-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie für ein Fahrzeug mit einem Kontaktelement für ein Batteriemodul und einem Verbindungselement zum Verbinden von zwei Batteriemodulen, sowie ein Verfahren zum Verbinden einer Mehrzahl von Batteriemodulen, um eine Batterie für ein Fahrzeug herzustellen.
-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Batterien für Fahrzeugbordnetze beschrieben. Die Erfindung kann aber in jeder Anwendung genutzt werden, in welcher Batteriemodule zu einer Batterie zusammengefasst und somit verbunden werden oder allgemein, wo Bauteile miteinander elektrisch verbunden werden müssen, (z.B. Schaltschrankbau).
-
Bislang werden Batteriemodule zum elektrischen Verschalten eines Batteriesystems mit Stromschienen aus Kupfer-, Flach- bzw. Blechmaterial verbunden. Als Verbindungselement kommen Schrauben zum Einsatz. Ziel der Verschraubung ist es, eine möglichst hohe Kontaktkraft zu erhalten, um einen möglichst geringen Übergangswiderstand zu erreichen. So werden in aktuellen Projekten mindestens zwei, oft sogar vier Schrauben pro Stromschiene eingesetzt. Diese Schrauben werden an den Stromschienen vormontiert angeliefert, wobei sie als Verliersicherung in aufwändigen Kunststoffkäfigen gehalten werden. Dies führt zu entsprechenden Kosten und einem entsprechenden Zeitaufwand bei der Montage.
-
US 3 587 030 A beschreibt einen Anschlussverbinder zum Leiten von elektrischem Strom von einer Stromquelle zu einem Widerstandsheizelement. Der Verbinder umfasst einen flexiblen geflochtenen Leiter mit einem Anschluss an einem Ende zur Befestigung an einer Stromquelle und einer an dem anderen Ende angebrachten Federklemme, um den Leiter eng an ein Widerstandsheizelement anzuklemmen und den innigen Kontakt aufrechtzuerhalten, wenn das Heizelement temperaturbedingt sich dehnt oder schrumpft. Auch entsprechende Kontaktelemente werden beschrieben.
-
DE 44 16 888 C1 offenbart ein Kontaktelement für aus einem blechartigen Ausgangsmaterial ausgestanzte elektrische Steckerverbinder. Es weist zwei gabelartige Schenkel auf mit an deren freien Enden gegeneinander gerichteten Vorsprüngen, die zur kontaktgebenden, diametralen Anlage an ein zwischen die gabelartig angeordneten Schenkel einführbares stift- oder bandartiges Kontaktelement vorgesehen sind. Die für die kontaktgebende Anlage vorgesehenen Begrenzungskanten der Vorsprünge verlaufen gerade. Bei unbelastetem Kontaktelement schließen diese geraden Begrenzungskanten mit dessen Mittelachse einen spitzen Winkel ein, der dem Auslenkwinkel der Schenkel bei eingeführtem stift- oder bandartigem Kontaktelement entspricht. Der den Vorsprüngen abgewandte Teil des Kontaktelementes ist als Bogen ausgebildet, an dessen Mittelabschnitt ein zur Anschlußfahne des Kontaktelementes führender Steg anschließt. Das Kontaktelement weist im Wesentlichen die Form einer Stimmgabel auf.
-
EP 3 082 195 A1 beschreibt eine schraubenlose Klemmvorrichtung für elektrische Leiter, insbesondere Blitzschutz- oder Erdungsleiter mit gleicher oder unterschiedlicher Querschnittsfläche, bestehend aus mindestens zwei gegenüberliegenden Federschenkeln aus elektrisch leitfähigem Material, die ein Federschenkelpaar bilden und welche eine Formgebung zum Aufnehmen und Kontaktieren eines Abschnitts des jeweiligen elektrischen Leiters besitzen, sowie mit einem Verbindungsabschnitt zwischen den Federschenkeln. Erfindungsgemäß sind ein erstes Klemmenteil mit mindestens zwei Federschenkeln und ein zweites Klemmenteil mit mindestens zwei Federschenkeln vorgesehen, wobei die jeweiligen Verbindungsabschnitte zwischen den Federschenkeln Rücken an Rücken liegend verbindbar angeordnet sind.
