EP4635020A1 - Energiespeichereinheit für einen elektrischen verbraucher - Google Patents

Energiespeichereinheit für einen elektrischen verbraucher

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Publication number
EP4635020A1
EP4635020A1 EP23810363.4A EP23810363A EP4635020A1 EP 4635020 A1 EP4635020 A1 EP 4635020A1 EP 23810363 A EP23810363 A EP 23810363A EP 4635020 A1 EP4635020 A1 EP 4635020A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy storage
storage unit
cell
electrical
battery pack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23810363.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Breitenbach
Florian Kneer
Josef Baumgartner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4635020A1 publication Critical patent/EP4635020A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M50/247—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders specially adapted for portable devices, e.g. mobile phones, computers, hand tools or pacemakers

Definitions

  • the invention relates to an energy storage unit for an electrical consumer according to the preamble of the independent claim.
  • energy storage units also known as rechargeable batteries, battery packs or interchangeable battery packs
  • these are discharged by the electrical consumer and can be recharged using a charger.
  • the energy storage units have a suitably sealed housing (e.g. for IP58).
  • the energy storage units usually consist of a plurality of energy storage cells connected in series and/or parallel to achieve a required battery voltage or capacity. If the energy storage cells are designed as lithium-ion cells (Li-ion), for example, a high power and energy density can be achieved with particular advantage.
  • the electrical cell poles of at least two energy storage cells of the energy storage unit can be electrically connected to one another via at least one cell connector in a series or parallel circuit as a so-called cell cluster or submodule.
  • Such cell clusters allow for easier assembly and scaling of the energy storage units.
  • the electrical connection of the cell connectors to the electrical cell poles is made by means of a material connection, for example by soldering, cold welding or the like.
  • the cell connectors are often designed as flat stamped sheets or tabs, which in turn are electrically connected to a printed circuit board (PCB) of the energy storage unit for monitoring the energy storage cells via electrical connection points on the circuit board.
  • PCB printed circuit board
  • cables and ribbon cables can better decouple mechanical influences such as vibrations and shocks, particularly at their electrical connection points, but often have a limited current-carrying capacity.
  • busbars and stamped grids enable a compact design of the energy storage unit while at the same time having a high current-carrying capacity and are used in particular when punching and bending processes are necessary for shaping and for a special connection geometry. At higher currents, however, they require thicker cross-sections, which result in low flexibility, so that with corresponding mechanical influences there is a risk that the welding points or soldering points will come loose.
  • the invention relates to an energy storage unit for an electrical consumer, with a plurality of energy storage cells, each energy storage cell having two electrical cell poles and the electrical cell poles of at least two energy storage cells being electrically connected to one another in a series or parallel circuit as a cell cluster via at least one cell connector.
  • the energy storage unit has at least two cell clusters which are connected to one another by means of a Two-component (2K) or three-component injection molding (3K) processes are used to connect the cell clusters to one another. This particularly advantageously means that additional assembly devices that hold the individual cell clusters in position during assembly of the energy storage unit can be dispensed with.
  • the cell clusters and the insulating plate connecting them thus form a structural unit that can be used for subsequent assembly steps of the energy storage unit and which, by eliminating additional connecting elements such as screws, adhesives or the like, enables the assembly of the energy storage unit to be made significantly easier and less expensive.
  • a structural unit formed in this way results in additional mechanical stabilization of the cell clusters against vibrations, blows and impacts or the like during use of the energy storage unit. It is particularly advantageous for an outer contour of the insulating plate to essentially correspond to an envelope of the cell clusters in cross-section through a longitudinal axis of the structural unit.
  • the invention further relates to an electrical consumer with an energy storage unit according to the invention and to a system consisting of an electrical consumer designed as a handheld power tool and at least one energy storage unit designed as a removable battery pack.
  • an electrical consumer should be understood as all devices with an electrical load that can be supplied by means of an energy storage unit.
  • the electrical load can be designed as a predominantly inductive load in the form of an electric motor drive. Predominantly ohmic or capacitive loads are also conceivable.
  • Electrically commutated electric motors (so-called EC or BLDC motors) in particular can be considered as electric motor drives, the individual phases of which are controlled via at least one power transistor by pulse width modulation to control or regulate their speed and/or torque.
  • the invention is applicable to battery-operated machine tools for machining workpieces using an electrically driven insert tool.
  • the electrical processing device can be designed both as a portable handheld power tool and as a stationary machine tool.
  • Typical machine tools in this context are hand or pillar drills, screwdrivers, impact drivers, etc. drills, planers, angle grinders, orbital sanders, cell polishing machines or the like.
  • Garden and construction equipment such as lawn mowers, grass trimmers, branch saws, motor and trench cutters, blowers, robot breakers and excavators or the like, as well as measuring devices such as laser rangefinders, wall scanners, etc., can also be considered as electrical consumers.
  • the invention is also applicable to household appliances such as vacuum cleaners, mixers, etc., and electrically powered road and rail vehicles such as e-bikes, e-scooters, pedelecs, electric and hybrid vehicles, etc., as well as aircraft and ships with an energy storage unit according to the invention.
  • An energy storage cell is typically designed as a galvanic cell that has a structure in which a cell pole is located at one end and another cell pole at an opposite end. In particular, the energy storage cell has a positive cell pole at one end and a negative cell pole at an opposite end.
  • the energy storage cells are preferably designed as lithium-based battery cells, e.g. Li-ion, Li-cell polymer, Li-metal or the like. However, the invention is also applicable to energy storage units with Ni-Cd, Ni-Mh cells or other suitable cell types.
  • An energy storage cell is preferably designed as an at least essentially cylindrical round cell, with the cell poles arranged at the ends of the cylinder shape.
  • the invention is not dependent on the type and design of the energy storage cells used, but can be applied to any energy storage units and cells, e.g. in addition to round cells, prismatic cells, pouch cells or the like.
  • the DC voltage values are primarily based on the typical cell voltages of the energy storage cells used.
  • the energy storage unit is designed as a removable battery pack, it can be connected to a corresponding complementary electromechanical interface of the electrical consumer or the charger in a force-locking and/or form-locking manner via the electromechanical interface of the removable battery pack.
  • a "detachable connection" is to be understood in particular as a connection that can be released and established without tools - i.e. by hand.
  • the design of the electromechanical interfaces and their receptacles for the force-locking and/or form-locking releasable connection are not the subject of this invention.
  • a first of the at least two components of the insulating plate is designed as a hard component and a second of the at least two components is designed as a soft component.
  • the hard component essentially serves to stiffen the insulating plate, while the soft component functions as mechanical damping or fixation and tolerance compensation.
  • the soft component has a hardness of 0 to 100 Shore A, preferably 30 to 70 Shore A.
  • the soft component can be used to seal dedicated areas of the energy storage unit or the cell cluster, for example in the form of a sealing lip.
  • a third component of the insulating plate can be designed as a hard or soft component with different material properties than the first and second components.
  • the hard component has a plurality of locking hooks for fastening to the at least two cell clusters.
  • the locking hooks tabs, mushroom heads or corresponding projections and/or recesses, for example in the form of a tongue and groove principle, can alternatively be used for mounting on the cell clusters. In this way, good mechanical stabilization can be achieved on the one hand and very simple and quick assembly of the structural units consisting of the cell clusters and the insulation plate on the other.
  • disassembly and simplified replacement are possible.
  • a further embodiment provides that the locking hooks and/or a plurality of mechanical links are arranged on the insulating plate in such a way that the cell clusters can only be connected to the insulating plate in the sense of a poka-yoke principle. This allows increased process reliability during assembly to be achieved in order to avoid any assembly errors that may also lead to damage to the cell clusters or the energy storage cells.
  • the soft component is preferably designed as a plurality of elastic lamellae and/or domes that are arranged within the hard component and that are connected to one another in particular via webs made of the same material.
  • the plurality of lamellae and/or domes preferably corresponds to the number of energy storage cells of at least one of the cell clusters connected to the insulating plate. In this way, the individual energy storage cells or their cell poles and/or the cell connectors connecting them can be effectively protected from mechanical vibrations, impacts and shocks or the like during use of the energy storage unit.
  • the lamellae and/or domes are circular in shape and that their position corresponds to the electrical cell poles of the cell clusters connected to the insulating plate.
  • the circular lamellae or domes have the advantage that they can be easily pressed together and thus stabilize the assembly. In addition, they can take on an additional sealing function within the structural unit or the energy storage unit.
  • the slats and/or caps are pressed together when the insulation plate is mounted. In addition, this allows the heat generated when the electrical consumer is operating or when charging the energy storage unit to be dissipated or distributed.
  • a further object of the invention may be to provide a high-performance energy storage unit which, compared to the prior art, has the most compact design possible and is also cost-effective to manufacture.
  • the invention relates to an energy storage unit for an electrical consumer, with an electromechanical interface for connecting the energy storage unit to the electrical consumer, with a plurality of energy storage cells, each energy storage cell having two electrical cell poles and the electrical cell poles of at least two energy storage cells being electrically connected to one another in a series or parallel circuit as a cell cluster via at least one cell connector, and with a circuit board that electrically connects the at least one cell connector of the cell cluster to a power supply contact of the electromechanical interface, the power supply contact being electrically connected to a busbar or being designed as a busbar.
  • the busbar is arranged directly on a surface of the circuit board.
  • the busbar can thus be installed cost-effectively by the manufacturer of the circuit board, which improves the robustness of the construction.
  • Rigid busbars in particular with larger cross-sections, can also be installed in a much more customized manner and relieve the load on the connection points.
  • hybrid components e.g. a busbar with a “copper mesh” cable
  • further manufacturing costs can be saved.
  • the circuit board for the busbar has at least one recess into which the busbar dips with at least one section.
  • Dipping should be understood in particular to mean that the corresponding section of the busbar penetrates with a first end into the at least one recess below the surface of the circuit board and emerges with a second end from the at least one recess or another recess above the surface.
  • the corresponding section of the busbar is therefore located at least partially, in particular completely, below the surface of the circuit board.
  • the at least one section of the busbar is inserted into the circuit board in such a way that it protrudes from the surface on the opposite side of the circuit board. This makes it possible to increase the spring effect of the busbar and thus the protection of the electrical connection points or to adapt it to any specifications.
  • the at least one section is wave-shaped, in particular U-, V-, W- or meander-shaped.
  • the at least one section of the busbar can be made of a different, electrically conductive material than the busbar.
  • the at least one section of the busbar has a cross section and/or a thickness that deviates from the cross section and/or the thickness of the busbar.
  • the at least one section of the busbar has a depth that is at least as large as its length along the busbar.
  • a further object of the invention may be to provide a high-performance energy storage unit which, compared to the prior art, has a design which is as compact as possible and protected against environmental influences, in particular dirt, liquids or the like, and which is also cost-effective to produce.
  • a sub-housing of the energy storage unit is formed from an electrically non-conductive material that is open at least on one end face and surrounds the cell cluster with its other sides, and that the busbar is overmolded by the electrically non-conductive material at least on one side of the sub-housing.
  • a sub-housing is to be understood in particular as a housing that is at least partially surrounded by another outer housing and thus cannot be reached in its entirety from the outside.
  • the sub-housing thus forms a sub-housing that is separate or separable from the outer housing, which is partially partially or completely surrounded by the outer casing and is not connected to it by a material fit, but only by a force and/or form fit
  • the electrically non-conductive material of the sub-housing is additionally thermally conductive. This enables increased heat spreading or dissipation and thus improved cooling in the contact area by directly coupling the busbars to an outer housing of the energy storage unit and/or the electrical consumer.
  • the sub-housing has a recess through which the busbar is electrically connected to the power supply contact or a signal or data contact, or through which the busbar is designed as a power supply contact or as a signal or data contact. This allows for reduced assembly effort and a lower susceptibility to errors as a result of a corresponding improvement in quality.
  • the busbar is accessible from both sides at the corresponding contact point.
  • the outer housing of the energy storage unit has at least one removable end cap, whereby the end cap and the at least one open front side of the sub-housing are sealed by means of a sealing lip when assembled.
  • the end cap enables easy maintenance or repair of the energy storage unit because defective components can be replaced by removing the end cap.
  • the sealing lip also ensures a high level of protection against environmental influences in conjunction with the replaceable end cap.
  • the sealing lip engages in a groove that runs around at least one open front side of the sub-housing and/or the end cap.
  • the sealing lip is pressed into the groove of the sub-housing and the area is sealed accordingly.
  • the sub-housing has a pressure equalization opening on one side, through which pressure equalization between the sealed sub-housing and the environment can take place with particular advantage. This prevents damage to the sensitive components of the energy storage unit, such as the electronics or the energy storage cells, due to any unfavorable pressure conditions inside the sub-housing compared to the environment.
  • the pressure equalization opening is sealed by a pressure equalization membrane. This allows gas and moisture to exchange between the sub-housing of the energy storage unit and the environment, but the special material properties of the pressure equalization membrane prevent water and dirt from entering the interior of the energy storage unit.
  • a further object of the invention may be to provide a high-performance energy storage unit which, compared to the prior art, has a design which is as compact as possible and protected against environmental influences, in particular dirt, liquids or the like, and which is also cost-effective to produce.
  • the invention relates to an energy storage unit for an electrical consumer, with an outer housing that serves to accommodate a plurality of energy storage cells, wherein the outer housing has an electromechanical interface on a first side wall or a top side for a tool-free detachable connection to an electromechanical interface of the electrical consumer.
