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Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbatterie mit mehreren Batteriezellen zum Erzeugen einer Hochvoltspannung. Unter einer Hochvoltspannung wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine elektrische Spannung verstanden, die größer als 60 V, insbesondere größer als 100 V ist. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, in welchem mindestens eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbatterie. Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Steckmodul, welches in der Kraftfahrzeugbatterie verbaut werden kann.
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Beim Herstellen einer Kraftfahrzeugbatterie werden ihre einzelnen Bauteile miteinander montiert, wobei durch jedes Bauteil eine Funktion der Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt ist. Bei den Bauteilen handelt es sich um die Batteriemodule, welche jeweils eine Teilspannung der Hochvoltspannung bereitstellen, die Hochvolt-Verkabelung, welche die Module miteinander verbindet, das Batteriemanagementsystem zum Koordinieren von Steuerschaltungen in den Batteriemodulen und die zugehörige Niedervolt-Verkabelung, welche das Batteriemanagementsystem mit den Steuerschaltungen in den Batteriemodulen verbindet. Unter Niedervolt wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine elektrische Spannung von kleiner als 60 V verstanden.
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Die Montage all dieser Bauteile ist extrem aufwändig und stellt ein großes Fehlerpotential dar, insbesondere im Bereich der Hochvolt-Montage. Mit dem Anbringen der Hochvolt-Verkabelung an den Batteriemodulen entsteht aus deren Modulspannung eine Summenspannung, die mit jedem neuen angeschlossenen Batteriemodul wächst, bis die Hochvoltspannung erreicht ist. Für einen Monteur kann daher dieser Arbeitsschritt eine lebensbedrohliche Gefahr darstellen, die durch aufwändige Schutzmaßnahmen abgewehrt werden muss.
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Ein weiteres Problem stellt die Vielzahl der Bauteile dar, durch welche viel Bauraum im Batteriesystem beansprucht wird, was die volumetrische Energiedichte der Kraftfahrzeugbatterie beeinträchtigt. Außerdem ergibt sich durch die Komplexität der Batteriekonstruktion ein entsprechender Kostenaufwand in der Entwicklungsphase und der Herstellung. Für jedes Bauteil gibt es unterschiedliche Lieferanten, die unterschiedlich betreut werden müssen.
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Aus der
DE 10 2011 101 352 A1 ist eine Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug bekannt, bei welcher mehrere Zellenmodule auf einer Trägerplatte befestigt sind und untereinander durch eine als Steckmodul ausgebildete Anschluss- oder Verteilerdose miteinander verschaltet sind.
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Ein einzelnes Batteriemodul ist in der
DE 21 2011 100 153 U1 beschrieben. Dieses Batteriemodul weist elektrochemische Plattenzellen auf, die über Bandelektroden kontaktiert werden können. Das elektrische Batteriemodul weist insgesamt die Form einer Platte auf.
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Im Zusammenhang mit Steuerschaltungen, die in Batteriemodule integriert werden können, geht eine solche aus der
DE 198 10 746 A1 hervor. Auf Segmenten einer Platine dieser Steuerschaltung befinden sich Abgriffe für die Temperatur und die Spannung einzelner galvanischer Batteriezellen sowie auf mindestens einem Segment Datenleitungen zu gemeinsamen Ein- und Ausgängen eines Datenbusanschlusses.
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Die
US 2013/0 143 086 A1 beschreibt eine Spannungserfassungsanordnung zum Erfassen von Spannungen von Batteriezellen mit Elektrodenanschlüssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakt bauende, spannungsgeschützt montierbare Kraftfahrzeugbatterie bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Erfindungsgemäß ist eine Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt, die insbesondere eine Hochvoltbatterie oder Traktionsbatterie darstellt. Die Kraftfahrzeugbatterie weist mehrere Batteriemodule auf, von denen jedes mehrere mit einem gemeinsamen Zellanschluss verschaltete galvanische Batteriezellen sowie eine mit einem Busanschluss gekoppelte Steuerschaltung aufweist. Der Busanschluss hat eine längliche Form mit parallelen Längsseiten und abgerundeten Endseiten, die die parallelen Längsseiten miteinander verbinden. Der genannte Zellanschluss jedes Batteriemoduls dient jeweils als Spannungsabgriff der von den Batteriezellen erzeugten elektrischen Spannung, d.h. der Modulspannung, welche eine Teilspannung für die Hochvoltspannung bildet. Die Teilspannung ist insbesondere kleiner als eine Hochvoltspannung. Bei der Steuerschaltung kann es sich um die aus dem Stand der Technik bekannte Steuerschaltung handeln, die auch als CMC (Cell Module Controller) bezeichnet ist. Sie kann beispielsweise zur Spannungsüberwachung und/oder Temperaturüberwachung innerhalb des Batteriemoduls bereitgestellt sein.
