-
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren (d. h. wenigstens zwei) Batteriezellen und mit wenigstens einem Verbindungselement, welches einen elektrischen Pol einer Batteriezelle mit wenigstens einem elektrischen Pol wenigstens einer anderen Batteriezelle elektrisch verbindet.
-
Bevorzugt handelt es sich um eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verbindungselement zum elektrischen Verbinden mehrerer Batteriezellen oder Batterien.
-
Eine Batterie betreffender Art ist aus der
DE 10 2012 003 979 B3 bekannt. Bei der vorbekannten Batterie weisen die elektrischen Pole der Batteriezellen jeweils einen Sockel und einen davon abragenden Gewindebolzen (stiftförmige Komponente) auf. Das mit Ausnehmungen bzw. Bohrungen ausgebildete Verbindungselement ist auf die Gewindebolzen aufgesteckt und mittels auf den Gewindebolzen aufgeschraubten Schraubenmuttern gegen die Sockel mechanisch verspannt. Ferner weist das Verbindungselement sockelseitig den jeweiligen Gewindebolzen umschließende Buchsen auf, welche an einem axialen Ende mit dem Verbindungselement stoffschlüssig verbunden und am anderen axialen Ende in den Sockel des jeweiligen elektrischen Pols eingedrückt sind. Dadurch wird ein guter elektrischer Übergangswiderstand zwischen dem Verbindungselement und den elektrischen Polen der elektrisch verbundenen Batteriezellen gewährleistet.
-
Die
EP 2 230 705 A1 beschreibt mehrere Möglichkeiten der elektrischen Kontaktierung von Batteriezellen.
4 zeigt die elektrische Kontaktierung einer Batteriezelle durch ein Verbindungselement, wobei dieses Verbindungselement vorstehende Kontaktelemente aufweist, die infolge einer mechanischen Verspannung mithilfe einer Schraubenmutter direkt in einen zellenseitigen Anschlusssockel eingedrückt sind.
-
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der oben zitierten
DE 10 2012 003 979 B3 vorbekannte Batterie zu verbessern.
-
Dies gelingt mit einer erfindungsgemäßen Batterie nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf ein Verbindungselement zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Batterie. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
-
Zum Verständnis der Erfindung wird ausdrücklich auch auf die Erläuterungen in der bereits oben zitierten
DE 10 2012 003 979 B3 hingewiesen.
-
Die erfindungsgemäße Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass an einer den Sockeln zugewandten Seite des Verbindungselements die Bohrungen bzw. Bohrungsöffnungen von jeweils einem vorstehenden Kontaktring umgeben sind, wobei die Kontaktringe infolge einer mechanischen Verspannung durch Schraubenmuttern direkt in die Sockel eingedrückt sind, und dass an einer den Schraubenmuttern zugewandten Seite des Verbindungselements die Bohrungen bzw. Bohrungsöffnungen von jeweils einer im Wesentlichen symmetrisch zu dem gegenüberliegenden Kontaktring ausgebildeten Ringnut umgeben sind, wobei in die Ringnuten jeweils eine zwischen dem Verbindungselement und der jeweiligen Schraubenmutter angeordnete tellerartige Federscheibe bzw. Tellerfeder formschlüssig eingreift. Dadurch wird die von der jeweiligen Schraubenmutter erzeugte und indirekt über die Federscheibe in die Ringnut eingeleitete Spannkraft ohne radialen Versatz auf den jeweils gegenüberliegenden Kontaktring übertragen.