-
DE 10 2011 015 040 A1 beschreibt einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, mit mehreren elektrisch gekoppelten Speicherzellen, wobei jede Speicherzelle elektrische Anschlusspole aufweist, die mit elektrischen Anschlusspolen benachbarter Speicherzellen elektrisch gekoppelt sind, wobei zumindest diejenigen elektrischen Anschlusspole der Speicherzellen, die mit elektrischen Anschlusspolen benachbarter Speicherzellen elektrisch gekoppelt sind, klemmenartig ausgebildet sind, und wobei zur elektrischen Kopplung benachbarten Speicherzellen in die klemmenartig ausgebildeten Anschlusspole schienenartig oder stegartig ausgebildete, elektrisch leitende Kopplungsmittel eingesteckt sind.
-
WO 2006/084995 A2 offenbart eine Anordnung, die eine elektrische Verbindung bildet, welche aus einem elektrisch leitenden starren Stab besteht, der an jedem seiner Enden mit einem mehradrigen flexiblen Leiter einstückig ausgeformt ist.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine kostengünstige Lösung zum Verbinden von Batteriemodulen für eine Fahrzeugbatterie, die sich einfach und mit geringem zeitlichem Aufwand montieren lässt, zu schaffen.
-
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
-
Ein Kontaktelement für ein Batteriemodul weist eine Basis, einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel auf. Unter einem Kontaktelement kann ein Klemmstück verstanden werden. Die Basis ist eingerichtet, elektrisch und mechanisch mit einem Pol eines Batteriemoduls verbunden zu werden. Die beiden Schenkel sind mit der Basis verbunden. So sind ein erstes Ende des ersten Schenkels sowie ein erstes Ende des zweiten Schenkels mit der Basis verbunden. Die beiden Schenkel formen einen Aufnahmeraum, welcher im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig ist. Zwischen einem zweiten Ende des ersten Schenkels und einem zweiten Ende des zweiten Schenkels ist eine Einführöffnung ausgebildet. Dabei bezeichnet das zweite Ende das dem ersten Ende gegenüberliegende Ende des jeweiligen Schenkels.
-
Unter dem Verbindungselement kann eine Stromschiene verstanden werden. So weist das Verbindungselement zwei Enden auf. Das Verbindungselement kann in drei Abschnitte unterteilt werden: einen ersten Kontaktabschnitt, einen zweiten Kontaktabschnitt sowie einen die beiden Kontaktabschnitte verbindenden Verbindungsabschnitt. An den Enden des Verbindungselements sind jeweils zwei parallele Abflachungen ausgeformt. Als Enden werden in diesem Fall die beiden Kontaktabschnitte bezeichnet. So sind die beiden Abflachungen auf zwei zueinander gegenüberliegenden Seiten des Verbindungselements, bzw. der Kontaktabschnitte des Verbindungselements, angeordnet. Eine Abflachung ist als eine im Wesentlichen in einer Ebene liegende Fläche definiert. Die beiden Abflachungen werden durch zwei jeweils auf einem Kreisbogen liegende Flächen verbunden. So wird ein Außenumfang im Bereich der Enden oder Endstücke durch die beiden Abflachungen sowie die beiden auf einem Kreisbogen liegenden Flächen, die jeweils abwechselnd angeordnet sind, geformt. Eine Dicke zwischen den beiden Abflachungen ist kleiner als die Einführöffnung eines korrespondierenden Kontaktelements.
-
Ein Batteriemodul umfasst zumindest ein beschriebenes Kontaktelement, welches mit einem Pol des Batteriemoduls elektrisch gekoppelt ist.
-
Eine Batterie für ein Fahrzeug umfasst zumindest zwei solche Batteriemodule, die über ein entsprechendes Verbindungselement miteinander elektrisch gekoppelt sind. In der Regel wird ein Minuspol eines ersten Batteriemoduls mit einem Pluspol eines zweiten Batteriemoduls elektrisch verbunden. So weist ein erster Pol des ersten Batteriemoduls ein entsprechendes Kontaktelement auf sowie ein zweiter Pol des zweiten Batteriemoduls ebenso ein entsprechendes Kontaktelement. Dabei ist eine Dicke zwischen den beiden Abflachungen jeweils kleiner als die Einführöffnung des korrespondierenden Kontaktelements. Weiterhin ist ein Innendurchmesser des im Wesentlichen im Querschnitt kreisförmigen Aufnahmeraums jeweils etwas kleiner einem Durchmesser des Verbindungselements im Bereich zwischen den beiden auf einem Kreisbogen liegenden Flächen. Das Verbindungselement wird nach dem Einführen der Enden in den Aufnahmeraum des Kontaktelements um in etwa 90° gedreht, sodass die beiden auf dem Kreisbogen liegenden Flächen jeweils mit einem Schenkel des entsprechenden Kontaktelements in Kontakt sind. Dadurch wird gleichzeitig ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement des ersten Batteriemoduls und dem Verbindungselement sowie zwischen dem zweiten Kontaktelement des zweiten Batteriemoduls und dem Verbindungselement hergestellt.
