DE102021131847A1

DE102021131847A1 - Batteriemodule mit fingersicheren elektrischen anschlüssen für bolted-sammelschienenverbindungen

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Publication number: DE102021131847A1
Application number: DE102021131847.5A
Authority: DE
Inventors: Evan J. Dawley; Philip D. Hamelin; Scott W. Vaubel; Andrew P. Oury; Neil A. Patel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-08-18
Also published as: CN114927836A; US11621462B2; US20220263207A1

Abstract

Vorgestellt werden fingersichere elektrische Anschlüsse für Batterieanordnungen, Verfahren zur Herstellung/Verwendung solcher elektrischer Anschlüsse und Fahrzeuge mit Batteriemodulen mit fingersicheren elektrischen Anschlüssen für verschraubte Stromschienenverbindungen. Eine Batterieanordnung umfasst eine oder mehrere elektrochemische Batteriezellen und eine oder mehrere elektrische Klemmen, die jeweils elektrisch mit der/den Batteriezelle(n) verbunden sind und eine Kontaktfläche aufweisen, um die Batterieanordnung elektrisch mit einem elektrischen Verbinder zu verbinden. Mit einer Gewindemutter wird jede elektrische Klemme an einem der elektrischen Verbinder befestigt. An jeder Gewindemutter ist eine elektrisch isolierende Mutterkappe angebracht. Ein Batteriegehäuse, in dem die Batteriezelle(n) untergebracht ist/sind, umfasst eine elektrisch isolierende Gehäusewand mit einem oder mehreren Polmänteln, in denen jeweils einer der elektrischen Pole befestigt ist. Jeder Klemmenmantel hat ein Mantelfenster, das eine der Mutterkappen umschreibt und von dieser um einen vordefinierten Abstand beabstandet ist, der ausreicht, um die Kontaktfläche der elektrischen Klemme freizulegen.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Geräte. Insbesondere beziehen sich Aspekte dieser Offenbarung auf wiederaufladbare Batteriemodule mit elektrischen Anschlüssen für verschraubte Modul-zu-Modul-Verbindungen.
Aktuelle Serienfahrzeuge, wie z. B. das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordelektronik versorgt. Bei Kraftfahrzeugen beispielsweise besteht der Antriebsstrang in der Regel aus einer Antriebsmaschine, die das Antriebsdrehmoment über ein automatisches oder manuell geschaltetes Getriebe auf den Achsantrieb des Fahrzeugs (z. B. Differential, Achswellen, Räder usw.) überträgt. Kraftfahrzeuge werden seit jeher von Kolbenverbrennungsmotoren angetrieben, da diese leicht verfügbar und relativ kostengünstig sind, ein geringes Gewicht haben und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Zu diesen Motoren gehören Dieselmotoren mit Selbstzündung (CI), Ottomotoren mit Fremdzündung (SI), Zwei-, Vier- und Sechstaktmotoren und Rotationsmotoren, um nur einige Beispiele zu nennen. Hybridelektrische und vollelektrische Fahrzeuge (zusammenfassend als „Fahrzeuge mit Elektroantrieb“ bezeichnet) hingegen nutzen alternative Energiequellen für den Antrieb des Fahrzeugs und minimieren oder eliminieren so die Abhängigkeit von einem auf fossilen Brennstoffen basierenden Motor für die Zugkraft.
Ein vollelektrisches Fahrzeug (FEV) - umgangssprachlich auch als „Elektroauto“ bezeichnet - ist eine Fahrzeugkonfiguration mit Elektroantrieb, bei der der Verbrennungsmotor und die zugehörigen peripheren Komponenten des Antriebsstrangs vollständig entfallen und ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) und ein Fahrmotor für den Fahrzeugantrieb verwendet werden. Die Kraftstoffversorgungssystem und das Abgassystem eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor werden in einem batteriegestützten FEV durch einen oder mehrere Traktionsmotoren, ein Traktionsbatteriepaket und eine Batteriekühl- und -ladetechnik ersetzt. Hybrid-Elektrofahrzeug-Antriebsstränge (HEV) hingegen nutzen mehrere Zugkraftquellen, um das Fahrzeug anzutreiben, wobei in der Regel ein Verbrennungsmotor in Verbindung mit einem batterie- oder brennstoffzellenbetriebenen Fahrmotor betrieben wird. Da Fahrzeuge mit Elektroantrieb in der Lage sind, ihre Leistung aus anderen Quellen als dem Motor zu beziehen, können HEV-Motoren ganz oder teilweise abgeschaltet werden, während das Fahrzeug durch den/die Elektromotor(en) angetrieben wird.
Viele handelsübliche Hybrid- und vollelektrische Fahrzeuge verwenden eine wiederaufladbare Traktionsbatterie, um die erforderliche Energie für den Betrieb der Traktionsmotoren zu speichern und zu liefern. Um Zugkraft mit ausreichender Reichweite und Geschwindigkeit zu erzeugen, ist ein Traktionsbatteriepaket wesentlich größer, leistungsfähiger und hat eine höhere Kapazität (Ampere-Stunden) als eine Standard-12-Volt-Batterie für Start, Beleuchtung und Zündung (SLI). Im Vergleich zu den Einzelzellen einer SLI-Batterie werden bei modernen Traktionsbatteriepaketen Stapel von Batteriezellen zu einzelnen Batteriemodulen zusammengefasst, die dann am Fahrzeugchassis befestigt werden, z. B. durch ein Batteriepaketgehäuse oder einen Trageträger. Die gestapelten elektrochemischen Batteriezellen können mit Hilfe einer elektrischen Verbindungsplatte (ICB) in Reihe oder parallel geschaltet werden. In diesem Fall ragen die elektrischen Laschen der Batteriezellen aus dem Modulgehäuse heraus, werden gegen gemeinsame Sammelschienenplatten der ICB gebogen und dann mit diesen verschweißt. Die einzelnen Batteriemodule werden dann über Intermodul-Sammelschienen oder Kabel elektrisch miteinander verbunden. Ein spezielles elektronisches Batteriesteuermodul (Electronic Battery Control Module, EBCM) regelt in Zusammenarbeit mit einem Antriebsstrang-Steuermodul (Powertrain Control Module, PCM) und einem Wechselrichtermodul für die Antriebsleistung (Traction Power Inverter Module, TPIM) das Öffnen und Schließen der Schütze des Batteriepakets, um den Betrieb des Batteriepakets zu steuern.
ZUSAMMENFASSUNG
Vorgestellt werden hier fingersichere elektrische Anschlüsse für Batteriemodulanordnungen, Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher elektrischer Anschlüsse sowie elektrisch angetriebene Fahrzeuge, die mit wiederaufladbaren Batteriemodulen ausgestattet sind, die fingersichere elektrische Anschlüsse für verschraubte Modul-zu-Modul-Verbindungen aufweisen. Als Beispiel werden verschraubte elektrische Anschlüsse vorgestellt, die flache, fingersichere Merkmale aufweisen, um einen unbeabsichtigten Kontakt zwischen einer elektrifizierten Anschlussfläche und einem Bediener oder einem Werkzeug zu verhindern. Die elektrische Anschlussklemme kann mit einer integrierten Leiterplattenanordnung des Batteriemoduls verbunden werden; die ICB-Anordnung kann eine ergänzende Klemmenabschirmung aufweisen, die mit der Abschirmung der Klemme zusammenpasst, um den Fingerschutz der Anordnung zu verbessern. Diese fingersicheren elektrischen Klemmen ermöglichen eine sichere und vereinfachte Montage des Batteriepakets zusammen mit einer verbesserten Skalierbarkeit der Spannung in einem Traktionsbatteriepaket mit mehreren Modulen, während gleichzeitig ein elektrisches Gerät, wie z. B. ein Fahrmotor, mit dem Modul elektrisch gekoppelt werden kann und somit eine elektrische Last von ihm abnimmt. In einem repräsentativen Aufbau enthalten die ICB-Anordnung und die elektrische Anschlussklemme komplementäre elektrisch isolierende Merkmale, die zueinander passen, um einen Mindestabstand zu schaffen, der die geladenen Oberflächen der Anschlussklemme elektrisch isoliert und dennoch das Anschließen der Anschlussklemme an eine Sammelschiene ermöglicht. Zu diesen Verbindungsmerkmalen kann ein äußerer Kunststoffmantel der ICB-Anordnung gehören, der die Klemme ummantelt, sowie eine hohle Kunststoffkappe, die eine Gewindemutter (z. B. eine Clinchmutter aus Stahl oder eine T-Mutter) abdeckt, die auf der geladenen Oberfläche der Klemme montiert ist. Eine der Sammelschiene zugewandte Oberfläche des Außenmantels weist ein Fenster auf, das von einem äußeren (ringförmigen) Rahmen umgeben ist, der konzentrisch mit einem distalen Ende der Mutterkappe ausgerichtet ist, die als innerer (ringförmiger) Absatz fungiert. Die Mutterkappe nimmt eine Schraube auf, die in die Gewindemutter geschraubt wird, um eine Stromschiene am Modul zu befestigen. Im zusammengesteckten Zustand bietet das äußere Mantelfenster mit der Mutter und der Kappe einen eingeschränkten radialen Spielraum, der ausreicht, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Anschluss und der Stromschiene zu ermöglichen, während gleichzeitig verhindert wird, dass ein Finger hindurchgeht und die Anschlussfläche berührt.