-
Das aus Metall gebildete Verbindungselement ist insbesondere stabartig ausgebildet und kann auch als Stromschiene bezeichnet werden. Die Kontaktringe und die Ringnuten sind einstückig (d. h. in einem Stück) mit dem Verbindungselement ausgebildet, vorzugsweise durch Umformen und insbesondere durch Prägen des Metallmaterials, wobei durch das Einprägen der die Bohrungen umgebenden Ringnuten an einer Seite die in Richtung des Sockels hervortretenden Kontaktringe an der gegenüberliegenden Seite ausgeprägt werden, so dass die gegenüberliegenden Bohrungsöffnungen der Bohrungen (wobei es sich um Durchgangsbohrungen handelt) im Verbindungselement von jeweils einer Ringnut und einem hierzu korrespondierenden Kontaktring umgeben sind. Bevorzugt sind die Kontaktringe und die Ringnuten konzentrisch zu den Bohrungen bzw. Bohrungsöffnungen ausgebildet.
-
Die korrespondierenden Kontaktringe und Ringnuten an den gegenüberliegenden Bohrungsöffnungen der Bohrungen im Verbindungselement sind aufgrund ihrer symmetrischen Ausbildung in axialer Richtung (d. h. in Richtung der Bohrungsachse bzw. Achse des die Bohrung durchragenden Gewindebolzens) zueinander fluchtend (d. h. sich axial im Wesentlichen exakt gegenüberliegend) angeordnet. Die von der jeweiligen Schraubenmutter erzeugte und indirekt über die Federscheibe in die Ringnut eingeleitete Spannkraft wirkt somit ohne radialen Versatz (bzw. radialversatzfrei) auf den symmetrisch bzw. fluchtend angeordneten Kontaktring an der gegenüberliegenden Seite des Verbindungselements. Durch den radialversatzfreien direkten axialen Kraftfluss zwischen den Ringnuten auf der einen Seite und den Kontaktringen auf der anderen Seite werden resultierende Biegemomente im Verbindungselement verhindert, die ansonsten durch die Batteriezellen aufgenommen werden müssten. Ferner kann eine hohe Kraft auf den Kontaktring aufgebracht werden, die beim Montieren ein zuverlässiges Eindrücken bzw. Einprägen in den zellenseitigen Sockel, auch in harte Sockelmaterialien, wie insbesondere Kupfer, ermöglicht. Die Erfindung gewährleistet somit eine prozesssichere Montage.
-
Beim Verbinden des Verbindungselements mit den Polen der Batteriezellen ergibt sich aufgrund der mit den Schraubenmuttern erzeugten Spannkraft eine besonders hohe Flächenpressung im Bereich der Kontaktringe. Dies führt dazu, dass die Kontaktringe direkt bzw. unmittelbar in die Sockel der elektrischen Pole eingedrückt bzw. eingeprägt werden. Durch den direkten axialen Kraftfluss wird ein besseres Eindrücken bzw. Einprägen der Kontaktringe in die Polsockel gewährleistet. Die sockelseitig vom Verbindungselement vorstehenden bzw. in Richtung des Sockels hervortretenden Kontaktringe sind also infolge des Verbindens des Verbindungselements mit den jeweiligen elektrischen Polen der Batteriezellen zumindest bereichsweise und insbesondere vollständig in die Sockel der aus Metall gebildeten Batteriepole eingedrückt bzw. eingepresst, wobei sich das Material der Sockel formschlüssig um die Kontaktringe herumlegt. Dadurch wird zuverlässig eine elektrische Kontaktierung mit einem besonders günstigen Übergangswiderstand erzielt. Gegenüber der in der
DE 10 2012 003 979 B3 beschriebenen mittelbaren Kontaktierung mittels Buchsen kann sich in axialer Richtung eine geringere Aufbauhöhe ergeben.