  • a housing part is arranged on or in the outer housing, which consists of at least three different injection-molded components.
  • the housing part is therefore manufactured in a three-component injection molding process.
  • the variety of the individual components of the energy storage unit can be reduced compared to a housing part manufactured in a two-component injection molding process by a corresponding functional integration into existing components by means of a further injection-molded component. On the one hand, this helps to reduce manufacturing costs and, on the other hand, to improve the quality of the energy storage unit due to reduced assembly effort and a resulting reduced susceptibility to errors.
  • the at least three injection-molded components of the housing part are formed by a hard component, a soft component and at least a third injection-molded component, wherein the third injection-molded component differs from the hard component and the soft component in its material properties.
  • the hard component can be made of a thermoplastic plastic, for example PC/ABS or PA/GF, and the soft component can be made of a thermoplastic elastomer (TPE).
  • TPE thermoplastic elastomer
  • the hard component thus essentially serves to stiffen and shock-resistant the energy storage unit, while the soft component in conjunction with the hard component enables improved handling of the energy storage unit as well as mechanical damping or fixation, improved sealing and/or tolerance compensation of the energy storage cells or the cell clusters.
  • the soft component has a hardness of 0 to 100 Shore A, preferably 30 to 70 Shore A.
  • a third injection molding component could be, for example, a harder or softer TPE, but also a metal insert or a hard plastic in order to adapt the energy storage unit or its energy storage cells to special requirements with regard to impact and vibration resistance, tightness and/or operability.
  • the housing part can be designed as an end cap that can be detachably attached to a front side of the outer housing of the energy storage unit or the electrical consumer.
  • a base body of the end cap is formed from the hard component and at least a first side of the end cap is overmolded, in particular almost completely, by the soft component. This results in improved handling for an operator, for example in that there is more grip, especially with wet hands.
  • overmolded hard components with the soft component results in increased robustness against impacts, for example if the energy storage unit or the electrical consumer falls down.
  • the soft component forms a sealing lip injected into a groove in the hard component on a second side of the end cap.
  • this improves the sealing of the energy storage unit or the electrical consumer against moisture, liquids, dust and other forms of dirt, and on the other hand, it makes the end cap much easier to install, as the sealing lip does not have to be inserted separately into the groove.
  • the soft component forms a plurality of damping elements sprayed onto projections of the hard component on a second side of the end cap, which serve to axially and/or radially dampen the energy storage cells.
  • the energy storage unit is more robust against any shocks and impacts as well as vibrations that can occur when working with the electrical consumer.
  • the damping elements serve to better fix the energy storage cells or the cell clusters within the energy storage unit.
  • the usability of the energy storage unit can be increased by the third injection-molded component being another soft component made of a transparent or translucent, in particular thermoplastic, elastomer.
  • the third injection-molded component can thus serve, for example, as a charge level indicator for the energy storage unit, with the light from individual LEDs mounted on a circuit board of the energy storage unit being guided outwards by the third injection-molded component designed as a light guide.
  • the third injection-molded component is injected into a recess in the hard component, which is preferably not overmolded by the soft component. This particularly advantageously increases the robustness of the energy storage unit through additional sealing in the area of the charge level indicator.
  • the usability of the energy storage unit can be improved while still maintaining a high level of robustness by injecting at least one actuating element and/or at least one optical separating element into the third injection-molded component, which is formed in particular from the hard component or a comparable thermoplastic.
  • the charge level indicator can be activated for a defined time window by briefly pressing the actuating element. It would also be conceivable to start a quick charging process or something similar.
  • Using at least one optical separating element it is possible to distinguish different charge levels of the energy storage unit more clearly from one another, because this avoids scattered light between the individual LEDs that display the charge levels.
  • Fig. 1 a system consisting of at least one electrical energy storage device designed as a removable battery pack and at least one electrical device that can be connected to the removable battery pack for charging or discharging the removable battery pack in a schematic representation,
  • Fig. 2 a perspective view of the interior of the removable battery pack in a reassembled state
  • Fig. 3 a perspective view of a structural unit consisting of two cell clusters according to Figure 2 in a disassembled state
  • Fig. 4 a perspective view of an insulating plate of the cell
  • Cluster according to Figure 3 formed housing part of the removable battery pack in a first embodiment (Figure 4a) and in a second embodiment as a detail enlargement (Figure 4b),
  • Fig. 5 a section through the assembled unit according to
  • Fig. 6 a perspective view of the assembled interior of the removable battery pack according to Figure 2,
  • Fig. 7 a section along the longitudinal axis through the fully assembled removable battery pack (Figure 7a) and an enlarged detail of a sealing lip for sealing the removable battery pack (Figure 7b),
  • Fig. 8 a section along the longitudinal axis to illustrate pressure equalization of the removable battery pack or the sub-housing
  • Fig. 9 a perspective view of a circuit board of the removable battery pack with busbars arranged on it
  • Fig. 10 a busbar of the removable battery pack in a side view in an undeformed and in a deformed state
  • Fig. 11 a perspective view of a housing part of the interchangeable battery pack designed as an end cap in an internal view ( Figure 11 a) and in an external view ( Figure 11 b).
  • Figure 1 shows a system comprising an energy storage unit 12 designed as a removable battery pack 10 with an electromechanical interface 16 having a plurality of electrical contacts 14 and various electrical devices 18, each with an electromechanical interface 20 corresponding to the electromechanical interface 16 of the removable battery pack 10.
  • Figure 1 is intended illustrate that the system is suitable for various electrical devices 18 operated with interchangeable battery packs 10 without limiting the invention.
  • a charger 22 and several electrical consumers 30 designed as a cordless vacuum cleaner 24, a cordless impact wrench 26 and a cordless light 28 are shown as examples. In the context of the invention, however, a wide variety of power tools, garden tools and household appliances can be considered as electrical consumers 30.
  • the number of interchangeable battery packs 10 within the system is also variable.
  • the system can therefore also comprise several interchangeable battery packs 10.
  • the invention is also applicable to electrical consumers 30 which have purely ohmic and/or capacitive electrical loads, so that the power tools shown here are to be understood merely as examples.
  • the removable battery pack 10 has an outer housing 32, which has the electromechanical interface 16 on a first side wall or its top side 34 for the connection to the electromechanical interface 20 of the electrical device 18 that can be released without tools - i.e. by hand.
  • the electromechanical interface 16 of the removable battery pack 10 has two guide rails 36, which, when inserted, are guided into corresponding guide grooves (not shown) of the electromechanical interface 20 of the electrical consumer 30 or the charger 22.
  • the electromechanical interfaces 16, 20 primarily serve to discharge the removable battery pack 10, while in connection with the charger 22 they can be used to charge the removable battery pack 10.
  • the precise design of the electromechanical interfaces 16, 20 depends on various factors, such as the voltage class of the removable battery pack 10 or the electrical device 18 and various manufacturer specifications. For example, three or more electrical contacts 14 can be provided for energy and/or data transmission between the removable battery pack 10 and the electrical device 18.
  • Mechanical coding is also conceivable, so that the removable battery pack 10 can only be operated with certain electrical devices 18. Since the mechanical design of the electromechanical interfaces 16, 20 of the removable battery pack 10 and the electrical device 18 is irrelevant to the invention, this will not be discussed in further detail here. Both a Both a specialist and an operator of the removable battery pack 10 and the electrical device 18 will make the appropriate selection in this regard.
  • the removable battery pack 10 has a sub-housing 38, which preferably consists of a thermally conductive material (e.g. a thermoplastic polyethylene such as PH-HD) and is partially surrounded by the outer housing 32.
  • the sub-housing 38 forms a housing that is separate or separable from the outer housing 32 and is connected to the outer housing 32 in a force-fitting and/or form-fitting manner.
  • additional housing parts in the form of detachable end caps 40 are provided by screw connections, which fix the sub-housing 38 in the outer housing 32.
  • the removable battery pack 10 and the charger 22 or the electrical consumer 30 have mutually corresponding electromechanical interfaces 16 and 20 with a plurality of electrical contacts 14, wherein a first of the electrical contacts 14 of the electromechanical interfaces 16, 20 serves as a power supply contact 42 to which a first reference potential Vi, preferably a supply potential V+, is applied, and a second of the electrical contacts 14 of the interfaces 16, 20 serves as a power supply contact 44 to which a second reference potential V2, preferably a ground potential GND, is applied (see Figure 2).
  • the removable battery pack 10 can be charged by the charger 22 via the first and second power supply contacts 42, 44.
  • the removable battery pack 10 can also be discharged via this in the event that the electrical device 18 is designed as an electrical consumer 30.
  • loadable is intended to clarify that the potentials V+ and GND are not permanently present at the power supply contacts 42, 44, particularly in the case of an electrical device 18 designed as an electrical consumer 30, but only after the electromechanical interfaces 16, 20 have been connected. The same applies to a discharged removable battery pack 10 after connection to the charger 22.
  • the electromechanical interfaces 16, 20 can also have further electrical contacts 14, which are designed in particular as signal or data contacts 46.
  • Information on various operating parameters of the removable battery pack 10, such as the battery voltage Ußatt, the cell voltages Uceii, a temperature T measured in the removable battery pack 10, a charging or discharging current I, a coding or the like, can be transmitted to the electrical consumer 30 or the charger 22 via the signal or data contacts 46 for evaluation there.
  • the electronics of the electrical consumer 30 or the charger 22 can control or regulate the discharging or charging process using these operating parameters.
  • FIG 2 shows the interior of the removable battery pack 10 shown in Figure 1 before it is fully assembled.
  • the sub-housing 38 of the removable battery pack 10 is designed such that it can accommodate two so-called cell clusters 48.
  • the battery voltage of the removable battery pack 10 is generally a multiple of the cell voltages of the energy storage cells depending on their connection (parallel or series).
  • the energy storage cells are preferably designed as lithium-based battery cells, e.g. Li-Ion, Li-Po, Li-metal or the like.
  • the invention can also be used for removable battery packs with Ni-Cd, Ni-MH cells or other suitable cell types.
  • the ten energy storage cells 50 of a cell cluster 48 are laterally offset from one another and divided into four layers arranged one above the other, with two layers each having two energy storage cells 50 and two further layers each having three energy storage cells 50.
  • Each energy storage cell 50 has a positive and a negative cell pole 54 on both of its front sides.
  • the individual cell poles 54 of the energy storage cells 50 of a cell cluster 48 are electrically connected to one another via cell connectors 56 in such a way that a series and parallel connection of the energy storage cells 50 results in a resulting cluster voltage Uci of 18 V with a capacity of at least 6 Ah.
  • Both cell clusters 48 are connected in series so that a battery voltage Ußatt of 36 V is achieved.
  • the cell connectors 56 are designed as flat stamped sheets which are connected on the one hand via contact timing points 58 with the cell poles 54 and on the other hand at an open end 60 with an electrical connection point of a circuit board 62 in a material-locking manner, for example by means of soldering, resistance welding, cold welding or the like.
  • At least one of the cell connectors 56 has an SCM tap (not shown in detail) for single cell monitoring, which is integrally connected to the cell connector 56 and is preferably arranged between the open end 60 for electrical contact with the circuit board 62 and the contact points 58 for electrical contact with the cell poles 54 of the energy storage cells 50.
  • the SCM tap is connected in a materially bonded manner, for example by soldering, to a cable, which in turn establishes an electrical connection to an SCM pre-stage of a corresponding electronics of the removable battery pack 10 (not shown).
  • the SCM pre-stage switches sequentially between the individual SCM taps of the cell connectors 56, for example via integrated transistors, in such a way that it is connected to a positive and a negative cell pole 54 of the energy storage cell 50 or the cell cluster 48 to be measured.
  • the electronics of the removable battery pack 10 can have an integrated circuit in the form of a microprocessor, ASIC, DSP or the like for controlling or regulating the charging or discharging process. It is also conceivable that the control or regulation takes place by means of several microprocessors or at least partially by means of discrete components with corresponding transistor logic.
  • the electronics can have a memory for storing the operating parameters. Since such electronics are known to the person skilled in the art, this will not be discussed further here.
  • the cell connector 54 of one of the two cell clusters 48 which is supplied with the first reference voltage Vi, is electrically connected to the power supply contact 42 of the electromechanical interface 16 (see also Figures 7a and 8). Accordingly, the cell connector 54 of the other cell cluster 48, which is supplied with the second reference voltage V2, is also electrically connected to the power supply contact 44 of the electromechanical interface 16. Interface 16 is connected via a further busbar 64, which is arranged directly on the surface of the circuit board 62.
  • the opposing cell connectors 56 of the two cell clusters 48 must be electrically insulated from one another in order to prevent any short circuits during later operation.
  • These tasks are performed by a housing part that is designed as an insulating plate 66 arranged between the cell clusters 48 and manufactured using a two-component (2K) or three-component (3K) injection molding process. This means that additional assembly devices that hold the individual cell clusters 48 in position during assembly of the removable battery pack 10 can be dispensed with.
  • Figure 3 illustrates the assembly according to Figure 2 consisting of the two cell clusters 48 and the insulating plate 66 in a disassembled structure, wherein an outer contour of the insulating plate 66 essentially corresponds to an envelope 68 of the cell clusters 48 in cross section through a longitudinal axis 70 of the assembly.
