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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von einen Zellverbund ausbildenden Batteriezellen, einem Batteriegehäuse, in welchem der Zellverbund angeordnet ist, und einem Zellkontaktiersystem zum elektrischen Verbinden von Zellpolen der Batteriezellen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse insbesondere auf Hochvoltbatterien bzw. Hochvoltakkumulatoren für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche Hochvoltbatterien weisen eine Vielzahl von Batteriezellen auf, welche in der Regel in einem Zellverbund angeordnet und mittels eines Zellkontaktiersystems zu einem Batteriemodul verschaltet sind. Bei einem kritischen Ereignis, beispielsweise bei einem unfallbedingten Aufprall des Kraftfahrzeugs, kann es zu einer Kraftbeaufschlagung auf die Hochvoltbatterie kommen. Um zu verhindern, dass die Batteriezellen durch diese Kraftbeaufschlagung zerstört werden, ist es aus dem Stand der Technik beispielsweise bekannt, die Batteriemodule in nicht deformierbaren, steifen Batteriegehäusen unterzubringen. Dies führt jedoch zu einem unerwünscht hohen Gewicht der Hochvoltbatterie.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders leichte und stabile Hochvoltbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäßes Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine Vielzahl von einen Zellverbund ausbildenden Batteriezellen, ein Batteriegehäuse, in welchem der Zellverbund angeordnet ist, und ein Zellkontaktiersystem zum elektrischen Verbinden von Zellpolen der Batteriezellen. Das Zellkontaktiersystem weist zumindest eine Lochplatte mit einem elektrisch isolierenden, gelochten, plattenförmigen Grundkörper sowie mit einer an dem plattenförmigen Grundkörper angeordneten, elektrisch leitfähigen, gelochte Kontaktschicht auf. Die Lochplatte ist an einer die Zellpole aufweisenden Seite des Zellverbunds angeordnet. Die Zellpole sind zum Verschalten der Batteriezellen über durch Löcher in dem Grundkörper und in der Kontaktschicht geführte elektrische Kontaktelemente mit der Kontaktschicht elektrisch verbunden. Der Grundkörper ist an dem Batteriegehäuse fixiert und somit bei einer Kraftbeaufschlagung auf das Batteriegehäuse in einem durch das Batteriegehäuse führenden Kraftfluss liegend ausgebildet.
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Der Zellverbund weist eine Vielzahl von Batteriezellen bzw. Sekundärzellen auf, welche beispielsweise als zylinderförmige Rundzellen, prismatische Batteriezelle, Pouch-Zellen oder dergleichen ausgebildet und miteinander zu zumindest einem Batteriemodul verschaltet sein können. Vorzugsweise sind die Batteriezellen als zylinderförmige Rundzellen ausgebildet. Dabei können erste Zellpole, beispielsweise die Pluspole, und zweite Zellpole, beispielsweise die Minuspole, an einer Seite der Batteriezelle, beispielsweise an einem Zellgehäusedeckel der Batteriezelle, angeordnet sein. Es kann aber auch sein, dass die ersten Zellpole an dem Gehäusedeckel und die zweiten Zellpole an einem dem Zellgehäusedeckel gegenüberliegenden Zellgehäuseboden der Batteriezelle angeordnet sind. Innerhalb eines Batteriemoduls werden die Batteriezellen entsprechend einer vorbestimmten Verschaltung über das Zellkontaktiersystem elektrisch miteinander verbunden. Beispielsweise können jeweils eine bestimmte Anzahl an Batteriezellen parallel verschaltet werden und die Parallelschaltungen können dann seriell verschaltet werden.
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Das Zellkontaktiersystem umfasst die zumindest eine Lochplatte, insbesondere zwei Lochplatten. Die zumindest eine Lochplatte wird an der bzw. überlappend mit der die Zellpole aufweisenden Seite des Zellverbunds angeordnet. Die Lochplatte weist den elektrisch nicht leitenden Grundkörper auf, welcher beispielsweise als eine Kunststoffplatte mit Löchern ausgebildet sein kann. Eine Seite der Kunststoffplatte ist in einem Teilbereich einer Oberfläche der Kunststoffplatte mit der Kontaktschicht beschichtet. Anders ausgedrückt bedeckt die Kontaktschicht den Grundkörper nur bereichsweise. Insbesondere ist die Kontaktschicht an einer Oberseite des Grundkörpers angeordnet, wobei eine Unterseite des Grundkörpers der die Zellpole aufweisenden Seite des Zellverbunds zugewandt ist. Eine Unterseite des Grundkörpers überlappt also mit der die Zellpole aufweisenden Seite des Zellverbunds. Die der Unterseite gegenüberliegende Oberseite des plattenförmigen Grundkörpers weist bereichsweise die metallische Kontaktschicht auf. Die Kontaktschicht kann eine an der Kunststoffplatte angeordnete metallische, elektrisch leitende Schicht, beispielsweise ein Lochblech, sein. Dabei ist die Kontaktschicht derart an dem Grundkörper angeordnet, dass die Löcher des Grundkörpers fluchtend zu den Löchern der Kontaktschicht ausgebildet sind. Die Löcher der Kontaktschicht und die Löcher des Grundkörpers bilden also die Löcher der Lochplatte aus.
