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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Zellengehäuse und Stromanschlüssen, wobei die Stromanschlüsse in Gehäuseöffnungen des Zellengehäuses angeordnet sind.
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In Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden Batteriezellen bzw. Akkumulatoren zur Versorgung eines Elektroantriebes eingesetzt. Da diese Batterien eine hohe Leistung liefern, besteht für Kontroll- oder Sicherheitszwecke der Wunsch, dass die Zelle z. B. durch einen in der Zelle integrierten Sensor, beispielsweise einen Temperatur- oder Drucksensor, überwacht wird.
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Aus der
DE 10 2010 010 772 A1 ist ein Anschlusspol für einen Akkumulator bekannt. Um ein geringeres Gewicht zu erreichen, ist der Anschlusspol konisch und innen hohl ausgebildet.
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Die
DE 103 32 410 B3 offenbart eine Kraftfahrzeugbordnetzsensorvorrichtung zur Erfassung von Strom, Spannung und/oder Temperatur innerhalb von Bordnetzen von Kraftfahrzeugen mit zwei an stromführenden Leitungen innerhalb des Bordnetzes angeschlossenen Anschlussstücken und mit einem die Anschlussstücke elektrisch verbindenden Messwiderstand. Eine kleinbauende, leicht integrierbare und formstabile Verbindung der Anschlussstücke wird dadurch erreicht, dass der Messwiderstand im Wesentlichen rotationssymmetrisch gebildet ist und zwischen den Anschlussstücken angeordnet ist. Der Anschlusspol ist innen hohl ausgebildet. Der innere, hohle Bereich des Anschlusspols ist zur Aufnahme eines Anschlussstifts vorgesehen.
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In der
EP 1 924 865 B1 wird ein Hochspannungs-Isolationsüberwachungssensor zur Zustandsüberwachung einer Hochspannungsisolation eines elektrischen Systems beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batteriezelle zu schaffen, in der ein Sensor in einfacher Weise integrierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Durch die Erfindung ist es leicht möglich, eine Sensorik in eine Batteriezelle zu integrieren ohne das Gehäuse der Zelle durch zusätzliche Öffnungen zu schwächen. Es können die gewonnenen bzw. erforderlichen Messwerte an die Außenwelt weitergegeben werden. Ein elektrische oder optische Verbindung, beispielsweise Drahtverbindung oder eine optische Verbindung z. B. mit einem Lichtwellenleiter, kann durch die Erfindung nach außen geführt werden.
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Die Erfindung beruht auf den Gedanken, die bestehenden Öffnungen im Zellengehäuse zu nutzen und die entsprechenden Sensor-Leitungen zusammen mit den Stromableitern aus dem Gehäuse zu führen.
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Hierfür könnte sich eine koaxiale Bauweise anbieten. Der Stromableiter müsste ausgehöhlt werden, um Platz für Isolationsmaterial und einer oder mehrerer Verbindungsleitungen zu schaffen. Denkbar wäre, dass die Leitung als Punktkontakt zum Aufschweißen einer Leitung genutzt wird oder als hervorstehender Pin für eine Vercrimpung oder einen geeigneten Steckkontakt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist vorgesehen, dass im Stromanschluss eine Isolierung für eine oder mehrere Signalleitungen vorhanden ist. Dadurch wird die Spannung der Signalleitung von dem Potential der Batteriezelle, das ein Pluspol oder ein Minuspol sein kann, in einfacher Weise elektrisch isoliert. Eine Isolierung kann durch ein separates Isolierteil, aus Kunststoff oder einem anderen Isoliermaterial, geschaffen werden. Das separate Isolierteil ist im Hohlraum des entsprechenden Stromanschlusses für die Leistungsversorgung angeordnet. Das Isolierteil kann in vorteilhafter Weise für eine Zugentlastung der Signalleitung dienen. Auch kann alternativ oder zusätzlich die Isolierung bzw. die Isolierummantelung eines Kabels, z. B. Sensorkabels, eingesetzt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in die Durchgangsöffnung, d. h. in den Durchbruch bzw. in dem Hohlraum des Stromanschlusses bzw. der Kontaktplatte ein