DE102013201358A1 - Elektrischer Verbinder für Batteriezellen, -Module und -SubUnits, Batteriepack sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Elektrischer Verbinder für Batteriezellen, -Module und -SubUnits, Batteriepack sowie Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Es wird ein elektrischer Verbinder (10) für Batteriezellen (26), -Module und -SubUnits, der ein Gehäuse (12) mit einem innenliegenden Anschluss sowie ein Steuerelement (17) zum Herstellen oder Lösen einer Verbindung zwischen zwei Kontaktflächen des Anschlusses und einem Terminal (24) einer Batteriezelle (26), eines -Moduls oder einer -SubUnit aufweist, vorgeschlagen, wobei zur Ausbildung des Anschlusses zwei parallel zueinander ausgerichtete Federkontakte (13, 14) im Gehäuse (12) angeordnet sind, zwischen denen das Steuerelement (17) drehbar angeordnet ist, das zwei einander gegenüberliegende zurückgesetzte Steuerflächen (18) sowie zwei einander gegenüberliegende Steuerflächen (19) nahe bzw. entfernt von der Drehachse (D) aufweist. Das Steuerelement (17) des elektrischen Verbinders rastet in seiner Verschluss- oder Kontaktgabe-Stellung mechanisch leicht, so dass es sich nicht mehr spontan verdrehen kann. Der Verbinder (10) stellt eine Möglichkeit zur Realisierung einer sogenannten Zero-Insertion-Force-Verbindung dar. Ferner werden ein Batteriepack (25), elektrische Verbinder (10) aufweisend, sowie ein Kraftfahrzeug, das über ein Batteriepack (25) verfügt, vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Verbinder für Batteriezellen, -Module und -SubUnits, der ein isolierendes Gehäuse mit einem innenliegenden Anschluss sowie ein Steuerelement zum Herstellen oder Lösen einer Verbindung zwischen zwei Kontaktflächen des Anschlusses und einem Terminal einer Batteriezelle, eines -Moduls oder einer -SubUnit aufweist, ein Batteriepack sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Für Hybrid-Elektro-(HEV) und Elektro-Fahrzeuge (EV) werden Lithium-Ionen-Batteriesysteme als Traktionsbatterien wegen ihrer relativ hohen spezifischen Energiedichte, geringen Selbstentladung und Nichtvorhandenseins eines Memory Effekts verwendet. Zur Erzielung der zum Betrieb des Antriebsmotors geforderten Leistungs- und Energiedaten wird eine Vielzahl einzelner Batteriezellen in Serie oder auch parallel geschaltet, so dass sich eine Gesamtspannung des Batteriepacks von über 450 V ergeben kann.
  • Der Aufbau der Batteriezellen zu einer Batterie geschieht üblicherweise nach einer hierarchischen Struktur, bei der zunächst Batteriezellen zu einem Modul zusammengesetzt werden und zwei oder mehr Module eine Untereinheit (SubUnit) ausbilden. Zwei oder mehr SubUnits bilden dann wiederum die Batterie (Batteriepack) aus, wobei auch zwei oder mehr Module die Batterie (Batteriepack) bilden können.
  • Sämtliche dieser Komponenten müssen in geeigneter Weise mittels Verbindern unter sich und miteinander elektrisch verbunden werden, denn im Fall eines Kurzschlusses können bis zu 1000 A über die Verbinder fließen.
  • Üblicherweise werden Zell-, Modul- und SubUnit-Kontaktverbindungen durch Schrauben oder durch Schweißen hergestellt. Schraubverbindungen sind zwar wieder lösbar, jedoch nicht feldtauglich, da im Fahrbetrieb zu hohe Übergangswiderstände durch Setzungen des Terminal- und/oder Schraubklemmen-Materials entstehen können. Außerdem sind sie zeitaufwendig herzustellen und damit lohnkostenintensiv. Schweißverbindungen sind nachteilhafterweise nicht lösbar und erfordern teure Fertigungseinrichtungen, das heißt üblicherweise Laser-Schweißgeräte. Zudem kann beim Schweißen ein schädlicher Hitzeeintrag bei der Fertigung in die Zelle erfolgen.