Wie bereits erwähnt, weisen die konzentrischen Formen der ICB und der Klemmenabschirmung - seien es konzentrisch ausgerichtete Kreise, Ovale, Polygone usw. - einen ausreichenden Abstand auf, um eine Stromschienenverbindung mit der Auflagefläche der Klemme zu ermöglichen und gleichzeitig das Durchdringen kleiner Finger und elektrisch leitender Werkzeuge zu verhindern. - haben einen ausreichenden Abstand, um eine Stromschienenverbindung mit der Auflagefläche der Klemme zu ermöglichen und gleichzeitig das Durchdringen von kleinen Ziffern und elektrisch leitenden Werkzeugen zu verhindern. Das Bolzenloch der elektrischen Anschlussklemme kann mit einem Durchfluss-Schlüsselloch versehen werden, das das Umspritzen der Kappe und der Ummantelung aus Kunststoff ermöglicht, z. B. als einteilige Struktur auf der Ebene der Anschlussklemme oder auf der Ebene der ICB. Bei zweiteiligen Konstruktionen kann eine Außenfläche der mit einem Innengewinde versehenen Mutter einen radial vertieften Schlitz aufweisen, der die Anbringung einer Kunststoffmutterkappe ermöglicht, z. B. mit einer Einschnapprippe oder Noppen, die von der Innenfläche der Kappe radial nach innen ragen. Andere zweiteilige Konstruktionen können eine Mutternkappe mit einer kreisförmigen Anordnung axial vorstehender Noppen umfassen, die in ein komplementäres Lochmuster in der freiliegenden Oberfläche des elektrischen Anschlusses eingepresst werden. Im Vergleich zu den umspritzten einteiligen Konstruktionen und den zweiteiligen Schnapp- oder Einpresskonstruktionen ist eine dritte Option eine dreiteilige Muschelkonstruktion, die einen inneren ICB-Rahmen und eine äußere ICB-Abdeckung umfasst. Der Rahmen und die Abdeckung sind miteinander verbunden, z. B. über einrastende Vorsprünge und/oder Befestigungselemente, um das Terminal dazwischen einzuschließen und gemeinsam das fingersichere Fenster der ICB-Anordnung auf der Ladefläche des Terminals zu bilden. Für diese dreiteiligen Konfigurationen kann die elektrische Anschlussklemme jedes der hier beschriebenen Mutterkappendesigns verwenden.
Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf fingersichere elektrische Anschlüsse für Batterieanordnungen. Zum Beispiel wird eine Batterieanordnung zur Versorgung einer elektrischen Last, wie z. B. eines Motors, über einen elektrischen Anschluss, wie z. B. eine Stromschiene, vorgestellt. Die Batterieanordnung umfasst eine oder mehrere elektrochemische Batteriezellen, einen oder mehrere elektrische Anschlüsse, die elektrisch mit der/den Batteriezelle(n) verbunden sind, und ein schützendes Batteriegehäuse, in dem die Batteriezelle(n) untergebracht sind. Jeder elektrische Anschluss verbindet die Batteriezelle(n) und damit die Batterieanordnung elektrisch mit einem der elektrischen Anschlüsse. Jede elektrische Anschlussklemme ist mit einer Gewindemutter an dem elektrischen Verbinder befestigt, z. B. über einen Bolzen oder ein ähnlich geeignetes Befestigungsmittel. Außerdem ist an jeder Klemme und Gewindemutter eine elektrisch isolierende Mutterkappe angebracht. Das Batteriegehäuse umfasst eine elektrisch isolierende Gehäusewand mit einem oder mehreren Polmänteln, die jeweils darin angebracht sind und einen der elektrischen Pole abdecken. Jeder Klemmenmantel hat ein Mantelfenster, das die Mutterkappe umschreibt und von dieser um einen vordefinierten Abstand beabstandet ist, der ausreicht, um die Kontaktfläche zur Kopplung mit dem elektrischen Verbinder freizulegen und gleichzeitig den Kontakt eines menschlichen Fingers mit der Kontaktfläche der Klemme zu verhindern. Die vorgestellten fingersicheren Klemmen und Batterieanordnungen können sowohl in der Automobilindustrie als auch in anderen Bereichen eingesetzt werden.
Weitere Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf Kraftfahrzeuge, die mit wiederaufladbaren Batterieeinheiten ausgestattet sind, die fingersichere elektrische Pole für verschraubte elektrische Verbindungen aufweisen. Wie hierin verwendet, können die Begriffe „Fahrzeug“ und „Kraftfahrzeug“ austauschbar und synonym verwendet werden, um jede relevante Fahrzeugplattform einzuschließen, wie z. B. Personenkraftwagen (ICE, HEV, FEV, Brennstoffzelle, voll- und teilautonome Fahrzeuge usw.), Nutzfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Raupenfahrzeuge, Gelände- und All-Terrain-Fahrzeuge (ATV), Motorräder, landwirtschaftliche Geräte, Wasserfahrzeuge, Flugzeuge, usw. Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug besteht beispielsweise aus einer Fahrzeugkarosserie mit Fahrgastraum, mehreren an der Karosserie montierten Rädern und anderen Standardausrüstungen. Bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb arbeiten ein oder mehrere elektrische Fahrmotoren allein (z. B. bei FEV-Antriebssträngen) oder in Verbindung mit einer Verbrennungsmotoranordnung (z. B. bei HEV-Antriebssträngen), um selektiv eines oder mehrere der Räder anzutreiben und so das Fahrzeug mit Elektroantrieb voranzutreiben.
Um die Diskussion des obigen Beispiels fortzusetzen, umfasst das Fahrzeug auch mindestens ein wiederaufladbares Traktionsbatteriepaket, das an der Fahrzeugkarosserie angebracht ist und den/die Traktionsmotor(en) des Fahrzeugantriebsstrangs mit Energie versorgt. Das Traktionsbatteriepaket enthält eine Reihe von Batteriemodulen, von denen jedes mehrere elektrochemische Batteriezellen, mehrere elektrische Anschlüsse, die elektrisch mit den Batteriezellen verbunden sind, und ein Batteriegehäuse enthält, in dem die Batteriezellen untergebracht sind. Jeder Anschluss hat eine Kontaktfläche, die das Batteriemodul elektrisch mit einem entsprechenden elektrischen Stromschienenverbinder verbindet. Mit einer Gewindemutter wird jeder elektrische Anschluss an der jeweiligen Stromschiene befestigt, z. B. über einen Gewindebolzen. Darüber hinaus sitzt eine elektrisch isolierende Mutterkappe auf jeder Mutter und ist an einem der elektrischen Anschlüsse angebracht. Das Batteriegehäuse umfasst eine elektrisch isolierende Gehäusewand mit mehreren Polumhüllungen, von denen jede an einem der elektrischen Pole befestigt ist. Jeder Klemmenmantel hat ein Mantelfenster, das eine der Mutterkappen umschreibt; der innere Umfang des Fensters ist von der Mutterkappe durch einen vordefinierten Abstand beabstandet, der ausreichend breit ist, um die Kontaktfläche für die elektrische Verbindung mit der Stromschiene freizulegen, jedoch ausreichend schmal, um zu verhindern, dass ein menschlicher Finger dazwischen hindurchpasst.
Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auch auf Fertigungssysteme und -verfahren zur Herstellung der offengelegten fingersicheren elektrischen Anschlüsse, Batteriemodule und/oder Kraftfahrzeuge. In einem Beispiel wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieanordnung vorgestellt. Dieses repräsentative Verfahren umfasst in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit einer der oben und unten offenbarten Optionen und Merkmale Anordnen einer elektrochemischen Batteriezelle innerhalb eines Batteriegehäuses, wobei das Batteriegehäuse eine elektrisch isolierende Gehäusewand mit einem Polmantel aufweist; Anbringen eines elektrischen Anschlusses an dem Gehäuse innerhalb des Polmantels, wobei der elektrische Anschluss eine Kontaktfläche aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie die Batterieanordnung mit dem elektrischen Verbinder elektrisch verbindet; elektrisches Verbinden des elektrischen Anschlusses mit der Batteriezelle; Befestigen einer Gewindemutter an der elektrischen Klemme, wobei die Gewindemutter so konfiguriert ist, dass sie die elektrische Klemme an einem elektrischen Verbinder befestigt; und Befestigen einer elektrisch isolierenden Mutternkappe an der Gewindemutter, wobei der Klemmenmantel ein Mantelfenster definiert, das die Mutternkappe umschreibt und von dieser um einen vordefinierten Abstand beabstandet ist, der ausreicht, um die Kontaktfläche der elektrischen Klemme freizulegen.