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Alle Batteriemodule sind miteinander verschaltet und zwar durch eine Verschaltungseinrichtung, durch welche die Zellanschlüsse aller Batteriemodule mit einem Hochvolt-Batterieanschluss verbunden sind und durch welche die Busanschlüsse aller Batteriemodule mit einem Batteriemanagementsystem der Kraftfahrzeugbatterie verbunden sind.
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Um mittels der Batteriemodule eine kompakt bauende und spannungsgeschützt herstellbare Kraftfahrzeugbatterie bereitzustellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, bei jedem Batteriemodul jeweils den (insbesondere zweipoligen) Spannungsabgriff und den Busanschluss in einen gemeinsamen Steckanschluss zu integrieren. Die Anschlusskontakt sind also bevorzug entlang einer gemeinsamen Steckrichtung ausgerichtet. Entsprechend ist die Anschlusseinrichtung, welche einerseits die Spannungsabgriffe miteinander verschaltet und andererseits die Busanschlüsse mit dem Batteriemanagementsystem koppelt, als ein einziges, auf alle Steckanschlüsse aufgestecktes, das Batteriemanagement aufweisendes Steckmodul ausgestaltet. Die Steckanschlüsse aller Batteriemodule sind daher in der Kraftfahrzeugbatterie in einer Reihe nebeneinander angeordnet, beispielsweise übereinander.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kraftfahrzeugbatterie kann folgendes vorteilhaftes erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden. Die Batteriemodule werden gestapelt, wobei ihre Steckanschlüsse elektrisch voneinander getrennt bleiben. Hierdurch wird vermieden, dass beim Stapeln der Batteriemodule eine Summenspannung entsteht, die größer ist als die Teilspannung jedes Batteriemoduls. Die Steckanschlüsse werden in der beschriebenen Weise nebeneinander in einer Reihe ausgerichtet. Dann wird das Steckmodul auf die ausgerichteten Steckanschlüsse aufgesteckt. Hierdurch werden gleichzeitig alle Spannungsabgriffe miteinander verschaltet, sodass ihre Summenspannung die Hochvoltspannung ergibt. Zugleich werden die Busanschlüsse aller Batteriemodule mit dem Batteriemanagementsystem verschaltet.
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Mit anderen Worten ist es in vorteilhafter Weise möglich, bei Niedervoltspannung die Batteriemodule zu stapeln und auszurichten und mit einem einzigen, bevorzugt dem letzten, Montageschritt durch Aufstecken des Steckmoduls die Verschaltung aller Spannungsabgriffe vorzunehmen, ohne dass danach noch für den Monteur gefährliche weitere Herstellungsschritte an der Kraftfahrzeugbatterie vorgenommen werden müssen.
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Insgesamt ergibt sich der Vorteil, dass die Kraftfahrzeugbatterie aus Fertigteilen montiert werden kann, von denen keines die Hochvoltspannung erzeugt und mit einem einzigen Arbeitsschritt durch Aufstecken des Steckmoduls erst die Hochvoltspannung bei der Montage entsteht.
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Bevorzugt weist jedes Batteriemodul ein eigenes Gehäuse auf, durch welches die Batteriezellen und die Steuerschaltung elektrisch zu einer Umgebung des Batteriemoduls hin isoliert sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass jedes Batteriemodul als einzelnes, geschlossenes Bauteil gehandhabt werden kann. Das Gehäuse ist insbesondere aus Kunststoff gefertigt und weist Befestigungseinrichtungen, beispielsweise Durchgangslöcher oder Rastverbinder auf, mittels welchen die Batteriemodule miteinander beispielsweise verschraubt oder verrastet werden können und mittels welcher die Batteriemodule an einem Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs, z.B. einer Bodenplatte, befestigt werden können.
