DE102013217836A1 - Traction battery for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einem Batteriegehäuse (1), in dem eine Vielzahl von Batteriezellen (7) gelagert sind, die über Polverbinder (11) elektrisch miteinander zu einem Batteriesystem verschaltet sind, die an einem gemeinsamen Trägerelement (19) befestigt sind. Erfindungsgemäß sind die Polverbinder (11) auf der, den Batteriezellen (7) zugewandten Innenseite des Trägerelements (19) angeordnet und die Polverbinder (11) nach außen vollständig vom Material, insbesondere ein Kunststoff, des Trägerelements (19) überdeckt sind.The invention relates to a traction battery for an at least partially electrically operated vehicle, comprising a battery housing (1) in which a plurality of battery cells (7) are mounted, which are electrically connected to each other via a pole connector (11) to form a battery system Carrier element (19) are attached. According to the invention, the pole connectors (11) are arranged on the inside of the carrier element (19) facing the battery cells (7) and the pole connectors (11) are completely covered to the outside by the material, in particular a plastic, of the carrier element (19).
Description
Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Traktionsbatterie nach dem Patentanspruch 10.The invention relates to a traction battery for an at least partially electrically powered vehicle according to the preamble of
Traktionsbatterien für Fahrzeuge mit zumindest teilelektrischem Antrieb weisen eine Vielzahl von Batteriezellen auf. Zu deren elektrischer Verschaltung sind eine Reihe von material-, bauraum- und fertigungsintensiven Arbeitsschritten erforderlich, die einer Großserienproduktion mit größeren Stückzahlen entgegenstehen. Traction batteries for vehicles with at least partially electric drive have a plurality of battery cells. For their electrical wiring, a series of material, space and production-intensive operations are required, which preclude large-scale production with larger quantities.
Aus der
Beim Zusammenbau der aus der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug bereitzustellen, deren Zusammenbau mit einer im Vergleich zum Stand der Technik reduzierten Anzahl von Arbeitsschritten erfolgen kann. The object of the invention is to provide a traction battery for a vehicle, the assembly of which can be done with a reduced number of steps compared to the prior art.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. The object is solved by the features of
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die Polverbinder derart an einem Trägerelement anzuordnen, dass bereits aufgrund der Pol-Anordnung eine Hochvolt-Gefährdung des Monteurs ausgeschlossen ist. Vor diesem Hintergrund sind gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Polverbinder nicht mehr auf der Außenseite des Trägerelements angeordnet, sondern vielmehr auf der, den Batteriezellen zugewandten Innenseite, so dass die Polverbinder nach außen vollständig mit dem Material, insbesondere ein Kunststoff, des Trägerelementes überdeckt ist. Auf diese Weise ist eine Berühr-Gefährdung des Monteurs beim Zusammenbau der Traktionsbatterie ausgeschlossen, ohne dass zusätzliche Sicherungsmaßnahmen erforderlich sind. The invention is based on the basic idea of arranging the pole connectors on a carrier element in such a way that a high-voltage endangerment of the installer is already precluded on account of the pole arrangement. Against this background, according to the characterizing part of
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Trägerelement für die Polverbinder zumindest eine geschlossenflächige Trägerplatte sein. Die Trägerplatte kann zumindest eine Hochvolt-Durchführung nach außen aufweisen, und zwar vom elektrischen Anschluss des inneren Batteriesystems nach außen zu einem Batteriestecker, der mit der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeuges verbunden ist. Bevorzugt ist es, wenn die Hochvolt-Durchführung beim Zusammenbau der Traktionsbatterie mit einem zusätzlichen Abdeckelement, etwa einer Schutzkappe, verschlossen ist, um eine Hochvolt-Berührsicherheit herzustellen.In a preferred embodiment, the carrier element for the pole connector may be at least one closed-area carrier plate. The carrier plate can have at least one high-voltage leadthrough to the outside, namely from the electrical connection of the internal battery system to the outside to a battery connector, which is connected to the electric drive machine of the vehicle. It is preferred if the high-voltage bushing during assembly of the traction battery with an additional cover, such as a protective cap, is closed in order to produce a high-voltage contact safety.
