DE102014017081A1

DE102014017081A1 - Anschlussanordnung zum elektrischen Kontaktieren eines Batteriemoduls, Koppelelement zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen, Batteriemodul, Batterie für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014017081A1
Application number: DE102014017081.0A
Authority: DE
Inventors: Jens Meintschel; Dirk Schröter; Knut Welke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anschlussanordnung (10) zum elektrischen Kontaktieren eines Batteriemoduls (30), wobei die Anschlussanordnung (10) ein elektrisch leitendes Kontaktelement (32) aufweist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zum elektrischen Kontaktieren des Batteriemoduls (30) eine Anschlussanordnung (10) bereitzustellen, welche im Betrieb und während der Montage einer Batterie einen besonders zuverlässigen Berührschutz ermöglicht. Dazu weist die Anschlussanordnung (10) erfindungsgemäß als Berührschutz eine erste Wandung (14) aus einem elektrisch isolierenden Material auf, die einen eine Schachtöffnung (18) an einem Ende und einen Schachtgrund (20) an einem gegenüberliegenden anderen Ende aufweisenden Steckschacht (16) abgrenzt, wobei das Kontaktelement (12) in dem Steckschacht (16) gegenüber der Schachtöffnung (18) an dem Schachtgrund (20) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anschlussanordnung zum elektrischen Kontaktieren eines Batteriemoduls gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Koppelelement zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen, ein Batteriemodul, eine Batterie für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug.
Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen bestehen aus jeweils in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen, die sich mit der dazu gehörenden Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Die Zellen sind in der Regel in so genannten Zellblöcken oder Batteriemodulen zusammengefasst, die jeweils eine gewisse Anzahl von Zellen inklusive deren mechanischer Fixierung, Kontaktierung und Einrichtung zur Kühlung/Heizung enthalten. Innerhalb einer Batterie sind in der Regel mehrere Zellblöcke elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, wofür zusätzliche Stromschienen oder Kabel zum Einsatz kommen können. Im Hochvolt-Kreis befinden sich weiterhin in der Regel Schütze zur Zu- und Abschaltung des elektrischen Stroms, Schmelzsicherungen zur Unterbrechung des Stromkreises bei Kurzschluss oder Überlastung sowie ein Strommesser (Shunt). Die Enden des Hochvolt-Kreises sind mit einem Stecker verbunden, der von der Batteriegehäuseaußenseite zugänglich ist. Da dem Batteriestrom der Batterie (sowie dem der Verbraucher), der unter anderem den nötigen Leiterquerschnitt vorgibt, Grenzen gesetzt sind, ergeben sich bei den nötigen Leistungen relativ hohe Betriebsspannungen. Üblich für Plug-In-Hybride und Elektrofahrzeuge sind Spannungen im Bereich von größer oder gleich 400 V. Allgemein ist hier unter Hochvolt eine Spannung größer als 60 V zu verstehen.
Die hohen Spannungen, die bei Berührung zur Schädigung des menschlichen Organismus führen, erfordern bei der Montage und der Zerlegung oder Reparatur der Batterie speziell ausgebildete Fachkräfte sowie Arbeitsplätze mit besonderer Ausrüstung, wodurch die Kosten erhöht werden.
Aus der Druckschrift JP 09266025 ist ein Stromstecker zum Laden einer elektrischen Vorrichtung eines Elektroautos bekannt.
Aus der Druckschrift JP 2009217989 geht ein Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen hervor. Dabei umfasst das Batteriesystem Batteriemodule mit Batteriepolen und Batteriemodule mit entsprechenden Anschlussstellen, sodass die Batteriemodule des Batteriesystems in Reihe geschaltet werden können.
Aus der Druckschrift JP 2011129310 geht ein Batteriemodul mit einem in dem Modul versenkten Anschlusselement an einem Ende und einem zahnförmigen Anschlusselement an einem anderen Ende hervor. In dem Batteriemodul sind mehrere Batteriezellen in Reihe geschaltet und in einem Gehäuse angeordnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zum elektrischen Kontaktieren eines Batteriemoduls eine Anschlussanordnung bereitzustellen, welche im Betrieb und während der Montage einer Batterie einen besonders zuverlässigen Berührschutz ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anschlussanordnung zum elektrischen Kontaktieren eines Batteriemoduls mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterhin wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Koppelelement zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6, durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, durch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
Um eine ein elektrisch leitendes Kontaktelement aufweisende Anschlussanordnung zum elektrischen Kontaktieren eines Batteriemoduls der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen besonders zuverlässigen Berührschutz gewährleistet, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Anschlussanordnung als Berührschutz eine erste Wandung aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, die einen Steckschacht mit einer Schachtöffnung an einem Ende und einem Schachtgrund an einem gegenüberliegenden anderen Ende abgrenzt. Dabei ist das Kontaktelement in dem Steckschacht der Anschlussanordnung gegenüber der Schachtöffnung an dem Schachtgrund angeordnet. Insbesondere ist das Kontaktelement in dem Steckschacht vollständig versenkt. Mit anderen Worten weist das Kontaktteil einen vorbestimmten Mindestabstand, insbesondere mehr als 5 mm, von der Schachtöffnung auf. Mit anderen Worten wird das Kontaktelement hierzu vorzugsweise mit einer geschlossenen Umhüllung aus elektrisch isolierendem Material, wie zum Beispiel einer Kunststoffumspritzung, umgeben.
