugterweise ist die Reihe der Zellverbinder des ersten Leadframes parallel zu der Reihe der Zellverbinder des zweiten Leadframes.
-
In einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung ist der erste Leadframe aus einem ersten Halbzeugabschnitt und der zweite Leadframe aus einem zweiten Halbzeugabschnitt des Halbzeugs gebildet. Insbesondere sind beide Leadframes aus demselben Halbzeug, insbesondere demselben Coil oder aus der gleichen Halbzeugart gefertigt. Somit weisen beide Leadframes das gleiche Ausgangsmaterial auf.
-
Besonders bevorzugt ist, dass der erste, und zweite Leadframe in einem gemeinsamen Trägerteil angeordnet sind. Vorzugsweise sind beide Leadframes in dem gemeinsamen Trägerteil stoffschlüssig integriert. Insbesondere können die beiden Leadframes wie bereits zuvor erwähnt mit dem Kunststoff umspritzt sein, der das Trägerteil bildet.
-
Das Trägerteil kann beispielsweise rechteckförmig, insbesondere rechteckig ausgebildet sein, wobei die beiden Leadframes an Längsseiten des rechteckförmigen Trägerteils angeordnet sind, bzw. entlang der Längsseiten verlaufen können. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verbindungssystems ist zwischen den beiden Leadframes die Speicherkontrolleinheit oder die hierfür vorgesehene Aufnahme bzw. Schnittstelle im Trägerteil angeordnet.
-
Vorzugsweise weist das Trägerteil die Aufnahme bzw. Schnittstelle für die Speicherkontrolleinheit auf. Die Speicherkontrolleinheit und die Aufnahme bzw. Schnittstelle sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Speicherkontrolleinheit in die Aufnahme eingesetzt, insbesondere lösbar eingesetzt, werden kann, bevorzugt in einfacher Weise eingesetzt und darin in ausreichendem Maße fest gehaltert werden kann.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass die Speicherkontrolleinheit bei Bedarf beschädigungs- und/oder zerstörungsfrei aus der Aufnahme wieder entnehmbar ist. Vorzugsweise wird die Speicherkontrolleinheit in die Aufnahme eingedrückt und/oder eingeclipst und/oder darin verrastet und/oder in sonstiger Weise durch mechanische Verbindungen in der Aufnahme gehaltert wird. Zur Befestigung der Speicherkontrolleinheit in der Aufnahme sind jedoch auch andere Verbindungsarten denkbar, insbesondere Lötverbindungen, Schweißverbindungen, Crimpverbindungen, Verstemmungen und dgl. Löt- und Schweißverbindungen können beispielsweise an elektrischen Kontaktelementen zwischen Speicherkontrolleinheit und der Schnittstelle ausgebildet werden.
-
Insgesamt eignen sich zum Haltern und Befestigen der Speicherkontrolleinheit in der Aufnahme form-, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindungen. Neben den erwähnten lösbaren Verbindungen kommen auch nicht lösbare Verbindungen in Betracht. Beispielsweise ist es möglich, dass die in die Aufnahme eingesetzte Speicherkontrolleinheit, ggf. nach einer Funktionskontrolle, durch eine i. W. nicht, d. h. nicht ohne Weiteres, lösbare Schweiß- oder Lötverbindung befestigt wird.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verbindungssystems sieht vor, dass das Trägerteil erste Kontaktfedern mit frei zugänglichen ersten Kontaktflächen aufweist. Vorzugsweise sind die Kontaktfedern durch Endbereiche der im Trägerteil angeordneten, insbesondere dort integrierten, Kontrollleitungen gebildet. Im Speziellen sind die Kontrollleitungen so im Trägerteil eingespritzt, dass deren Endbereiche freiliegen, insbesondere aus dem Trägerteil hervorstehen. Besonders bevorzugt ist, dass die Endbereiche abgewinkelt ausgebildet sind. In einer bevorzugten konstruktiven Umsetzung der Erfindung grenzen die Endbereiche der Kontrollleitungen, insbesondere deren Kontaktflächen, an die Seitenbereiche der Aufnahme für die Speicherkontrolleinheit an.
