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Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug mit mindestens zwei Batteriemodulen, die jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen, wobei die Batteriemodule parallel nebeneinander und/oder übereinander in der Traktionsbatterie angeordnet sind, und mit mindestens einer Sammelschiene, die dazu ausgebildet ist, die benachbarten Batteriemodule leitfähig zu verbinden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Traktionsbatterie.
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Eine Traktionsbatterie in einem Hybrid- beziehungsweise Elektrofahrzeug wird aus einzelnen Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen aufgebaut. Diese Zellen beziehungsweise Module werden über feste oder flexible Sammelschienen (Busbars) leitfähig miteinander verbunden, insbesondere verschraubt, und fest in einem Batteriegehäuse montiert. Üblicherweise ist eine Mechanik der Batteriegehäuse so ausgelegt, dass bei einer Krafteinwirkung, zum Beispiel bei einem Unfall, keine Krafteinleitung auf die Zellen beziehungsweise Zellmodule erfolgt und somit auch keine Relativbewegung der Batteriemodule zueinander entstehen kann, obwohl eine Kraftbeaufschlagung der Batteriemodule teilweise zulässig wäre.
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Diese Ausführung der Konstruktion führt zu extrem steifen und schweren Batteriemodulen beziehungsweise Traktionsbatterien. Das führt dazu, dass eine Bewegung der gesamten Traktionsbatterie im Fahrzeug ermöglicht werden muss, damit die Batterie in Kraftrichtung bewegt werden kann. Die durch den Unfall eingebrachte Kraft muss über die Deformation von Fahrzeugstruktur, Batteriehaltern oder Deformationselementen an der Batterie abgebaut werden, damit das Batteriegehäuse nicht so stark beschädigt wird, dass die Kraft auf die Batteriezellen und/oder die Batteriemodule wirken kann.
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Jedoch kann eine Relativbewegung der Batteriemodule untereinander für eine flexiblere Traktionsbatterie und damit einen verbesserten Kraftabbau zugelassen werden, falls eine Schädigung der Batteriemodule vermieden werden kann, insbesondere Schäden, die aufgrund der Sammelschiene an den Batteriemodulen bei einer Krafteinwirkung entstehen. Dabei ist bei einer Krafteinwirkung hauptsächlich die leitfähige Verbindung durch die Sammelschiene problematisch, da diese beispielsweise zu einem internen Kurzschluss führen kann, wodurch Gefahren für die Traktionsbatterie entstehen könnten.
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Aus der
DE 10 2013 209 835 A1 ist eine Modultrennung in Batteriesystemen bei Unfällen bereitgestellt. Insbesondere ist ein gattungsgemäßes Batteriesystem für ein Fahrzeug bereitgestellt, das zumindest zwei Batteriemodule aufweist, wobei die Batteriemodule in Serie geschaltet sind und wobei ein Trennelement in Serie zwischen den Batteriemodulen angeordnet ist und eine im Wesentlichen verlustfreie leitfähige Verbindung bereitstellt und bei einem Unfallereignis die leitfähige Verbindung unterbrechen kann, wobei das Trennelement über eine eigene Steuereinrichtung bzw. ein separates Steuergerät im Fahrzeug auslösbar ist.
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Aus der
DE 10 2015 202 907 A1 ist eine Bordbatterie mit einer oberen Aufnahmeeinheit und einer unteren Aufnahmeeinheit bekannt, wobei die obere Aufnahmeeinheit und die untere Aufnahmeeinheit bei Einwirkung mindestens einer vorbestimmten Last voneinander getrennt werden und die obere Aufnahmeeinheit von der unteren Aufnahmeeinheit wegbewegt wird, wobei eine elektrische Verbindung zwischen der oberen und unteren Aufnahmeeinheit durch ein Relais voneinander getrennt werden.