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Bevorzugt ist jedes Batteriemodul als eine flache Platte ausgestaltet. Hierzu sind bei den Batteriemodulen jeweils die Batteriezellen als Folienzellen bereitgestellt. Solche Folienzellen oder Pouch-Zellen sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Durch Bereitstellen von plattenförmigen Batteriemodulen ergibt sich der Vorteil, dass die nebeneinander aufgereihten Steckanschlüsse aller Batteriemodule zusammen durch ein verhältnismäßig klein bauendes Steckmodul miteinander verschaltet werden können.
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Das Steckmodul ist ebenfalls ein Bestandteil der Erfindung. Es weist den Vorteil auf, dass die Batteriemodule in einem einzigen Arbeitsschritt miteinander verschaltet werden können, bei welchem dann erst die Hochvoltspannung an der Kraftfahrzeugbatterie entsteht. Das Steckmodul weist ein Gehäuse auf, das mit einer Steckseite auf die nebeneinander angeordneten Steckanschlüsse der Batteriemodule aufgesteckt wird. Die Steckseite weist entsprechend mehrere benachbart zueinander angeordnete Anschlussfelder auf, von denen jedes ein elektrisches Kontaktpaar zum Aufstecken auf den Spannungsabgriff eines Batteriemoduls und einen Busanschluss zum Verbinden mit dem Busanschluss desselben Batteriemoduls aufweist. Der Busanschluss hat eine längliche Form mit parallelen Längsseiten und abgerundeten Endseiten, die die parallelen Längsseiten miteinander verbinden.
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In dem Gehäuse ist eine Verschaltungseinrichtung angeordnet, durch welche die Kontaktpaare der Anschlussfelder untereinander verschaltet werden. Durch die Verschaltungseinrichtung kann beispielsweise eine Reihenschaltung der Spannungsabgriffe der Batteriemodule bewirkt werden. Des Weiteren ist in dem Gehäuse ein Batteriemanagementsystem angeordnet, welches mit den jeweiligen Busanschlüssen aller Anschlussfelder gekoppelt ist. Über das Steckmodul kann auch die Hochvoltspannung der Kraftfahrzeugbatterie im Kraftfahrzeug abgegriffen werden, also z.B. zum Motor geführt werden. Hierzu ist eine Anschlusseinrichtung mit einem an dem Gehäuse angeordneten Hochvoltanschluss zum Ausgeben der über die verschalteten Anschlussfelder in der Verschaltungseinheit gebildeten Hochvoltspannung bereitgestellt.
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Bevorzugt ist bei dem Steckmodul vorgesehen, dass bei den Anschlussfeldem das jeweilige Kontaktpaar durch zwei in einem jeweiligen Steckschacht (im Folgenden auch als Schacht bezeichnet) angeordnete oder versenkte elektrische Kontakte gebildet ist. Hierdurch sind Lichtbögen und Spannungsdurchschläge beim Aufstecken des Steckmoduls auf die Batteriemodule verhindert. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist unter einem Steckschacht ein aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeter Schacht in einer Gehäusewandung zu verstehen.
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Der Hochvoltanschluss ist ebenfalls bevorzugt berührungsgeschützt ausgestaltet, indem er zwei in einem jeweiligen Steckschacht angeordnete, eine elektrisch isolierende Kappe aufweisende elektrische Kontaktstifte (im Folgenden auch als Metallstift oder Kontakteelement bezeichnet) aufweist. Nach dem Aufstecken der Steckmodule ist es dann nicht möglich, beispielsweise mit einem Finger oder einem Werkzeug versehentlich die Kontaktstifte des Hochvoltanschlusses zu berühren.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Steckmoduls sieht vor, dass mindestens ein zum jeweiligen Anschließen eines Schaltschützes ausgestalteter Steueranschluss bereitgestellt ist, der mit einer zum Steuern des Schaltschützes ausgelegten Steuereinrichtung des Batteriemanagementsystems gekoppelt ist. Ein solcher Steueranschluss wird auch als BJB (Batterie Junction Box) bezeichnet. Durch Vorsehen eines solchen Steueranschlusses ist es möglich, auch Schaltschütze beispielsweise für eine Notabschaltung oder eine Trennung einer elektrischen Verbindung innerhalb der Kraftfahrzeugbatterie, von dem Batteriemanagementsystem des Steckmoduls aus zu steuern.