-
Optional weist die Speicherkontrolleinheit zweite Kontaktfedern mit zweiten Kontaktflächen auf. Vorzugsweise kontaktieren die zweiten Kontaktfedern mit den zweiten Kontaktflächen die ersten Kontaktfedern an den ersten Kontaktflächen, wenn die Speicherkontrolleinheit in die Aufnahme bzw. Schnittstelle eingesetzt ist. Bei eingesetzter Speicherkontrolleinheit und Kontaktschluss von ersten Kontaktfedern mit korrespondierenden zweiten Kontaktfedern kann eine Signalübertragung zwischen der Speicherkontrolleinheit und den Zellverbindern, und damit den Zellen der Energiespeichereinrichtung gewährleistet werden. Jeweils korrespondierende erste Kontaktfedern und zweite Kontaktfedern können vorzugsweise durch eine formschlüssige, kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden sein.
-
Zweckmäßigerweise ist das Halbzeug aus einem Blechmaterial mit hinreichenden Stromleitungseigenschaften gebildet. Beispielsweise kann das Halbzeug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet sein. Besonders bevorzugt ist jedoch, wenn das Halbzeug aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, beispielsweise aus Al 99.5, oder aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist. Dies weist den Vorteil auf, dass das Verbindungssystem ein geringeres Gewicht aufweist und kostengünstiger herstellbar ist als z. B. bei der Ausbildung aus Kupfer oder der Kupferlegierung. Beim Einsatz des Verbindungssystems bei einer zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs vorgesehenen Energiespeichereinrichtung, kann durch die Gewichtsreduzierung z. B. ein Energieverbrauch des Elektrofahrzeugs gesenkt werden.
-
Besonders bevorzugt ist das Halbzeug insbesondere in der Ausbildung aus Aluminium oder der Aluminiumlegierung, zumindest teil- und/oder abschnittsweise mit einem anderen Material plattiert, z. B. walzplattiert, und/oder beschichtet. Vorzugsweise sind zumindest elektrische Kontaktierungsstellen des Halbzeugs entsprechend plattiert und/oder beschichtet. Vorzugsweise ist bzw. wird bei der Plattierung bzw. Beschichtung ein zum Material des zu kontaktierenden Zellpols entsprechendes Material verwendet. Insbesondere in Frage kommen dabei Aluminium, Silber, Zinn, Gold und Legierungen derselben, insbesondere Kupferlegierungen und Aluminiumlegierungen.
-
Wenn beispielsweise die Zellpole aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet oder damit beschichtet sind, können die Zellverbinder bevorzugt zumindest teilweise mit Kupfer oder einer Kupferlegierung beschichtet sein. Dies ist hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit oder Materialverträglichkeit und hinsichtlich der Übergangswiderstände von Vorteil.
-
Generell sollten die in elektrischen Kontakt gebrachten Oberflächen, insbesondere der Zellpole, Zellverbinder usw., aus elektrisch kompatiblen Materialien bestehen. Sofern die Kernmaterialien der entsprechenden Elemente nicht oder weniger gut kompatibel sind, können, wie in obigem Beispiel bereits erwähnt, geeignete Beschichtungen verwendet werden.
-
In einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung sind die zweiten Kontaktfedern aus einer Kupferlegierung, insbesondere Bronze oder einer Bronzelegierung, beispielsweise CuSn6, oder Messing oder einer Messinglegierung gebildet. Je nach Materialkombinationen können unterschiedliche Beschichtungsmaterialien verwendet werden. Als Beschichtungsmaterialien kommen insbesondere in Frage: Kupfer, Aluminium, Silber, Zinn, Gold, sowie die genannten Elemente enthaltende Legierungen, Legierungen generell, insbesondere Kupferlegierungen und dergleichen. Bei der Wahl der Beschichtung sollte sichergestellt sein, dass sich vorteilhafte Übergangswiderstände zwischen den zu verbindenden elektrischen Kontakten ergeben. Insbesondere sollte eine vergleichsweise hohe Langzeitstabilität bzw. geringe Alterung der Beschichtungen sichergestellt werden, d. h. dass sich z. B. die Übergangswiderstände in Zeitverlauf möglichst wenig ändern. Neben der Verbesserung des Übergangswiderstands kommt Beschichtungen auch Korrosionsschutzfunktion zu, die ebenfalls langlebig und zeitstabil sein sollte.