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Nachteilig bei den oben genannten Batteriesystemen ist es, dass ein aktives Element, insbesondere ein Relais, zur Trennung der elektrischen Verbindung bereitgestellt werden muss, wodurch Kosten erhöht werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige und zuverlässige Möglichkeit bereitzustellen, eine leitfähige Verbindung zwischen Batteriemodulen passiv zu trennen, um eine Relativbewegung der Batteriemodule zuzulassen.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie den Figuren offenbart.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Batteriemodule relativ zueinander verschoben werden können, um an einem Kraftabbau einer Krafteinwirkung beteiligt werden zu können. Hierbei ist jedoch vor der relativen Verschiebung zunächst sicherzustellen, dass die Batteriemodule elektrisch voneinander getrennt sind.
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Durch die Erfindung ist eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug bereitgestellt. Die Traktionsbatterie weist mindestens zwei Batteriemodule auf, die jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen, wobei die Batteriemodule parallel nebeneinander und/oder übereinander in der Traktionsbatterie angeordnet sind. Des Weiteren umfasst die Traktionsbatterie mindestens eine Sammelschiene, die dazu ausgebildet ist, die benachbarten Batteriemodule leitfähig zu verbinden, wobei die jeweilige Sammelschiene ein Trennelement aufweist, das dazu ausgebildet ist, bei einer Krafteinwirkung in Parallelrichtung der Batteriemodule mit einer Kraft über einem vorgebbaren Schwellenwert die leitfähige Verbindung der benachbarten Batteriemodule mittels der Kraft mechanisch zu trennen.
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Mit anderen Worten sind zumindest zwei Batteriemodule nebeneinander angeordnet, die durch eine oder mehrere Sammelschienen leitfähig miteinander verbunden sind. Die Sammelschienen können beispielsweise an einer Oberseite oder einer Stirnseite der jeweiligen Batteriemodule angeordnet sein und beispielsweise jeweilige Modulterminals der Batteriemodule, das heißt Batteriekontakte, leitfähig verbinden. Insbesondere kann die Sammelschiene die Batteriemodule in Serie koppeln. Die jeweilige Sammelschiene weist dabei ein Trennelement auf, das die leitfähige Verbindung durch die Sammelschiene bei einer Krafteinwirkung, die parallel zu den Batteriemodulen wirkt und mit einer vorgegebenen Kraft auftritt, mechanisch trennen kann. Das heißt, dass, wenn eine Kraft auf ein oder mehrere Batteriemodule wirkt, die die Batteriemodule relativ zueinander verschiebt, kann das Trennelement bei Einwirken mit der vorgegebenen Kraft die leitfähige Verbindung öffnen und somit die Batteriemodule voneinander elektrisch entkoppeln. In diesem Zusammenhang bedeutet die vorgegebene Kraft, dass bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes bzw. Kraftschwellenwertes das Trennelement die Verbindung öffnen kann.
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Das Trennelement kann ein mechanisches Element aufweisen, beispielsweise einen Steckkontakt, eine Haltevorrichtung und/oder eine Sollbruchstelle. Somit kann bei Einwirken der Kraft die Verbindung unterbrochen werden. Insbesondere kann durch eine Trägheit des Trennelements und/oder einer Trägheit der Batteriemodule bei Krafteinwirkung ein Kontakt geöffnet werden. Beispielsweise kann das Trennelement dazu ausgebildet sein, die Sammelschiene bei der Krafteinwirkung in Position zu halten, wobei die Batteriemodule durch ihre jeweilige Trägheit aus der Position der Sammelschiene bewegt werden und somit der elektrische Kontakt der Sammelschiene zu einem der Modulterminals getrennt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Trennelement den Kontakt durch die Sammelschiene selbst unterbrechen, beispielsweise mittels einer Sollbruchstelle.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die leitfähige Verbindung der Batteriemodule bei einer Krafteinwirkung getrennt werden kann, wodurch eine Relativbewegung der Batteriemodule zugelassen werden kann, da somit eine Beschädigung und Gefahren für die Traktionsbatterie verringert werden können. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Batteriegehäuse der Traktionsbatterie nicht mehr so steif ausgeführt werden muss, da eine Kraft durch eine Krafteinwirkung durch eine Deformation des Batteriegehäuses weiter abgebaut werden kann, bevor sie auf die Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule wirken kann. Durch eine solche Umsetzung können statt wie bisher nicht nur eine Fahrzeugstruktur und/oder ein Batteriehalter, sondern auch ein Batteriegehäuse, Batteriezellen und Batteriemodule bei einem Kraftabbau beteiligt werden, womit ein zusätzlicher Kraftabbau über die Deformation der Fahrzeugstruktur generiert werden kann, da ein höherer Deformationsweg zur Verfügung steht. Insbesondere stellt die mechanische Trennung durch das Trennelement mittels der Krafteinwirkung eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Methode dar, die leitfähige Verbindung zu trennen.