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Die Kontaktschicht bildet dabei ein elektrisches Verbindungsstück zum Verbinden der Zellpole zweier Batteriezellen aus. Um beispielsweise zum Parallelschalten von zwei Batteriezellen die Pluspole der beiden Batteriezellen miteinander zu verbinden und die Minuspole der beiden Batteriezellen miteinander zu verbinden, können beispielsweise die Pluspole beider Batteriezellen mit der Kontaktschicht einer ersten Lochplatte elektrisch verbunden werden und die Minuspole beider Batteriezellen können mit der Kontaktschicht einer zweiten Lochplatte elektrisch verbunden werden. Beispielsweise können die Lochplatten an gegenüberliegenden Seiten des Zellverbunds angeordnet sein, im Falle, dass die Zellpole an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind. Im Falle, dass die sämtliche Zellpole an einer Seite des Zellverbunds angeordnet sind, können die Lochplatten übereinander gestapelt werden und der Lochplattenstapel kann an der die Zellpole aufweisenden Seite des Zellverbunds angeordnet werden. Jeweils ein Zellpol kann dabei in ein Loch der darüber angeordneten Lochplatte(n) hineinragen und über die elektrischen Kontaktelemente, insbesondere Bonddrähte, mit der Kontaktschicht der jeweiligen Lochplatte elektrisch verbunden sein.
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Die über das Zellkontaktiersystem verschalteten Batteriezellen sind dabei in einem Innenraum des Batteriegehäuses angeordnet. Das Batteriegehäuse weist einen Gehäuseboden, Gehäuseseitenwände und einen Gehäusedeckel auf. Das Batteriegehäuse ist insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium, ausgebildet. Das Batteriegehäuse dient zum Schutz der Batteriezellen, beispielsweise bei der Kraftbeaufschlagung infolge eines Unfalls bzw. Crashs des Kraftfahrzeugs. Zur zusätzlichen Stabilisierung des Batteriegehäuses wird das Zellkontaktiersystem verwendet. Dazu wird das Zellkontaktiersystem mechanisch mit dem Batteriegehäuse verbunden, indem der Grundkörper an dem Batteriegehäuse fixiert bzw. befestigt wird. Um die Batteriezellen elektrisch von dem Batteriegehäuse zu isolieren, wird der Grundkörper, außerhalb der Kontaktschicht, an dem Batteriegehäuse fixiert. Dadurch liegt der Grundkörper im Falle der Kraftbeaufschlagung auf das Batteriegehäuse in dem Kraftfluss und kann somit das Batteriegehäuse stabilisieren. Vorzugsweise ist eine Dicke des Grundkörpers größer als eine Dicke der Kontaktschicht. Durch die Anordnung des Zellkontaktiersystems in dem Kraftfluss bzw. Kraftpfad kann auf besonders einfach Weise eine stabile Hochvoltbatterie bereitgestellt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kontaktschicht von einem Randbereich des Grundkörpers rahmenartig umgeben und der Randbereich ist an dem Batteriegehäuse fixiert. Beispielsweise können der Grundkörper und die Kontaktschicht rechteckförmig ausgebildet sein, wobei eine Fläche des Grundkörpers größer ist als eine Fläche der Kontaktschicht. Die Kontaktschicht kann mittig auf einer Seite des Grundkörpers, beispielsweise der Oberseite angeordnet sein, sodass die Kontaktschicht und der Grundkörper konzentrisch zueinander angeordnet sind. Der Randbereich des Grundkörpers umgibt die Kontaktschicht also rahmenartig.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Randbereich des Grundkörpers zum Fixieren am Batteriegehäuse zwischen einer Gehäuseseitenwand und einem Gehäusedeckel der Batteriezelle eingeklemmt ist. Eine Unterseite des Randbereiches des Grundkörpers liegt also auf einer dem Gehäusedeckel zugewandten Stirnseite der Gehäuseseitenwand auf. Der Gehäusedeckel liegt auf einer Oberseite des Randbereiches des Grundkörpers auf. So kann die Fixierung des Zellkontaktiersystems am Batteriegehäuse auf besonders einfache Weise erfolgen.