Mit anderen Worten bildet der Steckschacht, welcher insbesondere im Querschnitt eine zylindrische und/oder rechteckige oder generell eine geometrische Form oder Kontur aufweisen kann, eine Steckverbindung zur Aufnahme eines Gegenkontaktelements. Bei dem Kontaktelement kann es sich beispielsweise um einen Batteriepol handeln. Somit bildet das Gegenkontaktelement, welches in den Steckschacht gesteckt werden kann, beispielsweise einen Plus- oder Minuspol einer Batterie.
Bei dem Berührschutz kann es sich beispielsweise um eine IP Schutzart nach DIN EN 605209 z. B. 4 oder 3 oder 2 oder 1 handeln. Hinsichtlich des Berührschutzes besteht durch die Erfindung eine Möglichkeit darin, diesen mechanisch auszuführen, sodass ein Berühren von strom- bzw. spannungsführenden Teilen mit einem Prüffinger nicht möglich ist. Aus diesem Grund werden entsprechende Stecker-, Buchsen- oder Kontaktöffnungen, die einen Zugriff auf die strom- bzw. spannungsführenden Teile ermöglichen, so klein ausgeführt, dass der Prüffinger die spannungsführenden Teile nicht erreicht. Es ist denkbar, den Berührschutz an dem elektrisch leidenden Kontaktelement durch hinreichenden Abstand vom Außenbereich, d. h. in welchen zum Beispiel die Hände des Monteurs gelangen können, zu gewährleisten, wobei die nötige Luft- und Kriechstrecke je nach Spannungslage und Umgebungsbedingungen gewählt wird. Dabei kann nur eine Seite der Anschlussanordnung mit Berührschutz (Schutzstandard nach DIN Norm) versehen werden oder beide Seiten der Anschlussanordnung.
Die Abschirmung der Hochvolt-Kontakte, also des Kontaktelements, muss insbesondere so erfolgen, dass weiterhin die elektrische Reihenschaltung ermöglicht wird, d. h. im Moment der elektrischen Verbindung der Teile wird die Isolation im Kontaktbereich aufgehoben, allerdings ohne dass dabei bzw. danach spannungsführende Bauteile freiliegen.
In vorteilhafter Weise kann das Kontaktelement dabei als Bolzen oder Pin oder als Buchse oder als Gewinde ausgebildet sein. Solche Kontaktelemente sind einfach ausgestaltet und lassen sich mit entsprechenden Gegenkomponenten bzw. Gegenkontakten einfach verbinden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Anschlussanordnung eine zweite Wandung aufweisen kann, welche die erste Wandung in einem vorbestimmten Abstand, z. B. in einem Bereich von 0,5 mm bis 10 mm, zumindest bereichsweise derart umgibt, dass durch die zweite Wandung ein Aufnahmebereich mit einer zweiten Öffnung gebildet ist, wobei die zweite Wandung aus einem elektrisch isolierendem Material gebildet ist.
Mit Aufnahmebereich ist ein geometrischer Bereich, zum Beispiel ein Hohlraum, gemeint, welcher dazu ausgelegt ist, ein Element und/oder Gegenstück, welches die geometrische Form des Aufnahmebereichs aufweist, aufzunehmen. Während einem Steckvorgang, d. h. dem Verbinden eines Kontaktelements mit einem Gegenkontaktelement kann dieser Aufnahmebereich als Führung dienen, sodass das Verbinden der Kontakte einfacher und/oder präziser verläuft.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Schachtöffnung durch ein Berührschutzelement zumindest teilweise verschlossen ist. Dabei kann in vorteilhafter Weise das Berührschutzelement als eine Membran und/oder als eine Kappe und/oder als ein elastisch verformbares Element ausgebildet sein, wobei das Berührschutzelement aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist. Mit einem elastisch verformbaren Element ist beispielsweise eine Gummitülle und/oder ein Gummiring gemeint.