  • the assembly facilitates the subsequent assembly steps of the removable battery pack 10. By eliminating additional connecting elements such as screws, adhesives or the like, this enables a significant simplification and cost reduction in the assembly of the removable battery pack 10.
  • the at least two injection-molded components of the insulating plate 66 are formed by a hard component 72 (for example a thermoplastic or duroplastic or duromer) and a soft component 74 (for example an elastomer such as rubber, silicone or the like).
  • the hard component 72 essentially serves to stiffen the insulating plate 66, while the soft component 74 acts as mechanical damping or fixation and tolerance compensation.
  • the soft component 74 has a hardness of 0 to 100 Shore A, preferably 30 to 70 Shore A.
  • the soft component 74 can be used to seal dedicated areas of the removable battery pack 10 or the cell clusters 48.
  • Figure 4a shows the insulating plate 66 consisting of the hard component 72 and the soft component 74 in a perspective detailed view.
  • the hard component 74 has three locking hooks 76 on each side (see also Figure 3).
  • the locking hooks 76 tabs, mushroom heads or corresponding projections and/or recesses, for example in the form of a tongue and groove principle, can alternatively be used for fastening to the cell clusters 48.
  • the number of fastening elements can vary depending on the design of the cell clusters 48, for example depending on the number N of energy storage cells 50.
  • the locking hooks 76 can be used on the one hand to achieve good mechanical stabilization and on the other hand to achieve very simple and quick assembly of the structural units consisting of the cell clusters 48 and the insulating plate 66.
  • the locking hooks 76 and/or a plurality of mechanical guides 78 are arranged on the insulating plate 66 in such a way that the cell clusters 48 can only be connected to the insulating plate 66 in accordance with a poka-yoke principle. This allows increased process reliability during assembly to be achieved in order to avoid any assembly errors that may also lead to damage to the cell clusters 48 or the energy storage cells 50.
  • the soft component 74 is designed as a plurality M of elastic lamellae 80, which are arranged within the hard component 72 and are connected to one another via webs 82 of the same material.
  • the plurality M of lamellae 80 preferably corresponds to the number N of energy storage cells 50 of at least one of the cell clusters 48 connected to the insulating plate 66.
  • the individual energy storage cells 50 or their cell poles 54 and/or the cell connectors 56 connecting them or their contact points 58 can be effectively protected from mechanical vibrations, blows and impacts or the like during use of the removable battery pack 10.
  • the heat generated during operation of the electrical consumer 22 or during charging of the removable battery pack 10 can be dissipated or distributed.
  • the lamellae 80 circular in shape. Their position corresponds to the cell poles 54 of the cell clusters 48 connected to the insulating plate 66.
  • the pressing takes place in the assembled state of the insulating plate 66, so that the energy storage cells 50 and/or the cell connectors 56 can be held in position and the robustness of the removable battery pack 10 can be further improved.
  • the domes 83 shown in Figure 4b can also be used as part of the soft component 74.
  • Figure 6 shows the assembly of the removable battery pack 10 according to Figure 2 inserted into the sub-housing 38.
  • the sub-housing 38 is designed to be open at least on one end face 84, while it surrounds the assembly consisting of the cell clusters 42 and the insulating plate 66 with its other sides.
  • the sub-housing 38 also carries the electrical contacts 14 designed as the first and second power supply contacts 42, 44 and as the signal or data contact 46.
  • the electrical contacts 14 are designed as contact tulips, each of which is electrically connected to the busbars 64 in a material-locking manner through a recess 86 in the sub-housing 38.
  • the busbars 64 In order to enable the contact tulips to be welded on, the busbars 64 must be accessible on both sides at the corresponding contact points.
  • the busbars 64 are in turn overmolded with the material of the sub-housing 38 on a side adjacent to the circuit board 62 of the assembly. For this reason, the material of the sub-housing 38 must not be electrically conductive. If the exchangeable battery pack 10 with its electromechanical interface 16 is inserted into the corresponding counter-interface 20 of the electrical device 18 (cf. Figure 1), the contacts 14 of the electromechanical interfaces 20 of the electrical device 18, which are designed as flat metal webs, engage in the contact tulips to create an electrical connection.
  • busbars 64 By overmolding the busbars 64, the area around them is sealed accordingly and prevents liquid and dirt from entering the interior of the removable battery pack 10. This also increases the protection of sensitive components of the removable battery pack 10, such as the electronics or the energy storage cells 50, by appropriately isolating them from the environment. In addition, increased heat spreading or dissipation and thus improved cooling in the contact area is possible through the direct coupling of the busbars 64 to the outer housing 32 of the removable battery pack 10 and/or the electrical consumer 22.
  • busbars 64 injected into the sub-housing 38 facilitate the assembly of the removable battery pack 10 because the assembly consisting of the cell clusters 48 and the insulating plate 66 can very easily be inserted laterally into the sub-housing 38 through the opening on its front side 84.
  • Figure 7 shows a section through the fully assembled removable battery pack 10 along the longitudinal axis 70.
  • the two end caps 40 seal the sub-housing 38 at its open end faces 84 by means of a sealing lip 88.
  • the sealing lip 88 is preferably made of an elastomer such as rubber, silicone or the like and engages in a groove 90 running around the open end faces 84 of the sub-housing 38 and the end caps 40.
  • Figure 7b illustrates this using an enlarged detail of the area marked in Figure 7a.
  • Figure 6 also shows the groove 90 running around the end face 84 of the sub-housing 38 in a perspective view.
  • the sealing lip 90 is preferably injected or inserted into the groove 90 of the end caps 90 before the end caps 90 are mounted.
  • the sealing lip 90 is pressed into the groove 90 of the sub-casing 38 and seals the area surrounding it accordingly.
  • the end caps 40 are particularly advantageous in that they enable easy maintenance or repair of the removable battery pack 10, because defective components can be easily replaced by removing at least one of the end caps 40, by pulling the assembly consisting of the cell clusters 48 and the insulating plate 66 out of the open front side 84 of the Sub-housing 38 can be pulled out.
  • the sealing lip 88 in conjunction with the exchangeable end caps 40 ensures a high level of protection against environmental influences.
  • the sub-housing 38 has a pressure equalization opening 92 on one side, in particular on a side facing the circuit board 62, via which pressure equalization can take place between the sub-housing 38 sealed by the end caps 40 and the environment.
  • the pressure equalization opening 92 is sealed by a pressure equalization membrane 94. On the one hand, this enables gas and moisture to be exchanged between the sub-housing 38 and the environment, but on the other hand, the special material properties of the pressure equalization membrane 94 can prevent water and dirt from entering the interior of the removable battery pack 10.
  • Air-permeable, fine-pored membranes made of PTFE (polytetrafluoroethylene) are particularly suitable as the pressure equalization membrane 94.
  • these membranes can be coated oleophobically on at least one side, so that certain liquids roll off their outside.
  • Figure 8 shows a temperature measurement concept of the removable battery pack 10 using a flexible film 100 with two integrated temperature sensors 102 designed as NTCs, whereby the flexible film 100 is guided through two recesses 96 of the circuit board 62 on its upper side for electrical contact.
  • the temperature sensors 102 of the flexible film 100 are each pressed onto the outer surface of the energy storage cells 50 to be measured by a foam element 104 that is supported on the circuit board 62.
  • the flexible film 100 is electrically connected via the circuit board 62 to the electronics of the removable battery pack 10, which evaluates the measured temperature of the energy storage cells 50 and controls the charging or discharging process depending on this.
  • the circuit board 62 has recesses 96 for the busbars 64, into which the busbars 64 can be inserted with at least one a wave-shaped, in particular U-shaped, section 98.
  • the at least one section 98 is located below the surface of the circuit board 62. This makes it very efficient and easy to accommodate a tension and/or impact relief for the busbars 64 in the installation space of the circuit board 62, which enables a particularly compact design of the removable battery pack 10. In addition, a greater mobility of the busbars 64 is achieved.
  • the busbar 64 can deform elastically in the area of the at least one recess 96 of the circuit board 62 in order to reduce the introduced force as deformation energy. This leads to a relief of the electrical connection point 106 and the busbar 64. Corresponding connection points on the circuit board can also be relieved.
  • Figure 10 shows a section of the busbar 64 in the area of the U-shaped section 98 according to Figure 9 in the undeformed and deformed state, with the deformation shown being clearly exaggerated for better understanding. It is particularly advantageous for the U-shaped section 98 of the busbar 64 to have a depth extension T that is at least as large as its length extension L along the busbar 64. This makes it possible to increase the spring effect of the busbar 64 and thus the protection of the electrical connection point 106 or to adapt it to any specifications.
  • a wave shape in this context should also be understood as a shape with steep rectangular flanks.
  • the entire section 98 is below the Surface of the circuit board 62.
  • the at least one section 98 again partially protrudes from the surface of the side on which the busbar 64 is located.
  • the at least one section 98 of the busbar 64 can be made of a different, electrically conductive material than the rest of the busbar 64.
  • the busbar 64 is made of copper and the section 98 is made of aluminum, tungsten, silver, gold or the like. Additionally or alternatively, it can be provided that the at least one section 98 of the busbar 64 has a cross section and/or a thickness that differs from the cross section and/or the thickness of the rest of the busbar 64. For example, a smaller cross section and/or a smaller thickness of the section 98 offers greater flexibility and spring action, while a larger cross section and/or a greater thickness can be used, in particular in conjunction with a copper mesh as an additional material.
  • Figure 11 a shows a perspective view of the housing part of the removable battery pack 10 according to Figure 1, designed as an end cap 40, in an internal view.
  • Figure 11 b shows the end cap 40 in an external view.
  • the end cap 40 is manufactured in a three-component injection molding process and thus consists of three different injection molding components.
  • a base body 108 of the end cap 40 is formed from the hard component 74 and is molded, in particular almost completely, by the soft component 74 on at least a first side, in particular an outer side, of the end cap 40. This results in improved handling for an operator, for example in that there is more grip, especially with wet hands.
  • this improves the sealing of the removable battery pack 10 or the electrical consumer 30 against moisture, liquids, dust and other forms of dirt, and on the other hand, it makes the assembly of the end cap 40 much easier, since the sealing lip 88 does not have to be inserted separately into the groove 90.
  • a further improvement in the usability of the removable battery pack 10 can be achieved by injecting at least one actuating element 124 and/or at least one optical separating element 126 into the third injection-molded component 116, which is formed in particular from the hard component 72 or a comparable thermoplastic.
  • the charge level indicator 118 can be activated for a defined time window by briefly pressing the actuating element 124.
  • the at least one optical separating element 126 makes it possible to distinguish different charge levels of the removable battery pack 10 more clearly from one another, because this avoids scattered light between the individual LEDs that display the charge levels.
  • the embodiments shown are not limited to Figures 1 to 11 or to the shape, number and size of the energy storage cells 50 and the busbars 64 shown therein.
  • the number and shape of the cell clusters 48 of the removable battery pack 10 can also vary accordingly. This also applies in particular to the sub-housing 38, the end caps 40, the insulating plate 66 and the circuit board 62 of the removable battery pack 10.
  • several insulating plates 66, circuit boards 62 and sub-housings 38 can also be used within the outer housing 32 of the removable battery pack 10.
  • the design and number of the end caps 40 are also not limited to the embodiments shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit (12) für einen elektrischen Verbraucher (20), mit einer Mehrzahl (N) von Energiespeicherzellen (50), wobei jede Energiespeicherzelle (50) zwei elektrische Zellpole (54) aufweist und die elektrischen Zellpole (54) zumindest zweier Energiespeicherzellen (50) über zumindest einen Zellverbinder (56) elektrisch leitend in einer Reihen- oder Parallelschaltung als ein Zell-Cluster (48) miteinander verbunden sind. Es wird vorgeschlagen, dass die Energiespeichereinheit (12) zumindest zwei Zell-Cluster (48) aufweist, die mittels einer in einem Zwei- oder Dreikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellten Isolierplatte (66) miteinander verbunden sind. Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrischer Verbraucher (30) mit der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit (12) sowie ein System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine (24, 26, 28) ausgebildeten elektrischen Verbraucher (30) und zumindest einer als ein Wechselakkupack (10) ausgebildeten, erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit (12).

Description

Beschreibung
Titel
Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern wird mit vom Bediener werkzeuglos wechselbaren Energiespeichereinheiten (auch Akkus, Akkupacks oder Wechselakkupacks bezeichnet) betrieben, die durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. Zur Erzielung einer gewünschten IP-Schutzart (Ingress Protection) weisen die Energiespeichereinheiten ein entsprechend abgedichtetes Gehäuse auf (z.B. für IP58). In der Regel bestehen die Energiespeichereinheiten aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel verschalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Batteriespannung bzw. -kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine hohe Leistungs- und Energiedichte erreichen.
Die elektrischen Zellpole zumindest zweier Energiespeicherzellen der Energiespeichereinheit können über zumindest einen Zellverbinder elektrisch leitend in einer Reihen- oder Parallelschaltung als ein so genanntes Zell-Cluster bzw. Submodul miteinander verbunden sein. Derartige Zell-Cluster erlauben eine einfachere Montage und Skalierung der Energiespeichereinheiten. Die elektrische Anbindung der Zellverbinder an die elektrischen Zellpole erfolgt dabei mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, beispielsweise durch Löten, Kaltschweißen oder dergleichen. Die Zellverbinder sind häufig als flache Stanzbleche bzw. - laschen ausgebildet, die ihrerseits elektrisch mit einer Leiterplatte (PCB - Printed Circuit Board) der Energiespeichereinheit zur Überwachung der Energiespeicherzellen über elektrische Anschlusspunkte der Leiterplatte verbunden sind.