Bei allen offengelegten Terminals, Verfahren und Fahrzeugen kann der vordefinierte Abstand einen Spalt zwischen dem Innenumfang des Mantelfensters und dem Außenumfang der Mutterkappe definieren. In diesem Fall kann der vordefinierte Abstand etwa 3 mm bis etwa 8 mm breit sein (z. B. weniger als die Höhe des kleinen Fingers eines durchschnittlichen erwachsenen Menschen). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Mutterkappe und der Anschlussmantel als einheitliche, einteilige Struktur aus einem polymeren Material geformt werden. In diesem Fall kann der elektrische Anschluss ein Bolzenloch haben, das einen Bolzen aufnimmt; die Gewindemutter kann direkt am elektrischen Anschluss an einem Ende des Bolzenlochs befestigt werden. Das Bolzenloch kann mehrere in Umfangsrichtung beabstandete, axial langgestreckte Schlitze aufweisen, die ein Polymermaterial aufnehmen, das die Mutternkappe und den Anschlussmantel verbindet, z. B. als Teil eines Umspritzverfahrens. Optional kann die Mutternkappe einen Hohlkörper aufweisen, der auf einem länglichen (oberen) Ende der Gewindemutter sitzt und den Bolzen zur mechanischen Befestigung des elektrischen Steckers an der Klemme aufnimmt.
Bei allen offengelegten Terminals, Verfahren und Fahrzeugen kann das Mantelfenster eine kreisförmige Geometrie und die Mutterkappe eine torusförmige Geometrie aufweisen. In diesem Beispiel ist das Mantelfenster konzentrisch mit der Mutterkappe ausgerichtet und umschreibt diese. Darüber hinaus kann die Gehäusewand einen Außenrahmen aufweisen, der aus dem Klemmenmantel herausragt; der Außenrahmen grenzt an das Mantelfenster an und umschreibt es. Als weitere Option kann der elektrische Anschluss eine L-förmige Geometrie mit einem Flansch haben, der orthogonal von einem länglichen Körper absteht. In diesem Beispiel befindet sich die Kontaktfläche auf einer Seite des Flansches und die Gewindemutter ist auf einer anderen, der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite des Flansches angebracht. Der Körper der elektrischen Anschlussklemme kann eine weitere Kontaktfläche aufweisen, die an einer elektrischen Lasche der Batteriezelle anliegt. In diesem Beispiel kann der Klemmenmantel ein zweites Mantelfenster aufweisen, das diese Kontaktfläche freilegt.
Bei allen offengelegten Terminals, Verfahren und Fahrzeugen kann die Gewindemutter eine Außenfläche mit einer einzelnen vertieften Rille oder mehreren vertieften Rillen aufweisen. In diesem Fall kann die Mutterkappe eine Innenfläche mit einer oder mehreren nach innen ragenden Rippen oder Noppen aufweisen, die in die vertiefte(n) Nut(en) einrasten, um die Mutterkappe auf der Gewindemutter zu befestigen. Als weitere Option kann der elektrische Anschluss eine kreisförmige Anordnung von versenkten Löchern aufweisen. In diesem Beispiel kann die Mutternkappe eine Endfläche mit einer kreisförmigen Anordnung von axial vorstehenden Noppen aufweisen, die in die Senkbohrungen eingepasst werden, wodurch die Mutternkappe auf der Kontaktfläche des elektrischen Anschlusses befestigt wird. Die Gehäusewand kann eine Zweischalenkonstruktion mit einem Deckel aufweisen, der an einem Rahmen befestigt ist, um den Klemmenmantel zusammenwirkend zu definieren und gleichzeitig den elektrischen Anschluss dazwischen einzuklemmen. Jede Gewindemutter kann eine Einpressmutter oder eine T-Mutter sein, die selbständig an der elektrischen Klemme verankert ist.
Die obige Zusammenfassung stellt nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt dieser Offenbarung dar. Vielmehr werden die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und damit verbundene Vorteile dieser Offenbarung aus der folgenden detaillierten Beschreibung von anschaulichen Beispielen und Modi zur Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich sein, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen betrachtet werden. Darüber hinaus schließt diese Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der oben und unten dargestellten Elemente und Merkmale ein.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines repräsentativen Kraftfahrzeugs mit Elektroantrieb und einem Hybrid-Antriebsstrang mit einem elektrischen Fahrmotor, der von einer wiederaufladbaren Traktionsbatterie gespeist wird und über ein mehrgängiges Leistungsgetriebe mit einem Achsantriebssystem verbunden ist, gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen Batteriemoduls mit einer integrierten elektrischen Verbindungsplatine (ICB) und fingersicheren elektrischen Anschlüssen gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine Endansicht des repräsentativen Batteriemoduls von 2, wobei die Fingersicherheitsmerkmale entfernt wurden, um zwei elektrische Anschlüsse zu zeigen, die mit einer Endwand der ICB-Anordnung verbunden sind.
4A und 4B sind perspektivische bzw. Draufsicht-Darstellungen eines repräsentativen fingerfesten elektrischen Anschlusses mit einer Überwurfmutter und einem einteiligen umspritzten Außenmantel und einer Überwurfmutterkappe in Übereinstimmung mit Aspekten der offenbarten Konzepte.
5A und 5B sind perspektivische bzw. Draufsichtsdarstellungen des elektrischen Anschlusses und der Überwurfmutter der 4A und 4B.
6A und 6B sind perspektivische Ansichten bzw. perspektivische Schnittdarstellungen einer anderen repräsentativen fingerfesten elektrischen Klemme mit einer T-Mutter und einem einteiligen umspritzten Außenmantel und einer Mutterkappe in Übereinstimmung mit Aspekten der offenbarten Konzepte.
7 ist eine teilweise explodierte, perspektivische Darstellung eines repräsentativen zweiteiligen fingerfesten elektrischen Anschlusses mit einer Überwurfmutter und einer komplementären Schnappmutterkappe in Übereinstimmung mit den Aspekten der offengelegten Konzepte.
8 ist eine teilweise explodierte, perspektivische Darstellung eines weiteren repräsentativen zweiteiligen fingerfesten elektrischen Anschlusses mit einer T-Mutter und einer komplementären Einpressmutterkappe in Übereinstimmung mit den Aspekten der offengelegten Konzepte.
9A und 9B sind teilweise explodierte und zusammengesetzte perspektivische Darstellungen einer repräsentativen fingerfesten elektrischen Klemme mit einer dreiteiligen Konstruktion, die eine äußere Umhüllung und eine diskrete Mutterkappe in Übereinstimmung mit Aspekten der offenbarten Konzepte verwendet.

Repräsentative Ausführungsformen dieser Offenbarung sind als nicht einschränkende Beispiele in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die neuen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die besonderen Formen beschränkt sind, die in den oben aufgezählten Zeichnungen dargestellt sind. Vielmehr soll die Offenbarung alle Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen, Unterkombinationen, Permutationen, Gruppierungen und Alternativen abdecken, die in den Anwendungsbereich dieser Offenbarung fallen, wie sie zum Beispiel von den beigefügten Ansprüchen umfasst werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung kann in vielen verschiedenen Formen verwirklicht werden. Repräsentative Beispiele der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden hier im Detail beschrieben, wobei diese Ausführungsformen als Beispiel für die offengelegten Prinzipien und nicht als Einschränkungen der allgemeinen Aspekte der Offenbarung dienen. Zu diesem Zweck sollten Elemente und Beschränkungen, die z. B. in den Abschnitten „Zusammenfassung“, „Einleitung“, „Zusammenfassung“, „Beschreibung der Zeichnungen“ und „Detaillierte Beschreibung“ beschrieben, aber nicht ausdrücklich in den Ansprüchen dargelegt sind, nicht in die Ansprüche aufgenommen werden, weder einzeln noch insgesamt, weder durch Implikation noch durch Schlussfolgerung noch auf andere Weise. Darüber hinaus sind die hier besprochenen Zeichnungen möglicherweise nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich zu Lehrzwecken. Daher sind die in den Abbildungen dargestellten spezifischen und relativen Abmessungen nicht als einschränkend zu verstehen.