-
Ein Verfahren zum Verbinden einer Mehrzahl von Batteriemodulen, um eine Batterie für ein Fahrzeug herzustellen, umfasst einen Schritt des Bereitstellens von zumindest zwei Batteriemodulen und einem Verbindungselement, einen Schritt des Anordnens der Batteriemodule, einen Schritt des Einführens des Verbindungselements durch die Aufnahmeöffnung der an den Batteriemodulen befindlichen Kontaktelemente sowie einen Schritt des Drehens des Verbindungselements um seine Längsachse, um einen elektrischen und mechanischen Kontakt zwischen dem Verbindungselement und den Schenkeln der Kontaktelemente herzustellen.
-
Mit anderen Worten wird in einer Ausführungsform der erfinderischen Idee eine Stromschiene beispielsweise aus Rundmaterial in modulseitigen Kontaktelementen durch eine 90° Drehung kontaktiert und gleichzeitig fixiert. Vorteilhafterweise wird ein Entfall von Schrauben und eine einfachere, schnellere Montage erreicht. Darüber hinaus wird ein Entfall von Kunststoffteilen, die zur Vorfixierung der Schrauben dienen, erreicht.
-
In einer besonderen Ausführungsform umfassen die Kontaktelemente und gleichzeitig oder alternativ das Verbindungselement bzw. die Verbindungselemente im Wesentlichen Kupfer oder eine Kupferlegierung. Insbesondere bei Hochvolt Anwendungen im Fahrzeug wird eine hohe Stromtragfähigkeit gefordert, wofür sich Kupfer als Verbindungsmaterial eignet. In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfassen die Kontaktelemente und gleichzeitig oder alternativ das Verbindungselement bzw. die Verbindungselemente im Wesentlichen Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Dies kann aus Gewichtsgründen vorteilhaft sein.
-
Um einen Kraftschluss, Formschluss bzw. eine reibschlüssige Verbindung zwischen einem Kontaktelement und einem Kontaktabschnitt des Verbindungselements herzustellen, weist der Innendurchmesser des Aufnahmeraums einen kleineren Durchmesser auf als der Kontaktabschnitt des Verbindungselements. Hierdurch wird eine Verpressung angestrebt, die unter allen Toleranzlagen einen hinreichend guten Übergangswiderstand erzeugt. Vorteilhafterweise ist die Kontaktkraft für die sichere elektrische Verbindung so groß, dass ein unbeabsichtigtes Lösen ausgeschlossen ist.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Schenkel in der Nähe der Einführöffnung eine Störkante auf. Die Störkante weist von dem im Wesentlichen kreisförmigen Aufnahmeraum nach innen. Dabei ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Fläche der Störkante parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Basis des Kontaktelements. Eine solche Störkante dient als Anschlag für das Verbindungselement, nachdem dieses bzw. der Kontaktabschnitt des Verbindungselements in den Aufnahmeraum des Kontaktelements eingeführt und danach um 90° in Richtung der Störkante verdreht wurde. Somit stellt die Störkante die Funktion einer haptischen Rückmeldung bei der Montage dar.
-
Das Verbindungselement kann in einer Grundform in drei Abschnitte unterteilt werden. Einen ersten Kontaktabschnitt, einen zweiten Kontaktabschnitt und einen die beiden Kontaktabschnitte verbindenden Verbindungsabschnitt. Die Kontaktabschnitte sind gekennzeichnet durch die beiden Abflachungen und die die Abflachungen verbindenden auf einem (gemeinsamen) Kreisbogen liegenden Flächen.