Zur Energieübertragung zwischen der Energiespeichereinheit und dem elektrischen Verbraucher bzw. dem Ladegerät werden entsprechende Energieversorgungskontakte einer elektromechanischen Schnittstelle genutzt, die über starre Stromschienen, Stanzgitter etc. oder über flexible Kabel, Flachbandleitungen, etc. stoffschlüssig mit der Leiterplatte und/oder den Zellverbindern elektrisch verbunden sind. Kabel und Flachbandleitungen können durch ihre Flexibilität und Schwingfähigkeit mechanische Einflüsse wie Vibrationen und Stöße insbesondere an ihren elektrischen Anschlusspunkten besser entkoppeln, weisen jedoch häufig eine begrenzte Stromtragfähigkeit auf. Stromschienen und Stanzgitter ermöglichen durch ihre flache Bauweise eine kompakte Gestaltung der Energiespeichereinheit bei gleichzeitig hoher Stromtragfähigkeit und kommen insbesondere dann zum Einsatz, wenn Stanz-Biege-Prozesse zur Formgestaltung und für eine besondere Anschlussgeometrie notwendig sind. Bei höheren Strömen erfordern sie jedoch dickere Querschnitte, die eine geringe Flexibilität bewirken, so dass bei entsprechenden mechanischen Einflussgrößen die Gefahr besteht, dass sich die Schweißpunkte oder Lötstellen lösen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine leistungsstarke Energiespeichereinheit bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine möglichst kompakte Bauform aufweist und zudem kostengünstig herzustellen ist.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher, mit einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen, wobei jede Energiespeicherzelle zwei elektrische Zellpole aufweist und die elektrischen Zellpole zumindest zweier Energiespeicherzellen über zumindest einen Zellverbinder elektrisch leitend in einer Reihen- oder Parallelschaltung als ein Zell-Cluster miteinander verbunden sind. Zur Lösung der obigen Aufgabe ist vorgesehen, dass die Energiespeichereinheit zumindest zwei Zell-Cluster aufweist, die mittels einer in einem Zwei- (2K) oder Dreikomponenten-Spritzgussverfahren (3K) hergestellten Isolierplatte miteinander verbunden sind. In besonders vorteilhafter Weise kann dadurch auf zusätzliche Montagevorrichtungen, welche die einzelnen Zell-Cluster während einer Montage der Energiespeichereinheit in Position halten, verzichtet werden. Somit bilden die Zell-Cluster und die sie verbindende Isolierplatte eine Baueinheit, die für nachfolgende Montageschritte der Energiespeichereinheit genutzt werden kann und die durch den Entfall zusätzlicher Verbindungselemente, wie Schrauben, Klebstoffe oder ähnliches eine deutliche Vereinfachung und Kostenreduzierung der Montage der Energiespeichereinheit ermöglicht. Darüber hinaus ergibt sich durch eine derart gebildete Baueinheit eine zusätzliche mechanische Stabilisierung der Zell-Cluster gegenüber Vibrationen, Schlägen und Stößen oder dergleichen während der Nutzung der Energiespeichereinheit. Mit besonderem Vorteil entspricht eine Außenkontur der Isolierplatte im Wesentlichen einer Einhüllenden der Zell-Cluster im Querschnitt durch eine Längsachse der Baueinheit.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrischen Verbraucher mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit sowie ein System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine ausgebildeten elektrischen Verbraucher und zumindest einer als ein Wechselakkupack ausgebildeten Energiespeichereinheit. Als elektrischer Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen jedoch grundsätzlich alle mittels einer Energiespeichereinheit versorgbaren Geräte mit einer elektrischen Last verstanden werden. Die elektrische Last kann dabei als eine überwiegend induktive Last in Gestalt eines elektromotorischen Antriebs ausgebildet sein. Ebenso sind überwiegend ohmsche oder kapazitive Lasten denkbar. Als elektromotorische Antriebe kommen insbesondere elektrisch kommutierte Elektromotoren (so genannte EC- bzw. BLDC-Motoren) in Frage, deren einzelne Phasen über zumindest einen Leistungstransistor per Pulsweitenmodulation zur Steuerung bzw. Regelung ihrer Drehzahl und/oder ihres Drehmoments angesteuert werden. In diesem Zusammenhang ist die Erfindung auf akkubetriebene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs anwendbar. Dabei kann das elektrische Bearbeitungsgerät sowohl als tragbare Handwerkzeugmaschine als auch als stationäre Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Werkzeugmaschinen sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlag- bohrmaschinen, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Zellpoliermaschinen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Gebläse, Roboter- Breaker und -Bagger oder dergleichen, sowie Messgeräte, wie Laser-Entfernungsmesser, Wandscanner, etc., in Frage. Weiterhin ist die Erfindung auf Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc., und elektrisch angetrieben Straßen- und Schienenfahrzeuge, wie z.B. E-Bikes, E-Scooter, Pedelecs, Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge, etc., sowie Flugzeuge und Schiffe mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit anwendbar.
Die Spannungsklasse der Energiespeichereinheit ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen in der Energiespeichereinheit integrierten Energiespeicherzellen und ist in der Regel ein ganzzahliges Vielfaches (>= 1) der Spannung der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicherzelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommt. Insbesondere weist die Energiespeicherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-Ion, Li-Zellpolymer, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Energiespeichereinheiten mit Ni-Cd-, Ni-Mh-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-Ion- Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 38 V etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Energiespeichereinheiten und -zellen, z.B. neben Rundzellen auch prismatische Zellen, Pouchzellen oder dergleichen, angewendet werden. Die Gleichspannungswerte richten sich in erster Linie nach den typischen Zellspannungen der verwendeten Energiespeicherzellen. So sind z.B. für Pouch-Zellen und/oder Zellen mit anderer elektrochemischer Zusammensetzung Spannungswerte möglich, die von denjenigen der mit Li-Ion-Zellen ausgestatteten Energiespeichereinheiten abweichen. Ist die Energiespeichereinheit als Wechselakkupack ausgebildet, kann sie über die elektromechanische Schnittstelle des Wechselakkupacks mit einer entsprechend komplementären, elektromechanischen Schnittstelle des elektrischen Verbrauchers bzw. des Ladegeräts kraft- und/oder formschlüssig lösbar verbunden werden. Unter einer „lösbaren Verbindung“ soll insbesondere eine werkzeuglos - also von Hand - lösbare und herstellbare Verbindung verstanden werden. Die Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen und ihrer Aufnahmen zur kraft- und/oder formschlüssig lösbaren Verbindung sollen nicht Gegenstand dieser Erfindung sein. Ein Fachmann wird je nach Leistungs- bzw. Spannungsklasse eines elektrischen Verbrauchers und/oder eines Wechselakkupacks eine geeignete Ausführungsform für die elektromechanische Schnittstelle wählen, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden soll. Die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen sind daher nur exemplarisch zu verstehen. So können insbesondere auch Schnittstellen mit mehr als den dargestellten elektrischen Kontakten zum Einsatz kommen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste der zumindest zwei Komponenten der Isolierplatte als eine Hartkomponente und eine zweite der zumindest zwei Komponenten als eine Weichkomponente ausgebildet ist. Dabei dient die Hartkomponente im Wesentlichen der Versteifung der Isolierplatte, während die Weichkomponente als mechanische Dämpfung bzw. Fixierung sowie Toleranzausgleich fungiert. Die Weichkomponente weist dazu eine Härte von 0 bis 100 Shore A, vorzugsweise von 30 bis 70 Shore A, auf. Zudem kann die Weichkomponente zur Abdichtung dedizierter Bereiche der Energiespeichereinheit bzw. der Zell-Cluster beispielswiese in Form einer Dichtlippe verwendet werden. Im Falle eines Dreikomponenten-Spritzgussverfahren (3K) kann eine dritte Komponente der Isolierplatte als eine Hart- oder Weichkomponente mit gegenüber der ersten und der zweiten Komponente unterschiedlichen Materialeigenschaften ausgebildet sein. Hier könnten beispielsweise eine härteres oder weicheres TPE oder auch Metalleinleger für die Isolierplatte in Frage kommen, um die Isolierplatte an besondere Vorgaben für die Energiespeichereinheit hinsichtlich ihrer Schlag- und Vibrationsfestigkeit und/oder ihrer Dichtigkeit anzupassen. Die Hartkomponente weist eine Mehrzahl von Rasthaken zur Befestigung an den zumindest zwei Zell-Clustern auf. Statt der Rasthaken können alternativ auch Laschen, Pilzköpfe oder entsprechende Vorsprünge und/oder Ausnehmungen, beispielsweise in Form eines Nut-Feder-Prinzips, zur Montage an den Zell-Clustern genutzt werden. Auf diese Art kann einerseits eine gute mechanische Stabilisierung und andererseits eine sehr einfache und schnelle Montage, der aus den Zell-Clustern und der Isolierplatte bestehenden Baueinheiten erzielt werden. Zudem besteht im Falle einer Beschädigung eines der Zell-Cluster bzw. einzelner Energiespeicherzellen die Möglichkeit einer Demontage und eines vereinfachten Austausches.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Rasthaken und/oder eine Mehrzahl von mechanischen Kulissen derart an der Isolierplatte angeordnet sind, dass die Zell-Cluster nur im Sinne eines Poka-Yoke-Prinzips mit der Isolierplatte verbindbar sind. Somit kann eine erhöhte Prozesssicherheit beim Zusammenbau erzielt werden, um etwaige Montagefehler, die ggf. auch zu einer Beschädigungen der Zell-Cluster bzw. der Energiespeicherzellen führen, zu vermeiden.
Die Weichkomponente ist vorzugweise als eine Mehrzahl elastischer Lamellen und/oder Kalotten ausgebildet, die innerhalb der Hartkomponente angeordnet sind und die insbesondere über Stege desselben Materials miteinander verbunden sind. Dabei entspricht die Mehrzahl der Lamellen und/oder Kalotten vorzugsweise der Anzahl von Energiespeicherzellen mindestens eines der mit der Isolierplatte verbundenen Zell-Clusters. Auf diese Weise können die einzelnen Energiespeicherzellen bzw. deren Zellpole und/oder die sie verbindenden Zellverbinder wirkungsvoll vor mechanischen Vibrationen, Schlägen und Stößen oder dergleichen während der Nutzung der Energiespeichereinheit geschützt werden.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Lamellen und/oder Kalotten kreisförmig ausgebildet sind und ihre Position mit den elektrischen Zellpolen der mit der Isolierplatte verbundenen Zell-Cluster entspricht. Die kreisförmigen Lamellen bzw. Kalotten weisen den Vorteil auf, dass sie sich leicht verpressen lassen und somit den Zusammenbau stabilisieren. Darüber hinaus können sie eine zusätzliche Dichtfunktion innerhalb der Baueinheit bzw. der Energiespeichereinheit übernehmen. Um die Energiespeicherzellen und/oder die Zellverbinder in Position zu halten und die Robustheit der Energiespeichereinheit noch weiter zu verbessern, erfolgt eine Verpressung der Lamellen und/oder Kalotten im montierten Zustand der Isolierplatte. Zusätzlich kann damit die beim Betrieb des elektrischen Verbrauchers oder beim Laden der Energiespeichereinheit entstehende Wärme abgeführt bzw. verteilt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann es sein, eine leistungsstarke Energiespeichereinheit bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine möglichst kompakte Bauform aufweist und zudem kostengünstig herzustellen ist.
Die Erfindung betrifft dazu eine Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher, mit einer elektromechanischen Schnittstelle zur Verbindung der Energiespeichereinheit mit dem elektrischen Verbraucher, mit einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen, wobei jede Energiespeicherzelle zwei elektrische Zellpole aufweist und die elektrischen Zellpole zumindest zweier Energiespeicherzellen über zumindest einen Zellverbinder elektrisch leitend in einer Reihenoder Parallelschaltung als ein Zell-Cluster miteinander verbunden sind, und mit einer Leiterplatte, die den zumindest einen Zellverbinder des Zell-Clusters mit einem Energieversorgungskontakt der elektromechanischen Schnittstelle elektrisch verbindet, wobei der Energieversorgungskontakt elektrisch mit einer Stromschiene verbunden oder als eine Stromschiene ausgebildet ist. Zur Lösung der weiteren Aufgabe ist vorgesehen, dass die Stromschiene direkt auf einer Oberfläche der Leiterplatte angeordnet ist. Mit besonderem Vorteil kann somit die Stromschiene bereits kostengünstig durch den Hersteller der Leiterplatte mit verbaut werden, wodurch sich die Robustheit der Konstruktion verbessert. Starre Stromschienen, insbesondere mit größeren Querschnitten, lassen zudem sich deutlich angepasster verbauen und entlasten die Anschlusspunkte. Des Weiteren ist es möglich, die Energieversorgungskontakte selbst in starrer Bauweise als Stromschiene auszubilden. Durch den Verzicht von Hybridbauteilen (z.B. eine Stromschiene mit „copper mesh“-Leitung) lassen sich somit weitere Herstellungskosten sparen. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leiterplatte für die Stromschiene zumindest eine Aussparung aufweist, in die die Stromschiene mit zumindest einem Abschnitt eintaucht. Hierdurch kann sehr effizient und einfach eine Zug- und/oder Stoßentlastung für die Stromschiene im Bauraum der Leiterplatte untergebracht werden, was einen besonders kompakten Aufbau der Energiespeichereinheit ermöglicht Zudem wird eine höhere Beweglichkeit der Stromschiene erreicht. Wird im als Schweiß- oder Lötpunkt ausgebildeten Anschlusspunkt der Stromschiene eine Kraft - beispielsweise hervorgerufen durch einen Stoß auf die Energiespeichereinheit oder den elektrischen Verbraucher - eingeleitet, kann sich die Stromschiene im Bereich der zumindest einen Aussparung der Leiterplatte entsprechend elastisch verformen, um die eingeleitete Kraft als eine Verformungsenergie abzubauen. Somit werden sowohl die Anschlusspunkte auf der Leiterplatte als auch auf der Stromschiene entlastet. Unter einem Eintauchen soll insbesondere verstanden werden, dass der entsprechende Abschnitt der Stromschiene mit einem ersten Ende in die zumindest eine Aussparung unterhalb der Oberfläche der Leitplatte eindringt und mit einem zweiten Ende aus der zumindest einen Aussparung oder einer weiteren Aussparung wieder über die Oberfläche hervortritt. Der entsprechende Abschnitt der Stromschiene befindet sich demnach zumindest teilweise, insbesondere vollständig, unterhalb der Oberfläche der Leiterplatte.