Zu der Erfindung gehört auch ein Koppelelement zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschlussbereich, wobei der erste und der zweite Anschlussbereich miteinander verschaltet sind, wobei zumindest ein Anschlussbereich als erfindungsgemäße Anschlussanordnung, wie sie oben bereits beschrieben wurde, ausgebildet ist und/oder mit einer Schraube mit einem Schraubkopf mit einem elektrisch isolierendem Material gebildet ist. Mit Anschlussbereich ist hier ein Bereich gemeint, welcher dazu ausgelegt ist, ein Gegenstück aufzunehmen oder an den ein Gegenstück formschlüssig gesteckt werden kann. Miteinander verschaltet bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der erste und der zweite Anschlussbereich elektrisch über ein elektrisches Bauelement, z. B. mittels eines Drahtes oder eines Shunt-Widerstandes, miteinander gekoppelt sind. Somit werden beispielsweise zwei Batteriemodule über ein Koppelelement miteinander verbunden, indem in oder an dem Pluspol eines Batteriemoduls der erste Anschlussbereich des Koppelelements gesteckt wird und der Minuspol des zweiten Batteriemoduls in oder an den zweiten Anschlussbereich des Koppelelements gesteckt wird. In einer Ausführungsform weisen beide Anschlussbereiche des Koppelelements eine Anschlussanordnung mit einer Buchse auf. Handelt es sich bei den beiden Anschlussanordnung beispielsweise um eine Buchse so können die Gegenkontaktelemente z. B. als Bolzen nach dem Prinzip des Schuko-Steckers (Schuko-Schutzkontakt) ausgebildet sein. Vereinfacht wird dadurch beispielsweise der Transport der einzelnen Batteriemodule, da diese nicht mehr zusätzlich elektrisch abgeschirmt werden müssen. Die Abschirmung muss am Bauteil selbst sowie an den Hochvolt-Kontakten des Bauteils erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die zwei Anschlussbereiche des Koppelelements über ein Funktionsteil gekoppelt sind, wobei das Funktionsteil dazu ausgelegt ist, zumindest einmal zwischen einem elektrisch leitenden und einen elektrisch isolierenden Zustand zu wechseln. Mit anderen Worten kann das Funktionsteil abwechselnd einen elektrisch leitenden und einen elektrisch isolierenden Zustand aufweisen. Bei dem Funktionsteil kann es sich beispielsweise um eine Schmelzsicherung und/oder einen elektronischen Schalter, z. B. einen Schütz, handeln.
Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Batteriemodul, insbesondere mit einer Batteriespannung kleiner als 60 V, mit zwei Batteriekontakten, wobei zumindest einer der Batteriekontakte als Anschlussanordnung ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise können die Batteriekontakte, also die Kontaktelemente des Batteriemoduls, an gegenüberliegenden Seiten des Batteriemoduls angeordnet sein.
Ferner umfasst die Erfindung eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie ein Gehäuse aus einem elektrisch isolierenden Material umfasst. Die Batterie weist mindestens zwei Batteriemodule auf. Die Batteriemodule sind insbesondere erfindungsgemäß ausgestattet. Das Gehäuse umgibt dabei die mindestens zwei Batteriemodule. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Batterie mit einem Koppelelement zwischen zumindest zwei der Batteriemodule gebildet ist und/oder ein (von außen erreichbarer) Batterieanschluss durch ein Koppelelement gebildet ist. Durch die elektrische Abschirmung elektrisch leitender Komponenten der Batterie, d. h. durch das Gehäuse sowie durch die Koppelelemente und die Anschlussanordnung, kann die Batterie ohne spezielle Fachkräfte und ohne besondere Ausrüstung montiert, demontiert und repariert werden. Die Sicherheit – auch im Crashfall – wird erhöht, da auch bei geöffnetem Batteriegehäuse keine Hochvolt-Spannung freiliegt.
Schließlich gehört zu der Erfindung noch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie.
Die zuvor in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen können auch auf das erfindungsgemäße Koppelelement, Batteriemodul, die Batterie und das Kraftfahrzeug übertragen werden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Es zeigen:
1a eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung vor einem Steckvorgang;
1b eine schematische Darstellung der Ausführungsform von 1a während eines Steckvorgangs;
1c eine schematische Darstellung der Ausführungsform von 1a nach einem Steckvorgang;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung;
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung;
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung nach einem Steckvorgang;
5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung mit einem Berührschutzelement;
6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung mit einem Berührschutzelement;
7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung nach einem Steckvorgang;
8a eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung mit einem Berührschutzelement vor einem Steckvorgang;
8b eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung mit einem Berührschutzelement während einem Steckvorgang;
8c eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung mit einem Berührschutzelement nach einem Steckvorgang;
9 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung;
10 eine schematische Darstellung eines Koppelelements mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung;
11 eine schematische Darstellung eines Koppelelements mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung;
12 eine schematische Darstellung einer Batterie mit zwei Batteriemodulen mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung und zwei erfindungsgemäßen Koppelelementen;
13 eine schematische Darstellung eines Koppelelements mit einer erfindungsgemäßen Anschlussanordnung;
14a eine schematische Darstellung einer Batterie mit zwei Batteriemodulen und der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung und zwei erfindungsgemäßen Koppelelementen vor einem Steckvorgang;
14b eine schematische Darstellung der Batterie von 14a mit zwei Batteriemodulen und der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung und zwei erfindungsgemäßen Koppelelementen während des Steckvorgangs;
14c eine schematische Darstellung der Batterie von 14a mit zwei Batteriemodulen mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung und zwei erfindungsgemäßen Koppelelementen während eines Steckvorgangs;
14d eine schematische Darstellung der Batterie von 14a mit zwei Batteriemodulen mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung und zwei Koppelelementen nach einem Steckvorgang;
15 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Koppelelements vor einem Steckvorgang;
16 eine schematische Darstellung der Ausführungsform des Koppelelements von 15 nach einem Steckvorgang;
17a eine schematische Darstellung einer Batterie mit zwei Batteriemodulen mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung und einem Koppelelement vor einem Steckvorgang;
17b eine schematische Darstellung der Batterie von 17a mit zwei Batteriemodulen mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung und einem Koppelelement nach einem Steckvorgang; und
18 eine schematische Darstellung einer Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse.