-
Ein Verbindungselement zum Verbinden von zwei Batteriemodulen kann im Wesentlichen stabförmig ausgebildet sein. So kann das Verbindungselement als ein formstabiler Rundleiter ausgebildet sein. So kann es sich um ein bearbeitetes Rundmaterial handeln. In diesem Fall ist das Verbindungselement als eine (formstabile) Stromschiene ausgeformt.
-
In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verbindungselement eine flexible Leitung. Unter einer flexiblen Leitung kann auch ein biegeschlaffer Rundleiter oder Litzenleiter verstanden werden. So kann eine flexible Stromschiene realisiert werden, indem nur die Endstücke auf herkömmliche, an den Enden abisolierte Rundleiter aufgebracht werden, beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Crimpen. Vorteilhafterweise müssen die zu verbindenden (Batterie-) Module nicht mehr exakt zueinander ausgerichtet werden, da durch die flexible Leitung gewisse Toleranzen ausgeglichen werden können. Weiterhin können vorteilhafterweise problemlos größere Distanzen überwunden werden; ab einer gewissen Länge des Verbindungselements bzw. des als flexible Leitung ausgebildeten Verbindungsabschnitts können beide Enden „unabhängig“ voneinander montiert werden, die Stromschienen können auch Störkanten oder Höhensprünge überwinden oder sogar winkelig angeordnete Module verbinden.
-
In einer besonderen Ausführungsform kann das Verbindungselement abschnittsweise einen Isolationsmantel aufweisen. Der Isolationsmantel ist bevorzugt im Bereich des Verbindungsabschnitts angeordnet oder umfasst den gesamten Verbindungsabschnitt. Der Isolationsmantel stellt eine elektrische Isolation bereit. Dabei kann der Isolationsmantel beispielsweise als Schrumpfschlauch ausgebildet sein. Alternativ kann der Isolationsmantel beispielsweise aufgespritzt sein, oder das Verbindungselement mit einem Isolationsmantel umgossen sein.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verbindungsabschnitt, d. h. der Abschnitt des Verbindungselements zwischen den beiden Enden bzw. den beiden Kontaktabschnitten in einem Teilabschnitt zumindest eine Abflachung für einen Werkzeugeingriff auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Verbindungsabschnitt zwei gegenüberliegende, parallel ausgerichtete Abflachungen auf. Diese Variante erleichtert den Einsatz eines Standardwerkzeugs wie beispielsweise eines Gabelschlüssels.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische vereinfachte Darstellung von zwei Kontaktelementen und einem Verbindungselement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine perspektivische, vereinfachte Darstellung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels, wobei das Verbindungselement in jeweils einen Aufnahmeraum der Kontaktelemente eingeführt ist;
- 3 eine perspektivische, vereinfachte Darstellung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels in einem verriegelten Zustand;
- 4 eine perspektivische, vereinfachte Darstellung einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 5 ein Fahrzeug mit einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 6 ein Verfahren zum Verbinden einer Mehrzahl von Batteriemodulen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 7 eine perspektivische, vereinfachte Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels mit einer flexiblen Leitung im Bereich des Verbindungsabschnitts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
- 8 eine perspektivische, vereinfachte Darstellung des in 7 dargestellten Ausführungsbeispiels.
-
Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Detaillierte Beschreibung
-
1 zeigt wesentliche Aspekte der hier beschriebenen erfinderischen Idee. Dargestellt sind ein erstes Kontaktelement 100, ein zweites Kontaktelement 102 sowie ein Verbindungselement 104. Die Kontaktelemente 100, 102 sind ausgebildet, um mit einem Pol eines Batteriemoduls (hier nicht dargestellt) verbunden zu werden. Die Kontaktelemente 100, 102 weisen jeweils eine Basis 106 auf, um das Kontaktelement elektrisch und mechanisch mit dem genannten Pol des Batteriemoduls zu verbinden. Weiterhin weisen die Kontaktelemente 100, 102 einen ersten Schenkel 108 und einen zweiten Schenkel 110 auf. Die Schenkel 108, 110 weisen jeweils ein erstes Ende 112 auf, welches jeweils mit der Basis 106 verbunden ist, sowie ein zweites Ende 114 auf, wobei die Kontaktelemente 100, 102 zwischen den zweiten Enden 114 eine Einführöffnung 116 aufweisen. Die Schenkel 108, 110 umfassen einen Aufnahmeraum 118. Der Aufnahmeraum 118 ist im Wesentlichen kreisförmig ausgeformt, die genannte Einführöffnung 116 befindet sich auf der bezogen auf einen Kreismittelpunkt des Aufnahmeraums 118 zur Basis 106 gegenüberliegenden Seite des Aufnahmeraums 118.