Mit besonderem Vorteil taucht der zumindest eine Abschnitt der Stromschiene derart in die Leiterplatte ein, dass er auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte aus der Oberfläche hervorsteht. Dadurch ist es möglich, die Federwirkung der Stromschiene und damit den Schutz der elektrischen Anschlusspunkte zu erhöhen bzw. an etwaige Vorgaben anzupassen. In diesem Zusammenhang bietet es sich an, wenn der zumindest eine Abschnitt wellenförmig, insbesondere U-, V-, W- oder mäanderförmig, ausgebildet ist. Zudem kann der zumindest eine Abschnitt der Stromschiene aus einem anderen, elektrisch leitfähigen Material als die Stromschiene gebildet sein. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Abschnitt der Stromschiene einen Querschnitt und/oder eine Stärke aufweist, die von dem Querschnitt und/oder der Stärke der Stromschiene abweicht. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Abschnitt der Stromschiene eine Tiefenausdehnung aufweist, die mindestens so groß ist wie seine Längenausdehnung entlang der Stromschiene. Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann es sein, eine leistungsstarke Energiespeichereinheit bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine möglichst kompakte und vor Umwelteinflüssen, insbesondere Schmutz, Flüssigkeiten oder dergleichen, geschützte Bauform aufweist und zudem kostengünstig herzustellen ist.
Die Erfindung betrifft dazu eine Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher, mit einer elektromechanischen Schnittstelle zur Verbindung der Energiespeichereinheit mit dem elektrischen Verbraucher, mit einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen, wobei jede Energiespeicherzelle zwei elektrische Zellpole aufweist und die elektrischen Zellpole zumindest zweier Energiespeicherzellen über zumindest einen Zellverbinder elektrisch leitend in einer Reihenoder Parallelschaltung als ein Zell-Cluster miteinander verbunden sind, und mit einer Leiterplatte, die den zumindest einen Zellverbinder des Zell-Clusters mit einem Energieversorgungskontakt der elektromechanischen Schnittstelle elektrisch verbindet, wobei der Energieversorgungskontakt elektrisch mit einer Stromschiene verbunden oder als eine Stromschiene ausgebildet ist.
Zur Lösung der weiteren Aufgabe ist vorgesehen, dass ein Subgehäuse der Energiespeichereinheit aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gebildet ist, das zumindest an einer Stirnseite offen ausgestaltet ist und das Zell-Cluster mit seinen übrigen Seiten umgibt und dass die Stromschiene von dem elektrisch nicht leitfähigen Material zumindest an einer Seite des Subgehäuses umspritzt ist. Mit besonderem Vorteil ergibt sich so eine kompakte und robuste Bauweise bei gleichzeitigem Schutz der Energiespeichereinheit vor äußeren Einflüssen. Durch die Umspritzung der Stromschienen wird der Bereich um sie entsprechend abgedichtet und verhindert das Eintreten von Flüssigkeit und Schmutz in das Innere der Energiespeichereinheit. Somit besteht auch ein erhöhter Schutz sensibler Komponenten der Energiespeichereinheit, wie beispielsweise der Elektronik oder der Energiespeicherzellen, durch eine entsprechende Abschottung zur Umwelt. Unter einem Subgehäuse soll insbesondere ein Gehäuse verstanden werden, dass zumindest in Teilen von einem weiteren Außengehäuse umgeben und somit nicht in seiner Gänze von außen erreichbar ist. Das Subgehäuse bildet somit ein vom Außengehäuse getrenntes bzw. trennbares Subgehäuse, das teil- weise oder vollkommen von dem Außengehäuse umgeben und nicht stoffschlüssig, sondern nur kraft- und/oder formschlüssig mit diesem verbunden ist
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das elektrisch nicht leitfähige Material des Subgehäuse zusätzlich temperaturleitfähig ist Dadurch ist eine erhöhte Wärmespreizung bzw. -ableitung und somit eine verbesserte Kühlung im Kontaktbereich durch die direkte Ankopplung der Stromschienen an ein Außengehäuse der Energiespeichereinheit und/oder des elektrischen Verbrauchers möglich.
Das Subgehäuse weist eine Aussparung auf, durch die hindurch die Stromschiene mit dem Energieversorgungskontakt oder einen Signal- bzw. Datenkontakt elektrisch verbunden ist oder durch die hindurch die Stromschiene als Energieversorgungskontakt oder als Signal- bzw. Datenkontakt ausgebildet ist. Auf diese Weise sind ein reduzierter Montageaufwand und eine geringere Fehleranfälligkeit infolge einer entsprechenden Qualitätsverbesserung möglich. Um ein Anschweißen des als Kontakttulpe ausgebildeten Energieversorgungskontakts oder Signal- bzw. Datenkontakt zu ermöglichen, ist die Stromschiene an der entsprechenden Kontaktierungsstelle beidseitig zugänglich.
Das Außengehäuse der Energiespeichereinheit weist zumindest eine lösbare Endkappe auf, wobei die Endkappe und die zumindest eine offene Stirnseite des Subgehäuses im montierten Zustand mittels einer Dichtlippe abgedichtet sind. Die Endkappe ermöglicht zum einen eine einfache Wartung bzw. Reparatur der Energiespeichereinheit dadurch, dass defekte Bauteile durch das Abmontieren der Endkappe ausgetauscht werden können. Zum anderen ist durch die Dichtlippe ein hoher Schutz vor Umwelteinflüssen in Verbindung mit der wechselbaren Endkappe gewährleistet.
Die Dichtlippe greift in eine um die zumindest eine offene Stirnseite des Subgehäuses und/oder die Endkappe umlaufende Nut ein. Somit wird die Dichtlippe beim Montieren, beispielsweise beim Verschrauben, der Endkappe an das Außengehäuse der Energiespeichereinheit in die Nut des Subgehäuses gepresst und der Bereich entsprechend abgedichtet. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Subgehäuse an einer Seite eine Druckausgleichsöffnung auf, über die mit besonderem Vorteil ein Druckausgleich zwischen dem abgedichteten Subgehäuse und der Umwelt stattfinden kann. Dies verhindert eine Beschädigung der sensiblen Komponenten der Energiespeichereinheit, wie beispielsweise der Elektronik oder der Energiespeicherzellen, durch etwaige ungünstige Druckverhältnisse im Innern des Subgehäuses gegenüber der Umwelt.
Die Druckausgleichsöffnung ist durch eine Druckausgleichsmembran abgedichtet. Somit ist einerseits ein Gas- und Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Subgehäuse der Energiespeichereinheit und der Umwelt möglich, auf der anderen Seite kann aber durch die speziellen Materialeigenschaften der Druckausgleichsmembran ein Eintritt von Wasser und Schmutz in das Innere der Energiespeichereinheit verhindert werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann es sein, eine leistungsstarke Energiespeichereinheit bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine möglichst kompakte und vor Umwelteinflüssen, insbesondere Schmutz, Flüssigkeiten oder dergleichen, geschützte Bauform aufweist und zudem kostengünstig herzustellen ist.
Die Erfindung betrifft dazu eine Energiespeichereinheit für einen elektrischen Verbraucher, mit einem Außengehäuse, das zur Aufnahme einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen dient, wobei das Außengehäuse an einer ersten Seitenwand bzw. einer Oberseite eine elektromechanische Schnittstelle zur werkzeuglos lösbaren Verbindung mit einer elektromechanischen Schnittstelle des elektrischen Verbrauchers aufweist. Zur Lösung der weiteren Aufgabe ist vorgesehen, dass an oder in dem Außengehäuse ein Gehäuseteil angeordnet ist, das aus zumindest drei unterschiedliche Spritzguss-Komponenten besteht. Das Gehäuseteil ist demnach in einem Dreikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt. Mit besonderem Vorteil kann die Vielfalt der einzelnen Bauteile der Energiespeichereinheit gegenüber einem in einem Zweikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellten Gehäuseteil durch eine entsprechende Funktionsintegration in bestehende Bauteile mittels einer weiteren Spritzguss- Komponente reduziert werden. Dies hilft einerseits, die Herstellungskosten zu reduzieren und andererseits die Qualität der Energiespeichereinheit infolge des verringerten Montageaufwands und einer daraus resultierenden, verringerten Fehleranfälligkeit zu verbessern.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest drei Spritzguss- Komponenten des Gehäuseteils durch eine Hartkomponente, eine Weichkomponente und zumindest eine dritte Spritzguss- Komponente gebildet sind, wobei sich die dritte Spritzguss-Komponente in ihren Materialeigenschaften von der Hartkomponente und der Weichkomponente unterscheidet. Dabei kann die Hartkomponente aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise PC/ABS oder PA/GF, und die Weichkomponente aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) gebildet sein. Die Hartkomponente dient somit im Wesentlichen der Versteifung und Stoßfestigkeit der Energiespeichereinheit, während die Weichkomponente in Verbindung mit der Hartkomponente ein verbessertes Handling der Energiespeichereinheit sowie eine mechanische Dämpfung bzw. Fixierung, eine verbesserte Abdichtung und/oder einen Toleranzausgleich der Energiespeicherzellen bzw. der Zell-Cluster ermöglicht. Die Weichkomponente weist dazu eine Härte von 0 bis 100 Shore A, vorzugsweise von 30 bis 70 Shore A, auf. Als dritte Spritzguss- Komponente könnte beispielsweise ein härteres oder weicheres TPE, aber auch ein Metalleinleger oder ein harter Kunststoff in Frage kommen, um die Energiespeichereinheit bzw. deren Energiespeicherzellen an besondere Vorgaben hinsichtlich der Schlag- und Vibrationsfestigkeit, Dichtigkeit und/oder Bedienbarkeit anzupassen.
Das Gehäuseteil kann als eine Endkappe ausgebildet sein, die an einer Stirnseite des Außengehäuses der Energiespeichereinheit oder das elektrischen Verbrauchers lösbar befestigbar ist. Dabei ist ein Grundkörper der Endkappe aus der Hartkomponente gebildet und zumindest eine erste Seite der Endkappe von der Weichkomponente, insbesondere nahezu vollständig, umspritzt. Hierdurch ergibt sich ein verbessertes Handling für einen Bediener beispielsweise dahingehend, dass insbesondere mit nassen Händen mehr Grip vorhanden ist. Zudem bewirkt das Umspritzen der Hartkomponente mit der Weichkomponente eine erhöhte Robustheit gegenüber Stößen, beispielweise bei einem Herunterfallen der Energiespeichereinheit bzw. des elektrischen Verbrauchers. Ergänzend oder alternativ bildet die Weichkomponente auf einer zweiten Seite der Endkappe eine in eine Nut der Hartkomponente eingespritzte Dichtlippe. Dies verbessert einerseits die Abdichtung der Energiespeichereinheit bzw. des elektrischen Verbrauchers gegenüber Feuchtigkeit, Flüssigkeiten, Staub und anderen Formen von Schmutz, und bewirkt andererseits ein deutlich vereinfachtes Montieren der Endkappe, da die Dichtlippe nicht extra separat in die Nut eingesetzt werden muss.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Weichkomponente auf einer zweiten Seite der Endkappe eine Mehrzahl von auf Vorsprüngen der Hartkomponente aufgespritzte Dämpfungselemente bildet, die zur axialen und/oder radialen Dämpfung der Energiespeicherzellen dienen. Auf diese Weise ist die Energiespeichereinheit robuster gegenüber etwaigen Stößen und Schlägen sowie Vibrationen, die beim Arbeiten mit dem elektrischen Verbraucher entstehen können. Zudem dienen die Dämpfungselemente einer besser Fixierung der Energiespeicherzellen bzw. der Zell-Cluster innerhalb der Energiespeichereinheit.