-
Die zwischen dem Verbindungselement und den jeweiligen Schraubenmuttern angeordneten tellerartigen Federscheiben bzw. Tellerfedern werden von den jeweiligen Gewindebolzen durchragt, wozu diese mit einer Innenbohrung bzw. Innenausnehmung ausgebildet sind. Die Federscheiben dienen einerseits zur Übertragung der mit der jeweiligen Schraubenmutter erzeugten Spannkraft auf das Verbindungselement. D. h. die mit den Schraubenmuttern erzeugte Spannkraft wird indirekt mittels der Federscheiben auf das Verbindungselement übertragen. Die Federscheiben dienen andererseits aber auch dazu, vor allem auch bei relativ geringen Anzugsmomenten an den Schraubenmuttern, die Verspannung und damit die elektrische Kontaktierung zwischen dem Verbindungselement und den Batteriepolen dauerhaft aufrecht zu erhalten und das bei Schraubverbindungen kritische Setzverhalten zu kompensieren (infolge des ermöglichten Federwegs). Mit Hilfe der Federscheiben kann also ein Setzverhalten der Schraubverbindungen über die Lebensdauer hinreichend ausgeglichen werden, wobei die erzeugte Vorspannkraft und der elektrische Übergangswiderstand annährend konstant erhalten bleiben. Es wird ein sehr gutes Alterungsverhalten erreicht.
-
Weitere Vorteile ergeben sich bei der Montage. Beim Anziehen der Schraubenmuttern werden die Federscheiben in axialer Richtung gespannt und hierbei elastisch verformt (Tellerfederprinzip). Die an einem Gewindebolzen erzeugte und gegen das Verbindungselement wirksame Spannkraft ist dadurch weniger abhängig vom Drehwinkel als vielmehr abhängig von der axialen Federrate bzw. Federsteifigkeit der Federscheibe, wodurch Montagetoleranzen kompensiert werden können. Aufgrund der gegen die Schraubenmuttern wirksamen Federkräfte und der daraus resultierenden selbsthemmenden Wirkung im Schraubengewinde ist eine separate Lös- und Verliersicherung für die auf die Gewindebolzen aufgeschraubten Schraubenmuttern (bspw. mittels Schraubensicherungskleber, wobei die Applikation eines Schraubensicherungsklebers aufwändig und fehleranfällig ist) nicht erforderlich, wodurch die Montage (und auch Demontage) ebenfalls vereinfacht wird.
-
Bevorzugt ist das Verbindungselement, insbesondere einstückig, aus einem Stahlmaterial gebildet. Die, insbesondere identisch ausgebildeten, tellerartigen Federscheiben sind bevorzugt einstückig aus einem Stahlblechmaterial gebildet. Bevorzugt handelt es sich bei den Federscheiben um Umformteile. Bei den Schraubenmuttern handelt es sich bevorzugt um einstückige Flanschmuttern, die flanschsseitig, insbesondere unmittelaber, an den tellerartigen Federscheiben anliegen. Insbesondere handelt es sich um handelsübliche Flanschmuttern.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die tellerartigen Federscheiben jeweils eine Innenbohrung aufweisen, deren Innenrand als gestülpter Kragen ausgebildet ist, wobei die Federscheiben mit diesen Kragen formschlüssig in die koresondierenden Ringnuten des Verbindungselements eingreifen. Die tellerartigen Federscheiben können an ihren in die Ringnuten eingreifenden Kragen stoffschlüssig mit dem Verbindungselement verbunden, insbesondere verschweißt, sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Federscheiben an ihren in die Ringnuten eingreifenden Kragen formschlüssig mit dem Verbindungselement verpresst sind. Die tellerartigen Federscheiben sind somit verliersicher am Verbindungselement befestigt. Mit anderen Worten formuliert weist das Verbindungselement integrierte Federscheiben auf bzw. ist einteilig mit den Federscheiben ausgebildet, woraus sich Vorteile bei der Montage, Demontage, Lagerhaltung und dergleichen ergeben.