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Um die elektrischen Kontakte jedes Kontaktpaares untereinander zu verschalten, also beispielsweise eine Reihenschaltung der Batteriemodule zu bewirken, weist die Verschaltungseinrichtung des Steckmoduls gemäß einer Ausführungsform starre Metallprofilteile auf, über welche jeweils ein elektrischer Kontakt eines Kontaktpaares eines Anschlussfelds mit einem elektrischen Kontakt eines Kontaktpaares eines anderen Anschlussfelds galvanisch gekoppelt ist. Hierbei sind alle Kontaktpaare bevorzugt in Reihe geschaltet. Die Metallprofilteile ergeben den Vorteil, dass sie starr mit dem Gehäuse des Steckmoduls verbunden werden können, sodass beim Aufstecken des Steckmoduls auf die Batteriemodule eine zuverlässige Kraftübertragung gewährleistet ist.
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Wie bereits aufgeführt, gehört zu der Erfindung auch ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Kraftfahrzeugbatterie gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbatterie aufweist.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt jeweils in schematischer Darstellung:
- 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbatterie,
- 2 ein einzelnes Batteriemodul der Kraftfahrzeugbatterie,
- 3 einen Steckanschluss des Batteriemoduls,
- 4 eine Explosionsdarstellung des Batteriemoduls,
- 5 die Batteriemodule der Kraftfahrzeugbatterie während eines Herstellungsschrittes,
- 6 die Batteriemodule während eines weiteren Herstellungsschrittes,
- 7 einen Aufsteckvorgang während der Herstellung der Kraftfahrzeugbatterie, durch welchen die Batteriemodule mittels eines Steckmoduls miteinander verschaltet werden,
- 8 den Aufsteckvorgang aus einer anderen Perspektive,
- 9 eine Steckseite des Steckmoduls,
- 10 eine Anschlusseinrichtung des Steckmoduls zum Ausgeben einer Hochvoltspannung der Kraftfahrzeugbatterie,
- 11 einen Steckkontakt der Anschlusseinrichtung,
- 12 das Steckmodul während einer Montage desselben,
- 13 eine Explosionsdarstellung des Steckmoduls,
- 14 Einzelkomponenten des Steckmoduls vor der Montage,
- 15 eine Verschaltungseinrichtung, die in dem Steckmodul angeordnet ist,
- 16 ein Metallprofil, das in der Verschaltungseinrichtung bereitgestellt ist.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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1 zeigt eine Kraftfahrzeugbatterie oder kurz Batterie 10, bei welcher es sich um eine Hochvoltbatterie oder Traktionsbatterie handeln kann. Beispielsweise kann die Batterie 10 dazu ausgelegt sein, eine Hochvoltspannung zwischen 400 V und 500 V, beispielweise 440 V zu erzeugen. Ein Betriebsstrom der Batterie 10 kann beispielsweise in einem Bereich von 25 A bis 45 A liegen, beispielsweise 35 A oder 37 A betragen. Eine Breite B der Batterie 10 kann beispielsweise in einem Bereich von 50 cm bis 120 cm, beispielsweise in einem Bereich von 60 cm bis 90 cm liegen. Eine Tiefe T kann beispielsweise in einem Bereich von 45 cm bis 80 cm, beispielsweise in einem Bereich von 55 cm bis 65 cm liegen. Eine Höhe H der Batterie kann beispielsweise in einem Bereich von 10 cm bis 25 cm, insbesondere 10 cm bis 20 cm liegen.
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Die Batterie 10 ist aus mehreren Batteriemodulen 12 gebildet, die zusammen zu einem Modulstapel 14 aufeinandergestapelt sein können. Eine Anzahl der Batteriemodule 12 in einer Kraftfahrzeugbatterie 10 kann bedarfsweise gewählt sein, je nach benötigter Hochvoltspannung und benötigtem Betriebsstrom.