Dargestellt sind jeweils Längsschnitte. Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander betrachtete Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung auch jeweils voneinander unabhängig weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer der gezeigten Kombinationen als Bestandteile der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den 1a bis 1c sind schematische Darstellungen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung 10 vor, während und nach einem Steckvorgang dargestellt. Die erfindungsgemäße Anschlussanordnung 10, welche links in den 1a bis 1c dargestellt ist, umfasst ein elektrisch leitendes Kontaktelement 12, eine erste Wandung 14 und einen Steckschacht 16. Als Berührschutz, welcher bevorzugt als IP Schutzart nach DIN EN 60529 (z. B. 4 oder 3 oder 2 oder 1) ausgeführt ist, dienen die erste Wandung 14 aus einem elektrisch isolierenden Material und der Steckschacht 16 mit einer Schachtöffnung 18 an einem Ende und einem Schachtgrund 20 an einem gegenüberliegenden anderen Ende. Das Kontaktelement 12 ist dabei gegenüber der Schachtöffnung 18 der Anschlussanordnung 10 an dem Schachtgrund 20 angeordnet. In den 1a bis 1c ist das Kontaktelement 12, welches in dem Steckschacht der Anschlussanordnung 10 versenkt ist, als Buchse ausgebildet. Somit kann die Anschlussanordnung 10 ein Gegenstück, hier rechts in den 1a bis 1c dargestellt, welches ebenfalls ein Kontaktelement aufweist, aufnehmen. Dazu ist das Kontaktelement 12 des Gegenstücks, d. h. der rechten Anschlussanordnung, als Bolzen ausgebildet. Das Gegenstück stellt in diesem Fall eine Anschlussanordnung mit einem Kontaktelement 12 dar, wie es bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Bei den jeweiligen Kontaktelementen 12 kann es sich z. B. um Batteriepole, d. h. einen Pluspol oder einen Minuspol, handeln. Somit funktioniert der Steckvorgang durch die Verbindung der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung 10 (links) mit einem Gegenstück (rechts) nach dem Prinzip des Schuko-Steckers. Somit kann die Anschlussanordnung 10 (links) mit einem Kontaktelement z. B. an einem Batteriemodul angeordnet sein und das Gegenstück (rechts) mit einem weiteren gegenpoligen Kontaktelement an einem weiteren Batteriemodul angebracht sein, sodass beim Zusammenstecken beider Komponenten die zwei Batteriemodule in Reihe geschaltet sind.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung 10 dargestellt. Dabei weist die Anschlussanordnung 10 analog zu der in den 1a bis 1c dargestellten Anschlussanordnung ein elektrisch leitendes Kontaktelement 12, eine erste Wandung 14 und einen Steckschacht 16 mit einer Schachtöffnung 18 und einem Schachtgrund 20 auf. Auch hier ist das Kontaktelement 12 analog wie in den 1a bis 1c als Buchse ausgebildet. In dieser Ausführungsform gemäß 2 umfasst die Anschlussanordnung 10 eine zweite Wandung 22, welche die erste Wandung 14 umgibt. Dabei ist die zweite Wandung 22 derart in einem vorbestimmten Abstand um die erste Wandung 14 angeordnet, dass die zweite Wandung 22 die erste Wandung 14 zumindest bereichsweise umgibt, sodass durch die zweite Wandung 22 ein Aufnahmebereich 24 mit einer zweiten Öffnung 26 gebildet ist. Die zweite Wandung 22 ist analog zur ersten Wandung 14 aus einem elektrisch isolierendem Material gebildet.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Anschlussanordnung 10 dargestellt. Anders als in den 1a bis 1c dargestellt, ist das Kontaktelement 12 der Anschlussanordnung 10 nun als Bolzen oder Pin ausgebildet.
