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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ein Anschluss, durch welchen ein elektrischer Pol des Batteriemoduls gebildet ist, ist mit einem elektrischen Leiter verbindbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie mit wenigstens zwei solchen Batteriemodulen und ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines Batteriemoduls.
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Bei der Fertigung von Batterien, welche in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, werden üblicherweise mehrere Batteriezellen zu sogenannten Batteriemodulen zusammengeschaltet, also elektrisch leitend miteinander verbunden. Mehrere solche Batteriemodule werden wiederum elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden die Batterie des Fahrzeugs. Die Batteriezellen und damit auch die Batteriemodule sowie die gesamte Batterie lassen sich prinzipbedingt nicht spannungsfrei schalten. Beim Handhaben der Batteriemodule, insbesondere beim Zusammenschalten von Batteriemodulen, treten daher Gefährdungen für die damit befassten Personen auf, welche es zu vermeiden gilt.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Kontaktieren eines Batteriemoduls wird zunächst ein elektrischer Leiter, beispielsweise ein Hochvoltkabel, an einem Gehäuse des Batteriemoduls angebracht. Am Batteriemodul ist der elektrische Pol, mit welchem das Hochvoltkabel verbunden werden soll, mittels eines aus einem Kunststoff gebildeten Deckels nach außen hin elektrisch isoliert. Dieser Deckel wird geöffnet, und anschließend wird der jeweilige Pol mittels einer Schraube mit dem Hochvoltkabel verschraubt. Hierfür ist an dem Hochvoltkabel ein Schraubgewinde vorzusehen. Durch das Verschrauben wird der elektrische Kontakt zwischen dem Hochvoltkabel und dem Pol des Batteriemoduls hergestellt. Anschließend wird der Deckel wieder geschlossen, so dass die Schraube nicht mehr zugänglich und eine Berührung derselben somit ausgeschlossen ist.
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Gemäß der ECE-Regelung R 100 muss beim Arbeiten mit Batteriemodulen darauf geachtet werden, dass ohne das Vorsehen eines zusätzlichen Basisschutzes der die Montage vornehmenden Personen bei Wechselstrom Berührungsspannungen von weniger als 30 Volt und bei Gleichstrom von weniger als 60 Volt nicht überschritten werden. Beim Zusammenschalten von Batteriemodulen können jedoch Grenzspannungen auftreten, welche mehr als 60 Volt betragen. Somit ist entweder konstruktiv ein Schutz dagegen vorzusehen, dass Strom führende Teile der Batteriemodule berührt werden können, oder aber es muss durch das Tragen einer speziellen Schutzkleidung für den notwendigen Schutz gesorgt werden.
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Wenn bei dem oben beschriebenen Verfahren der isolierende Deckel von dem Pol des Batteriemoduls entfernt ist, so ist eine Berührung desselben mit einem menschlichen Finger möglich. Beim Montageprozess des Verschraubens des Hochvoltkabels mit dem Pol des Batteriemoduls ist also Schutzkleidung notwendig, um einen Berührschutz sicherzustellen.
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Das Tragen von Schutzkleidung ist jedoch für die mit der Montage befassten Personen belastend und kann nicht über mehrere Stunden, sondern lediglich über kurze Zeiträume von etwa 30 Minuten durchgeführt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Batteriemodul der eingangs genannten Art, eine Batterie sowie ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines Batteriemoduls zu schaffen, welches bzw. welche eine besonders einfache und sichere Montage zulässt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul ist der Anschluss, durch welchen der elektrische Pol des Batteriemoduls gebildet ist, als Aufnahme mit einem Aufnahmeraum für einen als Stecker ausgebildeten Endbereich des elektrischen Leiters ausgebildet. Bei in den Aufnahmeraum eingeführtem Stecker ist der Stecker in dem Aufnahmeraum lagegesichert gehalten. Durch das Vorsehen der Aufnahme, in welche zum elektrischen Kontaktieren des Pols der Stecker eingeführt werden kann, lässt sich besonders einfach eine berührungssichere Möglichkeit des Kontaktierens von Batteriemodulen bereitstellen, ohne dass Schutzkleidung getragen werden muss. Es können nämlich an dem Stecker und in dem Aufnahmeraum die den elektrischen Kontakt sicherstellenden Komponente besonders einfach elektrisch isoliert und somit so ausgebildet werden, dass eine Berührung derselben verhindert ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Aufnahmeraum ein elastisches Element angeordnet, mittels welchem der Stecker mit einer entgegen einer Einführrichtung desselben wirkenden Kraft beaufschlagbar ist. Dadurch bringt das elastische Element ein elektrisch leitendes Kontaktelement des Steckers in Anlage mit einem aufnahmeseitigen, aus einem elektrisch leitenden Material gebildeten Widerlager, wenn der Stecker in den Aufnahmeraum eingeführt ist. Auf diese Weise ist ein besonders guter Kontakt zwischen dem Kontaktelement des Steckers und dem Widerlager sichergestellt, welcher mit einem besonders geringen Übergangswiderstand einhergeht.