-
Ein erfindungsgemäßes Verbindungselement zur elektrischen Verbindung von Batteriezellen in einer erfindungsgemäßen Batterie umfasst mehrere Bohrungen, die auf einer Seite des Verbindungselements von jeweils einem vorstehenden Kontaktring umgeben sind und die an der gegenüberliegenden Seite des Verbindungselements von jeweils einer im Wesentlichen symmetrisch zu dem Kontaktring ausgebildeten Ringnut umgeben sind, wobei in den Ringnuten jeweils eine tellerartige Federscheibe befestigt ist. Das erfindungsgemäße Verbindungselement kann auch zum Verbinden wenigstens zweier Batterien, welche jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassen, verwendet werden, sofern die elektrischen Anschlusspole in geeigneter Weise ausgebildet sind. Das Verbindungselement kann hierzu auch ohne vorstehende Kontaktringe ausgebildet sein.
-
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kontaktringe (oberflächlich) mit einer metallischen Beschichtung versehen sind. Bevorzugt handelt es sich um eine Schutzschicht aus Zinn. Wenn die Kontaktringe durch das Anziehen der Schraubenmuttern in den Sockel des jeweiligen elektrischen Pols eingedrückt werden, wird diese Schutzschicht verdrängt und eine oxidfreie reine metallische Kontaktfläche freigelegt, was durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen besonders gut gelingt. Die verdrängte Beschichtung kann im weiteren den Kontaktbereich vor schädlichen Einflüssen abschirmen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von den gezeigten und/oder erläuterten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
-
1 zeigt in einer Schnittansicht die elektrische Kontaktierung einer Batteriezelle innerhalb einer erfindungsgemäßen Batterie.
-
2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Abschnitt eines Verbindungselements im unverbauten bzw. unmontierten Zustand.
-
3 zeigt den Abschnitt des Verbindungselements aus 2 in einer Seitenansicht.
-
1 zeigt eine zu einer erfindungsgemäßen Batterie gehörende Batteriezelle 100 und ein stabartiges Verbindungselement 200, welches den gezeigten elektrischen Pol bzw. Batteriepol 110 der Batteriezelle 100 mit wenigstens einem elektrischen Pol wenigstens einer anderen nicht dargestellten Batteriezelle elektrisch verbindet. Das Verbindungselement 200 ist aus einem Metallmaterial gebildet.
-
Der elektrische Pol 110 der Batteriezelle 100 (wobei es sich um die Anode oder Kathode handeln kann) weist einen Sockel bzw. ein Anschlussterminal 111 und einen davon abragenden eingepressten und/oder eingeschweißten Gewindebolzen 113 auf. Die Bolzenachse ist mit L bezeichnet. Das Verbindungselement 200 weist an der gezeigten Kontaktstelle eine durchgehende Bohrung bzw. Ausnehmung 210 auf, mit der dieses auf den Gewindebolzen 113 aufgesteckt bzw. aufgefädelt und mittels einer auf den Gewindebolzen 113 aufgeschraubten Schraubenmutter 300 gegen den Sockel 111 verspannt ist. Bei der Schraubenmutter 300 handelt es sich um eine Flanschmutter mit einem radial vorstehenden Flansch 310.
-
Zwischen dem plattenartigen Sockel 111 und dem Verbindungselement 200 besteht idealerweise eine flächige Berührung, wodurch eine elektrische Kontaktierung herbeigeführt ist. Ferner weist das Verbindungselement 200 an seiner dem Sockel 111 zugewandten Seite bzw. Kontaktfläche einen die Bohrung 210 umgebenden vorstehenden Kontaktring 220 auf, der infolge der Verspannung direkt in den Sockel 111 eingedrückt bzw. eingeprägt ist, wodurch zumindest im Bereich dieses Kontaktrings 220 eine definierte elektrische Kontaktierung mit einem günstigen Übergangswiderstand besteht.