-
Der erste Schenkel 108 weist eine Störkante 120 auf. Die Störkante 120 weist von einer den Aufnahmeraum 118 definierenden Innenumfangsfläche 122 des ersten Schenkels 108 nach innen in den Aufnahmeraum 118. Die Störkante 120 weist zwei plane Flächen auf, wobei eine der planen Flächen im Wesentlichen parallel zu einer Grundebene der Basis 104 ausgerichtet ist und als Anschlag für das Verbindungselement 104 dient, wie dies in 3 ersichtlich ist.
-
Das Verbindungselement 104 weist drei Abschnitte auf, einen ersten Kontaktabschnitt 124, einen zweiten Kontaktabschnitt 126 sowie einen die beiden Kontaktabschnitte verbindenden Verbindungsabschnitt 128. Das Verbindungselement 104 ist stabförmig ausgeformt. In einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Verbindungselement 104 ursprünglich um ein Rundmaterial, welches auf die passende Länge geschnitten wird und dann im Bereich der Kontaktabschnitte 124, 126 jeweils zwei, im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Abflachungen 130 aufweist. Die beiden Abflachungen 130 eines Kontaktabschnitts 124, 126 werden über auf einem Kreisbogen liegende Flächen 132 miteinander verbunden, sodass vier Flächen 130, 132 definiert sind: zwei plane Flächen als Abflachungen 130, die über zwei auf einem gemeinsamen Kreisbogen liegende Flächen 132 verbunden sind. Der Abstand 134 der beiden (im Wesentlichen) planen Abflachungen 130 wird als Dicke 136 der Kontaktabschnitte 124, 126 bezeichnet. Die Dicke 136 ist kleiner als eine Breite 138 der Einführöffnung 116 des korrespondierenden Kontaktelements 100, 102, um ein Einführen des Verbindungselements 104 durch die Einführöffnung 116 zu ermöglichen.
-
Der Innendurchmesser 140 des Aufnahmeraums 118 ist gleich oder kleiner als der Durchmesser 142 des Verbindungselements 104 zwischen den beiden auf dem Kreisbogen liegenden Flächen 132. Im montierten Zustand, wie dieser in 3 dargestellt ist, ergibt sich somit eine sichere elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement 100, 102 und dem Verbindungselement 104, zwischen den beiden Schenkeln 108, 110 der Kontaktelemente 100, 102 und den Kontaktabschnitten 124, 126 und dort insbesondere den auf den Kreisbögen liegenden Flächen 132 ergibt sich somit ein Kraftschluss und/oder Formschluss. Um eine sichere elektrische Verbindung zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn die Passung als eine Presspassung ausgeformt ist.
-
In einem Teilabschnitt des Verbindungsabschnitts 128 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Verbindungselement 104 eine Abflachung 144 auf. Die Abflachung 144 kann auch als eine Aussparung mit einer ebenen Fläche für einen Werkzeugeingriff bezeichnet werden. In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Verbindungselement 104 zwei Abflachungen 144 auf, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Verbindungselements 104 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
-
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Verbindungsabschnitt 128 mit einem Isolationsmantel 146 umhüllt. Bevorzugt ist der Isolationsmantel 146 als Schrumpfschlauch 148 ausgeführt. Der Isolationsmantel 140 stellt eine elektrische Isolation bereit.
-
In einem Ausführungsbeispiel sind sowohl die Kontaktelemente 100, 102 als auch das Verbindungselement 104 im Wesentlichen aus Kupfer. Wenn das Verbindungselement 104 einen Isolationsmantel 140 aufweist, so ist dieser bevorzugt aus einem Kunststoff.
-
Die Klemmelemente 100, 102 zeigen einen optionalen Schlitz 149, wodurch sich die Schenkel 108,110 leichter nach außen biegen lassen, um das Verbindungselement 104 trotz durch eine Drehung verursachte Spreizung der Schenkel 108, 110 leicht aufnehmen zu können. Letztendlich lässt sich mittels des Schlitzes 149 und dessen geometrische Gestaltung die Federwirkung der Schenkel 108, 110 einstellen.