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Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich weitere Vorteile ergeben.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Trennelement zumindest einen Steckkontakt aufweist, über den die Sammelschiene in einem Normalzustand zumindest mechanisch mit den Batteriemodulen gekoppelt ist, wobei der Steckkontakt dazu ausgebildet ist, bei der Krafteinwirkung die mechanische Verbindung zu trennen. Mit anderen Worten hält das Trennelement die Sammelschiene mit einem Steckkontakt in Position der leitfähigen Verbindung, falls sich die Traktionsbatterie in einem Normalzustand befindet. Insbesondere kann der Steckkontakt dazu ausgebildet sein, bei Auftreten der vorgegebenen Kraft die Verbindung des Steckkontakts zu lösen und somit die leitfähige Verbindung zu trennen. Der Steckkontakt kann als leitfähiger oder mechanischer Stecker ausgebildet sein, der über eine Kraftbeaufschlagung mit vorgegebener Kraft geöffnet werden kann. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass die leitfähige Verbindung bei Krafteinwirkung leicht geöffnet werden kann und Schäden an den Batteriemodulen vermieden werden können. Somit können beispielsweise Relativbewegungen der Batteriemodule zueinander zugelassen werden. Auch kann durch den Steckkontakt die leitfähige Verbindung leicht wiederhergestellt werden, insbesondere durch einen Hersteller der Traktionsbatterie.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Batteriemodule über den Steckkontakt der Sammelschiene leitfähig verbunden sind. Das heißt, dass der Steckkontakt die Sammelschiene nicht nur physisch in Position halten kann, sondern selber leitfähig ausgebildet ist. Insbesondere kann ein so ausgebildeter Steckkontakt ein Modulterminal, zum Beispiel einen Batteriepol, leitfähig verbinden und bei Krafteinwirkung trennen. Somit kann verbessert sichergestellt werden, dass bei einer Krafteinwirkung die leitfähige Verbindung durch den Steckkontakt unterbrochen werden kann.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Steckkontakt dazu ausgebildet ist, die Sammelschiene oder eine Verbindungsstelle der Sammelschiene mit einem der Batteriemodule zu trennen. Das heißt, dass der Steckkontakt die Sammelschiene selber, beispielsweise mittig, auftrennen kann, um die leitfähige Verbindung zu unterbrechen oder der Steckkontakt kann die Sammelschiene über eine Verbindungsstelle mit dem jeweiligen Batteriemodul verbinden und/oder trennen. Hierdurch ergeben sich viele Variationsmöglichkeiten, die leitfähige Verbindung der benachbarten Batteriemodule mittels des Steckkontakts zu trennen.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Steckkontakt einen Federstift aufweist, der im Normalzustand zwischen zwei Anschlägen angeordnet ist, die den Federstift in Parallelrichtung der Batteriemodule begrenzen. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Federstift in einer Führung angeordnet ist, die nur eine Bewegung in Parallelrichtung der Batteriemodule zulässt, wobei diese Bewegung erst zugelassen wird, falls einer der Anschläge mittels der vorgegebenen Kraft überwunden wird. Das heißt, dass der Federstift bei der vorgegebenen Kraft einen der Anschläge überwinden kann und somit die leitfähige Verbindung öffnen kann. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass die vorgegebene Kraft, mit der die leitfähige Verbindung getrennt wird, besser vorgegeben werden kann und somit eine verbesserte Trennung der Batteriemodule durchgeführt werden kann.