In 4 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung 10 nach einem Steckvorgang dargestellt. Dabei sind die Anschlussanordnung 10 gemäß 3 und die Anschlussanordnung 10 gemäß 2 ineinander gesteckt. Der Aufnahmebereich 24 ist ein geometrischer Bereich, zum Beispiel ein Hohlraum, welcher hier durch die Innenseite der zweiten Wandung 22 und die Außenseite der ersten Wandung 14 begrenzt ist. Der Aufnahmebereich 24 ist dazu ausgelegt, ein Element und/oder Gegenstück, welches die geometrische Form des Aufnahmebereichs aufweist, in diesem Fall die erste Wandung 14 des Gegenstücks (Anschlussanordnung gemäß 3) aufzunehmen. Während einem Steckvorgang, d. h. dem elektrischen Verbinden des Kontaktelements 12 (Anschlussanordnung gemäß 2) mit einem Gegenkontaktelement (Anschlussanordnung gemäß 3) kann dieser Aufnahmebereich als Führung dienen, sodass das Verbinden der Kontakte einfacher und/oder präziser verläuft.
In 5 entspricht die dargestellte Anschlussanordnung 10 der bereits beschriebenen Anschlussanordnung 10 gemäß 2. Im Gegensatz zu 2 ist hier die Schachtöffnung 18 durch ein Berührschutzelement 28 zumindest teilweise verschlossen. Bei dem Berührschutzelement 28 kann es sich beispielsweise um eine Membran und/oder eine Klappe und/oder ein elastisch verformbares Element, insbesondere eine Gummitülle und/oder einen Gummiring, handeln. Dabei besteht das Berührschutzelement weiterhin aus einem elektrisch isolierenden Material. Analog entspricht 6 der Anschlussanordnung 10 nach 3 mit dem einzigen Unterschied, dass auch hier die Schachtöffnung durch ein Berührschutzelement 28 zumindest teilweise verschlossen ist.
In 7 ist eine schematische Darstellung eine Ausführungsform zweier erfindungsgemäßer Anschlussanordnungen 10 nach einem Steckvorgang dargestellt. Dabei sind eine Anschlussanordnung 10 gemäß 5 und 6 ineinander gesteckt. Durch den Steckvorgang wird das Berührschutzelement 28, welches beide bei ihren Schachtöffnungen 18 aufweisen, durchbrochen und/oder wegbewegt. Wie 7 zu entnehmen ist, nimmt der Aufnahmebereich 24 die erste Wandung 14 der Anschlussanordnung 10 (6) auf. Es ist in einer Ausführungsform vorgesehen, bei dem Berührschutzelement 28 Membranen aus elektrisch isolierendem Material zu verwenden, welche beim Steckvorgang durchbrochen werden können. Denkbar ist außerdem, bei dem Berührschutzelement verformbare Elemente vorzusehen, zum Beispiel einen Gummiring oder eine Gummitülle, die beim Kontaktieren bereichsweise weggedrückt werden und die Kontaktelemente freigeben. Dann kann das Berührschutzelement im gesteckten Zustand als Dichtung fungieren.
In den 8a bis 8c ist ein Steckvorgang zweier erfindungsgemäßer Anschlussanordnungen 10 mit einem Berührschutzelement 28 dargestellt. Beide Anschlussanordnungen 10 werden, wie bereits aus 7 hervorging, ineinander gesteckt. Im Gegensatz zu 7 wird das Berührschutzelement 28 durch den Steckvorgang nicht durchtrennt, sondern auseinandergeklappt. Dabei ist die Schachtöffnung 18 der Anschlussanordnungen 10 mit einem Flügelelement oder einer Klappe versehen, welche beim Steckvorgang beidseitig gedrückt wird. Mit anderen Worten sind an der Innenseite der ersten Wandung 14 beidseitig drehbewegliche oder verschwenkbare oder verformbare Klappen angeordnet, welche während dem Steckvorgang durch den Gegenkontakt auseinander geschwenkt werden.
In 9 ist eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 30 mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung 10 gezeigt. An der rechten Seite des Batteriemoduls 30 ist hier eine Anschlussanordnung 10 angebracht, wie sie bereits in den 1a bis 1c beschrieben wurde. Dabei entspricht das Kontaktelement in der Anschlussanordnung 10 entweder einem Plus- oder einem Minuspol des Batteriemoduls 30.