-
An der der Schraubenmutter 300 zugewandten Seite bzw. Fläche des Verbindungselements 200 ist die Bohrung 210 von einer im Wesentlichen symmetrisch zu dem gegenüberliegenden Kontaktring 220 ausgebildeten Ringnut 230 umgeben. Die Ringnut 230 und der gegenüberliegende korrespondierende Kontaktring 220 werden durch Umformung erzeugt, wobei durch das Einprägen der Ringnut 230 der an der gegenüberliegenden Seite in Richtung des Sockels 111 hervortretende Kontaktring 220 ausgeprägt bzw. herausgedrückt wird. Die plastische Verformung des Metallmaterials führt, insbesondere aufgrund einer Kaltverfestigung, zu einer hohen Formfestigkeit des Kontaktrings 220. Der Kontaktring 220 und die Ringnut 230 sind konzentrisch zur Bohrung 210 und zueinander im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet.
-
Zwischen dem Verbindungselement 200 und der auf den Gewindebolzen 113 aufgeschraubten Schraubenmutter 300 ist eine tellerartige Federscheibe bzw. Tellerfeder 400 angeordnet. Die tellerartige Federscheibe 400 weist eine vom Gewindebolzen 113 durchragte Innenbohrung auf, deren Innenrand als gestülpter Kragen 410 ausgebildet ist, wodurch sich im gezeigten Längsschnitt die konische bzw. trichterartige Form ergibt. Der Kragen 410 greift formschlüssig in die Ringnut 230 des Verbindungselements 200 ein und ist dort stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Verbindungselement 200 gefügt, bspw. mittels Verschweißung und/oder Verpressung. Das Verpressen kann bspw. in einem sich der umformenden Erzeugung von Ringnut 230 und Kontaktring 220 anschließenden Arbeitsgang erfolgen, wobei z. B. lediglich der obere Bohrungsrand der Bohrung 210 auf den Innenrand der Federscheibe 400 gedrückt wird. D. h. zur Befestigung der Federscheibe 400 wird platzneutral die bereits vorhandene Ringnut 230 genutzt. Die Federscheibe 400 wird integraler Bestandteil des Verbindungselements 200.
-
Die tellerartige Federscheibe 400 stützt sich mit ihrem außenliegenden Ringflansch 420 direkt am Flansch 310 der Schraubenmutter 300 ab. Durch Anziehen der Schraubenmutter 300 wird die tellerartige Federscheibe 400 in axialer Richtung elastisch verformt und gespannt, wobei die erzeugte Spannkraft innerhalb der Ringnut 230 auf das Verbindungselement 200 übertragen wird, welches hierdurch gegen den Sockel 111 gedrückt wird. Aufgrund der symmetrischen Ausgestaltung und der daraus resultierenden fluchtenden Anordnung von Ringnut 230 und Kontaktring 220 wird die in die Ringnut 230 eingeleitete Spannkraft ohne radialen Versatz (d. h. radialversatzfrei) auf den gegenüberliegenden Kontaktring 220 übertragen. In vorteilhafter Weise ergibt sich ein direkter axialer Kraftfluss (parallel zur Bolzen- bzw. Bohrungsachse L) zwischen der Ringnut 230 an der der Schraubenmutter 300 zugewandten Seite des Verbindungselements 200 und dem Kontaktring 220 an der gegenüberliegenden, dem Sockel 111 zugewandten Seite des Verbindungselements 200, wie mit den Pfeilen F veranschaulicht.
-
2 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht einen Abschnitt des Verbindungselements 200 mit einem an der Durchgangsbohrung 210 befestigten tellerartigen Federelement 400. Das Verbindungselement 200 ist aus einem flachen, massiven, metallischen Profilteil (bspw. aus Aluminium oder Kupfer) gebildet. 3 zeigt den selben Abschnitt in einer Seitenansicht, in der auch der ausgeprägte Kontaktring 220 zu erkennen ist. Der Kontaktring 220 kann mit einer metallischen Beschichtung versehen sein, wie obenstehend erläutert. Das Verbindungselement 200 weist weitere Verbindungs- bzw. Kontaktstellen auf, die insbesondere identisch ausgebildet sind. Aufgrund seiner Ausgestaltung kann das Verbindungselement 200 auch als Stromschiene bezeichnet werden.
