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Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie mit einem Batteriegehäuse, einer Mehrzahl von in dem Batteriegehäuse angeordneten galvanischen Zellen, die in einer vorgegebenen Weise miteinander elektrisch gekoppelt sind, um an wenigstens zwei Zellenanschlüssen eine Batteriespannung bereitzustellen, einer in dem Batteriegehäuse angeordneten Schalteinheit zum elektrischen Koppeln der galvanischen Zellen mit den Zellenanschlüssen abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit, wenigstens zwei am Batteriegehäuse angeordneten Batterieanschlusspolen zum Anschließen an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs und einer im Batteriegehäuse angeordneten Sicherungsvorrichtung, die zwischen wenigstens einem der wenigstens zwei Batterieanschlusspole und einem zugeordneten der wenigstens zwei Zellenanschlüsse angeordnet ist und die ein Sicherungsgehäuse aufweist, in dem wenigstens ein Sicherungselement lösbar angeordnet ist.
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Gattungsgemäße Fahrzeugbatterien sind dem Grunde nach im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Fahrzeugbatterien dienen in der Regel dazu, bei Kraftfahrzeugen elektrische Energie für den Betrieb eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Zu diesem Zweck weist die Fahrzeugbatterie in der Regel wenigstens zwei Anschlusspole auf, mittels denen die Fahrzeugbatterie an das Bordnetz angeschlossen werden kann, sodass eine elektrische Verbindung zum Bordnetz hergestellt ist. An den Batterieanschlusspolen wird eine Batteriespannung bereitgestellt. Zum Bereitstellen der Batteriespannung umfasst die Fahrzeugbatterie eine Mehrzahl von in einem Batteriegehäuse der Fahrzeugbatterie angeordneten galvanischen Zellen, die in einer vorgebbaren Weise miteinander elektrisch gekoppelt sind, um die Batteriespannung zunächst an zwei Zellenanschlüssen bereitzustellen. Wenigstens einer der Zellenanschlüsse und einer der Batterieanschlusspole werden mittels einer Schalteinheit zum elektrischen Koppeln abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit verbunden. Die Schalteinheit ist in der Regel ebenfalls im Batteriegehäuse angeordnet. Dadurch ist es möglich, die Anschlusspole der Fahrzeugbatterie hinsichtlich der Batteriespannung bedarfsweise potentialfreizuschalten. Dies ist zum Beispiel sinnvoll, wenn Wartungsarbeiten am Bordnetz beziehungsweise an der Fahrzeugbatterie vorgenommen werden müssen. Besonders wichtig ist dies, wenn die Fahrzeugbatterie eine Hochvolt-Batterie ist, die beispielsweise elektrische Energie für einen bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs bereitstellt.
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Der Begriff „Hochvolt“ bezieht sich vorliegend auf eine Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise ist eine Spannung gemäß der Norm ECE R 100 hierunter zu verstehen.
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Die Fahrzeugbatterie umfasst in der Regel auch eine Sicherungsvorrichtung, die ebenfalls im Batteriegehäuse angeordnet ist. Die Sicherungsvorrichtung ist zwischen wenigstens einem der wenigstens zwei Batterieanschlusspole und einem zugeordneten der wenigstens zwei Zellenanschlüsse angeschlossen und weist ein Sicherungsgehäuse auf, in dem wenigstens ein Sicherungselement lösbar angeordnet ist. Das Sicherungselement ist vorzugsweise ein elektromechanisches Sicherungselement, beispielsweise nach Art einer Schmelzsicherung oder dergleichen. Das Sicherungselement ist in der Regel als Einsatz im Sicherungsgehäuse angeordnet, sodass es im ausgelösten Fall gegen ein intaktes Sicherungselement getauscht werden kann.
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Bei gattungsgemäßen Fahrzeugbatterien erweist es sich als problematisch, das Sicherungselement zu wechseln. In der Regel ist es hierzu erforderlich, die Fahrzeugbatterie aus dem Kraftfahrzeug zu entfernen, zumindest jedoch vom Bordnetz elektrisch zu trennen. Zum Warten des Sicherungselements ist es ferner erforderlich, dies in einem speziellen Wartungsraum durchzuführen, bei dem unter anderem ein Luftdruck in vorgebbarer Weise geregelt wird. Nach dem Warten des Sicherungselements ist es ferner erforderlich, die elektrische Verbindung zum Bordnetz wieder sicher herzustellen und zu prüfen, ob diese vollständig funktionsfähig ist. Dies erfordert viel Zeit und ist hinsichtlich der Kosten ungünstig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Warten von Sicherungselementen bei Fahrzeugbatterien zu verbessern.