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Bevorzugt weist das elastische Element an seiner dem Stecker zugewandten Seite eine Abdeckung aus einem elektrisch isolierenden Material auf, welche dazu ausgebildet ist, bei nicht in den Aufnahmeraum eingeführtem Stecker eine Zugangsöffnung der Aufnahme zumindest bereichsweise zu verschließen. So kann verhindert werden, dass ein Fremdkörper oder ein Finger über die Zugangsöffnung in den Aufnahmeraum eingeführt und so in Kontakt mit Strom führenden Komponenten der Aufnahme gebracht werden kann. Die Aufnahme ist dadurch besonders berührsicher.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Stecker in den Aufnahmeraum eingeführt ist, wobei der Stecker eine topfförmige und aus einem elektrisch isolierenden Material gebildete Kappe aufweist, welche ein elektrisch leitendes Kontaktelement des Steckers bereichsweise abdeckt. So kann besonders weitgehend sichergestellt werden, dass das elektrisch leitende Kontaktelement vor Berührungen gesichert ist.
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Dies gilt insbesondere, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Kappe ein Berühren des Kontaktelements mit einem Gegenstand eines Durchmessers von 12,5 mm verhindert. Ein solcher Berührschutz entspricht demjenigen, welcher gemäß dem sogenannten IP-Code der Schutzart 2 entspricht. Dadurch, dass hier ein Schutz gegen ein Eindringen fester Fremdkörper mit einem Durchmesser ab 12,5 mm sichergestellt ist, ist auch der Zugang mit einem menschlichen Finger nicht gegeben.
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Wenn das elektrisch leitende Kontaktelement des Steckers und das aufnahmeseitige Widerlager ringförmig ausgebildet sind, so lässt sich eine besonders gute Anlage des Kontaktelements an dem Widerlager sicherstellen.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Aufnahme eine Hülle aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, welche eine Zugangsöffnung freigibt, über welche der Stecker in den Aufnahmeraum einführbar ist. Dann ist besonders weitgehend sichergestellt, dass keine Gefahr bringende Berührung der Aufnahme zu befürchten ist.
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Schließlich ist es von Vorteil, wenn Wände des Aufnahmeraums aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sind. Dies vereinfacht es nämlich, durch Einbringen des Steckers in den Aufnahmeraum die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Stecker und dem Pol des Batteriemoduls herzustellen.
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Die erfindungsgemäße Batterie umfasst wenigstens zwei Batteriemodule, wobei durch den elektrischen Leiter die elektrischen Pole von wenigstens zwei der Batteriemodule miteinander verbunden sind. Auch bei mehreren elektrisch zusammen geschalteten Batteriemodulen mit den hierbei auftretenden hohen Spannungen lässt sich eine gefahrlose Kontaktierung sicherstellen, ohne dass hierfür Schutzkleidung zu tragen wäre.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines Batteriemoduls, welches eine Mehrzahl von elektrisch leitenden, miteinander verbundenen Batteriezellen umfasst, wird ein elektrischer Leiter mit einem Anschluss verbunden, durch welchen ein elektrischer Pol des Batteriemoduls gebildet ist. Zum Verbinden des elektrischen Leiters mit dem Anschluss wird ein als Stecker ausgebildeter Endbereich des elektrischen Leiters in einen Aufnahmeraum des als Aufnahme ausgebildeten Anschlusses eingeführt. Durch ein solches Fügeverfahren, bei welchem der Stecker in den Aufnahmeraum eingesteckt wird, lässt sich eine besonders einfache und sichere Montage sicherstellen.
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Die für das erfindungsgemäße Batteriemodul beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Batterie und das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 das Anschließen eines Hochvoltkabels an ein Batteriemodul gemäß dem Stand der Technik; und
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2 schematisch einen als Aufnahme ausgebildeten elektrischen Pol eines Batteriemoduls, wobei ein als Stecker ausgebildeter Endbereich eines Hochvoltkabels zum elektrischen Kontaktieren des Batteriemoduls in einen Aufnahmeraum der Aufnahme eingeführt wird.