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Alternativ dazu weist zumindest eine Innenseite einer Seitenwand des Batteriegehäuses zumindest ein konsolenartiges Halteelement auf, auf welcher der Randbereich des Grundkörpers aufliegend angeordnet ist. Beispielsweise können zumindest zwei konsolenartige Halteelemente auf gegenüberliegenden Innenseiten der Seitenwand angeordnet sein, auf welchen die Lochplatte abgestützt gelagert werden kann. Das zumindest eine konsolenartige Halteelement kann beispielsweise eine schienenartige Leiste sein, welche sich entlang der Innenseite der Seitenwand parallel zu dem Randbereich erstreckt. Auf dieser schienenartigen Leiste kann der Randbereich über eine gesamte Länge des Randbereiches aufliegen. Auch kann das konsolenartige Haltelement ein Vorsprung in der Seitenwand sein, auf welchem der Randbereich nur teilweise aufliegt. Das konsolenartige Halteelement kann einteilig bzw. monolithisch mit dem Batteriegehäuse ausgebildet sein und beispielsweise in der Seitenwand ausgebildet sein. Auch kann das konsolenartige Halteelement durch Fixierungselemente, beispielsweise Schrauben, an der Seitenwand befestigt sein. Im Falle von zwei übereinander gestapelten Lochplatten kann eine erste untere Lochplatte an dem konsolenartigen Halteelement fixiert sein, während eine obere zweite Lochplatte an der ersten Lochplatte befestigt ist.
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Beispielsweise kann die zweite Lochplatte über ein Abstandshaltelement auf der ersten Lochplatte liegend angeordnet sein und vor dieser abgestützt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Randbereich zumindest ein Schraubloch auf, über welche die Lochplatte mit dem Batteriegehäuse verschraubt ist. Im Falle der zwischen dem Gehäusedeckel und der Gehäuseseitenwand eingeklemmten Lochplatte kann zum Fixieren zumindest eine Schraube in den Gehäusedeckel über das zumindest eine Schraubloch in die Gehäuseseitenwand geschraubt sein. Im Falle der auf dem konsolenartigen Halteelement angeordneten Lochplatte kann zum Fixieren zumindest eine Schraube über das Schraubloch der Lochplatte in das konsolenartige Halteelement geschraubt sein. Durch die Verschraubung kann die zumindest eine Lochplatte besonders zuverlässig an dem Batteriegehäuse fixiert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Teils einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie;
- 2 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle der Hochvoltbatterie, welche mit einem Zellkontaktiersystem der Hochvoltbatterie elektrisch verbunden ist,
- 3 eine schematische Darstellung eines Halteelementes der Hochvoltbatterie; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Teils einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen
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1 zeigt einen Teil einer Hochvoltbatterie 1 für ein hier nicht gezeigtes elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Die Hochvoltbatterie 1 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 2 auf, von welchen eine Batteriezelle 2 ausschnittsweise in 2 gezeigt ist. Die Batteriezelle 2 ist hier als eine Rundzelle mit einem zylinderförmigen Zellgehäuse ausgebildet. Die Batteriezellen 2 sind in einem Zellverbund in einem Batteriegehäuse 3 angeordnet, von welchem in 1 ein Teil einer Seitenwand 4 sowie ein Teil eines Gehäusebodens 5 dargestellt ist. Das Batteriegehäuse 3 weist insbesondere einen hier nicht gezeigten Gehäusedeckel auf, welcher zum Abschließen des Batteriegehäuses 3 auf eine Stirnseite 6 der Seitenwand 4 aufgesetzt werden kann. Das Batteriegehäuse 3 ist insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium, gebildet und schützt die Batteriezellen 2 bei einer Kraftbeaufschlagung auf das Batteriegehäuse 3, beispielsweise im Falle eines Unfalls des Kraftfahrzeugs.