  • Auch Verbindungen mittels Durchsetzfügen, beispielsweise Tox-Clinchen, die nicht lösbar sind und bei denen spezielle Fertigungseinrichtungen für das Durchsetzfügen erforderlich sind, werden eingesetzt. Bekannt aus dem Stand der Technik sind auch Schnellkupplungselemente, sogenannte Quick-Coupling-Elements, die lösbar, jedoch relativ teuer sind.
  • Aus der DE 10 2010 012 932 A1 ist eine Batterie mit einem Stapel aus Batteriezellen bekannt, bei dem zwischen den Zellen Zwischenbleche eingefügt sind, die die Pole der Batteriezellen miteinander verbinden, so dass durch das Stapeln der Batteriezellen bereits eine elektrische Verbindung entsteht.
  • Ein elektrischer Verbinder für Schaltungsplatten mit einer Einrichtung zum Vorspannen von Kontaktflächen mittels eines Steuerflächenelements wird in der DE 196 16 580 A1 offenbart. Das Steuerflächenelement ist zwischen Kontaktarmen angeordnet und spreizt bzw. spannt diese im Vorverbindungszustand. Bei Rotation des Steuerflächenelements werden die vorgespannten Kontaktarme freigegeben und kontaktieren eine Schaltungsplatte.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Verbinder für Batteriezellen, -Module und SubUnits, vorzugsweise für Lithium-Ionen-Batteriezellen und dergleichen, der ein isolierendes Gehäuse mit einem innenliegenden Anschluss sowie ein Steuerelement zum Herstellen oder Lösen einer Verbindung zwischen zwei Kontaktflächen des Anschlusses und einem Terminal einer Batteriezelle, eines -Moduls oder einer -SubUnit aufweist, bereitgestellt, wobei zur Ausbildung des Anschlusses zwei parallel zueinander ausgerichtete Federkontakte im Gehäuse angeordnet sind, wobei jeder Federkontakt auf der dem anderen Federkontakt abgewandten Seite sich an zwei Widerlagern abstützt und wobei zwischen den Federkontakten im Bereich zwischen den Widerlagern das Steuerelement drehbar angeordnet ist, das zwei einander gegenüberliegende zurückgesetzte Steuerflächen nahe einer Drehachse des Steuerelements sowie zwei einander gegenüberliegende Steuerflächen entfernt von der Drehachse aufweist.
  • Die unterschiedlichen Entfernungen der Steuerflächen des Steuerelements sind derart bemessen, dass die zurückgesetzten Steuerflächen die zwei Federkontakte nicht oder ohne deren Verformung kontaktieren und die entfernt von der Drehachse liegenden Steuerflächen die Federkontakte gegen die Widerlager pressen, so dass sich die Enden der Federkontakte aufeinander zubewegen. Vorzugsweise weist das Steuerelement dazu einen elliptisch geformten Querschnitt auf.
  • Durch Drehung des Steuerelements können die Enden der Federkontakte in zwei Positionen gebracht werden, wobei die Position, die aufgrund der Verformung eingenommen wird, zu einer Kontaktierung eines Terminals einer Batteriezelle oder dergleichen führt, auf das das Gehäuse derart aufsteckbar ist, dass sich das Terminal zwischen zwei gegenüberliegenden Enden der Federkontakte befindet.
  • Das Aufstecken des Verbinders erfolgt bei einer Stellung des Steuerelements, bei dem keine Verformung der Federkontakte gegeben ist. Nach dem Aufstecken des Federelements wird das Steuerelement um 90° verdreht, so dass sich die Federkontakte verformen und das Terminal kontaktieren. Vorzugsweise weist das Steuerelement einen Rastmechanismus auf, so dass in dieser Stellung das Steuerelement mechanisch leicht einrastet und sich so nicht mehr spontan verdrehen kann.
  • Um ein Verschieben der Federkontakte beim Betätigen des Steuerelements zu verhindern, können vorzugsweise die Federkontakte auf der den Widerlagern zugewandten Seite zumindest einen Anschlag aufweisen, der am Widerlager anliegt.
  • Die das Terminal kontaktierenden Enden der Federkontakte können zur Optimierung des Kraftschlusses auch räumlich gestaltet, das heißt gerundet oder dergleichen sein.