Isolierstück oder eine Isolierung steck- oder gießbar ist, wobei praktischerweise das Isolierstück bzw. die Isolierung für die Durchführung der Signalleitungen dient. Das Isolierstück hat Kanäle, durch die die Signalleitungen geführt werden. Das Isolierstück füllt den Hohlraum des Anschlussterminals bzw. des Stromanschlusses und schließt diesen, so dass die Durchgangsöffnung des Anschlusses abgedichtet ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Stromanschlüsse als flache, vorzugsweise rechteckige, Anschlussflansche bzw. als Kontaktplatten zum Aufschweißen einer Stromleitung ausgebildet. Die Stromanschlüsse bzw. Kontaktplatten für die Leistungsversorgung, d. h. Antriebsleistung eines Elektromotors, sind flach an einer Zellenanschlussgehäuseseite angeordnet. Die vorhandene Durchgangsöffnung für die entsprechenden Kontaktplatte ist als Durchbruch ausgeführt. Das Isolierstück ist in den Durchbruch einsteckbar oder wird eingegossen, wobei die Dichtigkeit des Zellgehäuses nicht beeinträchtigt werden darf. Das Isolierstück weist Kanäle bzw. Durchführungsöffnungen für mehrere Signalleitungen auf. Auch eine einzige Durchführungsöffnung ist denkbar. Die Signalleitungen sind in den Durchführungsöffnung gehalten und geführt. Die Stromanschlüsse bilden Schweißflächen zum Verschweißen der Laststrom-Leitungen und schaffen einen sehr geringen Übergangswiderstand.
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Wenn jede Signalleitung in der Batterie in einem Messleitungsabgriff endet, der mit dem Anschlussflansch abschließt, ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass auch an den Messabgriff von außen Signalleitungen gelötet oder geschweißt werden. Auch kann ein Kontaktelement, wie ein Kontaktpin, das Messsignal nach außen führen.
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Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Stromanschluss als Pin oder Bolzen ausgeführt ist. In diesen Pin oder Bolzen ist eine einzige Durchgangsöffnung angeordnet. Diese ist mittig bzw. zentrisch im Bolzen angeordnet. An dem Pin oder Bolzen kann direkt der Laststrom abgegriffen werden. Dieser Pin oder Bolzen kann zur Befestigung eines Kabelschuhs für eine Last-Stromleitung dienen. Eine isolierte Kabelleitung bildet die Signalleitung, wobei der Stromanschluss für die Stromleitung, zumindest teilweise, vorzugsweise koaxial um die Signalleitung angeordnet ist.
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Der Bolzen kann als Gewindebolzen mit einem Metallsockel ausgeführt sein. Der Bolzen steht senkrecht auf dem Sockel. An dem Gewindebolzen ist eine Befestigungsmutter verschraubbar, die einen Kabelschuh oder ein anderes Kontaktelement zur Leistungsversorgung gegen dem Metallsockel drückt. Hierbei fließt der Strom nicht direkt durch den Pin oder Bolzen, sondern durch die Oberfläche des Sockels, die eine wesentlich höhere Stromstärke zulässt. Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen können grundsätzlich sehr hohe Ströme fließen. Diese Lösung hat gegenüber Schweißlösungen den Vorteil, dass die Batteriezellen ohne Schweißgeräte leicht ausgetauscht werden können.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass jede Signalleitung des Sensors als Messkabel oder Kommunikationsleitung mit mindestens einem Metalldraht, insbesondere als Kupferkabel und/oder als Litze oder einem Lichtwellenleiter, z. B. Glasfaser, ausgeführt ist. Das Messkabel kann das in der Zelle angeordnete Sensorkabel sein, das direkt mit dem Sensor verbunden ist. Das Messkabel kann z. B. ein Koaxialkabel sein, um die EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) zu verbessern. Bei Integration einer aufwändigeren Sensorik innerhalb der Zelle wäre denkbar, dass nicht ein direkter Anschluss des Sensors nach außen geführt wird, sondern eine Daten- oder Kommunikationsleitung, über die diverse Messdaten übermittelt werden können.
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Zweckmäßigerweise ist jede Signalleitung des Sensors an einem Zellendeckel der Batteriezelle herausgeführt, weil dort die geeigneten Gehäuseöffnungen vorhanden sind.