Die Bedienbarkeit der Energiespeichereinheit kann dadurch erhöht werden, dass die dritte Spritzguss- Komponente eine weitere Weichkomponente ist, die aus einem transparenten oder transluzenten, insbesondere thermoplastischen, Elastomer gebildet ist. Somit kann die dritte Spritzguss- Komponente beispielsweise als eine Ladezustandsanzeige der Energiespeichereinheit dienen, wobei das Licht einzelner auf einer Leiterplatte der Energiespeichereinheit montierter LEDs von durch die als ein Lichtleiter ausgebildete, dritte Spritzguss- Komponenten nach außen geleitet wird. Zu diesem Zweck ist die dritte Spritzguss-Komponente in eine Aussparung der Hartkomponente, die vorzugsweise nicht von der Weichkomponente umspritzt ist, eingespritzt. Dadurch wird mit besonderem Vorteil die Robustheit der Energiespeichereinheit durch eine zusätzliche Abdichtung im Bereich der Ladezustandsanzeige erhöht.
Die Bedienbarkeit der Energiespeichereinheit kann bei weiterhin hoher Robustheit dadurch verbessert werden, dass in die dritte Spritzguss- Komponente zumindest ein Betätigungselement und/oder zumindest ein optisches Trennelement eingespritzt ist, das insbesondere aus der Hartkomponente oder einem vergleichbaren thermoplastischen Kunststoff gebildet ist. Somit kann beispielweise mittels des Betätigungselements die Ladezustandsanzeige für ein definiertes Zeitfenster durch einen kurzen Druck aktiviert werden. Denkbar wäre auch das Starten eines Schnellladevorgangs oder dergleichen. Mittels des zumindest einen optischen Trennelements ist es möglich, unterschiedliche Ladezustände der Energiespeichereinheit deutlicher voneinander unterscheiden zu können, weil dadurch Streulicht zwischen den einzelnen, die Ladezustände anzeigenden LEDs vermieden werden kann.
Ausführungsbeispiele
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 10 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen:
Fig. 1 : ein System bestehend aus zumindest einem als Wechselakkupack ausgebildeten elektrischen Energiespeicher und zumindest einem mit dem Wechselakkupack verbindbaren Elektrogerät zum Laden oder Entladen des Wechselakkupacks in einer schematischen Darstellung,
Fig. 2: eine perspektivische Darstellung des Innenlebens des Wechselakkupacks in einem ummontierten Zustand,
Fig. 3: eine perspektivische Darstellung einer aus zwei Zell-Clustern bestehenden Baueinheit gemäß Figur 2 in einem zerlegten Zustand,
Fig. 4: eine perspektivische Darstellung eines als Isolierplatte des Zell-
Clusters gemäß Figur 3 ausgebildeten Gehäuseteils des Wechselakkupacks in einem ersten Ausführungsbeispiel (Figur 4a) und in einem zweiten Ausführungsbeispiel als Ausschnittvergrößerung (Figur 4b),
Fig. 5: einen Schnitt durch die zusammengesetzte Baueinheit gemäß
Figur 3 entlang einer Längsachse der Baueinheit,
Fig. 6: eine perspektivische Darstellung des zusammengesetzten Innenlebens des Wechselakkupacks gemäß Figur 2,
Fig. 7: einen Schnitt entlang der Längsachse durch den vollständig montierten Wechselakkupack (Figur 7a) sowie eine Ausschnittvergrößerung einer Dichtlippe zur Abdichtung des Wechselakkupacks (Figur 7b),
Fig. 8: einen Schnitt entlang der Längsachse zur Veranschaulichung eines Druckausgleichs des Wechselakkupacks bzw. des Subgehäuses,
Fig. 9: eine perspektivische Darstellung einer Leiterplatte des Wechselakkupacks mit darauf angeordneten Stromschienen,
Fig. 10: eine Stromschiene des Wechselakkupacks in einer Seitenansicht in einem unverformten und in einem verformten Zustand und
Fig. 11 : eine perspektivische Darstellung eines als Endkappe ausgebildeten Gehäuseteils des Wechselakkupacks in einer Innenansicht (Figur 11 a) und in einer Außenansicht (Figur 11 b).
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt ein System umfassend eine als Wechselakkupack 10 ausgebildete Energiespeichereinheit 12 mit einer eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 14 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 16 und diverse Elektrogeräte 18 mit jeweils einer zur elektromechanischen Schnittstelle 16 des Wechselakkupacks 10 korrespondierenden elektromechanischen Schnittstelle 20. Figur 1 soll veranschaulichen, dass das System ohne Einschränkung der Erfindung für verschiedene, mit Wechselakkupacks 10 betriebene Elektrogeräte 18 geeignet ist Dabei sind exemplarisch ein Ladegerät 22 sowie mehrere als ein Akkustaubsauger 24, ein Akkuschlagschrauber 26 und eine Akkuleuchte 28 ausgebildete elektrische Verbraucher 30 gezeigt Im Kontext der Erfindung können jedoch verschiedenste Elektrowerkzeuge, Gartengerät und Haushaltsgeräte als elektrische Verbraucher 30 in Frage kommen. Auch ist die Anzahl der Wechselakkupacks 10 innerhalb des Systems variabel. So kann das System auch mehrere Wechselakkupacks 10 umfassen. Ergänzend sei nochmals angemerkt, dass die Erfindung auch auf elektrische Verbraucher 30 anwendbar ist, die rein ohmsche und/oder kapazitive, elektrische Lasten aufweisen, so dass die hier gezeigten Elektrowerkzeuge lediglich exemplarisch zu verstehen sind.
Der Wechselakkupack 10 verfügt über ein Außengehäuse 32, das an einer ersten Seitenwand bzw. seiner Oberseite 34 die elektromechanische Schnittstelle 16 zur werkzeuglos - also von Hand - lösbaren Verbindung mit der elektromechanischen Schnittstelle 20 des Elektrogeräts 18 aufweist. Dazu besitzt die elektromechanische Schnittstelle 16 des Wechselakkupacks 10 zwei Führungsschienen 36, die beim Einschieben in korrespondierende Führungsnuten (nicht gezeigt) der elektromechanischen Schnittstelle 20 des elektrischen Verbrauchers 30 bzw. des Ladegeräts 22 geführt werden. In Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 30 dienen die elektromechanischen Schnittstellen 16, 20 primär dem Entladen des Wechselakkupacks 10, während sie in Verbindung mit dem Ladegerät 22 zum Aufladen des Wechselakkupacks 10 genutzt werden können. Die genaue Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen 16, 20 ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Spannungsklasse des Wechselakkupacks 10 bzw. des Elektrogerät 18 und diversen Herstellerspezifikationen. So können z.B. drei oder mehr elektrische Kontakte 14 zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen dem Wechselakkupack 10 und dem Elektrogerät 18 vorgesehen sein. Auch ist eine mechanische Kodierung denkbar, so dass der Wechselakkupack 10 nur an bestimmten Elektrogeräten 18 betreibbar ist. Da die mechanische Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen 16, 20 des Wechselakkupacks 10 und des Elektrogeräts 18 für die Erfindung unerheblich ist, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Sowohl ein Fachmann als auch ein Bediener des Wechselakkupacks 10 und des Elektrogeräts 18 werden diesbezüglich die geeignete Auswahl treffen.
Zur Ableitung von während des Lade- oder Entladevorgangs entstehender Wärme weist der Wechselakkupack 10 ein Subgehäuse 38 auf, das vorzugsweise aus einem wärmeleitfähigen Material (z.B. einem thermoplastischen Polyethylen wie PH-HD) besteht und teilweise vom Außengehäuse 32 umgeben ist. Das Subgehäuse 38 bildet ein vom Außengehäuse 32 getrenntes bzw. trennbares Gehäuse, das kraft- und/oder formschlüssig mit dem Außengehäuse 32 verbunden ist. An den Stirnseiten von Außengehäuse 32 und Subgehäuse 38 sind per Schraubverbindungen weitere Gehäuseteile in Form von lösbaren Endkappen 40 vorgesehen, die das Subgehäuse 38 im Außengehäuse 32 fixieren.
Der Wechselakkupack 10 und das Ladegerät 22 bzw. der elektrische Verbraucher 30 weisen zueinander korrespondierende elektromechanische Schnittstellen 16 und 20 mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte 14 auf, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte 14 der elektromechanischen Schnittstellen 16, 20 als ein mit einem ersten Bezugspotential Vi, vorzugsweise einem Versorgungspotential V+, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 42 und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte 14 der Schnittstellen 16, 20 als ein mit einem zweiten Bezugspotential V2, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 44 dient (vgl. Figur 2). Über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt 42, 44 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät 22 geladen werden. Andererseits erfolgt darüber auch ein Entladen des Wechselakkupacks 10 für den Fall, dass das Elektrogerät 18 als ein elektrischer Verbraucher 30 ausgebildet ist. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V+ und GND insbesondere im Falle eines als elektrischen Verbraucher 30 ausgebildeten Elektrogeräts 18 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 42, 44 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektromechanischen Schnittstellen 16, 20. Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 22.
Neben den Energieversorgungskontakten 42, 44 können die elektromechanischen Schnittstellen 16, 20 auch noch weitere elektrische Kontakte 14 aufweisen, die insbesondere als Signal- bzw. Datenkontakte 46 ausgebildet sind. Über die Signal- bzw. Datenkontakte 46 können dem elektrischen Verbraucher 30 bzw. dem Ladegerät 22 Informationen zu diversen Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Batteriespannung Ußatt, den Zellspannungen Uceii, einer im Wechselakkupack 10 gemessenen Temperatur T, eines Lade- oder Entladestroms I, einer Kodierung oder dergleichen, zur dortigen Auswertung übermittelt werden. Anhand dieser Betriebsparameter kann die Elektronik des elektrischen Verbrauchers 30 bzw. des Ladegeräts 22 den Entlade- bzw. Ladevorgang steuern bzw. regeln.
Figur 2 zeigt den Innenteil des in Figur 1 dargestellten Wechselakkupacks 10 vor dessen vollständiger Montage. Das Subgehäuse 38 des Wechselakkupacks 10 ist derart ausgestaltet, dass es zwei so genannte Zell-Cluster 48 aufnehmen kann. Jedes Zell-Cluster 48 umfasst eine Mehrzahl N = 10 zylinderförmiger Energiespeicherzellen 50 (vgl. Figuren 6 und 7a), die in einem Zellenhalter 52 angeordnet sind und die jeweils eine Zellspannung Uceii von 3,6 V besitzen. Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Batteriespannung des Wechselakkupacks 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Zellspannungen der Energiespeicherzellen in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-Ion, Li- Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Um Bauraum zu sparen, sind die zehn Energiespeicherzellen 50 eines Zell-Clusters 48 seitlich versetzt zueinander über vier übereinander angeordnete Lagen aufgeteilt, wobei zwei Lagen jeweils zwei und zwei weitere Lagen jeweils drei Energiespeicherzellen 50 aufweisen.
Jede Energiespeicherzelle 50 weist an ihren beiden Stirnseiten jeweils einen positiven und einen negativen Zellpol 54 auf. Die einzelnen Zellpole 54 der Energiespeicherzellen 50 eines Zell-Clusters 48 sind über Zellverbinder 56 derart miteinander elektrisch verbunden, dass sich durch eine Reihen- und Parallelschaltung der Energiespeicherzellen 50 eine resultierende Cluster-Spannung Uci von 18 V mit einer Kapazität von mindestens 6 Ah ergibt. Beide Zell-Cluster 48 sind in Reihe geschaltet, so dass eine Batteriespannung Ußatt von 36 V erzielt wird. Die Zellverbinder 56 sind als flache Stanzbleche ausgebildet, die einerseits über Kon- taktierungspunkte 58 mit den Zellpolen 54 und andererseits an einem offenen Ende 60 mit einem elektrischen Anschlusspunkt einer Leiterplatte 62 stoffschlüssig, beispielsweise mittels Löten, Widerstandsschweißen, Kaltschweißen oder dergleichen, elektrisch verbunden sind.
Zumindest einer der Zellverbinder 56 weist einen nicht näher gezeigten SCM- Abgriff für die Einzelzellüberwachung (Single Cell Monitoring) auf, der einstückig mit dem Zellverbinder 56 verbunden ist und vorzugsweise zwischen dem offenen Ende 60 zur elektrischen Kontaktierung mit der Leiterplatte 62 und den Kontaktierungspunkten 58 zur elektrischen Kontaktierung mit den Zellpolen 54 der Energiespeicherzellen 50 angeordnet ist. Der SCM-Abgriff ist stoffschlüssig, beispielsweise per Lötverbindung, mit einem Kabel verbunden, das seinerseits eine elektrische Verbindung zu einer SCM-Vorstufe einer entsprechenden Elektronik des Wechselakkupacks 10 herstellt (nicht gezeigt). Zur Erfassung der einzelnen Zellspannungen Uceii schaltet die SCM-Vorstufe, beispielsweise über integrierte Transistoren, derart sequenziell zwischen den einzelnen SCM-Abgriffen der Zellverbinder 56 um, dass sie jeweils mit einem positiven und einem negativen Zellpol 54 der zu messenden Energiespeicherzelle 50 bzw. des zu messenden Zell- Clusters 48 verbunden ist. Die Elektronik des Wechselakkupacks 10 kann einen integrierten Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen zur Steuerung oder Regelung des Lade- bzw. Entladevorgangs aufweisen. Ebenso ist denkbar, dass die Steuerung oder Regelung mittels mehrerer Mikroprozessoren oder zumindest teilweise mittels diskreter Bauelemente mit entsprechender Transistorlogik erfolgt. Zudem kann die Elektronik einen Speicher zur Speicherung der Betriebsparameter aufweisen. Da derlei Elektroniken dem Fachmann bekannt sind, soll hierauf nicht weiter eingegangen werden.