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Als Lösung wird mit der Erfindung für eine gattungsgemäße Fahrzeugbatterie vorgeschlagen, dass das Sicherungsgehäuse eine Wartungsöffnung zum Warten des Sicherungselements aufweist, die mittels eines bewegbar angeordneten Wartungsdeckels verschließbar ist, wobei das Batteriegehäuse eine Batteriegehäuseöffnung zum Ermöglichen eines Zugriffs auf den Wartungsdeckel und das Sicherungselement aufweist, die mittels einem gegenüber dem Batteriegehäuse bewegbar angeordneten Gehäusedeckel verschließbar ist, wobei der Wartungsdeckel eine Durchgangsöffnung aufweist und in dem Sicherungsgehäuse gegenüberliegend in Bezug auf die Durchgangsöffnung ein wenigstens zweipoliger Steckverbinder angeordnet ist, der mittels einer Steuerleitung mit der Schalteinheit elektrisch verbunden ist, und dass der Gehäusedeckel gehäuseinnenseitig eine Kontaktbrücke aufweist, die ausgebildet ist, im geschlossenen Zustand der Wartungsöffnung und der Batteriegehäuseöffnung durch die Durchgangsöffnung hindurchzuragen, um eine elektrische Verbindung zwischen den wenigstens zwei Polen des Steckverbinders herzustellen.
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Mit der Erfindung wird das vorgenannte Problem durch zwei zusammenwirkende Maßnahmen gelöst werden, indem nämlich zunächst das Sicherungsgehäuse derart angeordnet wird, dass eine Wartung des Sicherungselements zugleich durch die Wartungsöffnung und die Batteriegehäuseöffnung ermöglicht wird. Dadurch braucht die Fahrzeugbatterie also nicht mehr vom Bordnetz elektrisch getrennt zu werden und insbesondere auch nicht mehr aus dem Fahrzeug ausgebaut zu werden, sondern die Wartung des Sicherungselements kann im eingebauten Zustand der Fahrzeugbatterie im Kraftfahrzeug erfolgen.
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Um Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Sicherheit bei dieser Option erfüllen zu können, ist eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme realisiert, die auf Basis eines Interlock-Systems basiert. Zu diesem Zweck weist der Wartungsdeckel die Durchgangsöffnung auf, die es erlaubt, dass in geschlossenem Zustand des Wartungsdeckels die Kontaktbrücke, die an dem Gehäusedeckel innenseitig angeordnet ist, durch die Wartungsöffnung hindurch den zweipoligen Steckverbinder kontaktieren kann, um auf diese Weise einen elektrische Verbindung zwischen den wenigstens zwei Kontakten des Steckverbinders herstellen zu können. Dadurch ist es möglich, auf die Schalteinheit derart einzuwirken, dass bei Entfernen des Gehäusedeckels die Schalteinheit in den ausgeschalteten Schaltzustand geschaltet wird, sodass die Zellenanschlüsse nicht mehr mit elektrischen Potentialen der Batteriespannung der galvanischen Zellen beaufschlagt sind. Dadurch ist infolgedessen auch das wenigstens eine Sicherungselement nicht mehr mit einem Potential der galvanischen Zellen beaufschlagt, sodass das Sicherungselement ohne Gefahr eines elektrischen Schlags oder dergleichen gewartet werden kann. Erst wenn der Gehäusedeckel nach der Wartung des Sicherungselements wieder die Batteriegehäuseöffnung bestimmungsgemäß verschließt, ist mit dem Verschließen auch wieder der Kontakt zwischen der Kontaktbrücke und dem Steckverbinder hergestellt, sodass die Schalteinheit den eingeschalteten Schaltzustand einnehmen kann. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein Zugriff auf die Sicherungsvorrichtung nur dann erfolgen kann, wenn das wenigstens eine Sicherungselement nicht mehr mit einem elektrischen Potential der galvanischen Zellen beaufschlagt ist.
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Aus Gründen der elektrischen Sicherheit wird somit die Sicherungsvorrichtung hinsichtlich einer Beaufschlagung mit der Batteriespannung zunächst potentialfrei geschaltet, damit gefährliche Zustände aufgrund der Batteriespannung beziehungsweise deren elektrischer Potentiale im Wesentlichen vermieden werden können. Zu diesem Zweck weist das Sicherungsgehäuse die Wartungsöffnung zum Warten des Sicherungselements auf, durch die Zugriff auf das Sicherungselement möglich ist. Durch die Wartungsöffnung kann das Sicherungselement entfernt und ein neues Sicherungselement wieder eingeführt werden.