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Trennelement eine Sollbruchstelle aufweist. Das heißt, dass das Trennelement durch die Krafteinwirkung bei der Sollbruchstelle abbrechen kann und somit die elektrische Verbindung zwischen den Batteriemodulen trennt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Sollbruchstelle als eine Materialverjüngung der Sammelschiene ausgebildet ist. Das heißt, dass die Sollbruchstelle eine oder mehrere Kerben in Quer- und/oder Längsrichtung aufweisen kann, an denen bei Krafteinwirkung eine Trennung der Sammelschiene stattfinden kann, wodurch eine elektrische Trennung und eine Relativbewegung der Batteriemodule zueinander erreicht werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sollbruchstelle ein Material mit einer vorgegebenen Bruchfestigkeit aufweist, wobei der Schwellenwert durch die vorgegebene Bruchfestigkeit des Materials in Parallelrichtung der Batteriemodule vorgegeben ist. Mit anderen Worten kann die Sollbruchstelle durch ein Material mit niedriger Bruchfestigkeit ausgebildet sein. Vorzugsweise kann der Schwellenwert, bei dem die leitfähige Verbindung getrennt wird, durch die Bruchfestigkeit des Materials vorgegeben werden, insbesondere durch die Bruchfestigkeit, die das Material in der Richtung aufweist, die parallel zu den Batteriemodulen verläuft. Beispielsweise kann dies erreicht werden, indem Randbereiche der Sammelschiene, in der das Trennelement angeordnet sein kann, nachgeglüht werden, um die vorgegebene Bruchfestigkeit zu erreichen.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Sammelschiene über das Trennelement mit einem Batteriegehäuse, insbesondere mit einem Deckel des Batteriegehäuses, verbunden ist, wobei das Trennelement dazu ausgebildet ist, die Sammelschiene im Normalzustand kraftschlüssig mit einem elektrischen Kontakt des jeweiligen Batteriemoduls zu verbinden und bei einer Krafteinwirkung in Parallelrichtung eine relative Bewegung der Sammelschiene zu den Batteriemodulen zuzulassen. Mit anderen Worten hält das Trennelement, das mit einem Batteriegehäuse verbunden ist, die Sammelschiene sowohl im Normalzustand als auch bei einer Krafteinwirkung in Position, wobei bei der Krafteinwirkung die Batteriemodule durch eine Relativbewegung zu der Sammelschiene wegbewegt werden und somit die leitfähige Verbindung durch die Sammelschiene unterbrochen werden kann. In einem Normalzustand kann dabei das Trennelement die Sammelschiene auf die Modulterminals der Batteriemodule drücken, sodass diese kraftschlüssig und leitfähig mit den Modulen verbunden ist. Hierzu kann das Trennelement beispielsweise eine Feder aufweisen, die die Sammelschiene auf die Batteriemodule, insbesondere die Modulterminals, drückt. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass die Batteriemodule nur kraftschlüssig mit der Sammelschiene verbunden sind und bei einer Krafteinwirkung eine Bewegung der Batteriemodule die elektrische Verbindung trennt. Somit kann auf einfache Weise die elektrische Trennung erreicht werden, um die Batteriemodule bewegen zu können.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen. Hierbei ergeben sich gleiche Vorteile und Variationsmöglichkeiten wie bei der Traktionsbatterie. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 ein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie in einem Normalzustand gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 2 ein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie bei einer Krafteinwirkung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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In 1 ist ein stark schematisiertes Kraftfahrzeug 10 mit einer Traktionsbatterie 12 in einem Normalzustand gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Die Traktionsbatterie 12 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel sechs Batteriemodule 14, wobei in einer Ebene jeweils drei Batteriemodule 14 parallel nebeneinander angeordnet sein können. Die Batteriemodule können jeweils über eine Sammelschiene 16 leitfähig miteinander verbunden sein, insbesondere in Serie.