Mittels der Leiterplatte 62 und einer direkt auf ihrer Oberfläche angeordneten Stromschiene 64 ist der mit der ersten Bezugsspannung Vi beaufschlagte Zellverbinder 54 eines der beiden Zell-Cluster 48 elektrisch mit dem Energieversorgungskontakt 42 der elektromechanischen Schnittstelle 16 verbunden, (vgl. hierzu auch Figuren 7a und 8). Entsprechend ist auch der mit der zweiten Bezugsspannung V2 beaufschlagte Zellverbinder 54 des anderen Zell-Clusters 48 elektrisch mit dem Energieversorgungskontakt 44 der elektromechanischen Schnittstelle 16 über eine weitere Stromschiene 64, die direkt auf der Oberfläche der Leiterplatte 62 angeordnet ist, verbunden.
Aufgrund der beengten Platzverhältnisse müssen die gegenüberliegenden Zellverbinder 56 der beiden Zell-Cluster 48 elektrisch voneinander isoliert werden, um etwaige Kurzschlüsse im späteren Betrieb zu verhindern. Gleichzeitig ist es notwendig, die beiden elektrisch in Reihe geschalteten Zell-Cluster 48 mechanisch miteinander zu verbinden, um eine stabile Baueinheit zu erzeugen, die die beiden Zell-Cluster 48 insbesondere während der Nutzung des Wechselakkupacks 10 gegenüber Vibrationen, Schlägen und Stößen oder dergleichen schützt. Diese Aufgaben übernimmt ein Gehäuseteil, das als eine zwischen den Zell- Clustern 48 angeordnete in einem Zwei- (2K) oder Dreikomponenten- Spritzgussverfahren (3K) hergestellte Isolierplatte 66 ausgebildet ist. Somit kann auf zusätzliche Montagevorrichtungen, welche die einzelnen Zell-Cluster 48 während einer Montage des Wechselakkupacks 10 in Position halten, verzichtet werden.
Figur 3 veranschaulicht die aus den beiden Zell-Clustern 48 und der Isolierplatte 66 bestehende Baueinheit gemäß Figur 2 in einem zerlegten Aufbau, wobei eine Außenkontur der Isolierplatte 66 im Wesentlichen einer Einhüllenden 68 der Zell- Cluster 48 im Querschnitt durch eine Längsachse 70 der Baueinheit entspricht. Die Baueinheit erleichtert die nachfolgenden Montageschritte des Wechselakkupacks 10. Durch den Entfall zusätzlicher Verbindungselemente, wie Schrauben, Klebstoffe oder ähnliches ermöglicht dies eine deutliche Vereinfachung und Kostenreduzierung der Montage des Wechselakkupacks 10. Die zumindest zwei Spritzguss- Komponenten der Isolierplatte 66 sind durch eine Hartkomponente 72 (beispielsweise ein Thermoplast oder Duroplast bzw. Duromer) und eine Weichkomponente 74 (beispielsweise ein Elastomer wie Gummi, Silikon oder dergleichen) gebildet. Die Hartkomponente 72 dient im Wesentlichen der Versteifung der Isolierplatte 66, während die Weichkomponente 74 als mechanische Dämpfung bzw. Fixierung sowie Toleranzausgleich fungiert. Die Weichkomponente 74 weist dazu eine Härte von 0 bis 100 Shore A, vorzugsweise von 30 bis 70 Shore A, auf. Zudem kann die Weichkomponente 74 zur Abdichtung dedizierter Bereiche des Wechselakkupacks 10 bzw. der Zell-Cluster 48 verwendet werden. Figur 4a zeigt die aus der Hartkomponente 72 und der Weichkomponente 74 bestehende Isolierplatte 66 in einer perspektivischen Detailansicht. Zur mechanischen Kopplung der beiden Zell-Cluster 48 weist die Hartkomponente 74 auf beiden Seiten jeweils drei Rasthaken 76 auf (vgl. auch Figur 3). Statt der Rasthaken 76 können alternativ auch Laschen, Pilzköpfe oder entsprechende Vorsprünge und/oder Ausnehmungen, beispielsweise in Form eines Nut-Feder-Prinzips, zur Befestigung an den Zell-Clustern 48 genutzt werden. Zudem kann die Anzahl der Befestigungselemente je nach Ausgestaltung der Zell-Cluster 48, beispielsweise in Abhängigkeit der Anzahl N der Energiespeicherzellen 50, variieren. Durch die Rasthaken 76 kann einerseits eine gute mechanische Stabilisierung und andererseits eine sehr einfache und schnelle Montage, der aus den Zell-Clustern 48 und der Isolierplatte 66 bestehenden Baueinheiten erzielt werden. Zudem besteht im Falle einer Beschädigung eines der Zell-Cluster 48 bzw. einzelner Energiespeicherzellen 50 die Möglichkeit einer Demontage und eines vereinfachten Austausches. Die Rasthaken 76 und/oder eine Mehrzahl von mechanischen Kulissen 78 sind derart an der Isolierplatte 66 angeordnet, dass die Zell-Cluster 48 nur im Sinne eines Poka-Yoke-Prinzips mit der Isolierplatte 66 verbindbar sind. Somit kann eine erhöhte Prozesssicherheit beim Zusammenbau erzielt werden, um etwaige Montagefehler, die ggf. auch zu einer Beschädigungen der Zell-Cluster 48 bzw. der Energiespeicherzellen 50 führen, zu vermeiden.
Die Weichkomponente 74 ist als eine Mehrzahl M elastischer Lamellen 80 ausgebildet, die innerhalb der Hartkomponente 72 angeordnet und über Stege 82 desselben Materials miteinander verbunden sind. Dabei entspricht die Mehrzahl M der Lamellen 80 vorzugsweise der Anzahl N von Energiespeicherzellen 50 mindestens eines der mit der Isolierplatte 66 verbundenen Zell-Clusters 48. Auf diese Weise können die einzelnen Energiespeicherzellen 50 bzw. deren Zellpole 54 und/oder die sie verbindenden Zellverbinder 56 bzw. deren Kontaktierungspunkte 58 wirkungsvoll vor mechanischen Vibrationen, Schlägen und Stößen oder dergleichen während der Nutzung des Wechselakkupacks 10 geschützt werden. Zusätzlich kann dadurch die beim Betrieb des elektrischen Verbrauchers 22 oder beim Laden des Wechselakkupacks 10 entstehende Wärme abgeführt bzw. verteilt werden. Um die Verpressung bzw. das Vergießen der Lamellen 80 in der Hartkomponente 72 der Isolierplatte 66 zu vereinfachen und ggf. eine verbesserte Dichtfunktion der Isolierplatte 66 zu gewährleisten, sind die Lamellen 80 kreisförmig ausgebildet. Dabei korrespondiert ihre Position mit den Zellpolen 54 der mit der Isolierplatte 66 verbundenen Zell-Cluster 48. Zudem kann vorgesehen sein, dass die Verpressung im montierten Zustand der Isolierplatte 66 erfolgt, so dass die Energiespeicherzellen 50 und/oder die Zellverbinder 56 in Position gehalten und die Robustheit des Wechselakkupacks 10 noch weiter verbessert werden können. Statt der Lamellen 80 können auch die in Figur 4b gezeigten Kalotten 83 als Teil der Weichkomponente 74 zum Einsatz kommen.
Figur 5 zeigt einen Schnitt durch die aus den beiden Zell-Clustern 48 und der Isolierplatte 66 gebildete Baueinheit entlang der Längsachse 70 (vgl. Figur 3). Die Rasthaken 76 hintergreifen entsprechende Ausnehmungen in den Zellenhalteren 52 der Zell-Cluster 48 derart, dass sie im eingerasteten Zustand eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Zell-Clustern 48 bilden. Gleichzeitig werden die Rasthaken 76 mit einer durch die Lamellen 80 der Weichkomponente 74 an den Zellpolen 54 der Energiespeicherzellen 50 bzw. an den Kontaktierungspunkten 58 der Zellverbinder 56 erzeugten Federkraft F beaufschlagt. Die Lamellen 80 bewirken somit zum einen eine Stabilisierung der Baueinheit und zum anderen eine Abdichtung.
In Figur 6 ist die in das Subgehäuse 38 eingeschobene Baueinheit des Wechselakkupacks 10 gemäß Figur 2 gezeigt. Dazu ist das Subgehäuse 38 zumindest an einer Stirnseite 84 offen ausgestaltet, während es die aus den Zell-Clustern 42 und der Isolierplatte 66 bestehende Baueinheit mit seinen übrigen Seiten umgibt. Weiterhin trägt das Subgehäuse 38 die als ersten und zweiten Energieversorgungskontakt 42, 44 sowie als Signal- bzw. Datenkontakt 46 ausgebildeten elektrischen Kontakte 14. Die elektrischen Kontakte 14 sind dabei als Kontakttulpen ausgebildet, die jeweils durch eine Aussparung 86 des Subgehäuses 38 hindurch mit den Stromschienen 64 stoffschlüssig elektrisch verbunden sind. Um ein Anschweißen der Kontakttulpen zu ermöglichen, müssen die Stromschienen 64 an den entsprechenden Kontaktierungsstellen beidseitig zugänglich sein. Die Stromschienen 64 sind ihrerseits von dem Material des Subgehäuses 38 an einer zur Leiterplatte 62 der Baueinheit angrenzenden Seite umspritzt. Aus diesem Grund darf das Material des Subgehäuses 38 elektrisch nicht leitfähig sein. Ist der Wechselakkupack 10 mit seiner elektromechanische Schnittstelle 16 in die entsprechende Gegenschnittstelle 20 des Elektrogeräts 18 eingeschoben (vgl. Figur 1), so greifen die als flache Metallstege ausgebildeten Kontakte 14 der elektromechanischen Schnittstellen 20 des Elektrogeräts 18 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung in die Kontakttulpen ein. Durch die Umspritzung der Stromschienen 64 wird der Bereich um sie entsprechend abgedichtet und verhindert das Eintreten von Flüssigkeit und Schmutz in das Innere des Wechselakkupacks 10. Somit besteht auch ein erhöhter Schutz sensibler Komponenten des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Elektronik oder der Energiespeicherzellen 50, durch eine entsprechende Abschottung zur Umwelt. Zudem ist eine erhöhte Wärmespreizung bzw. -ableitung und somit eine verbesserte Kühlung im Kontaktbereich durch die direkte Ankopplung der Stromschienen 64 an das Außengehäuse 32 des Wechselakkupacks 10 und/oder des elektrischen Verbrauchers 22 möglich. Weiterhin erleichtern die in das Subgehäuse 38 eingespritzten Stromschienen 64 die Montage des Wechselakkupacks 10, weil die aus den Zell-Clustern 48 und der Isolierplatte 66 bestehende Baueinheit sehr einfach seitlich in das Subgehäuse 38 durch die Öffnung an seiner Stirnseite 84 eingeschoben werden kann.
Figur 7 zeigt einen Schnitt durch den vollständig montierten Wechselakkupack 10 entlang der Längsachse 70. Die beiden Endkappen 40 dichten das Subgehäuse 38 an seinen offenen Stirnseiten 84 mittels einer Dichtlippe 88 ab. Die Dichtlippe 88 ist vorzugsweise aus einem Elastomer wie Gummi, Silikon oder dergleichen gefertigt und greift in jeweils eine um die offenen Stirnseiten 84 des Subgehäuses 38 und die Endkappen 40 umlaufende Nut 90 ein. Figur 7b veranschaulicht dies anhand einer Ausschnittvergrößerung des in Figur 7a markierten Bereichs. Zudem zeigt Figur 6 die um die Stirnseite 84 des Subgehäuses 38 umlaufende Nut 90 in einer perspektivischen Ansicht. Vorzugsweise ist die Dichtlippe 90 bereits vor dem Montieren der Endkappen 90 in deren Nut 90 eingespritzt oder eingesetzt. Werden die Endkappen 40, beispielsweise durch ein Verschrauben, am Außengehäuse 32 des Wechselakkupacks 10 montiert, wird die Dichtlippe 90 in die Nut 90 des Subgehäuses 38 gepresst und dichtet den sie umgebenden Bereich entsprechend ab. Mit besonderem Vorteil ermöglichen die Endkappen 40 zum einen eine einfache Wartung bzw. Reparatur des Wechselakkupacks 10, weil defekte Bauteile durch das Abmontieren zumindest einer der Endkappen 40 leicht ausgetauscht werden können, indem die aus den Zell-Clustern 48 und der Isolierplatte 66 bestehende Baueinheit seitlich aus der offenen Stirnseite 84 des Subgehäuses 38 herausgezogen werden kann. Zum anderen ist durch die Dichtlippe 88 ein hoher Schutz vor Umwelteinflüssen in Verbindung mit den wechselbaren Endkappen 40 gewährleistet.