-
2 und 3 zeigen die beiden Kontaktelemente 100, 102 sowie das Verbindungselement 104 aus 1, wobei in 2 das Verbindungselement 104 durch die Einführöffnung 116 in den jeweiligen Aufnahmeraum 118 der Kontaktelemente 100, 102 eingebracht ist. In 3 ist das Verbindungselement 104 dann noch um 90° im Uhrzeigersinn gedreht, wodurch eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Kontaktelementen 100, 102 und dem Verbindungselement 104 hergestellt wurde. In den beiden Figuren wird deutlich, dass auf der einen Seite ein Bezug zwischen der Breite 138 der Einführöffnung 116 und der Dicke des Kontaktabschnitts 124, 126 besteht, damit der Kontaktabschnitt 124, 126 in den Aufnahmeraum 118 des Kontaktelements 100, 102 eingeführt werden kann, und auf der anderen Seite ein Bezug zwischen dem Innendurchmesser 140 des Aufnahmeraums 118 der Kontaktelemente 100, 102 und dem Durchmesser 142 zwischen den beiden auf einem Kreisbogen liegenden Flächen 132 der Kontaktabschnitte 124, 126 besteht. Nach dem Einführen der jeweiligen Kontaktabschnitte 124, 126 in die korrespondierenden Aufnahmeräume 118 der jeweiligen Kontaktelemente 100, 102 und dem Verdrehen des Verbindungselements 104 um in etwa 90° liegen die Flächen 132 an der Innenumfangsfläche 122 der Kontaktelemente 100, 102 an. Dabei sind die Maße so gewählt, dass auf der einen Seite die Schenkel 108, 110 etwas nach außen federn, umso einen Anpressdruck auf das Verbindungselement 104 herzustellen und so eine sichere elektrische Verbindung zu gewährleisten.
-
4 zeigt eine Batterie 450 mit drei Batteriemodulen 452 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Jedes der Batteriemodule 452 weist zwei Terminals 454, 456 auf. Ein erstes Terminal 454 stellt einen elektrischen Kontakt mit dem Pluspol ein zweites Terminal 456 stellt einen elektrischen Kontakt mit dem Minuspol des jeweiligen Batteriemoduls 452 her. An den Terminals 454, 456 ist jeweils ein Kontaktelement 100, 102 angeordnet. Ein Verbindungselement 104 verbindet das erste Kontaktelement 100 eines ersten Batteriemoduls 452 mit dem zweiten Kontaktelement 102 des zweiten Batteriemoduls 452. Ein weiteres Verbindungselement 104 verbindet das erste Kontaktelement 100 des zweiten Batteriemoduls 452 mit dem zweiten Kontaktelement 102 des dritten Batteriemoduls 452. So sind die drei Batteriemodule 452 in Reihe geschaltet.
-
Mit anderen Worten trägt jedes Terminal 454, 456 des Batteriemoduls 452 ein auch als Klemmstück bezeichnetes Kontaktelement 100, 102 aus Kupfer. Das Kontaktelement 100, 102 ist aus einem Strangpressprofil leicht herstellbar, indem das Profil auf Länge geschnitten wird. Das Profil weist folgende Merkmale auf:
- • es gibt ein Loch mit Durchmesser <X, welches den Aufnahmeraum 116 des Kontaktelements 100, 102 schafft.
- • Das Loch ist nach oben hin offen, wodurch eine Einführöffnung 116 vorhanden ist.
- • Es entsteht im oberen Bereich ein Schlitz (Einführöffnung 116) mit der lichten Weite Y
- • Im Übergang vom Loch zum Schlitz befindet sich einseitig eine Störkante 120
-
Dazu passend werden aus Kupfer-Stangen mit einem Durchmesser >X die auch als Stromschienen bezeichneten Verbindungselemente 104 hergestellt, indem an deren Enden und etwa mittig zweiseitige Abflachungen 130, 144 eingebracht werden. Die Abflachungen 130, 144 ergeben parallele Flächen, deren Abstände dem Maß Y entsprechen. Als Berührschutz könnte ein Schrumpfschlauch 148 aufgebracht sein.
-
Durch die abgestimmte Gestaltung der beiden Teile (Kontaktelement 100, 102; Verbindungselement 104) ergibt sich eine radiale Fügerichtung, indem der auch als Zweiflach bezeichnete Kontaktabschnitt 124, 126 des Verbindungselements 104 in den Schlitz des Klemmteils eingeführt wird.