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Die Batteriemodule 14 können dazu ausgebildet sein, sich bei einer Krafteinwirkung relativ zueinander zu verschieben, um durch die Verschiebung bei einem Kraftabbau beteiligt zu werden und somit einer Deformation mehr Weg zur Verfügung zu stellen, um Schäden an der Traktionsbatterie 12 zu verhindern. Dazu müssen die Batteriemodule 14 jedoch zuvor elektrisch voneinander getrennt werden. Dazu kann die jeweilige Sammelschiene 16 ein Trennelement 18 aufweisen.
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In 2 ist das Kraftfahrzeug 10 mit der Traktionsbatterie 12 bei einer solchen Krafteinwirkung 20 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Die Krafteinwirkung 20 kann in diesem Beispiel von einer Heckseite des Kraftfahrzeugs 10 stammen, beispielsweise von einem Auffahrunfall. Damit die leitfähige Verbindung der Batteriemodule 14 unterbrochen werden kann, kann das Trennelement 18 vorzugsweise als Steckkontakt ausgebildet sein, der Modulterminals 22 der Batteriemodule 14 leitfähig miteinander verbinden kann. Bei Krafteinwirkung 20 mit einer vorgegebenen Kraft kann der Steckkontakt des Trennelements 18 die Verbindung der Sammelschiene 16 zu dem jeweiligen Modulterminal 22 trennen. Hierzu kann der Steckkontakt beispielsweise mit dem jeweiligen Modulterminal 22 kraftschlüssig verbunden sein, wobei die leitfähige Verbindung durch die Krafteinwirkung 20 gelöst werden kann, indem eines oder mehrere Batteriemodule 14 aufgrund ihrer Relativbewegung von dem Steckkontakt wegbewegt werden. Somit kann gleichzeitig zu der relativen Verschiebung der Batteriemodule 14 zum Abbau der Kraft auch eine elektrische Trennung der Batteriemodule 14 erreicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Trennelement 18 auch eine Sollbruchstelle (nicht gezeigt) aufweisen, die insbesondere als eine Materialverjüngung und/oder als ein Material mit einer vorgegebenen Bruchfestigkeit ausgebildet sein kann, wobei die Bruchfestigkeit durch die Kraft vorgegeben sein kann, mit der sich das Trennelement 18 von dem jeweiligen Batteriemodul 14 trennen soll.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform besteht ein Aspekt darin, dass das Trennelement 18 die Sammelschiene 16 mit einem Batteriegehäuse (nicht gezeigt), insbesondere mit einem Deckel des Batteriegehäuses, verbindet und in einem Normalzustand kraftschlüssig mit den Modulterminals 22 in einem elektrischen Kontakt zu den Batteriemodulen hält. Bei der Krafteinwirkung 20 kann das Trennelement 18 die Sammelschiene weiterhin in Position halten, wobei die Batteriemodule 14 durch ihre Trägheit aus der kraftschlüssigen Verbindung durch das Trennelement 18 herausbewegt werden können und somit die leitfähige Verbindung durch die Sammelschiene 16 getrennt wird. Somit kann sichergestellt werden, dass bei einem Kraftabbau durch die Batteriemodule 14 zuvor die elektrische Verbindung durch die Sammelschiene 16 mittels des Trennelements 18 getrennt werden kann, um beispielsweise Beschädigungen am Batteriemodul, insbesondere durch einen internen Kurzschluss, zu vermeiden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Trennung von Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen durch eine Relativbewegung bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013209835 A1 [0005]
- DE 102015202907 A1 [0006]