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Jedes Batteriemodul 12 kann die Form einer Platte aufweisen. Die Platten können mit ihren Breitseiten aufeinandergestapelt sein. Die Batteriemodule 12 können miteinander durch ein Steckmodul 16 miteinander verschaltet sein. Das Steckmodul 16 kann des Weiteren eine Anschlusseinrichtung 18 aufweisen, welche einen Hochvoltanschluss 20 aufweisen kann, an welchem die von der Batterie 10 erzeugte Hochvoltspannung abgegriffen oder entnommen werden kann. Die Hochvoltspannung stellt eine Summenspannung aus den Teilspannungen oder Modulspannungen der einzelnen Batteriemodule 12 dar. Jedes Batteriemodul 12 kann dabei eine elektrische Spannung erzeugen, also die Modulspannung, die im Sinne der Erfindung eine Niedervoltspannung ist.
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Durch Aufstecken des Steckmoduls 16 auf den Modulstapel 14 können die Batteriemodule 12 in einem einzigen Arbeitsschritt miteinander verschaltet worden sein, sodass sich erst mit dem Aufstecken des Steckmoduls 16 die Hochvoltspannung am Hochvoltanschluss 20 ausgebildet hat. Bis dahin konnten die Batteriemodule 12 ohne besondere Vorkehrungen zum Schutz gegen eine Hochvoltspannung zu dem Modulstapel 14 aufgestapelt werden.
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In 2 ist ein einzelnes Batteriemodul 12 gezeigt. Jedes der Batteriemodule 12 des Modulstapels 14 kann in der gleichen Weise ausgestaltet sein. Das Batteriemodul 12 kann ein Modulgehäuse 22 (im Folgenden auch als Gehäuse 22 bezeichnet) aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, aufweisen. Das Batteriemodul 12 kann einen Steckanschluss 24 aufweisen, an welchen das Steckmodul 16 angesteckt werden kann. Der Steckanschluss 24 kann in einer Vertiefung 26 des Gehäuses 22 angeordnet sein, sodass das Steckmodul 16 in der Vertiefung 26 versenkt werden kann.
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In 3 ist der Steckanschluss 24 als vergrößerter Ausschnitt der 2 dargestellt. Der Steckanschluss 24 kann sowohl einen Spannungsabgriff 28 mit einem Pluspol 30 und einem Minuspol 32 als auch einen Busanschluss 34 aufweisen. An dem Spannungsabgriff 28 kann die Modulspannung abgegriffen werden. Über den Busanschluss 34 kann das Steckmodul mit einer Steuerschaltung des Batteriemoduls 12, welche in dem Gehäuse 22 angeordnet sein kann, gekoppelt werden.
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In 4 ist der innere Aufbau des Batteriemoduls 12 dargestellt. Das Gehäuse 22 kann aus zwei Gehäuseschalen 22' (im Folgenden auch als Gehäuseteile 22' bezeichnet) gebildet sein, welche Batteriezellen 36 und die Steuerschaltung 40 umgeben. Die Batteriezellen 36 können beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen darstellen. Die Batteriezellen 36 können als Folienzellen ausgestaltet sein. Die Batteriezellen 36 können prismatisch ausgestaltet sein. Die Batteriezellen 36 können auf die Gehäuseteile 22' aufgeklebt sein.
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Durch Verbindungselemente 38, beispielsweise Metallbügel, können die Batteriezellen 36 zu einer Reihenschaltung verschaltet sein, wodurch sich die Zellenspannungen zu der Modulspannung aufaddieren. Die Batteriezellen 36 können durch eine Steuerschaltung 40 überwacht werden. Die Steuerschaltung 40 kann in an sich bekannter Weise als Cell-Module-Controller CMC ausgestaltet sein.
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Die Gehäuseteile 22' können in vorteilhafter Weise Durchgangsöffnungen 23 aufweisen, durch welche ein Luftaustausch zwischen einer Batterieumgebung und dem Modulinneren und damit eine Kühlung eines Innenraums des Batteriemoduls 12 ermöglicht ist.
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Jedes einzelne Batteriemodul 12 kann für sich gefertigt und als Fertigbauteil zur Montage der Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt sein.