In einem Batteriesystem werden neben den Batteriezellen weitere Elektronikkomponenten, wie zum Beispiel ein Zellcontroller, Schütze, Steuer- und Diagnoseleitungen eingesetzt. Diese können als Signalleitungen Überwachungssensoren, etwa Temperatursensoren, in der Traktionsbatterie mit einer zentralen Steuereinheit verbinden. Im Stand der Technik sind diese Signalleitungen zu einem Kabelstrang bzw. einem Leitungsbündel zusammengefasst und im Batteriegehäuse verlegt. In einer montagetechnisch vereinfachten Ausführung können nicht nur die Polverbinder im Trägerelement integriert sein, sondern auch die oben genannten Elektronik-Komponenten, die beispielhaft im Trägerelement eingeclipst, abgelegt, aufgesetzt, vergossen oder umspritzt sein können. Dies ermöglicht eine weiter vereinfachte Montage des Trägerelementes auf dem aus der Vielzahl von Batteriezellen bestehenden Batteriesystem.In a battery system, other electronic components, such as a cell controller, contactors, control and diagnostic cables are used in addition to the battery cells. These can connect as signal lines monitoring sensors, such as temperature sensors, in the traction battery with a central control unit. In the prior art, these signal lines are combined to form a cable harness or a cable bundle and laid in the battery housing. In a simplified montagetechnisch execution not only the pole connector can be integrated in the support element, but also the above-mentioned electronic components that can be clipped example, stored, placed, potted or molded in the support element. This allows a further simplified mounting of the carrier element on the existing of the plurality of battery cells battery system.
Insbesondere können die mit Niedervolt arbeitenden Signalleitungen umspritzt werden, so dass eine separate Isolierung dieser Leitungen gewichtsgünstig entfallen kann. Ebenso können derartige Signalleitungen als Folie aufgebracht oder unmittelbar auf das Trägerelement gedruckt werden. Dabei kann insbesondere die Verlegung dieser Leitungen derart erfolgen, dass durch eine vorteilhafte Ausrichtung relativ zu den Hochvolt-Leitungen eine Minimierung der elektromagnetischen Beeinflussung erreicht ist. In particular, the working with low-voltage signal lines can be encapsulated, so that a separate isolation of these lines can be eliminated weight low. Likewise, such signal lines can be applied as a foil or printed directly on the carrier element. In particular, the laying of these lines can take place in such a way that a minimization of the electromagnetic influence is achieved by an advantageous orientation relative to the high-voltage lines.
Die im Trägerelement integrierten Polverbinder können insbesondere durch Schweißen mit den Batterie-Polen verbunden werden, wodurch sich eine vergleichsweise höhere Fertigungs- und Montagetoleranz ergibt, und zwar im Gegensatz zu Schraub-Polen. Der Schweißvorgang zwischen den jeweiligen Polverbindern und den Polen der Batteriezellen kann bevorzugt mittels Ultraschall erfolgen. Dadurch bleiben die Polverbinder nach außen komplett vom Kunststoffmaterial des Trägerelementes bedeckt und sind diese in Richtung der Batteriepole dennoch stoffschlüssig verbindbar. Alternativ dazu ist jedoch auch eine Aussparung oberhalb eines jeden Batteriepols möglich, in der eine Verbindung zwischen dem Polverbinder und dem Batteriepol hergestellt wird, zum Beispiel mittels Reibschweißen, Laserschweißen, Schrauben oder Federbelastung. The integrated in the carrier element pole connector can in particular by welding with the Battery poles are connected, resulting in a comparatively higher manufacturing and assembly tolerance, in contrast to screw poles. The welding process between the respective pole connectors and the poles of the battery cells can preferably be effected by means of ultrasound. As a result, the pole connector outwardly completely covered by the plastic material of the support element and these are still cohesively connected in the direction of the battery terminals. Alternatively, however, a recess above each battery post is also possible in which a connection between the pole connector and the battery post is made, for example by friction welding, laser welding, screwing or spring loading.