In den 10 und 11 ist ein Koppelelement 32 zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen 30 mit einem ersten Anschlussbereich 36 und einem zweiten Anschlussbereich 38 gezeigt. Dabei sind der erste Anschlussbereich 36 und der zweite Anschlussbereich 38 miteinander verschaltet. Miteinander verschaltet bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der erste Anschlussbereich 36 und der zweite Anschlussbereich 38 elektrisch leitend, z. B. mittels eines Drahtes, miteinander gekoppelt sind. Wie den 10 und 11 zu entnehmen ist, ist der zweite Anschlussbereich 38 als Anschlussanordnung, wie sie beispielsweise aus den 1a bis 1c (links) hervorgeht, ausgebildet. Beide Anschlussbereiche 36, 38 sind dabei über ein Funktionsteil 34 miteinander gekoppelt. Das Funktionsteil 34 kann abwechselnd einen elektrisch leitenden und einen elektrisch isolierenden Zustand einnehmen. Als Funktionsteil 34 kann beispielsweise eine Schmelzsicherung (10) und/oder ein elektronischer Schalter, zum Beispiel ein Schütz (11) vorgesehen sein. Der erste Anschlussbereich weist in beiden 10 und 11 ein Kontaktelement 12 auf, welches als Bolzen ausgebildet ist. Bis auf das Kontaktelement 12 des ersten Anschlussbereichs 36 sind die weiteren Komponenten, d. h. Funktionselement, Kontaktelement 12 der Anschlussanordnung etc., mit einem elektrisch isolierendem Material ummantelt (Kunststoffumspritzung). Somit kann zwischen Kontaktelementen 12 des Koppelelements 32 ein Schalter angebracht werden, der nach der Montage, ohne dass hierzu spannungsführende Teile berührt werden müssten, geschlossen werden kann. Der Schalter kann dabei elektronisch (Schütz, Halbleiterschalter etc.) oder mechanisch betätigt werden.
In 12 ist eine schematische Darstellung einer Batterie mit zwei Batteriemodulen 30 mit der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung 10 und zwei Koppelelementen 32 dargestellt. Beide Batteriemodule 30, insbesondere mit einer Betriebsspannung kleiner als 60 V, weisen an gegenüberliegenden Seiten zwei Batteriekontakte auf, wovon einer der Batteriekontakte, hier jeweils der rechte Batteriekontakt, als Anschlussanordnung 10 analog zur Anschlussanordnung nach den 1a bis 1c ausgestaltet ist. Dadurch entsteht ein Hochvolt-Kreis einer Batterie aus zwei Batteriemodulen, zwei Koppelelementen mit jeweils einem Schütz und einer Schmelzsicherung mit einseitig berührgeschützten Hochvolt-Kontakten (Batteriepol) nach dem Prinzip des Schuko-Steckers.
Aus 13 geht ein Koppelelement 32 hervor, bei welchem beiden Anschlussbereichen 36, 38 eine Anschlussanordnung mit Buchse aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Anschlussbereiche 36, 38 über eine Schmelzsicherung miteinander gekoppelt. Wird das Prinzip des Schuko-Steckers angewendet, dann kann es sinnvoll sein, das Koppelement mit zwei Buchsen auszuführen und in dieses die anderen Elemente (Batteriepole oder Anschlussanordnung mit Kontaktelement) jeweils mit einem Bolzen einzustecken. Indem das Koppelelement 32 auf einen Bolzen gesteckt wird werden freiliegende und spannungsführende Bolzen (Batteriepol) verhindert.
In den 14a bis 14d ist eine Batterie mit zwei Batteriemodulen 30 mit einer erfindungsgemäßen Anschlussanordnung 10, welche jeweils auf der rechten Seite des jeweiligen Batteriemoduls 30 angeordnet ist, und zwei Koppelelementen 32 dargestellt. Ein Koppelelement 32 (links) ist dabei analog zu dem Koppelelement gemäß 13 ausgestaltet, wohingegen das andere Koppelelement (rechts) analog zu dem Koppelelement gemäß 11 ausgeführt ist. Durch den Steckvorgang kann ein Hochvolt-Kreis einer Batterie aus zwei Batteriemodulen, zwei Koppelelementen unterschiedlicher Bauart (gemäß 11 und 13) mit einem Schütz und einer Schmelzsicherung gebildet werden. Dabei weist das linke Koppelelement 32 des Hochvolt-Kreises zwei Buchsen auf, in welches die anderen Elemente mit der Bolzenseite eingesteckt werden können.
In 15 ist ein Koppelelement 32 zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen mit einem ersten Anschlussbereich 36 und einem zweiten Anschlussbereich 38 dargestellt. Dabei sind beide Anschlussbereiche 36, 38 mit einer Schraube 40 mit einem Schraubenkopf 42 aus elektrisch isolierendem Material gebildet. Beide Schrauben 40 sind über eine Stromschiene 44 miteinander verbunden. Die Schraube 40 kann dabei aus einem elektrisch isolierenden Material oder einem elektrisch leitenden Material bestehen. Der Schraubenkopf 42 kann zusätzlich eine Kappe aus elektrisch isolierendem Material aufweisen. Die Kontaktelemente 12 der Anschlussanordnung 10 sind dabei als Gewinde zur formschlüssigen Aufnahme der Schraube ausgebildet.