-
5 zeigt ein Fahrzeug 560 mit einer Variante einer Batterie 450, wie diese bereits in 4 dargestellt ist. 5 zeigt eine Variante der Anordnung der Kontaktelemente 100, 102, die zur Verbindung von zwei gegenüberliegenden Batteriemodulen im Vergleich zum in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel um 90° gedreht sind
-
Ist das Verbindungselement 104 bis zum Anschlag eingeführt, kann es anschließend in einer Richtung gedreht werden. Im dargestellten Fall ist die Drehbewegung im Uhrzeigersinn freigängig. Entgegen dem Uhrzeigersinn würde die linke Störkante 120 die Drehung verhindern. Als Hilfsmittel zum Drehen eignet sich ein Gabelschlüssel, der an den mittigen Abflachungen 144 angesetzt werden kann.
-
Weil aber der Durchmesser 140, X des Lochs (Aufnahmeraum 118) im Kontaktelement 100, 102 (Klemmteil) geringfügig kleiner ausgestaltet ist, als der Durchmesser 142, X des Stangenmaterials, wird beim Drehen des Verbindungselements 104 (Stromschiene) das Kontaktelement 100, 102 aufgespreizt. Dies erzeugt eine Kontaktkraft, die zum Erreichen geringer Übergangswiderstände gewünscht ist. Nach einer 90° Drehung wird die Abflachung 130 die Störkante 120 erreichen, wodurch ein für den Werker spürbarer Anschlag entsteht und er die Drehbewegung beendet. Die Bauteile sind nun in X und Z- Richtung formschlüssig und in Y-Richtung durch Klemmung reibschlüssig gegen Lösen gesichert.
-
Die Gestaltung der Bauteile trägt zur prozesssicheren Montage bei:
-
Beim Fügen des Verbindungselements 104 unterstützt die Geometrie das Finden der richtigen Position: das Verbindungselement 104 (Stromschiene) richtet sich in Achsrichtung selbst aus, da die Abflachungen 130 als Anschlag am Kontaktelement 100, 102 dienen.
-
In der dargestellten Anordnung von Modulen 452 wird durch die Drehbewegung des Verbindungselements 104 gleichzeitig an beiden Enden 124, 126 des Verbindungselements 104 jeweils eine Kontaktierung hergestellt. Damit werden die Module 452 seriell verbunden.
-
Die erzielbare Klemmkraft kann durch geometrische Anpassungen variiert werden:
-
Die wichtigste Kenngröße ist die theoretische Verpressung der Bauteile, da der Durchmesser 142 der Welle (Verbindungselement 104) etwas größer sein muss, als der Durchmesser 140 des Aufnahmeraums 118 (Loch im Klemmteil). Durch Variation in der Wandstärke der Schenkel 108, 110 kann die Steifigkeit der Klemmung beeinflusst werden. Auch kann ein Schlitz 149 im unteren Bereich des Loches dazu beitragen, dass das Klemmstück sich leichter verformen lässt.
-
Die Teile (Kontaktelemente 100, 102 sowie Verbindungselement 104) werden bei der Montage unter Druck gegeneinander bewegt, wodurch eventuell vorhandene Oxidschichten aufgebrochen werden und der Übergangswiderstand sinkt.
-
Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den 1-5 als Referenz beibehalten.