Für die Zwecke der vorliegenden detaillierten Beschreibung gilt, sofern nicht ausdrücklich ausgeschlossen: Der Singular schließt den Plural ein und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ gelten sowohl im Konjunktiv als auch im Disjunktiv; die Wörter „jeder“ und „alle“ bedeuten „jeder und alle“; und die Wörter „einschließlich“, „enthaltend“, „umfassend“, „habend“ und Permutationen davon bedeuten jeweils „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können Wörter der Annäherung wie „ungefähr“, „fast“, „im Wesentlichen“, „im Allgemeinen“, „ungefähr“ und dergleichen hier im Sinne von „bei, nahe oder fast bei“ oder „innerhalb von 0-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen“ oder einer beliebigen logischen Kombination davon verwendet werden. Schließlich können sich richtungsbezogene Adjektive und Adverbien wie „vorn“, „hinten“, „innen“, „außen“, „steuerbord“, „backbord“, „vertikal“, „horizontal“, „nach oben“, „nach unten“, „vorne“, „hinten“, „links“, „rechts“ usw. auf ein Kraftfahrzeug beziehen, z. B. auf die Vorwärtsfahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs, wenn das Fahrzeug auf einer horizontalen Fahrfläche betrieben wird.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugsnummern auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist in 1 eine schematische Darstellung eines repräsentativen Kraftfahrzeugs gezeigt, das allgemein mit 10 bezeichnet und hier zu Diskussionszwecken als Personenkraftwagen mit einem parallelen Zwei-Kupplungs-Hybrid-Elektro-Antriebsstrang (P2) dargestellt ist. Das dargestellte Kraftfahrzeug 10 - hier auch kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine beispielhafte Anwendung, mit der neuartige Aspekte der vorliegenden Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Umsetzung der vorliegenden Konzepte in einem Hybrid-Elektro-Antriebsstrang auch als eine repräsentative Umsetzung der hier offenbarten neuen Konzepte verstanden werden. Es versteht sich von selbst, dass Aspekte der vorliegenden Offenbarung auf andere Antriebsstrang-Architekturen angewandt, in jeden logisch relevanten Kraftfahrzeugtyp eingebaut und sowohl für automobile als auch nicht-automobile Anwendungen genutzt werden können. Schließlich wurden nur ausgewählte Komponenten gezeigt und werden hier im Detail beschrieben. Nichtsdestotrotz können die im Folgenden beschriebenen Kraftfahrzeuge und Batterieanordnungen zahlreiche zusätzliche und alternative Merkmale sowie andere verfügbare periphere Komponenten und Hardware enthalten, um die verschiedenen Methoden und Funktionen dieser Offenbarung auszuführen.
Das repräsentative Fahrzeug-Antriebsstrangsystem ist in 1 mit einer Antriebsmaschine - hier dargestellt durch eine startfähige Verbrennungskraftmaschine (ICE) 12 und eine elektrische Motor-/Generatoreinheit (MGU) 14 - dargestellt, die über ein mehrgängiges automatisches Leistungsgetriebe 16 antriebsmäßig mit einer Antriebswelle 15 eines Achsantriebsystems 11 verbunden ist. Der Motor 12 überträgt seine Leistung, vorzugsweise in Form eines Drehmoments, über eine Motorkurbelwelle 13 (hier auch als „Motorabtriebselement“ bezeichnet) auf eine Eingangsseite des Getriebes 16. Das Motordrehmoment wird zunächst über die Kurbelwelle 13 übertragen, um eine motorgetriebene Torsionsdämpferanordnung 26 in Drehung zu versetzen, und gleichzeitig über die Torsionsdämpferanordnung 26 auf eine Motortrennvorrichtung 28 übertragen.
Diese Motortrennvorrichtung 28 überträgt, wenn sie betriebsbereit ist, das von der ICE-Anordnung 12 über den Dämpfer 26 empfangene Drehmoment auf die Eingangsstruktur der Drehmomentwandler-(TC)-Anordnung 18. Wie der Name schon sagt, kann die Motortrennvorrichtung 28 selektiv ausgekuppelt werden, um den Motor 12 antriebsmäßig vom Motor 14, der TC-Anordnung 18 und dem Getriebe 16 zu entkoppeln.
Das Getriebe 16 wiederum ist so ausgelegt, dass es die Zugkraft des Motors 12 und des Motors 14 aufnimmt, selektiv manipuliert und an das Achsantriebssystem 11 des Fahrzeugs verteilt - hier durch eine Antriebswelle 15, ein hinteres Differential 22 und ein Paar hinterer Räder 20 dargestellt - und dadurch das Hybridfahrzeug 10 antreibt. Die Kraftübertragung 16 und der Drehmomentwandler 18 von 1 können sich eine gemeinsame Getriebeölwanne oder einen „Sumpf“ 32 für die Versorgung mit Hydraulikflüssigkeit teilen. Eine gemeinsame Getriebepumpe 34 sorgt für einen ausreichenden Hydraulikdruck, um hydraulisch betätigte Elemente des Getriebes 16, der Drehmomentwandleranordnung 18 und - bei einigen Ausführungen - der Motorabschaltvorrichtung 28 selektiv zu betätigen.
Die ICE-Anordnung 12 treibt das Fahrzeug 10 unabhängig vom elektrischen Fahrmotor 14 an, z. B. in einem „Nur-Motor“-Betriebsmodus, oder in Zusammenarbeit mit dem Motor 14, z. B. in den Betriebsmodi „Fahrzeugstart“ oder „Motorboost“. In dem in 1 dargestellten Beispiel kann die ICE-Anordnung 12 ein beliebiger verfügbarer oder später entwickelter Motor sein, wie z. B. ein selbstgezündeter Dieselmotor oder ein fremdgezündeter Benzin- oder Flex-Fuel-Motor, der leicht so angepasst werden kann, dass er seine verfügbare Ausgangsleistung typischerweise mit einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) bereitstellt. Obwohl in 1 nicht explizit dargestellt, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass das Achsantriebssystem 11 jede verfügbare Konfiguration annehmen kann, einschließlich Vorderradantrieb (FWD), Hinterradantrieb (RWD), Vierradantrieb (4WD), Allradantrieb (AWD), 6X4, usw.
In 1 ist auch eine elektrische Motor-/Generatoreinheit („Motor“) 14 dargestellt, die über eine Motorträgernabe, eine Welle oder einen Riemen 29 (hier auch als „Motorabtriebselement“ bezeichnet) mit dem hydrodynamischen Drehmomentwandler 18 in Wirkverbindung steht. Der Drehmomentwandler 18 wiederum verbindet den Motor 14 antriebsmäßig mit einer Eingangswelle 17 („Getriebeeingangselement“) des Getriebes 16.
Die Elektromotor-/Generatoreinheit 14 besteht aus einer ringförmigen Statoranordnung 21, die eine zylindrische Rotoranordnung 23 umschreibt und konzentrisch zu dieser angeordnet ist. Der Stator 21 wird über ein elektrisches Hochspannungssystem mit elektrischen Leitern/Kabeln 27 versorgt, die über geeignete Dichtungs- und Isolierdurchführungen (nicht dargestellt) durch das Motorgehäuse geführt werden. Umgekehrt kann elektrische Energie von der MGU 14 zu einem fahrzeuginternen Traktionsbatteriepaket 30 geleitet werden, z. B. durch regeneratives Bremsen. Der Betrieb aller dargestellten Komponenten des Antriebsstrangs kann durch ein bordeigenes oder ferngesteuertes Fahrzeugsteuergerät, z. B. eine programmierbare elektronische Steuereinheit (ECU) 25, geregelt werden. Obwohl das Fahrzeug 10 als P2-Hybrid-Elektrofahrzeug dargestellt ist, können auch andere HEV/FEV/ICE-Antriebsstrangkonfigurationen verwendet werden.
Die Kraftübertragung 16 kann ein Differenzialgetriebe 24 verwenden, um selektiv variable Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen den Getriebeeingangs- und - ausgangswellen 17 bzw. 19 zu erreichen, z. B., indem die gesamte oder ein Teil der Leistung über die variablen Elemente übertragen wird. Eine Form des Differentialgetriebes ist das Planetenradgetriebe. Planetengetriebe bieten den Vorteil der Kompaktheit und der unterschiedlichen Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen allen Gliedern des Planetengetriebes. Traditionell werden hydraulisch betätigte Vorrichtungen zur Erzeugung des Drehmoments, wie Kupplungen und Bremsen, selektiv in Eingriff gebracht, um die oben erwähnten Getriebeelemente zu aktivieren und die gewünschten Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahlverhältnisse zwischen den Eingangs- und Ausgangswellen 17, 19 des Getriebes herzustellen. Das Getriebe 16 ist als 8-Gang-Automatikgetriebe konzipiert, kann aber auch andere, funktionell geeignete Konfigurationen annehmen, z. B. stufenlose Getriebe (CVT), automatisiert-manuelle Getriebe usw.