  • Die Verbindung stellt annähernd eine sogenannte Zero-Insertion-Force-Verbindung (ZIF-Verbindung), das heißt eine mit kräftefreier Einsteuerung erfolgende Kopplung dar, da beim Aufsetzen von oben auf die Aufsteck-Terminals der zu verbindenden Teile so gut wie keine Reibung überwunden werden muss.
  • Zum Verdrehen des Steuerelements weist dieses auf der Drehachse sitzend einen Ansatz auf, der mittels entsprechenden Werkzeugen beaufschlagbar ist. Dieser Ansatz kann beispielsweise für einen Sechskant, Inbus, Innen- oder Außentorx, Schlitz, Kreuzschlitz und dergleichen ausgestaltet sein.
  • So ergeben sich schnell lösbare, niederohmige, im Feld zuverlässige Verbindungen, die trotzdem einen engen Verbau der Zellen, Module und SubUnits auf ihren Grundplatten erlauben.
  • An den beiden anderen Enden der zwei Federkontakte sind Kabel in passender Länge festgelegt, vorzugsweise angeschweißt. Am anderen Ende der Kabel ist wiederum ein erfindungsgemäßer Verbinder angeordnet, so dass über die gekoppelten Verbinder zwei Terminals unterschiedlicher Batteriezellen oder dergleichen miteinander verbunden werden können. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung ist gewährleistet, dass keine Querkräfte auf die Zellterminals ausgeübt werden.
  • Die erfindungsgemäßen Verbinder werden also vorzugsweise paarweise mit einem Kabel zur elektrisch leitenden Verbindung bereitgestellt.
  • Zur Verbindung von SubUnits oder Batteriemodulen untereinander braucht man erfindungsgemäße Verbinder mit Kabeln in anderen angepassten Längen.
  • Das Gehäuse des Verbinders weist eine Öffnung zum Einführen eines Terminals, eine Öffnung zum Anschluss der Federkontakte an ein Kabel und eine Öffnung zum Bedienen des Steuerelements auf.
  • Die Federkontakte weisen vorzugsweise eine derart hohe Federspannung auf, dass die resultierende Anpresskraft an das üblicherweise aus Aluminium bzw. Kupfer bestehende Terminal eine leichte plastische Verformung des Terminals bewirkt. Dadurch entsteht eine luft- und feuchtedichte Kontaktflächenberührung geringen Übergangswiderstandes über der Lebenszeit, denn der feuchtedichte Abschluss der Kontaktflächen verhindert eine Al- bzw. Cu-Korrosion im Feld. Die Anpresskraft der Federkontakte ist damit auch groß genug, um Setzungen des Terminalmaterials im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs auszugleichen.
  • Der erfindungsgemäße Verbinder stellt eine dauerstabile Verbindungstechnik dar, die für echten Fahrzeugeinsatz und z. B. nicht nur zum Vermessen der Zellen geeignet ist.
  • Das Vorhandensein einer leichten plastischen Verformungsspur am Terminal liefert vorteilhafterweise gleichzeitig einen Nachweis darüber, dass das Terminal bereits montiert war.
  • Die Federkontakte bestehen vorzugsweise aus einer Kupferberyllium-Legierung, vorzugsweise mit einer aufgerauten Oberflächenvergoldung im Kontaktbereich.
  • Bei einer Auslegung der Federkontakte als gehärtete 20 mm breite, 3 mm dicke und 35 mm lange Kupferberyllium-Federkontakte mit aufgerauter Oberflächen-Vergoldung an den Kontaktstellen erhält man harte Federkontakte mit relativ hoher Anpresskraft von ca. 30 N an ein Terminal.
  • Jeder der Federkontakte hat einen Widerstand von ca. 0,02 mΩ. Bei 1000 A Kurzschlussstrom, also ca. 500 A pro Kontakt, fallen an ihnen, bei einem Batteriepack mit 96 Zellen insgesamt ca. 96 × 2 × 0,02 mΩ × 500 A = 1,92 V bei einer Verlustleistung von ca. 10 W pro Federnpaar ab.