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Ein in 1 gezeigtes Batteriemodul 10 umfasst eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein können. Diese Batteriezellen sind in dem Batteriemodul 10 elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch eine aus einem Gehäuse des Batteriemoduls 10 herausgeführte Stromschiene 12 ist ein elektrischer Pol, in 1 beispielsweise ein Pluspol 14 des Batteriemoduls 10, gebildet. Durch eine weitere Stromschiene ist ein Minuspol 16 des Batteriemoduls 10 bereitgestellt.
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Die beiden elektrischen Pole sind sowohl von einer Oberseite her als auch von einer Unterseite her zugänglich, wenn ein aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeter Deckel 18 geöffnet ist. In einem in 1 gezeigten Ausschnitt 20 des Batteriemoduls 10 ist der Deckel 18 geöffnet dargestellt. Aus dieser Ansicht ist erkennbar, dass in dem Pluspol 14 und in dem Minuspol 16 Durchtrittsöffnungen vorgesehen sind. Mit dem Pluspol 14 und dem Minuspol 16 wird jeweils ein Hochvoltkabel 22 elektrisch leitend verbunden, welches von unten an den jeweiligen Pol montiert wird. In einem Endbereich 24 weist das Hochvoltkabel 22 einen Gewindeeinsatz 26 auf. Der Gewindeeinsatz 26 wird so ausgerichtet, dass er mit der in dem jeweiligen elektrischen Pol vorgesehenen Durchtrittsöffnung fluchtet. Anschließend wird das Hochvoltkabel 22 mittels einer Schraube 25 mit dem jeweiligen elektrischen Pol des Batteriemoduls 10 verschraubt.
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In der linken Ansicht in 1 ist das Hochvoltkabel 22 geschnitten gezeigt, wobei der Gewindeeinsatz 26 den Minuspol 14 von unten kontaktiert. Anschließend wird durch Schließen des Deckels 18 verhindert, dass die Schraube 25 oder einer der beiden Pole des Batteriemoduls 10 berührt werden kann. Jedoch wird etwa beim Verschrauben des Hochvoltkabels 22 mit dem jeweiligen elektrischen Pol der Deckel 18 entfernt, so dass in diesem Moment eine Berührung des Pols mit einem menschlichen Finger möglich ist.
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Insbesondere beim Zusammenschalten von solchen Batteriemodulen 10 mittels des Hochvoltkabels 22 können jedoch Spannungen von mehr als 60 Volt auftreten, so dass ein Schutz vor einer Berührung sichergestellt werden muss. Bei dem in 1 gezeigten Batteriemodul 10 ist hierfür das Tragen von Schutzkleidung notwendig. Dies ist jedoch für die mit der Montage einer solche Batteriemodule 10 umfassenden Batterie befassten Personen belastend und somit nicht über lange Zeiträume hinweg möglich.
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Bei dem in 2 schematisch gezeigten Batteriemodul 28 ist hingegen ein berührungssicheres Kontaktieren der elektrischen Pole mit einem Hochvoltkabel 30 möglich, ohne dass hierfür das Tragen von Schutzkleidung notwendig wäre.
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Das Batteriemodul 28 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 32, welche elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ein jeweiliger elektrischer Pol des Batteriemoduls 28 ist durch eine Aufnahme 34 bereitgestellt, welche einen Aufnahmeraum 36 umfasst. Seitenwände 38 sowie eine Decke 40 des Aufnahmeraums 36 sind durch ein elektrisch leitfähiges Material gebildet und zu einer Umgebung 42 der Aufnahme 34 hin mittels einer elektrisch isolierenden Hülle 44 isoliert. Durch die den Aufnahmeraum 36 begrenzenden Wände, nämlich die Seitenwände 38 und die Decke 40, ist das Ende einer die Batteriezellen 32 elektrisch kontaktierenden Kontaktschiene bereitgestellt, welches einen der elektrischen Pole des Batteriemoduls 28 bildet.
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Die Hülle 44 lässt lediglich eine Zugangsöffnung zu dem Aufnahmeraum 36 frei, deren Dimension im Wesentlichen denen eines Steckers 46 entspricht, welcher einen Endbereich des Hochvoltkabels 30 bildet. Im in 2 gezeigten Zustand ist jedoch selbst diese Zugangsöffnung durch eine Abdeckung 48 verschlossen, welche mittels einer Feder 50 oder eines derartigen elastischen Elements an der Decke 40 des Aufnahmeraums 36 gehalten ist. Durch die Abdeckung 48 ist somit ein Eingreifschutz bereitgestellt, welcher eine Berührung elektrisch leitenden Materials des elektrischen Pols des Batteriemoduls 28 mit einem Finger verhindert.