Die hydrodynamische Drehmomentwandleranordnung 18 in 1 dient als Flüssigkeitskupplung, um den Motor 12 und den Motor 14 mit dem internen Planetengetriebe 24 des Leistungsgetriebes 16 zu verbinden. In einer inneren Fluidkammer der Drehmomentwandleranordnung 18 befindet sich ein beschaufeltes Laufrad 36, dem eine beschaufelte Turbine 38 gegenüberliegt. Das Laufrad 36 steht mit der Turbine 38 in serieller Strömungsverbindung. Zwischen dem Laufrad 36 und der Turbine 38 ist ein Stator (nicht dargestellt) angeordnet, um die Fluidströmung dazwischen selektiv zu verändern. Die Übertragung des Drehmoments von den Motorabtriebselementen 13 und dem Motorabtriebselement 29 auf das Getriebe 16 über die TC-Anordnung 18 erfolgt durch Rührerregung der Hydraulikflüssigkeit, z. B. des Getriebeöls, in der internen Flüssigkeitskammer der TC, die durch die Drehung der Schaufeln des Laufrads und der Turbine 36, 38 verursacht wird. Zum Schutz dieser Komponenten ist die TC-Anordnung 18 mit einem TC-Pumpengehäuse konstruiert, das im Wesentlichen durch einen getriebeseitigen Pumpenmantel 40 definiert ist, der fest mit einem motorseitigen Pumpendeckel 42 verbunden ist, so dass dazwischen eine Kammer für hydraulische Arbeitsflüssigkeit gebildet wird.
zeigt ein Segment eines fahrzeuginternen wiederaufladbaren Energiespeichersystems (RESS), das zum Speichern und Liefern von elektrischer Hochspannungsenergie geeignet ist, die für den Antrieb eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb verwendet wird, wie z. B. des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 von . Bei diesem RESS kann es sich um ein Deep-Cycle-Batteriesystem mit hoher Ampere-Kapazität handeln, das beispielsweise für etwa 350 bis 800 VDC oder mehr ausgelegt ist, je nach gewünschter Fahrzeugreichweite, Gesamtgewicht des Fahrzeugs und Leistungswerten der verschiedenen Zubehörlasten, die elektrische Energie aus dem RESS beziehen. Zu diesem Zweck verwendet das RESS ein oder mehrere Hochspannungsbatteriepakete mit hoher Energiedichte, wie z. B. das Traktionsbatteriepaket 30 in 1, das mit einer oder mehreren mehrphasigen Permanentmagnet-Elektromaschinen (PM), wie z. B. dem Fahrmotor 14, elektrisch verbunden werden kann.
Gemäß der repräsentativen Konfiguration besteht das Traktionsbatteriepaket im Allgemeinen aus einer Reihe von Lithium-Ionen-Batteriemodulen, von denen ein Beispiel in den und mit 100 dargestellt ist. Diese Batteriemodule 100 können in einem Muster von Reihen und Spalten angeordnet sein und können auf einem Batterieträger (nicht dargestellt) abgestützt werden, der die Batteriepakete während des Fahrzeugbetriebs stützt. Aspekte der offengelegten Konzepte können in ähnlicher Weise auf andere elektrische Speichereinheiten anwendbar sein, einschließlich solcher, die Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH), Bleibatterien, Lithium-Polymer-Batterien oder andere wiederaufladbare elektrische Fahrzeugbatterien (EVB) verwenden. Jedes Batteriemodul 100 kann eine Reihe von elektrochemischen Batteriezellen enthalten, wie z. B. Lithium-Ionen- (Li-Ion) oder Li-Ion-Polymer-Batteriezellen 102 in Taschenform.
Ein einzelnes Lithium-Ionen-Batteriemodul 100 kann durch mehrere Batteriezellen 102 (z. B. 20-45) gekennzeichnet sein, die nebeneinander gestapelt und parallel oder in Reihe geschaltet sind, um elektrische Energie zu speichern und zu liefern. Eine Batteriezelle 102 kann eine mehrschichtige Konstruktion sein, die mit einem äußeren Batteriegehäuse, z. B. einer hüllenartigen Tasche, versehen ist. Die jeweiligen Seiten des Beutels können aus Aluminium, Stahl oder einem anderen geeigneten Material bestehen, wobei beide Seiten mit einer Polymerbeschichtung versehen sein können, die das Metall von den Zellenelementen und von benachbarten Zellen isoliert. Diese beiden Seiten sind miteinander verbunden, z. B. durch Schweißen oder Quetschen, um im Allgemeinen eine flüssige Elektrolytzusammensetzung einzuschließen, die positive Lithium-Ionen zwischen den Arbeitselektroden leitet. An den gegenüberliegenden Längskanten des Beutels befinden sich negative (Anode) und positive (Kathode) Anschlüsse zur Herstellung elektrischer Verbindungen mit negativen und positiven Elektroden (nicht sichtbar), die im Innenvolumen des Zellbeutels untergebracht sind. Die Batteriezellen werden zwar als Li-Ionen-Batterie auf Siliziumbasis beschrieben, können aber auch an andere Konstruktionen angepasst werden, einschließlich zylindrischer und prismatischer Konstruktionen.
Unter gemeinsamer Bezugnahme auf die 2 und 3 lagert das Batteriemodul 100 die elektrochemischen Batteriezellen 102 in einem schützenden, elektrisch isolierenden Batteriemodulgehäuse 110. Das Batteriemodulgehäuse 110 kann eine starre, mehrteilige Konstruktion sein, die aus einer geflanschten Gehäusebasis 112 mit einem Paar länglicher Seitenwände 114 besteht, die im Allgemeinen orthogonal von der Basis 112 abstehen. Wenn sie richtig angeordnet und montiert sind, werden die gestapelten Batteriezellen 102 auf dem Gehäuseboden 112 abgestützt und zwischen den Modulseitenwänden 114 eingebettet. Zur Erleichterung der Herstellung und Montage können die Seitenwände 114 im Wesentlichen identisch sein und beide aus einem starren Kunststoffmaterial mit Schnappverschlussvorsprüngen 115 und 117 zum Ausrichten und Verbinden der Seitenwände 114 mit den anderen schützenden Außensegmenten des Batteriemoduls 100 gebildet werden. Zwei koplanare Montagehalterungen 113 erstrecken sich quer vom Modulgehäuse 110, die jeweils einstückig mit einer entsprechenden Modulseitenwand 114 ausgebildet sind und in einem rechten Winkel von dieser abstehen.
Unterhalb der gestapelten Batteriezellen 102 ist eine Kühlplatte 116 angebracht, die im Allgemeinen bündig mit der Unterseite des Gehäusebodens 112 abschließt, um die Wärme selektiv aus dem Batteriemodul 100 abzuführen. Diese Kühlplatte 116 ist mit einem oder mehreren Kühlkanälen versehen (in den gezeigten Ansichten nicht sichtbar), durch die eine Kühlflüssigkeit fließt, die über Kühlöffnungen 118 aufgenommen wird. Die Modulseitenwände 114 und die Kühlplatte 116 können flüssigkeitsdicht und mechanisch mit dem Gehäuseboden 112 verbunden sein, z. B. über Druckknöpfe und einen dichtungsbildenden Schaum. Das Batteriemodulgehäuse 110 ist zwar in einer allgemein rechteckig-polyedrischen Form dargestellt, kann aber auch andere Größen und Formen annehmen, um alternative Anwendungen mit unterschiedlichen Verpackungs- und Konstruktionsbeschränkungen zu ermöglichen.
Die Batteriezellen werden durch eine integrierte Verbindungsplatine (ICB) 120, die oben auf dem Batteriemodulgehäuse 110 angebracht ist, ausgerichtet und elektrisch miteinander verbunden. In Übereinstimmung mit dem dargestellten Beispiel bietet die integrierte ICB-Anordnung 120 eine Schutzhülle, die im Allgemeinen durch eine mit Flansch versehene zentrale Abdeckung 122 mit einem Paar von mit Flansch versehenen Endwänden 124 definiert ist, die im Allgemeinen orthogonal von gegenüberliegenden Enden der zentralen Abdeckung 122 vorstehen. Die zentrale Abdeckung 122 besteht aus einem starren Polymermaterial mit integrierten seitlichen Flanschen 121 mit länglichen Schnappverschlussschlitzen, die darin Schnappverschlussvorsprünge 115 der Gehäuseseitenwände 114 aufnehmen. Ein Paar Schnapphaken 125 ragt aus jedem Längsende des Deckels 122 heraus und nimmt darin Befestigungszapfen 127 ( ) der ICB-Endwände 124 auf. Jede Endwand 124 ist mit integrierten Befestigungsflanschen 129 versehen, die Schnappverschlusslöcher aufweisen, in die Schnappverschlussvorsprünge 117 der Gehäuseseitenwände 114 eingreifen.