-
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung mit dem Verbindungssystem nach Anspruch 1 und/oder einer beliebigen Ausgestaltung oder Variante desselben. Insbesondere wird auf die bisherige Beschreibung verwiesen. Vorzugsweise ist die Energiespeichereinrichtung als ein Akkumulator- oder Batteriepack ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich bei der Energiespeichereinrichtung um einen Hochvoltspeicher, insbesondere für Fahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge. Jedoch sind auch Niedervoltanwendungen, insbesondere Niedervoltspeicher denkbar.
-
Denkbar im Rahmen der Erfindung ist ebenfalls, dass die Energiespeichereinrichtung in stationären Anwendungen, insbesondere als Energiespeicher bzw. Zwischenspeicher, insbesondere in Stromnetzen, einsetzbar ist. Im Speziellen kann die Energiespeichereinrichtung dazu ausgebildet sein, als Spannungs- und Energiequelle eine elektromotorische Traktion oder einen elektromotorischen Antrieb zu gewährleisten. Denkbar ist es auch, die Energiespeichereinrichtung in Luftfahrtanwendungen, insbesondere in Flugzeugen, zur Energieversorgung bzw. Notstromversorgung, bereitzustellen und zu verwenden.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
-
1 eine perspektivische Draufsicht auf ein Verbindungssystem für eine Energiespeichereinrichtung;
-
2 das Verbindungssystem und die Energiespeichereinrichtung aus 1;
-
3 eine alternative Darstellung des Verbindungssystems aus 1;
-
4 eine Trägerplatte mit einer Mehrzahl an Zellverbindern und Kontrollleitungen;
-
5 ein aus einem Halbzeug gefertigtes Übertragungselement des Verbindungssystems aus 1;
-
6a eine Draufsicht auf einen ersten Leadframe des Verbindungssystems aus 1;
-
6b eine Draufsicht auf einen zweiten Leadframe des Verbindungssystems;
-
7 eine Detailansicht einer in der Trägerplatte aus 5 angeordneten Aufnahme für eine Speicherkontrolleinheit aus 5;
-
8 eine Speicherkontrolleinheit des Verbindungssystems aus 1;
-
9 eine Detailansicht der Kontaktierung zwischen der Speicherkontrolleinheit aus 7 und den Leadframes aus den 6a; 6b.
-
Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf ein Verbindungssystem 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verbindungssystem 1 ist dazu geeignet und/oder ausgebildet, auf einer Energiespeichereinrichtung 2 angeordnet zu werden und diese zu bedecken. Hierzu ist das Verbindungssystem 1 plattenartig ausgebildet, wobei es in Längs- und Lateralerstreckung etwa die gleiche Außenkontur wie die Energiespeichereinrichtung 2 aufweist.
-
Die Energiespeichereinrichtung 2 kann als ein Akkumulator- oder Batteriepack dazu ausgebildet sein, als Spannungsquelle den Antrieb eines Motors, z. B. in Elektrofahrzeugen zu gewährleisten. Andere, bereits weiter oben erwähnte Anwendungen der Energiespeichereinrichtung 2 wie z. B. als mobile/stationäre Zwischenspeicher in Energienetzen bzw. Stromnetzen, in der Luftfahrt oder in der Rüstungsindustrie.
-
Gemäß der Detaildarstellung der 2 umfasst die Energiespeichereinrichtung 2 eine Mehrzahl an Zellen 3, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder -Batterien. Die Zellen 3 sind benachbart nebeneinander zu einem Block bzw. Pack angeordnet. Jede Zelle 3 weist einen Plus- und Minuspol P; M auf, wobei neben dem Pluspol P einer ersten Zelle 3a der Minuspol M einer zweiten Zelle 3b angeordnet ist.
-
Wie in 1 gezeigt, umfasst das auf der Energiespeichereinrichtung 2 angeordnete Verbindungssystem 1 eine Mehrzahl an Zellverbindern 4. Die Zellverbinder 4 weisen eine rechteckige Außenkontur auf und sind beabstandet und elektrisch isoliert nebeneinander in einer ersten und zweiten Reihe 9; 10 aufgereiht.