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Besonders geeignet sind die erfindungsgemäßen Batteriezellen für einen Pkw, der ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ist. Aber auch andere Anwendungen, wie für Lkws oder andere Fahrzeuge, sind denkbar. Auch Zellen in stationären Batteriesystemen bzw. stationären Einrichtungen können erfindungsgemäß mit einem integrierten Sensor ausgestattet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle,
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2 einen Ausschnitt der Batteriezelle gemäß 1 im Bereich von Anschlusskontakten,
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3 eine Schnittdarstellung der Batteriezelle gemäß 1 im Bereich eines Anschlusskontakts, und
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4 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Batteriezelle 100 zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug. Diese ist als prismatische Zelle mit Schweißterminal ausgeführt. 2 zeigt Schweißflächen 33 bzw. einen Zellenverbinder mit Aussparungen für Messleitungen. Die Batteriezelle umfasst ein Zellengehäuse 10 und zwei Stromanschlüsse 11 und 12. Die Stromanschlüsse 11 und 12 bilden den Pluspol und den Minuspol der Batterie. Beide Stromanschlüsse 11 und 12 sind in Gehäuseöffnungen 14, wie 3 zeigt, des Zellengehäuses 10 angeordnet, und zwar an einem Zellendeckel 13. Das Zellengehäuse hat eine Kastenform. Die Zelle 100 kann z. B. ein Bleiakkumulator, eine NiCd- oder eine Lithium-Ionen-Zelle sein oder ein System mit mehreren intern verbundenen Zellen. Geeignet sind alle Zellen mit festem Gehäuse, deren Bauform bzw. Größe eine Integration von Sensorelementen erlaubt.
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Wie 2 und 3 veranschaulichen, ist an mindestens einem der Stromanschlüsse 11, 12 wenigstens eine Durchgangsöffnung 20 für ein- oder mehrere Signalleitungen vorhanden. Gemäß 2 können beide Stromanschlüsse 11, 12 mit jeweils einem Durchbruch 17 versehen sein (17a, 17b). Der Durchbruch 17a in 2 entspricht einer Durchgangsöffnung 20. Es kann auch nur ein einziger Stromanschluss 12, wie 1 zeigt, mit einem einzigen Durchbruch 17 versehen sein, wobei der Durchbruch 17 bzw. die Durchgangsöffnung innerhalb eines Zellterminals liegt, wie 3 zeigt.
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Wie 3 auch zeigt, sind zwei Signalleitungen 18, 19 des im Zellengehäuses 10 integrierten Sensors 21 durch Isoliermaterial (Isolierstück 22), aus dem Zellengehäuse 10 herausgeführt. Eine weitere Variante wäre das Einbringen von Durchführungskanälen in das Isoliermaterial zur nachträglichen Durchführung von Sensorikleitungen. Hierbei wären aber zusätzliche Abdichtmaßnahmen zu berücksichtigen.
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Im Stromanschluss 12 ist eine Isolierung der beiden Signalleitungen 18, 19 vorhanden. Die elektrische Isolierung wird durch ein, in diesem Beispiel quaderförmiges, Isolierstück 22 erreicht.
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In die Durchgangsöffnung 20 bzw. in den Durchbruch 17 ist das Isolierstück 22 steckbar und ist dort über einen Presssitz mittels Rastmittel oder auf eine andere Weise in dem Stromanschluss 12 gehalten.
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Die Stromanschlüsse 11 und 12 sind, wie in 2 erkennbar ist, als Kontaktplatten ausgeführt. Die Kontaktplatten sind rechteckig oder quadratisch geformt. Sie dienen zum Aufschweißen mindestens einer Stromleitung. Die Kontaktplatten sind flach an einer Zellenanschlussgehäuseseite bzw. den Zellendeckel 13 angeordnet, so dass sie kaum aus dem Gehäuse 10 herausragen. Die Durchgangsöffnung 20 ist nur in einer Kontaktplatte angeordnet, und zwar im Stromanschluss 12. Die Durchgangsöffnung ist als rechteckiger Durchbruch ausgeführt. Dort ist das Isolierstück 22 einsteck- oder vergießbar. Das Isolierstück 22 weist zwei Durchführungen 15, 16 auf. Jede dieser Durchführungen 15, 16 führt jeweils eine Signalleitung, wie 3 zeigt. Jede Signalleitung wird in der entsprechenden Durchführung 15, 16 gehalten und senkrecht geführt. Die Leitung wird direkt bei der Herstellung in das Isoliermaterial eingebracht.