Bei der Herstellung der Traktionsbatterie wird das Trägerelement sowie zumindest die Polverbinder separat vom eigentlichen Batteriegehäuse zu einer Vormontageeinheit vormontiert, bei der die Batteriezellen in gleicher Ausrichtung im noch offenen Batteriegehäuse angeordnet werden. Anschließend wird die Vormontageeinheit in das noch offene Batteriegehäuse eingesetzt, und zwar unter elektrischer Verbindung der Batteriezellen mittels der im Trägerelement integrierten Polverbinder. In the manufacture of the traction battery, the carrier element and at least the pole connector is preassembled separately from the actual battery housing to a pre-assembly in which the battery cells are arranged in the same orientation in the open battery case. Subsequently, the pre-assembly is inserted into the still open battery case, namely with electrical connection of the battery cells by means of integrated in the carrier element pole connector.
Die Reihenfolge der elektrischen Verschaltung der Batteriezellen ist dabei für die Entstehung einer Hochvolt-Gefährdung verantwortlich. Durch die erfindungsgemäße Montage- bzw. Kontaktierungsreihenfolge der Polverbinder kann eine solche Hochvolt-Gefährdung ausgeschlossen werden, bei der zunächst in Reihe geschaltete Batteriezellen-Cluster gebildet werden, die mit ihrer Spannungslage unterhalb der gesetzlichen Sicherheitsgrenze bleiben. Diese Batteriezellen-Cluster können dann erst zu einem späteren Montagezeitpunkt über zusätzliche Cluster-Verbinder miteinander verschaltet werden, so dass erst ab einem sehr späten Montagezeitpunkt eine Hochvolt-Gefährdung vorliegt. The sequence of electrical wiring of the battery cells is responsible for the emergence of a high-voltage hazard. The inventive assembly or contacting order of the pole connector such a high-voltage hazard can be excluded, are formed in the first connected in series battery cell clusters that remain with their voltage level below the legal safety limit. These battery cell clusters can then be connected to one another at a later assembly time via additional cluster connector, so that there is a high-voltage hazard only from a very late installation time.
Die Polverbinder können ihrerseits zum Beispiel an das Trägerelement geclipst, geschweißt, geschraubt oder geklebt sein. The pole connectors may in turn be clipped, welded, screwed or glued to the carrier element, for example.
Zusätzlich kann im erfindungsgemäßen Trägerelement zumindest eine Entgasungsleitung vorgesehen sein, die eine für die Batteriezellen erforderliche Entgasungsmöglichkeit bereitstellt. Hierzu können innerhalb des Trägerelementes bzw. bei einem mehrlagigen Aufbau zwischen zwei Halbschalen des Trägerelementes gezielte Öffnungen bzw. Kanäle sowie eingelegte Schläuche zur Gasleitung vorgehalten werden. Bevorzugt ist die Trägerplatte ein Mehrlagenaufbau, und zwar mit einer, den Batteriezellen zugewandten inneren Teilplatte, in der die Polverbinder als Hochvolt-Komponenten integriert sind. Zudem kann eine mittlere Isolierplatte vorgesehen sein, mit der die innere Teilplatte nach außen gegenüber einer äußeren Teilplatte elektrisch isoliert ist. In der äußeren Teilplatte sind keine Hochvolt-Komponenten, sondern lediglich weitere Batteriekomponenten integriert, die Niedervolt-Komponenten sind. Auf diese Weise ist eine sicherheitstechnisch bevorzugte Gruppierung der Hochvolt-Komponenten in der inneren Teilplatte und der Niedervolt-Komponenten in der äußern Teilplatte erreicht. In addition, at least one degassing line can be provided in the carrier element according to the invention, which provides a required for the battery cells Entgasungsmöglichkeit. For this purpose, specific openings or channels as well as inserted hoses for the gas line can be kept within the carrier element or in a multilayer structure between two half-shells of the carrier element. Preferably, the carrier plate is a multi-layer structure, with one, the battery cells facing inner part plate in which the pole connector are integrated as high-voltage components. In addition, a middle insulating plate can be provided with which the inner sub-plate is electrically insulated from the outside relative to an outer sub-plate. In the outer sub-plate no high-voltage components, but only other battery components are integrated, which are low-voltage components. In this way, a safety-preferred grouping of the high-voltage components in the inner sub-plate and the low-voltage components in the outer sub-plate is achieved.