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In 5 ist gezeigt, wie die Batteriemodule 12 aufeinandergestapelt werden können. Hierbei werden die Steckanschlüsse 24 zueinander fluchtend angeordnet, das heißt nebeneinander angeordnet. Durch das Stapeln der Batteriemodule 12 ergibt sich der Modulstapel 14, der in 6 noch einmal dargestellt ist. Die Batteriemodule 12 können mittels einer Befestigungseinrichtung 42 ineinander fixiert werden. Beispielsweise werden nach dem Stapeln die Batteriemodule 12 auf eine Fahrzeugbodenplatte eines (nicht dargestellten) Kraftfahrzeugs mit Schrauben 44 verschraubt und fixiert. Der Spannungsbereich dieser teilmontierten Kraftfahrzeugbatterie liegt dabei immer noch im Niedervoltbereich.
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In 7 ist der abschließende Montageschritt veranschaulicht, bei welchem das Steckmodul 16 auf die zu einem Ansteckbereich 46 (im Folgenden auch als Steckbereich 46 bezeichnet) angeordneten Steckanschlüsse 24 der einzelnen Batteriemodule 12 beim Stapeln angeordnet worden ist. Der Modulstapel 14 kann dabei so gebildet worden sein, dass bei den Steckanschlüssen 24 benachbarter Batteriemodule 12 der Pluspol 30 und der Minuspol 32 jeweils seitenversetzt angeordnet ist, wie dies in 7 für die oberen beiden Batteriemodule 12 veranschaulicht ist.
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8 zeigt den Aufsteckvorgang aus einer anderen Perspektive. Das Steckmodul 16 wird mit einer Steckseite 48 in einer Aufsteckbewegung entlang einer Steckrichtung 50 (im Folgenden auch als Steckbewegung 50 bezeichnet) in den Steckbereich 46 eingesteckt.
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Die Steckseite 48 kann für jeden Steckanschluss 24 im Steckbereich 46 jeweils ein Anschlussfeld 52 aufweisen, von denen in 8 der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Dieses Anschlussfeld 52 kann ein Kontaktpaar 54 und einen Busanschluss 56 aufweisen. Das Kontaktpaar 54 kann auf den Pluspol 30 und den Minuspol 32 eines jeweiligen Spannungsabgriffs eines Steckanschlusses 24 aufgesteckt werden. Der Busanschluss 56 kann auf den Busanschluss 34 desselben Steckanschlusses 24 gesteckt werden. Durch die Aufsteckbewegung entlang der Steckrichtung 50 können alle Anschlussfelder 52 gleichzeitig auf die korrespondierenden Steckanschlüsse 24 im Steckbereich 46 aufgesteckt werden. Damit ist die Batteriemontage vollendet und es herrscht an der Anschlusseinrichtung eine Hochvoltspannung.
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9 zeigt, wie jeder Busanschluss 56 eines Anschlussfelds 52 einen oder mehrere Buskontakte 58 zum elektrischen Kontaktieren einer korrespondierenden elektrischen Busleitung des Busanschlusses 34 eines Steckanschlusses 24 eines Batteriemoduls 12 aufweisen kann. Jedes Kontaktpaar 54 kann zwei elektrische Kontakte aufweisen, die in einem Gehäuse 60 des Steckmoduls 16 angeordnet sein können. Die Kontaktpaare 54 können dabei durch Durchgangsöffnungen 62 im Gehäuse 60 von außerhalb des Steckmoduls 16 erreichbar sein. So können die Pluspole 30 und die Minuspole 32 durch die Durchgangsöffnungen 62 in das Gehäuse 60 gesteckt und hierdurch mit den Kontakten des Kontaktpaares 54 in Verbindung oder Kontakt gebracht werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass kein elektrisch leitendes Element außerhalb des Steckmoduls 16 vorhanden ist, wenn beim Einstecken des Steckmoduls durch die Steckbewegung 50 in den Steckbereich 46 die Hochvoltspannung entsteht. Auch jeder Busanschluss 56 kann eine Schachtwandung 64 aufweisen, durch die zum einen eine Bewegungsführung beim Aufstecken bereitgestellt werden kann und zum anderen ein Spannungsüberschlag von den Kontaktpaaren 54 auf die Buskontakte 58 verhindert ist.