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Die Wartungsöffnung, die durch die Batteriegehäuseöffnung zugänglich ist, ist im bestimmungsgemäßen Betrieb der Fahrzeugbatterie in der Regel mittels des bewegbar angeordneten Wartungsdeckels verschlossen. Da sich die Sicherungsvorrichtung innerhalb des Gehäuses der Fahrzeugbatterie befindet, weist das Batteriegehäuse die Batteriegehäuseöffnung auf, die entsprechend der Wartungsöffnung angeordnet ist. Zum Warten des Sicherungselements ist der Zugriff auf den Wartungsdeckel und das Sicherungselement durch die Batteriegehäuseöffnung möglich. Die Batteriegehäuseöffnung selbst ist mittels des bewegbar am Batteriegehäuse angeordneten Gehäusedeckels verschließbar.
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Die Erfindung erlaubt es also, die Wartung der Fahrzeugbatterie, insbesondere in Bezug auf das wenigstens eine Sicherungselement, zu verbessern.
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Darüber hinaus können die folgenden Vorteile erreicht werden:
- - Verringern der Montagezeit und -kosten in der Produktion
- - Reduzieren der logistischen Zeit und Kosten in der Zeit bis zum Transport
- - Reduzieren der Bearbeitungszeit und der Kosten in der Produktion
- - Poka-Joch für die Verriegelung mit einer Serviceklappe
- - Hochvoltschutz für Personal während der Arbeit
- - Servicezeit und -kosten können reduziert werden
- - Es wird kein spezieller Raum und auch keine zusätzliche Validierung bei der Wartung benötigt.
- - Eignung der Erfindung für eine Mehrzahl unterschiedlicher Batteriekonstruktionen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematisch perspektivische Ausschnittsansicht einer Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs mit einer Batteriegehäuseöffnung, in deren Bereich eine Sicherungsvorrichtung angeordnet ist,
- 2 eine schematisch perspektivische Darstellung der Sicherungsvorrichtung der Batterie gemäß 1,
- 3 eine schematische Blockschaltbilddarstellung für ein Interlock-Konzept gemäß der Erfindung,
- 4 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts der Batterie gemäß 1 im Bereich der Sicherungsvorrichtung, und
- 5 eine schematisch perspektivische Darstellung eines Batteriedeckels der Fahrzeugbatterie gemäß 1.
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1 zeigt in einer schematisch perspektivischen Darstellung eine Fahrzeugbatterie 10 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs, welches vorliegend ein Elektrofahrzeug ist. Die Erfindung ist jedoch auf andere Kraftfahrzeuge gleichermaßen anwendbar.
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Die Fahrzeugbatterie 10 umfasst ein Batteriegehäuse 12, welches vorliegend aus einem Metallwerkstoff gebildet ist. In dem Batteriegehäuse 12 ist eine Mehrzahl von galvanischen Zellen angeordnet, die in der 1 jedoch nicht dargestellt sind. Die galvanischen Zellen sind vorliegend als Lithium-Ion-Zellen ausgebildet. Die galvanischen Zellen sind in einer vorgegebenen Weise miteinander elektrisch gekoppelt, um an ebenfalls nicht dargestellten Zellenanschlüssen eine Batteriespannung bereitzustellen. Die Fahrzeugbatterie 10 ist vorliegend eine Hochvolt-Batterie und weist eine Bemessungsspannung von etwa 400 V auf. In alternativen Ausgestaltungen kann diese Spannung natürlich auch abweichen und zum Beispiel etwa 800 V oder dergleichen betragen.
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Das Batteriegehäuse 12 umfasst ferner eine Schalteinheit zum elektrischen Koppeln der galvanischen Zellen mit den Zellenanschlüssen abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit. Die Schalteinheit ist vorliegend ebenfalls nicht dargestellt, ist jedoch innerhalb des Batteriegehäuses 12 angeordnet. Die Schalteinheit ist vorliegend durch ein Schütz gebildet, welches elektromechanische Schaltkontakte aufweist. In alternativen Ausgestaltungen kann die Schalteinheit zumindest teilweise auch halbleiterbasierte Schaltelemente aufweisen, beispielsweise unter Nutzung von Transistoren, Thyristoren oder dergleichen.