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Die Hochvoltbatterie 1 weist außerdem ein Zellkontaktiersystem 7 auf, welches hier zwei übereinander gestapelte Lochplatten 8, 9 aufweist. Die in 1 nicht gezeigten Batteriezellen 2 sind in einem Freiraum 10 unterhalb der gestapelten Lochplatten 8, 9 angeordnet. Die Lochplatten 8, 9 weisen jeweils einen gelochten, plattenförmigen Grundkörper 11 sowie eine gelochte, plattenförmige Kontaktschicht 12 auf. Löcher 13 der Lochplatten 8, 9 sind durch fluchtend angeordnete Löcher in dem Grundkörper 11 und der Kontaktschicht 12 gebildet. Der Grundkörper 11 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff, während die Kontaktschicht 12 als eine metallische Schicht auf einer Oberseite 14 des Grundkörpers 11 ausgebildet ist. Die Kontaktschicht 12 bedeckt die Oberseite 14 nur bereichsweise, sodass ein Randbereich 15 des Grundkörpers 11 die Kontaktschicht 12 umrahmt. Dabei ist eine Dicke des Grundkörpers 11 deutlich größer als eine Dicke der Kontaktschicht.
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In 2 ist dargestellt, wie die Batteriezelle 2 mit dem Zellkontaktiersystem 7, hier mit der unteren Lochplatte 8 des Zellkontaktiersystems 7, elektrisch verbunden wird. Dabei wird ein Zellpol 16 der Batteriezelle 2 mit einem Kontaktelement 17, beispielsweise einem Bonddraht, elektrisch verbunden. Das Kontaktelement 17 wird durch ein sich über dem Zellpol 16 befindliches Loch 13 in der Lochplatte 8 an die Oberseite der Lochplatte 8 geführt und dort mit der Kontaktschicht 12 elektrisch verbunden. Im Falle, dass der Zellpol 16 mit der sich über der unteren Lochplatte 8 befindlichen oberen Lochplatte 9 kontaktiert werden soll, wird das Kontaktelement 17 durch das Loch 13 der unteren Lochplatte 8 und das dazu fluchtend angeordnete Loch 13 der oberen Lochplatte 9 geführt und an deren Oberseite mit der Kontaktschicht 12 elektrisch verbunden.
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Das Zellkontaktiersystem 7 wird außerdem zum Stabilisieren des Batteriegehäuses 3 verwendet. Dazu werden die Lochplatten 8, 9 an dem Batteriegehäuse 3 fixiert, sodass diese bei der Kraftbeaufschlagung auf das Batteriegehäuse 3 im Kraftfluss durch das Batteriegehäuse 3 liegen. Zum Fixieren der Lochplatten 8, 9 sind hier an einer Innenseite 18 der Seitenwand 4 des Batteriegehäuses 3 konsolenartige Halteelemente 19 angeordnet. Ein konsolenartiges Halteelement 19 in Form von einem vorsprungartigen Abstützelement 20 ist in 3 gezeigt. Das Abstützelement 20 ist an der Innenseite 18 der Seitenwand 4 befestigt, wobei die untere Lochplatte 8 in ihrem Randbereich 15 darauf aufliegt. Die obere Lochplatte 9 kann über ein hier nicht gezeigtes Abstandshalteelement aufliegend auf der unteren Lochplatte 8 angeordnet sein. Anders ausgedrückt wird die obere Lochplatte 9 von der unteren Lochplatte 8 gehalten bzw. gestützt. Die Lochplatten 8, 9 können in dem Randbereich 15 außerdem Schraublöcher 21 aufweisen, über welche die Lochplatten 8, 9 mittels Schrauben 22 an dem konsolenartigen Halteelement 19 befestigt sind.
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In 4 ist ausschnittsweise eine weitere Ausführungsform der Hochvoltbatterie 1 gezeigt. Hier weist die Innenseite 18 als das konsolenartige Halteelement 19 zwei leistenartige Schienen 23 auf. Dabei wird jede Lochplatte 8, 9 an ihrem Randbereich 15 durch eine Schiene 23 abgestützt und somit jede Lochplatte 8, 9 separat gehalten. Zusätzlich können die Lochplatten 8, 9 an den jeweiligen Schienen festgeschraubt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochvoltbatterie
- 2
- Batteriezelle
- 3
- Batteriegehäuse
- 4
- Seitenwand
- 5
- Gehäuseboden
- 6
- Stirnseite
- 7
- Zellkontaktiersystem
- 8
- Untere Lochplatte
- 9
- Obere Lochplatte
- 10
- Freiraum
- 11
- Grundkörper
- 12
- Kontaktschicht
- 13
- Loch
- 14
- Oberseite
- 15
- Randbereich
- 16
- Zellpol
- 17
- Kontaktelement
- 18
- Innenseite
- 19
- Konsolenartiges Halteelement
- 20
- Vorsprungartiges Abstützelement
- 21
- Schraubloch
- 22
- Schraube
- 23
- leistenartige Schiene