In 3 ist jede der Endwände 124 der ICB-Anordnung in eine Reihe von länglichen, zueinander parallelen Endwandplatten 133 unterteilt, die nebeneinander in einer vertikalen, säulenartigen Weise angeordnet sind. Diese Endwandplatten 133 greifen ineinander und sind durch längliche Schlitze 135 voneinander getrennt. Jede der Endwandplatten 133 ist einstückig mit einer Reihe von flexiblen Schnappverschlusslaschen 141 ausgebildet, die von einer distalen Kante der Endwand 124 nach unten ragen. Diese Laschen 141 greifen gleitend in die Kühlplatte 116 ein und werden darauf gepresst; auf diese Weise wird die integrierte ICB-Anordnung 120 mechanisch am Batteriemodulgehäuse 110 befestigt. Wie in 3 am besten zu sehen ist, kann jede Endwandplatte 133 integral mit sich kreuzenden vertikalen und horizontalen Rippen 143 bzw. 145 geformt sein, die zusammen die Endwand 124 strukturell verstärken.
Eine Reihe von vertikalen Schlitzen 135, die in den gegenüberliegenden Endwänden 124 ausgebildet sind, ermöglichen es der integrierten ICB-Anordnung 120, während der ICB-Installation vertikal auf dem Zellenstapel zu montieren und die Zellenlaschen 106 und 108 zu kämmen. Gemäß dem repräsentativen Beispiel von 3 erstreckt sich jeder längliche Schlitz 135 von einer unteren, distalen Kante der Endwand 124 nach oben, um gleitend (z. B. in den Figuren von unten nach oben) eine der elektrischen Laschen 106, 108 aufzunehmen. Jeder der länglichen Schlitze 135 umfasst ein Einführungsschlitzsegment 137 mit variabler Breite, das sich an der untersten distalen Kante der Endwand 124 öffnet, und ein geradliniges Hauptschlitzsegment 139, das an das Einführungsschlitzsegment 137 angrenzt. Bei dieser Konfiguration erstrecken sich die positiven und negativen Pole, die aus den Längsenden der Batteriezellen herausragen, durch die länglichen Schlitze in den ICB-Endwänden 124.
Nach der Montage der integrierten ICB-Anordnung 120 auf dem Batteriemodulgehäuse 110 werden die elektrischen Anschlussfahnen 106, 108 der Batteriezellen elektrisch mit elektrischen Stromschienenverbindern 134 verbunden, die an den ICB-Endwänden 124 angebracht sind. Wie dargestellt, kann jeder elektrische Stromschienenverbinder 134 als elektrisch leitende Stromschienenplatte hergestellt werden, die an einer Außenfläche einer der Endwände 124 angebracht ist. Ebenso kann jede der elektrischen Anschlussfahnen 106, 108 der Batteriezellen ein elektrisch leitfähiger L-förmiger Anschluss sein, von dem ein Teil wieder bündig an einer der Stromschienenplatten 134 anliegt und mit dieser verlötet, verschweißt oder verklammert ist. Ein Paar L-förmiger Sammelschienenhalterungen 136 (hier auch als „elektrische Anschlüsse“ bezeichnet) sind an einer der ICB-Endwände 124 angebracht. Diese modulübergreifenden Sammelhalterungen 136 verbinden das Batteriemodul 100 elektrisch mit einem benachbarten Batteriemodul. Eine an der Endwand 124 montierte Sammelschiene 138 verbindet beide Zwischenmodul-Sammelschienenhalterungen 136 elektrisch mit den elektrischen Sammelschienenanschlüssen 134.
Die ICB-Anordnung 120 bietet nicht nur eine Schutzabdeckung und eine elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen, sondern auch Erfassungs-, Betriebs- und elektrische Isolierungsfunktionen. Eine solche Funktion kann durch eine integrierte Schaltung (IC), die auf der zentralen Abdeckung 122 montiert ist, bereitgestellt werden. Die IC-Fühleranordnung 140 ist mit mehreren Fühlern 142, wie z. B. Strom-, Spannungs- und/oder Temperatursensoren, ausgestattet, die die dynamischen Betriebseigenschaften der Batteriezellen erfassen können. Auf der zentralen Abdeckung 122 ist eine flexible Leiterplatte (PCB) 144 abgebildet, auf der die Sensorvorrichtungen 142 angebracht sind. Eine flexible elektrische Leiterbahn 146 mit mehreren elektrischen Leiterbahnen 148, die von einer elektrisch isolierenden Leiterbahnfolie 150 getragen wird, verbindet die flexible Leiterplatte 144 und damit die Sensorvorrichtungen 142 über die Stromschienenverbinder 134 elektrisch mit den Batteriezellen.
Bei der Montage einer Hochspannungsbatterie, wie z. B. des Batteriemoduls 100 in 2, und der anschließenden Installation der Hochspannungsbatterie, wie z. B. bei der Fließbandmontage des Fahrzeugs 10, haben die Hochspannungsklemmen große Kontaktflächen, die, wenn sie frei liegen, eine Gefahr für einen Fließbandarbeiter oder einen Fließbandroboter darstellen können. Ein nicht einschränkendes Beispiel: Sobald die elektrischen Laschen 106, 108 der gestapelten Batteriemodulzellen mit den Endwand-Sammelschienenverbindern 134 und den Klemmen 136 der ICB verschweißt sind, stehen die Modulklemmen 136 unter Spannung („heiß“). Werden die spannungsführenden Klemmen 136 versehentlich mit einem Werkzeug oder einem Finger berührt, könnte ein Mitarbeiter am Band oder ein Roboter einen Stromschlag bekommen oder beschädigt werden. Aufgrund des begrenzten Platzangebots für die Traktionsbatterie eines Fahrzeugs können die Hochspannungsklemmen benachbarter Module sehr nahe beieinander liegen. Wenn beide Klemmen gleichzeitig berührt werden, kann es zu einem Kurzschluss kommen, der zu einem beschädigten Paket führt, das repariert oder ausgetauscht werden muss. Um die Möglichkeit einer Beschädigung des Moduls oder eines Schocks des Bedieners zu verringern, werden im Folgenden fingerfeste elektrische Klemmen mit flachen Klemmenabschirmungsmerkmalen erörtert, die dazu beitragen, den Kontakt zwischen den geladenen Oberflächen der Batteriemodulklemmen und den kleinen Fingern eines Bedieners am Fließband oder eines Endeffektors/Werkzeugs eines Fließbandroboters zu verhindern.
Im Folgenden wird eine Vielzahl von fingerfesten elektrischen Anschlusskonstruktionen für die elektrische Verbindung mit einem elektrischen Leiter und die gleichzeitige Isolierung des Anschlusses zur Verhinderung eines unbeabsichtigten Kontakts mit den geladenen Oberflächen des Anschlusses im Detail beschrieben. Die , , und zeigen beispielsweise das wiederaufladbare Batteriemodul 100 der und mit einer fingersicheren elektrischen Anschlussanordnung, die allgemein mit 132 bezeichnet wird und für eine einteilige „Umspritz“-Konstruktion mit Einpressmutter repräsentativ ist. Insbesondere ist der elektrische Anschluss 136 in den und als eine L-förmige Struktur dargestellt, die z. B. aus Kupfer- oder Aluminiumblech gestanzt werden kann, um einen länglichen Körper 152 mit einem Flansch 154 zu umfassen, der im Allgemeinen orthogonal von einem distalen (oberen) Ende des Körpers 152 vorsteht. Durch eine oberste (erste) Kontaktfläche 151 des Flansches 154 der elektrischen Klemme ist ein Bolzenloch 153 gestanzt, durch das ein Gewindebolzen 156 aufgenommen wird (4A). Eine Mutter mit Innengewinde 160 wird gegen eine Unterseite des Flansches 154 gedrückt, die der Kontaktfläche 151 gegenüberliegt und das Batteriemodul 100 mit einem benachbarten Modul oder TPIM elektrisch verbindet. Zur Erleichterung der Herstellung und zur Vereinfachung der Konstruktion können sowohl die positiven als auch die negativen Sammelhalterungen 136 von 3 strukturell identisch mit dem in 5A und 5B gezeigten Beispielpol 136 sein. Ein elektrischer Verbinder - in 4A als Hochspannungs-Gleichstrom-Sammelschiene 158 dargestellt - ist über den elektrischen Anschluss 136 elektrisch mit den internen Batteriezellen 102 des Moduls 100 verbunden. Wie dargestellt, ist die HGÜ-Sammelschiene 158 eine längliche Kupferschiene mit einem Paar zylindrischer Anschlussschnittstellen 159, die jeweils orthogonal von einem Ende der Sammelschiene 158 abstehen. Jedes Ende der HVDC-Sammelschiene 158 ist an einem elektrischen Anschluss 136 eines Batteriemoduls 100 befestigt, indem einer der Gewindebolzen 156 durch die hohle Mitte der Anschlussschnittstelle 159 nach unten in das Bolzenloch 153 im Anschlussflansch 154 geführt und mit einer Innengewindemutter 160 verschraubt wird, die an einer Unterseite des Flansches 154 sitzt. In diesem Beispiel handelt es sich bei der Gewindemutter 160 um eine elektrisch leitende Stahl-Clinchmutter, die mit dem elektrischen Anschluss 136 selbstverankert ist, z. B. über einen gezahnten Clinchring 161, der mit dem Flansch 154 verpresst ist. Eine schützende, elektrisch isolierende Sammelschienenkappe 166 kann über der Sammelschiene 158 angebracht werden.