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10 zeigt eine der Steckseite 48 gegenüberliegende Rückseite des Steckmoduls 16 mit der Anschlusseinrichtung 18. Durch die Anschlusseinrichtung 18 ist der Hochvoltanschluss 20 bereitgestellt, welcher einen Hochvolt-Pluskontakt 66 und einen Hochvolt-Minuskontakt 68 aufweisen kann. Die Anschlusseinrichtung 18 kann zusätzlich einen Kommunikationsbusanschluss 70 aufweisen, über welchen das Steckmodul 16 mit einem Kommunikationsbus eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise einem CAN-Bus (CAN - Controller Area Network), verbunden werden kann. Die Hochvoltspannung der Kraftfahrzeugbatterie 10 fällt zwischen dem Hochvolt-Pluskontakt 66 und dem Hochvolt-Minuskontakt 68 ab.
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In 11 ist ein Berührschutz 72 dargestellt, welcher jeweils beim Hochvolt-Pluskontakt 66 und dem Hochvolt-Minuskontakt 68 in der Anschlusseinrichtung 18 bereitgestellt sein kann. Der Hochvolt-Pluskontakt 66 und der Hochvolt-Minuskontakt 68 können durch einen Metallstift 74 oder ein anderes Kontaktelement 74 bereitgestellt sein, das in einem Schacht aus einem mit einer elektrisch isolierenden Schachtwandung 78, beispielsweise einem Kunststoffschacht, angeordnet sein kann. Zu einer Schachtöffnung hin kann auf dem Kontaktelement 74 eine elektrisch isolierende Kappe 80 angeordnet sein. Hierdurch ist es nicht möglich, einen Finger oder ein Werkzeug in den Schacht zu stecken und hierdurch eine elektrische Verbindung zu dem Kontaktelement 74 herzustellen. Somit ist es auch nach dem Aufstecken des Steckmoduls auf den Modulstapel 14 sicher vermieden, dass ein Monteur mit einem unter Hochvoltspannung stehenden elektrisch leitenden Element in Berührung kommt.
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In 12 ist das Steckmodul 16 während einer Montagephase dargestellt. In dem Gehäuse 60 kann eine Trägerplatte 82 bereitgestellt sein, auf welcher die Busanschlüsse 56 angeordnet sein können. Die Trägerplatte 82 kann auch Leiterbahnen zum Verschalten der Buskontakte 58 aufweisen. Durch eine Verschaltungseinrichtung 84 können die elektrischen Kontakte 86 der Kontaktpaare 54 bereitgestellt sein. Kontakte 86 benachbarter Anschlussfelder 52 können durch ein elektrisch leitfähiges Brückenelement 88 miteinander verbunden sein. Insgesamt können so zwei Kontakte 86 und ein Brückenelement 88 durch ein elektrisch leitfähiges Profilelement 90 (im Folgenden auch als Profil oder Metallprofilteile bezeichnet), das beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein kann, bereitgestellt sein.
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In 13 sind die Elemente des Steckmoduls 16 noch einmal einzeln dargestellt. Über die Trägerplatte 82 können die Busanschlüsse 56 elektrisch mit einem Batteriemanagementsystem 92 verschaltet sein, das ebenfalls in dem Steckmodul 16 integriert sein kann. Das Batteriemanagementsystem 92 kann über die Busanschlüsse 56 mit den Steuerschaltungen 40 aller Batteriemodule 12 Daten austauschen und hierdurch in an sich bekannter Weise die Kraftfahrzeugbatterie 10 steuern. Das Batteriemanagementsystem 92 kann auch mit dem Kommunikationsbusanschluss 70 gekoppelt sein, sodass das Batteriemanagementsystem 92 auch Daten mit dem Kommunikationsbus des Kraftfahrzeugs austauschen kann.
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In 14 sind die einzeln fertigbaren Elemente des Steckmoduls 16 noch einmal dargestellt.