Der oben genannten Mehrlagenaufbau kann ein loser Plattenverbund sein, bei dem die inneren/äußeren Teilplatten sowie die mittlere Isolierplatte lose übereinandergelegt sind. Alternativ dazu kann der Mehrlagenaufbau eine Sandwichstruktur aufweisen, bei der die übereinandergelegten Platten insgesamt stoffschlüssig miteinander in Verbindung sind. The above-mentioned multi-layer structure may be a loose plate composite in which the inner / outer partial plates and the middle insulating plate are loosely superimposed. Alternatively, the multi-layer structure may have a sandwich structure in which the superimposed plates are connected to each other in a materially cohesive manner.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Trägerelement insbesondere auch an das umgebende Batteriegehäuse und/oder an etwaige, die Batteriezellen umfassende Verspannelemente angebunden sein und eine versteifende Funktion, zum Beispiel als ein Schubfeld oder zur Krafteinleitung, wahrnehmen. Dies kann gegebenenfalls über Form-, Stoff- oder Reibschluss erfolgen (zum Beispiel durch Schrauben). Zusätzlich kann das Trägerelement für diesen Anwendungsfall mit eingebetteten Fasern (zum Beispiel CFK, GFK), mit metallischen Verstärkungen bzw. einer Waben-, Rippen- oder Sandwichstruktur versehen sein. Ebenso können auch die im Trägerelement eingebetteten Polverbinder zur Versteifung oder Krafteinleitung genutzt werden. In a further embodiment, the carrier element may in particular also be connected to the surrounding battery housing and / or to any clamping elements comprising the battery cells and to perform a stiffening function, for example as a pushing field or for the introduction of force. This can optionally be done via form, material or friction (for example by screws). In addition, for this application the support element can be provided with embedded fibers (for example CFRP, GFRP), with metal reinforcements or with a honeycomb, rib or sandwich structure. Likewise, the embedded in the support element pole connector for stiffening or force can be used.
Das Trägerelement kann außerdem an geeigneten Stellen mit den Batteriezellen in Anlage sein und diese in Polrichtung gegen den Boden des Batteriegehäuses fixieren. Auf diese Weise wird zunächst eine Stabilität der Anordnung gegenüber Fahr-Vibrationen gewährleistet. Alternativ kann zwischen den Batteriezellen und dem Gehäuseboden eine Kühlstruktur eingebracht sein oder ein Kühlfunktionalität in den Gehäuseboden integriert sein. Durch die Positionierung der Batteriezellen kann dann eine Temperierung über den Zellboden realisiert werden, die beispielsweise als eine Flüssig- oder Luftkühlung ausgeführt sein kann.The support member may also be at appropriate locations with the battery cells in Appendix and fix them in the polar direction against the bottom of the battery case. In this way, initially a stability of the arrangement is ensured against driving vibrations. Alternatively, a cooling structure can be introduced between the battery cells and the housing bottom, or a cooling functionality can be integrated into the housing bottom. By positioning the battery cells, a temperature control over the cell bottom can then be realized, which can be designed, for example, as a liquid or air cooling.
Das erfindungsgemäße Trägerelement kann zusätzlich zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit eine nach außen gewandte abschirmende Deckschicht (zum Beispiel eine Folie) aufweisen, die eine hohe Fähigkeit zur elektromagnetischen Abschirmung aufweist. Zudem kann das Trägerelement sowohl selbst den Deckel des Batteriegehäuses bilden als auch von einem separaten Deckel oder einer Folie abgedeckt sein. In addition to ensuring electromagnetic compatibility, the carrier element according to the invention may have an outwardly facing shielding cover layer (for example a foil) which has a high capability of electromagnetic shielding. In addition, the carrier element can form both the lid of the battery case itself and be covered by a separate lid or a film.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhafte Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen. The above-described and / or reproduced in the subclaims advantageous embodiments and / or refinements of the invention can - except, for example, in the case of clear dependencies or incompatible alternatives - used individually or in any combination with each other.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile sind nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The invention and its advantageous embodiments and further developments and advantages thereof are explained in more detail below with reference to drawings.
Es zeigen:Show it:
In der
Die Traktionsbatterie weist darüber hinaus gestrichelt dargestellte Polverbinder
Wie aus der
Erfindungsgemäß sind sämtliche Polverbinder
In der äußeren Trägerplatte
Beim Zusammenbau der in der
In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann das noch offene Batteriegehäuse
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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