Wie aus den und ersichtlich, besteht die fingerfeste elektrische Anschlussanordnung 132 aus zwei Hauptabschnitten: einem äußeren Mantel 162 zur Abschirmung der Anschlüsse und einer komplementären Abdeckkappe 164 mit Einpressmutter. Sowohl der Klemmenmantel 162 als auch die Mutterkappe 164 sind ganz oder teilweise aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten elektrisch isolierenden Material hergestellt. Gemäß dem gezeigten Beispiel werden der Anschlussmantel 162 und die Mutterkappe 164 in die Endwand 124 der ICB-Anordnung 120 als einheitliche, einteilige Konstruktion eingeformt. Zur Erleichterung des Umspritzens wird ein Paar axial länglicher „Durchfluss“-Schlitze 155 durch den Anschlussflansch 154 gebildet; diese beiden Schlitze 155 sind in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Bolzenlochs 153 und grenzen daran an. Diese Durchflussschlitze 155 ermöglichen es dem Polymermaterial, das die Mutterkappe 164 mit dem Anschlussmantel 162 verbindet, während des Formens durch den Anschlussflansch 154 und um die Clinchmutter 160 herumzufließen.
Um die elektrische Klemme 136 an der ICB-Endwand 124 zu befestigen, wird die Überwurfmutter 160 zunächst am Klemmenflansch 154 an einem Ende des Bolzenlochs 153 verankert, und der Klemmenmantel 162 und die Mutternkappe 164 werden dann auf die Klemmen- und Mutter-Unteranordnung aufgespritzt. Auf diese Weise wird die elektrische Klemme 136 starr im Inneren des Batteriemoduls 100 befestigt und von der Klemmenummantelung 162 abgedeckt, wobei nur ausgewählte begrenzte Teile der Klemme 136 zur Außenseite des Batteriemoduls 100 hin freiliegen. Gleichzeitig sitzt ein oberes Ende der Mutterkappe 164 auf der Überwurfmutter 160 und der Anschlusskontaktfläche 151, während ein unteres Ende der Mutterkappe 164 an der Unterseite der Überwurfmutter 160 anliegen und diese zumindest teilweise abdecken kann. Die Mutternkappe 164 ist mit einem hohlzylindrischen oberen Ende ausgebildet, das auf einem länglichen (oberen) Ende der Clinchmutter 160 sitzt, um dort eine der Schrauben 156 aufzunehmen. Eine Außendurchmesserfläche des Halses der Überwurfmutter 160 kann durch die Mutterkappe 164 hindurch freigelegt werden, so dass die Überwurfmutter 160 an der Klemme 136 anliegt und dadurch elektrisch mit ihr verbunden ist.
Wie in den und dargestellt, weist die fingerfeste elektrische Klemmenanordnung 132 flache Klemmenabschirmungsmerkmale auf, um einen unbeabsichtigten Kontakt zwischen einer elektrifizierten Klemmenoberfläche und einem Bediener oder einem Werkzeug zu verhindern und gleichzeitig die Verbindung der Klemme 136 mit dem elektrischen Steckverbinder 158 zu ermöglichen. 4B zeigt zum Beispiel den Klemmenmantel 162 mit einem oberen (ersten) Mantelfenster 163, das sich durch eine der Sammelschiene zugewandte (obere) Fläche 165 des Mantels 162 erstreckt. Obwohl alternative Formen und Größen in den Anwendungsbereich dieser Offenbarung fallen, ist das Mantelfenster 163 von 4B kreisförmig und konzentrisch mit einem freiliegenden (oberen) Ende der Ringmutterkappe 164 ausgerichtet. Ein ringförmiger Rahmen 167 ragt (in 4A nach oben) aus der Oberseite 165 des Anschlussmantels heraus; der Rahmen 167 umgibt und begrenzt den inneren Umfang des Mantelfensters 163. Im dargestellten Beispiel bedeckt der Klemmenmantel 162 einen Großteil der nach außen weisenden Flächen der elektrischen Klemme 136, einschließlich des größten Teils des länglichen Körpers 152 vom proximalen (unteren) Ende bis zum distalen (oberen) Ende des Körpers 152 und des größten Teils des Flansches 154 (mit Ausnahme der im folgenden Absatz beschriebenen Teile des Körpers 152 und des Flansches 154).
Das Fenster 163 in der Klemmenabschirmung des Außenmantels 162 umschließt die Mutterkappe 164 und die Überwurfmutter 160, so dass der Bolzen 156 in Gewindeeingriff mit der Mutter 160 und die Sammelschienen-Klemmenschnittstelle 159 in Stoßeingriff mit der Klemme 136 gebracht werden kann. Der gemeinsame innere Umfang des kreisförmigen Fensters 163 und des ringförmigen Fensterrahmens 167 ist vom oberen Ende der Mutterkappe 164 durch einen vordefinierten Abstand beabstandet, der ausreichend breit ist, um die Kontaktfläche 151 des elektrischen Anschlusses 136 für die Verbindung mit der Sammelschiene 158 freizulegen, jedoch ausreichend schmal, um den Durchgang eines Fingers oder Werkzeugs zwischen der Kappe 164 und dem Rahmen 167 zu verhindern. Das vordefinierte Spiel ist ein radialer Spaltabstand D_GC zwischen einem inneren Umfang des Mantelfensters 163 und einem äußeren Umfang des freiliegenden Endes der Mutterkappe 164. Dieser Spaltabstand D_GC kann etwa 3 mm bis etwa 8 mm breit sein oder, zumindest bei einigen Ausführungsformen, etwa 3,5 mm bis etwa 5,5 mm breit. Zumindest bei einigen gewünschten Konfigurationen ist der Spaltabstand D_GC kleiner als die kleinste Abmessung (z. B. die Höhe von Fingerkuppe zu Fingernagel) des kleinsten Fingers (z. B. des kleinen Fingers) eines durchschnittlichen erwachsenen Menschen. Wie oben in der Diskussion von 3 beschrieben, hat der Körper 152 des elektrischen Anschlusses 136 eine weitere (zweite) Kontaktfläche 157, die mit einer der Batteriezellenlaschen 106, 108 lasergeschweißt und somit elektrisch verbunden ist. Durch eine äußere Fläche des Klemmenmantels 162 ist ein unteres (zweites) Mantelfenster 169 definiert, das die Kontaktfläche 157 freilegt.
Die und zeigen ein weiteres Beispiel eines fingersicheren elektrischen Anschlusses 232 für eine wiederaufladbare Batterieanordnung, wie das Batteriemodul 100 der und . Obwohl sie sich im Aussehen unterscheiden, ist vorgesehen, dass alle Merkmale und Optionen, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die fingersichere elektrische Anschlussanordnung 232 der 6A und 6B beschrieben werden, einzeln oder in beliebiger Kombination in die in den anderen Figuren dargestellten fingersicheren elektrischen Anschlüsse integriert werden können und umgekehrt. Ähnlich wie die fingersichere elektrische Anschlussanordnung 132 der 4A und 4B ist beispielsweise die fingersichere elektrische Anschlussanordnung 232 der 6A und 6B repräsentativ für eine einteilige „Overmold“-Konstruktion, die den in den 5A und 5B gezeigten elektrischen Anschluss 136 verwendet. Im Gegensatz dazu verwendet die Klemmenanordnung 232 der 6A und 6B eine mit Innengewinde versehene, selbstverankernde T-Mutter 260 aus Stahl, die gegen die Unterseite des Klemmenflansches 154 gepresst wird und sich durch den Flansch 154 auf die gegenüberliegende Seite erstreckt, um über die Kontaktfläche 151 hinauszuragen.