-
Die in den beiden Reihen 9; 10 aufgereihten Zellverbinder 4 sind so im Verbindungssystem 1 integriert, dass bei dessen Auflage auf der Energiespeichereinrichtung 2 jeder Zellverbinder 4 einen Pluspol P und einen Minuspol M zweier nebeneinander angeordneter Zellen 3a; 3b bedeckt. Somit sind die beiden Zellen 3a; 3b über den die Pole P; M bedeckenden Zellverbinder 4 elektrisch zusammengeschaltet.
-
Das Verbindungssystem 1 weist eine Speicherkontrolleinheit 15 auf, die in einer Trägerplatte 8 zwischen den beiden Reihen 9; 10 in einer dafür vorgesehenen Aufnahme 16 angeordnet werden kann.
-
Gemäß 3 ist die Speicherkontrolleinheit 15 in die Aufnahme 16 einsetzbar und optional auch wieder aus dieser entnehmbar, ohne dass diese dadurch beschädigt oder zerstört wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Speicherkontrolleinheit 15 defekt ist und ersetzt werden muss.
-
Wie in 4 gezeigt, umfasst das Verbindungssystem 1 eine Mehrzahl an Kontrollleitungen 17, wobei jedem Zellverbinder 4 eine Kontrollleitung 17 zugeordnet ist. Die Kontrollleitungen 17 verbinden die ihnen zugeordneten Zellverbinder 4 mit der in der Aufnahme 16 anordbaren Speicherkontrolleinheit 15. Über die Zellverbinder 4 und die zugeordneten Kontrollleitungen 17 sind elektrische Signale zwischen den Zellen 3 der Energiespeichereinrichtung (siehe 2) und der Speicherkontrolleinheit 15 übertragbar. Anhand dieser Signale überwacht die Speicherkontrolleinheit 15 einen Energievorrat und/oder Ladezustand der Zellen 3.
-
Gemäß 5 bilden mindestens einer der Zellverbinder 41 und mindestens eine dem Zellverbinder 41 zugeordnete Kontrollleitung 171 ein Übertragungselement 5. Das Übertragungselement 5 ist aus einem Halbzeug 6, insbesondere aus einem aufgewickeltem Metallband, einem sog. Coil, gestanzt, wobei das Metallband aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist. Dies bedeutet, dass beide, insbesondere der das Übertragungselement 5 bildende Zellverbinder 41 und die zugehörige Kontrollleitung 171, als Stanzteil aus dem Halbzeug 6 hergestellt sind. Somit sind der Zellverbinder 41 und die Kontrollleitung 171 einstückig ausgebildet, insbesondere einstückig miteinander verbunden und/oder einmaterialig ausgebildet.
-
Das das Halbzeug 6 bildende Metallband ist als ein Stufenband mit einer ersten Dicke 11 und einer zweiten Dicke 12 ausgebildet, wobei die erste Dicke 11 größer als die zweite Dicke 12 ausgebildet ist. Das Übertragungselement 5 wird so aus dem Halbzeug 6 gestanzt, dass der Zellverbinder 41 die erste Dicke 11 mit 1,2 mm aufweist. Die dem Zellverbinder 41 zugeordnete Kontrollleitung 171 weist die zweite Dicke 12 mit 0,5 mm auf.
-
In den 6a und 6b ist gezeigt, dass mehrere Übertragungselemente 5 beabstandet nebeneinander aus einem gleichen Halbzeugabschnitt 14a; 14b ausgestanzt sind. Gemäß 6a bilden acht in der ersten Reihe 9 aufgereihte Übertragungselemente 5 einen ersten Leadframe 7a. In 6b ist ein zweiter Leadframe 7b gezeigt, der sieben in der zweiten Reihe 10 aufgereihte Übertragungselementen 5 und zusätzlich noch zwei Abgriffeinrichtungen 13 umfasst. Die Abgriffeinrichtungen 13 sind an den Enden der zweiten Reihe 10 angeordnet und weisen damit die gleiche erste Dicke 11 wie die Zellverbinder 4 auf. Über die beiden Abgriffeinrichtungen 13 kann eine durch die Energiespeichereinrichtung 2 erzeugte elektrischen Leistung abgegriffen und z. B. auf den Motor übertragen werden.