  • Unter der Annahme, dass der Kurzschlussstrom nach 100 ms wegen Unterbrechung durch eine Überstromsicherung komplett aufhört zu fließen, werden in einer Kontaktfeder Q = 1/2 × 10 W × 0,1 s = 0,5 J Energie umgesetzt. Bei einer spezifischen Wärmekapazität ccu = 0,382 kJ/(kg K) und einer Masse einer Feder von mcu = 18,77 mg beträgt die Temperaturerhöhung der Kontaktfeder dann überschlägig: ΔT = Q/cm = 70 K.
  • Dies ist ein zulässiger Wert, da Kupferberyllium bei ca. 110 °C für 100 ms nur eine vernachlässigbare thermische Relaxation zeigt, der Kontaktanpressdruck bleibt vorteilhafterweise auch bei einem Kurzschluss voll erhalten. Die maximal 110 °C Kupferberyllium-Temperatur resultieren daraus, dass die maximale Arbeitstemperatur der Lithium-Ionenzellen durch deren aktive Kühlung auf 40 °C begrenzt ist.
  • Die erfindungsgemäßen Verbinder ermöglichen die Realisierung von Batterie-Packs in Baukastenform mit modular einsetzbaren Zellen, Modulen und – falls vorhanden – Batterie-SubUnits.
  • Daher stellt der Verbinder für die Gewährleistung der Funktionssicherheit und Optimierung der Kosten bei zukünftigen Lithium-Ionen-Batteriesystemen eine unverzichtbare Maßnahme und eine Verbesserung gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik dar.
  • Vorteilhafterweise können durch die verriegelbare und wieder lösbare Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Verbinders defekte Zellen oder Module einzeln ausgetauscht werden, so dass gegenüber Aufbauten mit nicht lösbaren Verbindern deutlich Kosten gespart werden, da bei diesen stets das ganze Modul getauscht werden muss.
  • Zudem wird ein Batteriepack offenbart, das erfindungsgemäße elektrische Verbinder und eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen aufweist, wobei die Batteriezellen vorzugsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen sind.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriepack.
  • Ausführungen zu einzelnen Erfindungsgegenständen gelten sinngemäß auch für die anderen Erfindungsgegenstände.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in einer geschnittenen Ansicht zwei miteinander elektrisch leitend verbundene Verbinder, und
  • 2 in einer Draufsicht ein Batteriepack mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die miteinander elektrisch verbunden sind.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt zwei elektrische Verbinder 10, die miteinander über ein Kabel 11 verbunden sind. Die Verbinder 10 besitzen jeweils ein isolierendes Gehäuse 12. Im Inneren des Gehäuses 12 sind zwei parallel zueinander ausgerichtete Federkontakte 13, 14 angeordnet, die sich jeweils an zwei Widerlagern 15 abstützen. Um ein Verschieben der Federkontakte 13, 14 im Gehäuse 12 zu verhindern, weisen die Federkontakte 13, 14 auf der den Widerlagern 15 zugewandten Seite einen Anschlag 16 auf, der an einem Widerlager 15 anliegt. Zwischen den Federkontakten 13, 14 und zwischen den beiden Widerlagern 15 eines Federkontaktes 13, 14 ist ein Steuerelement 17 drehbar angeordnet, das zwei einander gegenüberliegende zurückgesetzte Steuerflächen 18 nahe einer Drehachse D des Steuerelements 17 sowie zwei einander gegenüberliegende Steuerflächen 19 entfernt von der Drehachse D aufweist. Das Steuerelement 17 weist einen elliptischen Querschnitt zur Ausbildung der Steuerflächen 18, 19 auf. Im Zentrum des Steuerelements 17 ist ein Antrieb 20 mit einem Innensechskant als Werkzeugaufnahme angeordnet, der ein Verdrehen des Steuerelements 17 und damit ein Einwirken der Steuerflächen 18, 19 auf die Federkontakte 13, 14 ermöglicht.