Unter weiterer Bezugnahme auf die 6A und 6B besteht die fingerfeste elektrische Anschlussanordnung 232 aus zwei Hauptabschnitten: einem äußeren Mantel 262 zur Abschirmung der Anschlüsse und einer komplementären Abdeckkappe 264 mit Einpressmutter. Ähnlich wie der Mantel 162 und die Kappe 164 der 4A und 4B sind der Klemmenmantel 262 und die Mutterkappe 264 der 6A und 6B beide ganz oder teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Darüber hinaus sind der Klemmenmantel 262 und die Mutterkappe 264 mit der Gehäusewand 224 des Batteriemoduls als eine einheitliche, einteilige Konstruktion geformt. Nach dem Zusammenbau ist die elektrische Klemme 136 fest im Inneren montiert und wird vom Klemmenmantel 262 abgedeckt, wie in der Querschnittsansicht von 6B am besten zu sehen ist. Die Mutterkappe 264 ist ebenfalls in 6B zu sehen, die die T-Mutter 260 umhüllt und von der Klemmenkontaktfläche 151 nach oben ragt. Im Gegensatz zur ClinchMutter-Konfiguration, bei der die oberste Fläche der Mutterkappe 164 koplanar mit der obersten Fläche des ringförmigen Fensterrahmens 167 ist, ist die oberste Fläche der Mutterkappe 264 bei der T-Mutter-Konfiguration gegenüber der obersten Fläche des Rahmens 267 des Fensters 263 versetzt (z. B. vertikal darüber). Dabei ist zu beachten, dass die T-Mutter-Konfiguration der 6A und 6B eine koplanare Anordnung und die ClinchMutter-Konfiguration der 4A und 4B eine vertikal versetzte Anordnung verwenden kann.
Die und zeigen weitere Beispiele für fingersichere elektrische Anschlussanordnungen 332 bzw. 432 für eine wiederaufladbare Batterieanordnung. In 7 ist beispielsweise ein Beispiel für eine zweiteilige T-Mutter mit Schnappverschluss dargestellt, die aus einer selbstverankernden T-Mutter 360 und einer die Mutter abdeckenden Kappe 364 besteht, die auf dem Flansch 154 des elektrischen Anschlusses 136 montiert werden. Eine ringförmige vertiefte Nut 361 erstreckt sich in Umfangsrichtung um eine Außendurchmesserfläche des Innengewindehalses der T-Mutter 360. Von einer Innenfläche (ID) der Mutterkappe 364 ragen eine oder mehrere zusammendrückbare Rippen oder Noppen (verdeckt dargestellt bei 365) radial nach innen.
Wenn die Mutternkappe 364 nach unten auf den zylindrischen Hals der T-Mutter 360 gedrückt wird, rasten die Rippe(n) 365 in die vertiefte Nut ein, wodurch die Mutternkappe auf der Gewindemutter befestigt wird. Für jede der dargestellten zweiteiligen Anordnungen kann eine äußere Ummantelung zur Abschirmung des Anschlusses, die jede der hier beschriebenen Optionen und Alternativen annehmen kann, als separates Bauteil hergestellt und am Anschluss 136 befestigt oder umspritzt werden, um mit der Mutterkappe 364, 464 zusammenzuwirken.
8 zeigt ein Beispiel für eine zweiteilige Einpressmutter, die durch eine selbstverankernde Einpressmutter 460 und eine die Mutter abdeckende Kappe 464 dargestellt wird, die beide auf einem Flansch 454 eines elektrischen Anschlusses 436 montiert werden. Eine kreisförmige Anordnung von Senkbohrungen, in 8 mit 455 bezeichnet, ist um eine Schraubenaufnahmebohrung 453 im Flansch 454 der elektrischen Klemme 436 angeordnet. Eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Noppen 465 ragen axial aus einer axialen Endfläche der Mutterkappe 464 heraus. Diese Noppen 465 passen jeweils in eine der Senkbohrungen 455, um dadurch die Mutterkappe 464 auf der Kontaktfläche 451 des Klemmenflansches 454 zu befestigen, so dass die Mutterkappe 464 ein nach oben weisendes Ende der Überwurfmutter 460 abdeckt.
9A und 9B zeigen eine weitere repräsentative fingerfeste elektrische Anschlussanordnung 532 für eine wiederaufladbare Batteriemodulanordnung. In diesem Fall ist die fingersichere elektrische Anschlussanordnung 532 eine dreiteilige Konstruktion, die eine äußere Ummantelung 562 zur Abschirmung der Anschlüsse und eine diskrete Mutterkappe 564 aufweist. Der zweiteilige Außenmantel 562 umfasst einen ICB-Innenrahmen 570 und eine ICB-Außenabdeckung 572. Ein elektrischer Anschluss 536, der mit einer Überwurfmutter 560 und einer Überwurfmutterkappe 564 vormontiert ist, wird am ICB-Innenrahmen 570, z. B. über Gewindeschrauben 556, befestigt. Der ICB-Rahmen und die Abdeckung 570, 572 werden dann zusammen befestigt, um gemeinsam den Klemmenmantel 562 zu bilden und gleichzeitig die elektrische Klemme 536 dazwischen einzuklemmen.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung wurden ausführlich unter Bezugnahme auf die abgebildeten Ausführungsformen beschrieben; der Fachmann wird jedoch erkennen, dass viele Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die genaue Konstruktion und die hierin offengelegten Zusammensetzungen beschränkt; alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, die aus den vorstehenden Beschreibungen ersichtlich sind, liegen im Rahmen der Offenbarung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Darüber hinaus schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale ein.

Claims

Eine Batterieanordnung zur Versorgung einer elektrischen Last über einen elektrischen Verbinder, wobei die Batterieanordnung umfasst: eine elektrochemische Batteriezelle; einen elektrischen Anschluss, der elektrisch mit der Batteriezelle verbunden ist und eine Kontaktfläche aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie die Batterieanordnung elektrisch mit dem elektrischen Verbinder verbindet; eine Gewindemutter, die so konfiguriert ist, dass sie den elektrischen Anschluss an dem elektrischen Verbinder befestigt; eine elektrisch isolierende Mutterkappe, die an der Gewindemutter befestigt ist; und ein Batteriegehäuse, in dem die Batteriezelle untergebracht ist, wobei das Batteriegehäuse eine elektrisch isolierende Gehäusewand mit einem Klemmenmantel umfasst, in dem der elektrische Anschluss angebracht ist, wobei der Klemmenmantel ein Mantelfenster definiert, das die Mutterkappe umfährt und von dieser durch einen vordefinierten Abstand beabstandet ist, der ausreicht, um die Kontaktfläche freizulegen, damit sie an den elektrischen Verbinder stößt.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, wobei der vordefinierte Abstand ein Spaltabstand zwischen einem inneren Umfang des Mantelfensters und einem äußeren Umfang der Mutterkappe ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 2, wobei der vordefinierte Abstand etwa 3 Millimeter (mm) bis etwa 8 mm beträgt.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, wobei die Mutterkappe und der Klemmenmantel als einteilige Struktur aus einem Polymermaterial geformt sind.
Batterieanordnung nach Anspruch 4, wobei die elektrische Klemme durch sie hindurch ein Bolzenloch definiert, das zur Aufnahme eines Bolzens konfiguriert ist, die Gewindemutter an einem Ende des Bolzenlochs an der elektrischen Klemme angebracht ist und das Bolzenloch eine Vielzahl von axial länglichen Schlitzen aufweist, die das Polymermaterial aufnehmen, das die Mutterkappe mit dem Klemmenmantel verbindet.
Batterieanordnung nach Anspruch 5, wobei die Mutterkappe ein hohles zylindrisches Ende aufweist, das auf einem Längsende der Gewindemutter sitzt und so gestaltet ist, dass es den Bolzen aufnimmt.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, wobei das Mantelfenster kreisförmig ist, die Mutterkappe ringförmig ist und das Mantelfenster konzentrisch mit der Mutterkappe ausgerichtet ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, wobei die Gehäusewand ferner einen Außenrahmen aufweist, der aus dem Klemmenmantel herausragt und das Mantelfenster umgibt.
Batterieanordnung nach Anspruch 1, wobei die elektrische Klemme einen länglichen Körper mit einem von dem Körper abstehenden Flansch aufweist, die Kontaktfläche auf einer ersten Seite des Flansches angeordnet ist und die Gewindemutter auf einer zweiten Seite des Flansches gegenüber der Kontaktfläche angebracht ist.
Batterieanordnung nach Anspruch 9, wobei der Körper des elektrischen Anschlusses eine zweite Kontaktfläche aufweist, die an einer elektrischen Lasche der Batteriezelle anliegt, und wobei der Klemmenmantel durch ihn hindurch ein zweites Mantelfenster definiert, das die zweite Kontaktfläche freilegt.