-
Die Abgriffeinrichtungen 13 ermöglichen weiterhin, dass die Energiespeichereinrichtung 2 an eine externe Energiequelle angeschlossen werden kann. Dadurch können die Zellen 4 (siehe 2), insbesondere in der Ausbildung als Akkumulatorzellen, wieder mit neuer Energie aufgeladen werden. Der Aufladevorgang wird von der Speicherkontrolleinheit 15 (siehe 3 oder 8) gesteuert. Diese erkennt den Ladezustand der Zellen 4 und steuert dementsprechend an, welche der Zellen 4 mehr oder weniger stark aufgeladen werden müssen. Hierbei ist es möglich, dass einzelne der Zellen 4 über die Kontrollleitungen 17 mit zusätzlicher Ladeenergie versorgt werden, um Ladeunterschiede der Zellen auszugleichen.
-
Die beiden in den 6a; 6b gezeigten Leadframes 7a; 7b sind aus dem gleichen Material gestanzt, wobei der erste Leadframe 7a aus einem ersten Halbzeugabschnitt 14a und der zweite Leadframe 7a aus einem zweiten Halbzeugabschnitt 14b gefertigt ist. Somit stammen beide Leadframes 7a; 7b als Stanzteile aus dem selben oder dem gleichen Halbzeug 6.
-
Wie in 4 gezeigt, sind der erste und zweite Leadframe 7a; 7b in dem gemeinsamen Trägerteil 8 stoffschlüssig integriert, insbesondere darin verspritzt. So werden die Leadframes 7a; 7b bei und/oder direkt nach ihrer Fertigung mit Kunststoff umspritzt und dadurch zusammengehalten. Die Leadframes 7a; 7b sind so umspritzt, dass die darin aneinandergereihten Zellverbinder 4 des ersten Leadframes 7a gleichlaufend oder sogar parallel zu den aneinandergereihten Zellverbindern 4 des zweiten Leadframes 7b angeordnet sind. Somit verlaufen die Leadframes 7a; 7b entlang der Längsseiten des Trägerteils 8 schienenartig.
-
7 zeigt die Trägerplatte 8 mit der Aufnahme 16 für die Speicherkontrolleinheit 15 und die in das Trägerteil 8 eingespritzten Kontrollleitungen 17 in einer Detailansicht. Die Kontrollleitungen 17 verlaufen von den Zellverbindern 4 zu Seitenbereichen, insbesondere zu Längsseiten der Aufnahme 16, wo sie abgewinkelte Endbereiche 18 aufweisen. Diese abgewinkelten Endbereiche 18 bilden erste Kontaktfedern 18 für die in die Aufnahme 16 einsetzbare Speicherkontrolleinheit 15. Die ersten Kontaktfedern 18 weisen an der zur Aufnahme 16 gerichteten Seite erste Kontaktflächen 19 auf.
-
Die Zellverbinder 4 und die Kontrollleitungen 17 sind aus Kosten- und Gewichtsgründen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. Zur besseren elektrischen Signalübertragung zwischen den Zellen 3 und der Speicherkontrolleinheit 15 (1) sind die ersten Kontaktfedern 18, zumindest aber die ersten Kontaktflächen 19 mit Kupfer oder einer Kupferlegierung beschichtet, insbesondere walzplattiert. Auch andere Beschichtungsmaterialien sind denkbar, insbesondere Silber, Zinn, Gold und Legierungen derselben.
-
In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Zellverbinder 4 und die Kontrollleitungen 17 vollständig aus Kupfer oder der Kupferlegierung gebildet. Dabei kann die Walzplattierung der ersten Kontaktfedern 18 dementsprechend entfallen, wenn diese bereits zum Oberflächenmaterial der Zellverbind er korrespondierende Oberflächen aufweisen. Generell kann bzw. sollte die Plattierung und/oder Beschichtung derart gewählt sein, dass die in Kontakt kommenden Elemente bzw. Oberflächen, insbesondere im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften, gleiche oder ähnliche Materialeigenschaften und – zusammensetzungen aufweisen. Der unter der entsprechenden Oberfläche gelegene Kern der jeweiligen Elemente ist dabei zunächst von geringerer Relevanz.
-
Insbesondere können elektrisch leitende und bei dem Verbindungssystem verwendete Elemente Kerne aus Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium oder Aluminiumlegierung oder einem Plattierverbund aus Kupfer und Aluminium und/oder Legierungen derselben aufweisen. Zur Anpassung, insbesondere zur Anpassung bzw. Optimierung der Übergangswiderstände sind die in Kontakt kommenden Elemente, insbesondere entsprechende Kontaktstellen, bevorzugt mit korrespondierenden Beschichtungen bzw. Plattierungen versehen.