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Die Fahrzeugbatterie 10 umfasst zwei Batterieanschlusspole, mittels denen die Fahrzeugbatterie 10 an ein ebenfalls nicht dargestelltes Bordnetz des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Die Batteriepole sind aus 1 ebenfalls nicht ersichtlich. Die Batterieanschlusspole sind über die Schalteinheit mit den Zellenanschlüssen gekoppelt. Dadurch kann die Fahrzeugbatterie 10 vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch getrennt werden, und zwar abhängig vom Schaltzustand der Schalteinheit.
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Vorliegend sind die Zellenanschlüsse jedoch nicht unmittelbar mit den Batterieanschlusspolen elektrisch gekoppelt, sondern zwischen den Zellenanschlüssen und den Batterieanschlusspolen ist eine ebenfalls im Batteriegehäuse 12 angeordnete Sicherungsvorrichtung 14 zwischengeschaltet, die zwischen den Batterieanschlusspolen und den jeweils zugeordneten Zellenanschlüssen angeschlossen ist. Die Sicherungsvorrichtung 14 weist ein Sicherungsgehäuse 16 auf, in dem zwei Sicherungselemente 18 lösbar angeordnet sind, wobei ein jeweiliges der Sicherungselemente einem jeweiligen der elektrischen Potentiale der Batteriespannung zugeordnet ist.
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Die Sicherungselemente 18 sind vorliegend als Schmelzsicherungen ausgebildet. In alternativen Ausgestaltungen können hier natürlich auch Halbleitersicherungen zum Einsatz kommen. Gleichwohl zeichnen sich die Sicherungselemente 18 dadurch aus, dass sie zwei voneinander beabstandete Kontaktbereiche aufweisen, zwischen denen ein eigentliches Funktionselement ausgebildet ist, welches die Sicherungsfunktionalität realisiert. Die Kontaktbereiche sind in der Regel derart ausgebildet, dass sie mit entsprechenden Kontaktbereichen im Sicherungsgehäuse 16 korrespondieren, sodass die Sicherungselemente im Sicherungsgehäuse 16 zuverlässig befestigt und elektrisch kontaktiert sind. Im ausgelösten Zustand stellen die Sicherungselemente 18 eine dauerhafte elektrische Trennung bereit.
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Um die Sicherungselemente 18 warten zu können, weist das Sicherungsgehäuse 16 eine Wartungsöffnung 20 auf (2), die mittels eines an einem Rand 40 der Wartungsöffnung 20 angelenkten Wartungsdeckels 22 verschließbar ist. Der Wartungsdeckel 22 ist über eine als Scharniergelenk ausgebildete Verbindungsstelle 38 mit dem Sicherungsgehäuse 16 verbunden.
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Gegenüberliegend zur Verbindungsstelle 38 sind am Wartungsdeckel 22 Rastnasen 44 ausgebildet, die im verschlossenen Zustand des Wartungsdeckels 22 in Rastausnehmungen 46 am Sicherungsgehäuse 16 eingreifen. Dadurch ist es möglich, den Wartungsdeckel 22 auf einfache Weise manuell zu öffnen. Im verschlossenen Zustand wird mittels der Rastnasen 44, die in diesem verschlossenen Zustand in die Rastausnehmungen 46 eingreifen, der Wartungsdeckel 28 zum Verschließen der Wartungsöffnung 20 sicher gehalten. 1 zeigt den teilgeöffneten Zustand des Sicherungsgehäuses 16.
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In der Ausgestaltung gemäß 1 ist vorgesehen, dass die Wartungsöffnung 20 mit einer Batteriegehäuseöffnung 24 des Batteriegehäuses 12 übereinstimmt, sodass der Wartungsdeckel 22 durch die Batteriegehäuseöffnung 24 hindurch geöffnet werden kann. Die Batteriegehäuseöffnung 24 ermöglicht somit einen Zugriff auf den Wartungsdeckel 22 sowie dann auch auf das Sicherungselement 18.
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Die Batteriegehäuseöffnung 24 ist mittels eines gegenüber dem Batteriegehäuse 12 bewegbar angeordneten Gehäusedeckels 26 verschließbar. Der Gehäusedeckel 26 ist vorliegend lösbar am Batteriegehäuse 12 befestigbar, um im befestigten Zustand die Batteriegehäuseöffnung 24 zu verschließen. Der Gehäusedeckel 26 ist vorliegend in 5 in einer perspektivischen schematischen Darstellung mit Blick auf seine Innenseite dargestellt.
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Während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Fahrzeugbatterie 10 ist die Wartungsöffnung 20 mittels des Wartungsdeckels 22 verschlossen (4). Zugleich ist auch die Batteriegehäuseöffnung 24 mittels des Gehäusedeckels 26 verschlossen, sodass ein Zugriff auf den Wartungsdeckel 22 nicht möglich ist.