Mit anderen Worten können die einzelnen Elemente des Hochvolt-Kreises, d. h. die Batteriemodule 30 mit ihren Anschlussanordnungen 10 zum elektrischen Kontaktieren, durch Schraubung miteinander verbunden werden. Die Kontaktierung von zwei Batteriemodulen erfolgt über die Stromschiene. Denkbar ist, dass diese direkt erfolgt oder Dazwischenschaltung von Stromschienen bzw. Kabeln. Werden Stromschienen 44 verwendet, dann können die Hochvolt-Kontakte (Kontaktelemente 12 der Anschlussanordnung 10) mit Gewinde und/oder mit eingesetzten Gewindemuttern versehen sein und über einen Berührschutz verfügen. Die nötigen Schrauben 40 befinden sich an den Stromschienen 44, wobei allerdings deren Antrieb mit einer elektrischen Isolation zum Beispiel durch einen Kunststoffaufsatz bzw. eine Kunststoffumspritzung versehen ist. Kontaktierung von zwei Batteriemodulen mit Stromschienen mit elektrischer Abschirmung erfolgt dabei ähnlich wie bei dem Schuko-Steckprinzip.
In 16 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung und des Koppelelements gemäß 15 nach einem Steckvorgang dargestellt.
17a und 17b zeigen eine Batterie mit zwei Batteriemodulen 30 und der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung 10 und einem Koppelelement 32, welches beide Batteriemodule 30 elektrisch miteinander verbindet. Das Koppelelement 32 ist dabei analog zu dem Koppelelement 32 gemäß 15 ausgebildet.
In 18 ist eine Batterie mit zwei Batteriemodulen 30, welche mittels der erfindungsgemäßen Anschlussanordnung elektrisch kontaktiert sind, gezeigt. Ferner weisen beide Batteriemodule 30 an ihren offenen Enden jeweils ein Koppelelement 32 nach 10 (rechts) und 11 (links) auf. Die Batterie ist dabei von einem Gehäuse 46 aus einem elektrisch isolierenden Material umgeben.
Insgesamt geht somit eine Batterie mit einem Hochvolt-Stromreis aus elektrisch isolierten Elementen hervor. Dabei werden alle Einzelteile des Hochvolt-Kreises, wie Batteriemodule (Zellblöcke), Stromschienen oder Kabel, Schütze, Schmelzsicherungen, Shunts und Stecker mit einem elektrischen Berührschutz versehen, der die elektrische Spannung vor und nach der Montage abschirmt. Durch die elektrische Abschirmung aller Einzelteile kann die Batterie ohne spezielle HV-Fachkräfte und ohne HV-Arbeitsplatz montiert, demontiert und repariert werden. Die Sicherheit – auch im Crashfall – wird erhöht, da auch bei geöffnetem Batteriegehäuse keine Hochvolt-Spannung freiliegt. Vereinfacht wird weiterhin der Transport der einzelnen Zellblöcke, da diese nicht mehr zusätzlich elektrisch abgeschirmt werden müssen. Die Abschirmung muss am Bauteil selbst sowie an den Hochvolt-Kontakten des Bauteils erfolgen. Das Bauteil (z. B. der Zellblock mit Zellen) wird hierzu vorzugsweise mit von einer geschlossenen Umhüllung aus elektrisch isolierendem Material, wie z. B. einer Kunststoffumspritzung, umgeben. Die Abschirmung der Hochvolt-Kontakte muss so erfolgen, dass weiterhin die elektrische Reihenschaltung ermöglicht wird, d. h. im Moment der elektrischen Verbindung der Teile wird die Isolation im Kontaktbereich aufgehoben, allerdings ohne dass dabei bzw. danach spannungsführende Bauteile freiliegen. Alternativ ist denkbar, zwischen dem Bauteil und seinem Hochvoltkontakt einen Schalter anzubringen, der nach der Montage, ohne das hierzu spannungsführende Teile berührt werden müssen, geschlossen werden kann. Der Schalter kann elektronisch (Schütz, Halbleiter etc.) oder mechanisch betätigt werden. Die einzelnen Elemente des Hochvolt-Kreises können durch eine Steckverbindung direkt miteinander verbunden werden. Es ist denkbar, den Berührschutz an den Hochvolt-Kontakten durch hinreichend Abstand vom Außenbereich, in welchem z. B. die Hände des Monteurs gelangen können, zu gewährleisten, wobei die nötige Luft- und Kriechstrecke je nach Spannungslage und Umgebungsbedingungen gewählt wird. Dabei kann nur eine Seite der Kupplung (Koppelelement) mit Berührschutz versehen werden (Prinzip Schuko-Stecker) oder beide Seiten der Kupplung. Wird das Prinzip des Schuko-Steckers angewendet, dann kann es sinnvoll sein, das erste Element des Hochvolt-Kreises mit zwei Buchsen auszuführen und in dieses die anderen Elemente jeweils mit einem Bolzen einzustecken. Dadurch werden freiliegende und Spannungsführende Bolzen verhindert. Alternativ ist denkbar, den Berührschutz vor dem Stecken mit Klappen vorzunehmen, welche beim Steckvorgang beiseite gedrückt werden. Denkbar ist außerdem, den Berührschutz vor dem Stecken durch elastisch bzw. plastisch verformbare Elemente vorzunehmen (z. B. Gummiring oder -tülle), die beim Kontaktieren bereichsweise weggedrückt werden und die Kontaktstelle freigeben. Weiterhin können die einzelnen Elemente des Hochvolt-Kreises durch Schraubung miteinander verbunden werden. Denkbar ist, dass diese direkt erfolgt oder unter Dazwischenschaltung von Stromschienen bzw. Kabeln. Werden Stromschienen verwendet, dann können die Hochvolt-Kontakte der Einzelteile mit Gewinde und/oder mit eingesetzten Gewindemuttern versehen sein und über einen Berührschutz verfügen. Die nötigen Schrauben befinden sich an den Stromschienen, wobei allerdings deren Antrieb mit einer elektrischen Isolation z. B. durch einen Kunststoffaufsatz bzw. eine Kunststoffumspritzung versehen ist.