-
In 8 ist die Speicherkontrolleinheit 15 in einer Detaildarstellung gezeigt. Die Speicherkontrolleinheit 15 umfasst eine Mehrzahl an abgewinkelten zweiten Kontaktfedern 20. Die zweiten Kontaktfedern 20 ragen von den Längsseiten der Speicherkontrolleinheit 15 heraus und weisen auf der zur Speicherkontrolleinheit 15 abgewandten Seite zweite Kontaktflächen 21 auf.
-
Die zweiten Kontaktfedern 20 sind aus Kupfer oder einer Kupferlierung gebildet, beispielsweise Messing, eine Messinglegierung, Bronze oder eine Bronzelegierung. Um die Kontaktierung und die Signalübertragung zwischen den Kontaktflächen 19; 21 der ersten und zweiten Kontaktfedern 18; 20 zu verbessern, können die zweiten Kontaktfedern 20, zumindest aber deren zweite Kontaktflächen 21, mit einer zur Oberfläche der ersten Kontaktfedern 18 korrespondierenden, bzw. mit einer an die Oberflächenbeschaffenheit der ersten Kontaktfedern 18 angepassten, Beschichtung oder Plattierung versehen sein. Je nach Kern und Oberfläche der ersten Kontaktfedern 18 eignen sich für die zweiten Kontaktfedern 20 Beschichtungen/Plattierungen mit Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Zinn und Legierungsmaterialien mit den genannten Elementen.
-
Generell eigenen sich als Kontaktpaarungen zwischen miteinander zur Stromleitung in Kontakt gebrachten Elementen insbesondere die folgenden Kombinationen: Kupfer-Kupfer, Aluminium-Aluminium, Kupfer beschichtet – Aluminium, Kupfer – Aluminium beschichtet, Kupfer beschichtet – Aluminium beschichtet. Der Begriff ”beschichtet” soll dabei Beschichten und Plattieren umfassen. Selbst bei artgleichen Kombinationen, wie z. B. Kupfer – Kupfer oder Aluminium – Aluminium, können Beschichtungen, beispielsweise aus Silber, Gold, Zinn und anderen, insbesondere als Korrosionsschutz, verwendet werden. Insgesamt zeigt sich, dass die zu kontaktierenden Elemente gleiche oder verschiedene Kerne aufweisen können, wobei durch Beschichtungen und/oder Plattierungen erreicht wird, dass artgleiche Kontaktflächen miteinander in Kontakt kommen.
-
In 9 ist gezeigt, dass sich die ersten und zweiten Kontaktfedern 18; 20 an ihren Kontaktflächen 19; 21 berühren, wenn die Speicherkontrolleinheit 15 in die Aufnahme 16 eingesetzt ist. Dadurch dass sich die ersten und zweiten Kontaktflächen 19; 21 kontaktieren, wird die elektrische Verbindung zur Signalübertragung zwischen der Speicherkontrolleinheit 15 und den Zellverbindern 4 und dadurch den Zellen 3 der Energiespeichereinrichtung 2 (siehe 2) hergestellt. Dadurch wird die Überwachung des Energievorrats und/oder Ladezustands der Zellen 3 und die Steuerung des Ladevorgangs, insbesondere einer zu ladenden Energiemenge durch die Speicherkontrolleinheit 15 ermöglicht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verbindungssystem
- 2
- Energiespeichereinrichtung
- 3
- Zellen
- 4
- Zellverbinder
- 5
- Übertragungselement
- 6
- Halbzeug
- 7
- Leadframe
- 8
- Trägerplatte
- 9
- erste Reihe
- 10
- zweite Reihe
- 11
- erste Dicke
- 12
- zweite Dicke
- 13
- Abgriffeinrichtungen
- 14
- Halbzeugabschnitt
- 15
- Speicherkontrolleinheit
- 16
- Aufnahme
- 17
- Kontrollleitungen
- 18
- Endbereiche/erste Kontaktfedern
- 19
- erste Kontaktflächen
- 20
- zweite Kontaktfedern
- 21
- zweite Kontaktflächen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