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Gegen die Kraft der Feder 50 kann der Stecker 46 in den Aufnahmeraum 36 eingeführt werden. Eine entsprechende Einführrichtung ist in 2 durch einen Pfeil 52 veranschaulicht. Beim Hindurchtreten durch die Zugangsöffnung liegt zudem eine Pressverbindung vor, d. h. es muss eine gewisse Kraft aufgewendet werden, um den Stecker 46 durch die Zugangsöffnung hindurch zu bewegen.
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Auch der Stecker 46 weist an seiner der Abdeckung 48 der Aufnahme 36 zugewandten Seite eine Abdeckung auf, welche als Kappe 54 ausgebildet ist. Diese Kappe 54 ist topfförmig, sie weist also einen in 2 der Abdeckung 48 zugewandten Boden und eine sich an den Boden anschließende, um eine Mittelachse des Hochvoltkabels 30 umlaufende Seitenwand 56 auf. An dem Boden dieser topfförmigen Kappe 54 ist ein aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildeter Kontaktring 58 des Hochvoltkabels 30 vorgesehen. Die Seitenwand 56 steht entgegen der Einführrichtung 52 über den Kontaktring 58 über, die Kappe 54 überlappt also den Kontaktring 58.
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Der Kontaktring 58 und die Seitenwand 56 haben eine gewisse elastische Nachgiebigkeit. Sie biegen sich also etwas nach unten und verringern so den Durchmesser des Steckers 46, wenn dieser über die Zugangsöffnung in den Aufnahmeraum 36 eingeschoben wird. Ränder der Zugangsöffnung werden durch ein Widerlager in Form eines um die Zugangsöffnung umlaufenden Stegs 60 der Aufnahme 34 gebildet, welcher vorliegend einstückig mit den Seitenwänden 38 ausgebildet ist. Der Steg 60 erstreckt sich in die Einführrichtung in den Aufnahmeraum 36 hinein, und er ist vorliegend sich in die Einführrichtung verjüngend ausgebildet.
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Wenn der Stecker 46 weit genug in den Aufnahmeraum 36 eingeschoben ist, wird er von der Kraft der Feder 50 nach unten gedrückt. Dadurch gelangt der Kontaktring 58 in Anlage mit dem ringförmigen Steg 60, und der elektrische Kontakt zwischen dem elektrischen Pol des Batteriemoduls 28 und dem Hochvoltkabel 30 ist hergestellt. Beim Einführen des Steckers 46 in den Aufnahmeraum 36 sorgt ein Kraftschluss dafür, dass der Stecker 46 gegen ein Herausfallen aus dem Aufnahmeraum 36 gesichert ist.
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Die Kappe 54 und der Kontaktring 58 des Steckers 46 sind so gestaltet, dass eine Berührung des Kontaktrings 58 mit einem Gegenstand eines Durchmessers von 12,5 mm nicht möglich ist. Somit entspricht der Berührschutz des Steckers 46 demjenigen mit dem IP-Code 2, welcher sicherstellt, dass ein Schutz gegen das Eindringen eines menschlichen Fingers gegeben ist.
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Wenn der Stecker 46 nicht in den Aufnahmeraum 36 eingeführt ist, so verschließt die Abdeckung 48 die Zugangsöffnung zu dem Aufnahmeraum 36. Auch hierbei ist dafür gesorgt, dass weder der Steg 60 noch die Seitenwände 38 oder die Decke 40 des Aufnahmeraums 36 mit einem Gegenstand oder einem Finger berührt werden kann, welcher einen Durchmesser von 12,5 mm aufweist.
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Somit sind sowohl der Stecker 46 als auch der durch die Aufnahme 34 gebildete elektrische Pol des Batteriemoduls 28 berührungssicher, und es können ohne das Tragen von Schutzkleidung zwei der vorstehend beschriebenen Batteriemodule 28 mittels des Hochvoltkabels 30 elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Das Berühren von stromführenden Teilen des Hochvoltkabels 30 oder der Aufnahme 34 ist hierbei über die gesamte Montagephase durch die Ausbildung der elektrischen Isolatoren in Form der Hülle 44, der Abdeckung 48 und der Kappe 54 verhindert.