Bezugszeichenliste

10: Anschlussanordnung
12: Kontaktelement
14: erste Wandung
16: Steckschacht
18: Schachtöffnung
20: Schachtgrund
22: zweite Wandung
24: Aufnahmebereich
26: zweite Öffnung
28: Berührschutzelement
30: Batteriemodul
32: Koppelelement
34: Funktionsteil
36: erster Anschlussbereich
38: zweiter Anschlussbereich
40: Schraube
42: Schraubenkopf
44: Stromschiene
46: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 09266025 [0004]
JP 2009217989 [0005]
JP 2011129310 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 605209 [0011]
DIN EN 60529 [0052]

Claims

Anschlussanordnung (10) zum elektrischen Kontaktieren eines Batteriemoduls (30), wobei die Anschlussanordnung (10) ein elektrisch leitendes Kontaktelement (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussanordnung (10) als Berührschutz eine erste Wandung (14) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist und die erste Wandung (14) einen eine Schachtöffnung (18) an einem Ende und einen Schachtgrund (20) an einem gegenüberliegenden anderen Ende aufweisenden Steckschacht (16) abgrenzt und das Kontaktelement (12) in dem Steckschacht (16) gegenüber der Schachtöffnung (18) an dem Schachtgrund (20) angeordnet ist
Anschlussanordnung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (12) als Bolzen oder als Buchse oder als Gewinde ausgebildet ist.
Anschlussanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussanordnung (10) eine zweite Wandung (22) aufweist, welche die erste Wandung (14) in einem vorbestimmten Abstand zumindest bereichsweise derart umgibt, dass durch die zweite Wandung (22) ein Aufnahmebereich (24) mit einer zweiten Öffnung (26) gebildet ist, wobei die zweite Wandung (22) aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
Anschlussanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schachtöffnung (18) durch ein Berührschutzelement (28) zumindest teilweise verschlossen ist.
Anschlussanordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Berührschutzelement (28) eine Membran und/oder eine Klappe und/oder ein elastisch verformbares Element, insbesondere eine Gummitülle und/oder einen Gummiring, aufweist, wobei das Berührschutzelement (28) aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
Koppelelement (32) zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen (30) mit einem ersten Anschlussbereich (36) und einem zweiten elektrischen Anschlussbereich (38), wobei der erste (36) und der zweite Anschlussbereich (38) miteinander verschaltet sind, wobei zumindest ein Anschlussbereich (36, 38) als Anschlussanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist und/oder mit einer Schraube (40) mit einem Schraubenkopf (42) aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist.
Koppelement (32) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Anschlussbereiche (36, 38) über ein Funktionsteil (34) gekoppelt sind, wobei das Funktionsteil (34) dazu ausgelegt ist, zumindest einmal zwischen einem elektrisch leitenden und einem elektrisch isolierenden Zustand zu wechseln.
Koppelelement (32) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsteil (34) als Schmelzsicherung und/oder als elektronischer Schalter ausgebildet ist.
Koppelelement (32) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide Anschlussbereiche (36, 38) eine Anschlussanordnung (10) mit Buchse aufweisen.
Batteriemodul (30), insbesondere mit einer Batteriespannung kleiner als 60 V, mit zwei Batteriekontakten, wobei zumindest einer der Batteriekontakte als Anschlussanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
Batteriemodul (30) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriekontakte an gegenüberliegenden Seiten des Batteriemoduls (30) angeordnet sind.
Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie ein Gehäuse (46) aus einem elektrisch isolierendem Material umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie mindestens zwei Batteriemodule (30) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 aufweist, wobei das Gehäuse (46) die mindestens zwei Batteriemodule (30) umgibt.
Batterie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie mit einem Koppelelement (32) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 zwischen zumindest zwei der Batteriemodule (30) gebildet ist und/oder ein Batterieanschluss durch ein Koppelelement (32) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 gebildet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach einem der Ansprüche 12 und 13.