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Jede Signalleitung 18, 19 endet in einem Messleitungsabgriff 23, der etwa mit der Kontaktplatte abschließt. Der Messleitungsabgriff 23 ist von außen zugänglich.
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Wie 3 zeigt, sind zur Halterung der Kontaktplatten 12 an dem Zellendeckel 13 diese mit Armen 24 zum Untergreifen des Deckels 13 und/oder einer, vorzugsweise umlaufenden, Nut 25 für den Eingriff des Deckels 13 versehen.
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Eine zweite Ausführungsform der Batteriezelle ist in 4 gezeigt. Diese Lösung nutzt ein Schraubterminal. An einem der Stromanschlüsse 12' ist ebenfalls eine Durchgangsöffnung 20' für eine Signalleitung 26 vorhanden, die eine Messleitung ist und mit dem Sensor 21 ebenfalls verbunden ist.
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Bei dieser Variante ist der Stromanschluss 12' als Bolzen 27 ausgeführt. Die Durchgangsöffnung 20' ist zentrisch angeordnet und erstreckt sich durch den Bolzen 27 und einen Metallsockel 28.
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Der Stromanschluss 12' bzw. der Bolzenbereich für den Anschluss einer Stromleitung 29 ist koaxial um die Signalleitung 26 angeordnet.
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Der Bolzen 27 ist als Gewindebolzen ausgeführt und steht senkrecht auf dem Metallsockel 29, der als rechteckige Platte oder Scheibe geformt sein kann. An dem Gewindebolzen 27 ist eine Befestigungsmutter 30 verschraubbar, die einen Kabelschuh 31 gegen den Metallsockel drückt. Der Kabelschuh 31 ist mit der Stromleitung 29 verbunden bzw. ist Teil der Leitung 29.
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Im Stromanschluss 12' ist eine Isolierung 32 für die Signalleitung 26 vorhanden. Die Leitung 26 ist z. B. ein Koaxialkabel, ein Drahtstift, eine einzelne Leitung, etc. In der Durchgangsöffnung 20' liegt die Signalleitung 26 und dessen Isolierung 32, so dass das Kabel den Hohlraum des Bolzens und des Sockels 28 füllt.
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Jede Signalleitung 12, 13, 26 des Sensors 21 ist ein Messkabel, das mindestens einen Metalldraht, Kupferkabel, Litze oder dergleichen hat. Denkbar sind Ausführungen mit Lichtwellenleitern. Jede Signalleitung 12, 13, 26 des Sensors 21 ist an dem Zelldeckel 13 der Batteriezelle 100 herausgeführt, wie die Figuren veranschaulichen.
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Die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. So können anstatt Löt-, Schweiß- oder Schraubkontakte auch Steckkontakte für Strom und/oder Signalleitungen verwendet werden. Auch können ein oder mehrere Merkmale der unterschiedlichen Beispiele miteinander beliebig kombiniert werden. Die Verwendung der Erfindung ist auch nicht auf ein Elektro- oder Hybridfahrzeug beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 110
- Batteriezelle
- 10
- Zellengehäuse
- 11, 12
- Stromanschlüsse
- 13
- Zellendeckel
- 14
- Gehäuseöffnungen
- 15, 16
- Durchführungen
- 17
- Durchbruch
- 18, 19
- Signalleitungen
- 20
- Durchgangsöffnung
- 21
- Sensor
- 22
- Isolierstück
- 23
- Messleitungsabgriff
- 24
- Arme
- 25
- Nut
- 25
- Signalleitung
- 27
- Bolzen
- 28
- Metallsockel
- 29
- Stromleitung
- 30
- Befestigungsmutter
- 31
- Kabelschuh
- 32
- Isolierung
- 33
- Schweißflächen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010010772 A1 [0003]
- DE 10332410 B3 [0004]
- EP 1924865 B1 [0005]