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Zum Ermöglichen des Zugriffs auf die Sicherungselemente 18 wird der Gehäusedeckel 26 vom Batteriegehäuse 12 entfernt, sodass die Batteriegehäuseöffnung 24 freigelegt ist. In diesem Zustand kann dann auf die Rastnasen 44 manuell zugegriffen werden, um den Wartungsdeckel 22 aufzuschwenken. Dadurch wird die Wartungsöffnung 20 geöffnet, sodass die Sicherungselemente 18 gewartet werden können.
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Aus den 1 und 2 ist ferner ersichtlich, dass der Wartungsdeckel 22 eine vorliegend etwa zentrisch angeordnete und etwa kreisförmig ausgebildete Durchgangsöffnung 28 aufweist. Je nach Konstruktion können die Position und der Durchmesser sowie auch die Form des Durchmessers der Durchgangsöffnung 28 variieren.
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Im Sicherungsgehäuse 16 ist gegenüberliegend in Bezug auf die Durchgangsöffnung 28, und zwar im verschlossenen Zustand, ein zweipoliger Steckverbinder 30 angeordnet. Der Steckverbinder 30 ist vorliegend über eine Leitung 32, die vorliegend ebenfalls zweipolig ausgebildet ist, an die nicht dargestellte Schalteinheit der Fahrzeugbatterie 10 angeschlossen. Dadurch ist es möglich, den Schaltzustand der Schalteinheit zu steuern (3).
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Gehäuseinnenseitig ist am Gehäusedeckel 26 ein Dom 42 ausgebildet (5), der mit dem Gehäusedeckel fest verbunden ist. Vorzugsweise ist der Dom 42 mit dem Gehäusedeckel 26 einstückig ausgebildet. Der Dom 42 umfasst eine Kontaktbrücke 34, die ausgebildet ist, im geschlossenen Zustand der Wartungsöffnung 20 und der Batteriegehäuseöffnung 24 durch die Durchgangsöffnung 28 hindurchzuragen, um eine elektrische Verbindung zwischen den zwei Polen 36 des Steckverbinders 30 herzustellen. Dies ist im Detail in der ausschnittsweisen Schnittdarstellung gemäß 4 dargestellt.
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Der Dom 42 ist vorliegend aus einem Isolationswerkstoff gebildet, der für eine Bemessungsspannung der Fahrzeugbatterie 10 angepasst ist.
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Zwischen dem Wartungsdeckel 22 und dem Sicherungsgehäuse 16 ist eine Verbindung derart ausgebildet, dass zum Öffnen der Wartungsöffnung 20 ein vorgegebener Zeitraum erforderlich ist. Vorliegend beträgt der Zeitraum etwa fünf Sekunden. Dieser Zeitraum ist erforderlich, damit nach dem Einnehmen des ausgeschalteten Schaltzustands durch die Schalteinheit die elektrischen Potentiale an den Sicherungselementen 18 auf einen Wert abgefallen sind, der unschädlich für eine Wartung an den Sicherungselementen 18 ist. Das Sicherungsgehäuse 16 und der Wartungsdeckel 22 sind aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, wie Kunststoff, Keramik, entsprechenden Verbundwerksoffen oder dergleichen gebildet.
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Aus 5 ist ferner ersichtlich, dass gehäuseinnenseitig am Gehäusedeckel 26 eine Dichtung 48 angeordnet ist. Dadurch kann im verschlossenen Zustand die Batteriegehäuseöffnung 24 fluiddicht verschlossen werden. Der Gehäusedeckel 26 kann mittels nicht dargestellter vorgegebener Schraubbefestigungen am Batteriegehäuse 12 im Bereich der Batteriegehäuseöffnung 24 befestigt werden.
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Das Ausführungsbeispiel dient ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeugbatterie
- 12
- Batteriegehäuse
- 14
- Sicherungsvorrichtung
- 16
- Sicherungsgehäuse
- 18
- Sicherungselement
- 20
- Wartungsöffnung
- 22
- Wartungsdeckels
- 24
- Batteriegehäuseöffnung
- 26
- Gehäusedeckel
- 28
- Durchgangsöffnung
- 30
- Steckverbinder
- 32
- Steuerleitung
- 34
- Kontaktbrücke
- 36
- Pol
- 38
- Verbindungsstelle
- 40
- Rand
- 42
- Dom
- 44
- Rastnase
- 46
- Rastausnehmung
- 48
- Dichtung