  • Die zu einer Seite des Gehäuses 12 weisenden Enden 21 sind mittels Kabeln 22 an das Kabel 11, das beide Verbinder 10 zusammenschließt, angeschlossen. Zwischen den beiden entgegengesetzten Enden 23 der Federkontakte 13, 14 ist ein Terminal 24 mit einem rechteckigen Querschnitt angeordnet. Bei dem Verbinder 10, bei dem das Steuerelement 17 die Federkontakte 13, 14 nicht berührt, kontaktieren die Enden 23 der Federkontakte 13, 14 das dazwischen liegende Terminal 24 nicht. Wird das Steuerelement 17 um 90° verdreht, so berühren die Steuerflächen 19 die Federkontakte 13, 14 und drücken diese auseinander. Da die Federkontakte 13, 14 sich an den Widerlagern 15 abstützen, wird durch das Auseinanderdrücken der Federkontakte 13, 14 in der Mitte bewirkt, dass sich deren Enden 21, 23 einander annähren. Dies bewirkt die Kontaktierung des dazwischen liegenden Terminals 24 mit den Enden 23 der Federkontakte 13, 14. Die Enden 23 der Federkontakte 13, 14 können zur optimalen Kontaktierung des Terminals 24 räumlich ausgestaltet sein. In dieser Verschlussstellung rastet das Steuerelement mechanisch leicht ein und kann sich so nicht mehr spontan verdrehen.
  • 2 zeigt ein Batteriepack 25, mit einer Vielzahl von Batteriezellen 26, die zu Modulen 27 gruppiert sind, die auf einer Modulplatte 28 angeordnet sind. Die Batteriezellen 26 sowie die Module 27 sind mittels Verbindern 10, die über ein Kabel 11 paarweise miteinander verbunden sind, elektrisch kontaktiert, wobei die Verbinder 10 auf die jeweiligen Terminals 24 aufgesetzt und mittels des Steuerelements 17 in eine Verschlussstellung gebracht sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010012932 A1 [0007]
    • DE 19616580 A1 [0008]

Claims (11)

  1. Elektrischer Verbinder für Batteriezellen, -Module und SubUnits, der ein isolierendes Gehäuse (12) mit einem innenliegenden Anschluss sowie ein Steuerelement (17) zum Herstellen oder Lösen einer Verbindung zwischen zwei Kontaktflächen des Anschlusses und einem Terminal (24) einer Batteriezelle (26), eines -Moduls oder einer SubUnit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Anschlusses zwei parallel zueinander ausgerichtete Federkontakte (13, 14) im Gehäuse (12) angeordnet sind, wobei jeder Federkontakt (13, 14) auf der dem anderen Federkontakt (13, 14) abgewandten Seite sich an zwei Widerlagern (15) abstützt und wobei zwischen den Federkontakten (13, 14) im Bereich zwischen den Widerlagern (15) das Steuerelement (17) drehbar angeordnet ist, das zwei einander gegenüberliegende zurückgesetzte Steuerflächen (18) nahe einer Drehachse (D) des Steuerelements (17) sowie zwei einander gegenüberliegende Steuerflächen (19) entfernt von der Drehachse (D) aufweist.
  2. Elektrischer Verbinder nach Anspruch 1, wobei das Steuerelement (17) über eine Einrichtung verfügt, die in seiner Verschluss- und/oder Kontaktgabe-Stellung ein mechanisches Einrasten ermöglicht.
  3. Elektrischer Verbinder nach Anspruch 1 und 2, wobei an jeweils einem Ende (21) der zwei Federkontakte (13, 14) Kabel (22) befestigt sind und die anderen Enden (23) der Federkontakte (13, 14) die Kontaktflächen ausbilden.
  4. Elektrischer Verbinder nach Anspruch 3, wobei zwei Verbinder (10) mittels eines Kabels (11) miteinander verbunden sind.
  5. Elektrischer Verbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Federkontakte (13, 14) auf der den Widerlagern (15) zugewandten Seite jeweils zumindest einen Anschlag (16) aufweisen, der an einem Widerlager (15) anliegt.
  6. Elektrischer Verbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Federkontakte (13, 14) aus einer Kupferberyllium-Legierung bestehen.
  7. Elektrischer Verbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Steuerelement (17) einen elliptischen Querschnitt aufweist.
  8. Elektrischer Verbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Steuerelement (17) einen Ansatz aufweist, der mittels entsprechender Werkzeuge beaufschlagbar ist.
  9. Batteriepack, das eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen (26) und eine Vielzahl von elektrischen Verbindern (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
  10. Batteriepack (25) nach Anspruch 9, wobei die Batteriezellen (26) Lithium-Ionen-Batteriezellen sind.
  11. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriepack (25) nach Anspruch 9 oder 10.
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