-
6 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Verbinden einer Mehrzahl von Batteriemodulen 452, um eine Batterie 450 für ein Fahrzeug 560 herzustellen. Hierzu umfasst das Verfahren zumindest einen Schritt S1 des Bereitstellens eines ersten Batteriemoduls 452, zumindest eines zweiten Batteriemoduls 452 sowie zumindest eines Verbindungselements 104. Letztendlich wird in der Regel die Anzahl der Verbindungselemente 104 um den Wert eins kleiner sein als die Anzahl der zu verbindenden Batteriemodule 452. Im darauf folgenden Schritt S2 des Anordnens werden die Batteriemodule 452 beispielsweise nebeneinander angeordnet und zueinander ausgerichtet, sodass im darauf folgenden Schritt S3 des Einführens das Verbindungselement 104 in jeweils ein Klemmelement zweier benachbarter Batteriemodule 452 eingeführt werden kann. Zu diesem Zeitpunkt sind die Abflachungen 130 parallel zur Bewegungsrichtung des Verbindungselements 104 ausgerichtet, d. h. bezogen auf die Figuren, insbesondere 1, senkrecht bzw. vertikal ausgerichtet. So können die Kontaktabschnitte 124, 126 durch die Einführöffnung 116 der Kontaktelemente 100, 102 in den Aufnahmeraum 118 eingeführt werden. Im darauf folgenden Schritt S4 des Drehens wird das Verbindungselement 104 in etwa einen Viertel Kreisbogen (in etwa 90°) gedreht, wobei sich die Drehrichtung aus der Position der Störkante 120 ergibt. Dabei wird die auf dem Kreisbogen liegende Fläche 132, die in Richtung der Einführöffnung 116 ausgerichtet ist, von der Störkante 120 wegbewegt. Da die Störkante in 1 bis 3 jeweils auf dem linken Schenkel 108 ausgeformt ist, ergibt sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn. Durch die Drehbewegung des Verbindungselements 104 wird ein elektrischer und mechanischer Kontakt zwischen dem Verbindungselement 104 und den Schenkeln 108 110 der Kontaktelemente 100 102 hergestellt.
-
7 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Verbindungselements 104, bei dem der Verbindungsabschnitt 128 im Wesentlichen eine flexible Leitung 770 umfasst. Bei der flexiblen Leitung 770 handelt es sich um einen Litzenleiter 772, mit einem Isolationsmantel 146. Die Enden des Litzenleiters 772 sind abisoliert. 8 zeigt das gleiche Ausführungsbeispiel als Verbindungselement 104. Die Kontaktabschnitte 124, 126 sind bei diesem Ausführungsbeispiel als Kontaktelemente 724, 726 ausgeformt. Beispielsweise sind die Kontaktelemente 724, 726 aus einem Rundmaterial gefertigt, wobei die Abflachung 130 sowie die auf einem (gemeinsamen) Kreisbogen liegenden Flächen 132 geschaffen werden. Zusätzlich wird ein Kontaktabschnitt 774 ausgeformt, der mit einem abisolierten Ende der flexiblen Leitung 770 verbunden ist. Die Verbindung des Kontaktabschnitts 774 des Kontaktelements 724, 726 mit dem abisolierten Ende der flexiblen Leitung 770 wird über eine Crimp-Verbindung, eine Schweißverbindung oder beispielsweise eine Löt-Verbindung hergestellt. Beispielsweise kann die genannte Verbindung über Reibschweißen hergestellt werden. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass quasi eine flexible Stromschiene geschaffen wird, indem nur die Endstücke auf herkömmliche, an den Enden abisolierte Rundleiter aufgebracht werden; dies geschieht beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Crimpen. Der Vorteil: die Batteriemodule können auch leicht versetzt zueinander angeordnet sein, weiterhin können problemlos größere Distanzen überwunden werden. Ab einer gewissen Länge können beide Enden „unabhängig“ voneinander montiert werden, die Stromschienen können auch Störkanten oder Höhensprünge überwinden oder sogar winkelig angeordnete Module verbinden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100, 102
- Kontaktelement, Klemmstück
- 104
- Verbindungselement, Stromschiene
- 106
- Basis
- 108
- erster Schenkel
- 110
- zweiter Schenkel
- 112
- erstes Ende
- 114
- zweites Ende
- 116
- Einführöffnung
- 118
- Aufnahmeraum
- 120
- Störkante
- 122
- Innenumfangsfläche
- 124, 126
- Kontaktabschnitt, Ende
- 128
- Verbindungsabschnitt
- 130
- Abflachung
- 132
- Fläche
- 134
- Abstand
- 136
- Dicke
- 138
- Breite
- 140
- Innendurchmesser
- 142
- Durchmesser
- 144
- Abflachung, Aussparung
- 146
- Isolationsmantel
- 148
- Schrumpfschlauch
- 149
- Schlitz
- 450
- Batterie
- 452
- Batteriemodul
- 454
- erstes Terminal
- 456
- zweites Terminal
- 560
- Fahrzeug
- S1 - S4
- Verfahrensschritte
- 724,726
- Kontaktelement
- 770
- flexible Leitung, biegeschlaffe Leitung, biegeschlaffer Rundleiter
- 772
- Litzenleiter
- 774
- Kontaktabschnitt