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In 15 ist die Verschaltungseinrichtung 84 dargestellt. Die Profile 90 aneinander gegenüberliegenden Seiten 94, 96 der Verschaltungseinrichtung 84 können zueinander versetzt angeordnet sein, sodass abwechselnd auf der Seite 94 und der Seite 96 jeweils Kontakte 86 benachbarter Anschlussfelder 52 jeweils durch ein Brückenelement 88 verschaltet sind und hierdurch die Spannungsabgriffe 28 der Steckanschlüsse 24 der einzelnen Batteriemodule 12 zu einer Reihenschaltung verschaltet sind. Eine Summenspannung der Modulspannungen fällt dann zwischen den Hochvolt-Kontakten 66, 68 ab. Die Hochvolt-Kontakte 66, 68 sind, wie in 10 bereits gezeigt, in der Anschlusseinrichtung 18 ausgeführt. Durch die Verschaltungseinrichtung 84 kann auch eine Parallelschaltung zweier oder mehrerer Batteriemodule 12 bewirkt werden. Hierfür sind dann andere Verschaltungen der Kontakte 86 vorzusehen.
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In 16 ist gezeigt, wie jeder einzelne Kontakt 86 der Profile 90 als Steckschacht aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sein kann. Jeder Kontakt 86 kann Kühlrippen 97 aufweisen, durch welche auch bei einem Stromfluss, der dauerhaft, beispielsweise länger als 10 Min., bei der Nennstromstärke oder auch darüber liegt, eine Überhitzung der Profile 90 verhindert ist. In jedem Schacht kann ein Geflecht 98 aus einem elektrisch leitfähigen Draht angeordnet sein. Durch das Geflecht 98 kann eine großflächige Kontaktierung der Pluspole 30 und Minuspole 32 der Spannungsabgriffe 28 der einzelnen Batteriemodule 12 mit den Schachtwänden des Kontakts 86 jedes Profils 90 sichergestellt werden.
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Die Kraftfahrzeugbatterie kann derart montiert werden, dass die Batteriemodule unter Berührschutz-Bedingungen miteinander verbunden werden können. Dabei ist es bewiesen, dass auch die Funktion der Niedervolt-Anbindung der Steuerschaltungen der Batteriemodule 12 und die Hochvolt-Verkabelung mittels der Verschaltungseinrichtung 84 sowie die Bereitstellung eines Batteriemanagementsystems 92 in einem Bauteil integriert werden können, nämlich dem Steckmodul 16.
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Das Geflecht 98 kann beispielsweise als Hyperboloid geformt sein, sodass es sich beim Einstecken eines elektrischen Kontakts an diesen anschmiegt. Das Geflecht kann auf einem Kunststoffträger positioniert oder fixiert sein, mittels welchem das Geflecht ohne unerwünschte Verformung in einen jeweiligen Schacht eines Kontakts 86 gesteckt werden kann.
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Somit zeigt das Beispiel eine Modulkonstruktion, die flach mit prismatischen Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut wird. Das Modul bringt die Anbindung für ein Steckmodul mit. Diese neue Idee ermöglicht durch eine Vollberührschutzlösung mit Funktionsintegration, dass im Steckmodul die Bauteile für die Hochvoltverbindung, die Niedervoltverbindung für den Busanschluss, ein Batteriemanagementsystem sowie ein Hochvolt-Steckanschluss untergebracht werden. Sollte ausreichend Bauraum vorhanden sein, kann sogar die Funktion einer Batterie-Junction-Box in diesem Steckmodul integriert sein. Vorteilig wird so voller Berührschutz im Hochvolt-Bereich bereits während der Montage, der Nacharbeit und beim Service gewährleistet. Es wird mit dem Steckmodul ein Bauteil anstelle von fünf unterschiedlichen benötigt, um die Batteriemodule miteinander zu verschalten. Es ergibt sich eine einfache Montage. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Kraftfahrzeugbatterie werden Bauraum und Gewicht gespart. Zudem ergeben sich geringere Kosten bei Entwicklung und Bauteilebeschaffung. Durch die Volumeneinsparung können in einem Kraftfahrzeug ohne zusätzliche Bauraumbeschaffung mehr Kraftfahrzeugbatterien bereitgestellt werden, wodurch in vorteilhafter Weise auch die Reichweite eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs gesteigert werden kann.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein Hochvolt-Steckmodul mit integriertem Batteriemanagement-Niedervolt- und Hochvolt-Stecker bereitgestellt werden kann.