Mit Bezug auf Figur 8 weist das Subgehäuse 38 an einer Seite, insbesondere an einer der Leiterplatte 62 zugewandten Seite, eine Druckausgleichsöffnung 92 auf, über die ein Druckausgleich, zwischen dem durch die Endkappen 40 abgedichteten Subgehäuse 38 und der Umwelt stattfinden kann. Dies verhindert eine Beschädigung der sensiblen Komponenten des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Elektronik oder der Energiespeicherzellen 50, durch etwaige ungünstige Druckverhältnisse im Innern des Subgehäuses 38 gegenüber der Umwelt. Die Druckausgleichsöffnung 92 ist durch eine Druckausgleichsmembran 94 abgedichtet. Somit ist einerseits ein Gas- und Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Subgehäuse 38 und der Umwelt möglich, auf der anderen Seite kann aber durch die speziellen Materialeigenschaften der Druckausgleichsmembran 94 ein Eintritt von Wasser und Schmutz in das Innere des Wechselakkupacks 10 verhindert werden. Als Druckausgleichsmembran 94 kommen insbesondere luftdurchlässige, feinporige Membranen aus PTFE (Polytetrafluorethylen) in Frage. Ergänzend können diese Membranen zumindest einseitig oleophob beschichtet sein, sodass bestimmte Flüssigkeiten an ihrer Außenseite abperlen.
Weiterhin zeigt Figur 8 ein Temperaturmesskonzept des Wechselakkupacks 10 mittels einer Flex-Folie 100 mit zwei integrierten, als NTC ausgebildeten Temperatursensoren 102, wobei die Flex-Folie 100 durch zwei Aussparungen 96 der Leiterplatte 62 hindurch auf deren Oberseite zur elektrischen Kontaktierung geführt ist. Die Temperatursensoren 102 der Flex-Folie 100 werden jeweils durch ein Schaumstoffelement 104, das sich an der Leiterplatte 62 abstützt, an die Außenfläche der zu messenden Energiespeicherzellen 50 gepresst. Die Flex-Folie 100 ist elektrisch über die Leiterplatte 62 mit der Elektronik des Wechselakkupacks 10 verbunden, die entsprechend die gemessene Temperatur der Energiespeicherzellen 50 auswertet und abhängig davon den Lade- oder Entladevorgang steuert.
Gemäß Figur 9 ist vorgesehen, dass die Leiterplatte 62 für die Stromschienen 64 jeweils Aussparungen 96 aufweist, in die die Stromschienen 64 mit zumindest ei- nem wellenförmigen, insbesondere U-förmigen, Abschnitt 98 eintauchen. Dabei befindet sich der zumindest eine Abschnitt 98 unterhalb der Oberfläche der Leiterplatte 62. Hierdurch kann sehr effizient und einfach eine Zug- und/oder Stoßentlastung für die Stromschienen 64 im Bauraum der Leiterplatte 62 untergebracht werden, was einen besonders kompakten Aufbau des Wechselakkupacks 10 ermöglicht. Zudem wird eine höhere Beweglichkeit der Stromschienen 64 erreicht. Wird beispielsweise in einen als Schweiß- oder Lötpunkt ausgebildeten elektrischen Anschlusspunkt 106 der Stromschiene 64 eine Kraft - beispielsweise hervorgerufen durch einen Stoß auf den Wechselakkupack 10 oder den elektrischen Verbraucher 22 - eingeleitet, kann sich die Stromschiene 64 im Bereich der zumindest einen Aussparung 96 der Leiterplatte 62 elastisch verformen, um die eingeleitete Kraft als eine Verformungsenergie abzubauen. Dies führt zu einer Entlastung des elektrischen Anschlusspunkts 106 und der Stromschiene 64. Ebenso können entsprechende Anschlusspunkte auf der Leiterplatte entlastet werden. Die U-förmigen Abschnitte 98 der Stromschienen 64 tauchen derart in die Aussparungen 96 der Leiterplatte 62 ein, dass sie von der Seite aus gesehen, auf der die Stromschienen 64 angeordnet sind, jeweils auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 62 hervorstehen. Zur Veranschaulichung zeigt Figur 9 auch das zu Figur 8 erläuterte Temperaturmesskonzept des Wechselakkupacks 10 mittels der Flex-Folie 100 und den beiden Temperatursensoren 102.
Figur 10 zeigt einen Ausschnitt der Stromschiene 64 im Bereich des U-förmigen Abschnitts 98 gemäß Figur 9 im unverformten und im verformten Zustand, wobei die gezeigte Verformung zum besseren Verständnis deutlich übertrieben dargestellt ist. Mit besonderem Vorteil weist der U-förmige Abschnitt 98 der Stromschiene 64 eine Tiefenausdehnung T auf, die mindestens so groß ist wie ihre Längenausdehnung L entlang der Stromschiene 64. Dadurch ist es möglich, die Federwirkung der Stromschiene 64 und damit den Schutz des elektrischen Anschlusspunkts 106 zu erhöhen bzw. an etwaige Vorgaben anzupassen.
Statt eines U-förmigen Abschnitts 98 können auch vergleichbare wellenförmige Abschnitte, insbesondere V-, W- oder mäanderförmige Abschnitte 98, zur Anwendung kommen. Zudem soll unter einer Wellenform in diesem Zusammenhang auch eine Form mit steilen Rechteckflanken verstanden werden. Weiterhin ist es nicht zwingend notwendig, dass der gesamte Abschnitt 98 unterhalb der Oberfläche der Leiterplatte 62 liegt. Insbesondere bei einer W- oder Mäanderform ist es denkbar, dass der zumindest eine Abschnitt 98 wieder teilweise aus der Oberfläche der Seite, auf der sich die Stromschiene 64 befindet, hervortritt. Ergänzend oder alternativ kann der zumindest eine Abschnitt 98 der Stromschiene 64 aus einem anderen, elektrisch leitfähigen Material als die restliche Stromschiene 64 gebildet sein. So ist es denkbar, dass die Stromschiene 64 aus Kupfer und der Abschnitt 98 aus Aluminium, Wolfram, Silber, Gold oder dergleichen gebildet ist. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Abschnitt 98 der Stromschiene 64 einen Querschnitt und/oder eine Stärke aufweisen, die von dem Querschnitt und/oder der Stärke der restlichen Stromschiene 64 abweichen. So bieten ein geringerer Querschnitt und/oder eine geringere Stärke des Abschnitts 98 eine höhere Flexibilität und Federwirkung, während ein größerer Querschnitt und/oder eine größere Stärke insbesondere in Verbindung mit einem Copper Mesh als weiteres Material eingesetzt werden können.
Figur 11 a zeigt eine perspektivische Darstellung des als Endkappe 40 ausgebildeten Gehäuseteils des Wechselakkupacks 10 gemäß Figur 1 in einer Innenansicht. Figur 11 b zeigt die Endkappe 40 in einer Außenansicht. Die Endkappe 40 ist in einem Dreikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt und besteht folglich aus drei unterschiedlichen Spritzguss-Komponenten. Ein Grundkörper 108 der Endkappe 40 ist aus der Hartkomponente 74 gebildet und zumindest auf einer erste Seite, insbesondere einer Außenseite, der Endkappe 40 von der Weichkomponente 74, insbesondere nahezu vollständig, umspritzt. Hierdurch ergibt sich ein verbessertes Handling für einen Bediener beispielsweise dahingehend, dass insbesondere mit nassen Händen mehr Grip vorhanden ist. Zudem bewirkt das Umspritzen der Außenseite des als Hartkomponente 72 ausgebildeten Grundkörpers 108 eine erhöhte Robustheit gegenüber Stößen, beispielweise bei einem Herunterfallen des Wechselakkupacks 10 bzw. des elektrischen Verbrauchers 30. Die Hartkomponente 72 weist zudem eine Mehrzahl von als Bohrlöcher ausgebildeten Aussparungen 110 auf, die zur lösbaren Befestigung der Endkappe 40 mittels entsprechender Schraubverbindungen an dem Außengehäuse 32 dienen. Die Aussparungen 110 sind zu diesem Zweck nicht von der Weichkomponente 74 umspritzt. Die Weichkomponente 74 bildet auf einer zweiten Seite, insbesondere einer Innenseite, der Endkappe 40 die in die Nut 90 der Hartkomponente 72 eingespritzte Dichtlippe 88 (vgl. Figur 7). Dies verbessert einerseits die Abdichtung des Wechselakkupacks 10 bzw. des elektrischen Verbrauchers 30 gegenüber Feuchtigkeit, Flüssigkeiten, Staub und anderen Formen von Schmutz, und bewirkt andererseits ein deutlich vereinfachtes Montieren der Endkappe 40, da die Dichtlippe 88 nicht extra separat in die Nut 90 eingesetzt werden muss.
Die Weichkomponente 74 bildet auf der Innenseite der Endkappe 40 eine Mehrzahl von auf Vorsprüngen 112 der Hartkomponente 72 aufgespritzten Dämpfungselementen 114. Diese dienen zur axialen und/oder radialen Dämpfung der Energiespeicherzellen 50. Auf diese Weise ist der Wechselakkupack 10 robuster gegenüber etwaigen Stößen und Schlägen sowie Vibrationen, die beim Arbeiten mit dem elektrischen Verbraucher 30 entstehen können. Zudem dienen die Dämpfungselemente 114 einer besser Fixierung der Energiespeicherzellen 50 bzw. der Zell-Cluster 48 innerhalb des Wechselakkupack 10.
Die Bedienbarkeit des Wechselakkupacks 10 kann dadurch erhöht werden, dass eine dritte Spritzguss- Komponente 116 der Endkappe 40 eine weitere Weichkomponente ist, die aus einem transparenten oder transluzenten, insbesondere thermoplastischen, Elastomer gebildet ist. Somit kann die dritte Spritzguss- Komponente 116 beispielsweise als eine Ladezustandsanzeige 118 des Wechselakkupacks 10 dienen, wobei das Licht einzelner auf der Leiterplatte 62 des Wechselakkupacks 10 montierter LEDs (nicht gezeigt) von durch die als ein Lichtleiter 120 ausgebildete, dritte Spritzguss- Komponente 116 nach außen geleitet wird. Zu diesem Zweck ist die dritte Spritzguss- Komponente 116 in eine Aussparung 122 der Hartkomponente 72, die nicht von der Weichkomponente 74 umspritzt ist, eingespritzt. Dadurch wird mit besonderem Vorteil die Robustheit des Wechselakkupacks 10 durch eine zusätzliche Abdichtung im Bereich der Ladezustandsanzeige 118 erhöht. Ergänzend kann vorgesehen sein, die Ladezustandsanzeige 118 auf der Außenseite der Endkappe 40 im Bereich der Aussparung 122 mittels einer transluzenten Folie zu überkleben, um den Übergang zwischen der dritten Spritzguss- Komponente 116 und der Hartkomponente 72 optisch zu kaschieren. Mit besonderem Vorteil ist die Folie farblich an die Weichkomponente 74 angepasst, so dass optisch kein Unterschied zwischen der Weichkomponente 74 und der Ladezustandsanzeige 118 im ausgeschalteten Zustand der LEDs erkennbar ist.
Eine weitere Verbesserung der Bedienbarkeit des Wechselakkupacks 10 kann dadurch erzielt werden, dass in die dritte Spritzguss- Komponente 116 zumindest ein Betätigungselement 124 und/oder zumindest ein optisches Trennelement 126 eingespritzt ist, das insbesondere aus der Hartkomponente 72 oder einem vergleichbaren thermoplastischen Kunststoff gebildet ist. Somit kann beispielweise mittels des Betätigungselements 124 die Ladezustandsanzeige 118 für ein definiertes Zeitfenster durch einen kurzen Druck aktiviert werden. Mittels des zumindest einen optischen Trennelements 126 ist es möglich, unterschiedliche Ladezustände des Wechselakkupacks 10 deutlicher voneinander unterscheiden zu können, weil dadurch Streulicht zwischen den einzelnen, die Ladezustände anzeigenden LEDs vermieden werden kann.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die Figuren 1 bis 11 noch auf die darin gezeigte Form, Anzahl und Größe der Energiespeicherzellen 50 und der Stromschienen 64 beschränkt ist. Entsprechend kann auch die Anzahl und Form der Zell-Cluster 48 des Wechselakkupacks 10 variieren. Dies gilt ebenfalls insbesondere für das Subgehäuse 38, die Endkappen 40, die Isolierplatte 66 und die Leiterplatte 62 des Wechselakkupacks 10. So können beispielsweise je nach Anzahl der Zell- Cluster 48 auch mehrere Isolierplatten 66, Leiterplatten 62 und Subgehäuse 38 innerhalb des Außengehäuses 32 des Wechselakkupacks 10 zum Einsatz kommen. Auch die Ausgestaltung und Anzahl der Endkappen 40 ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Ansprüche
1 . Energiespeichereinheit (12) für einen elektrischen Verbraucher (30), mit einer Mehrzahl (N) von Energiespeicherzellen (50), wobei jede Energiespeicherzelle (50) zwei elektrische Zellpole (54) aufweist und die elektrischen Zellpole (54) zumindest zweier Energiespeicherzellen (50) über zumindest einen Zellverbinder (56) elektrisch leitend in einer Reihen- oder Parallelschaltung als ein Zell-Cluster (48) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (12) zumindest zwei Zell- Cluster (48) aufweist, die mittels einer in einem Zwei- oder Dreikomponen- ten-Spritzgussverfahren hergestellten Isolierplatte (66) miteinander verbunden sind.
2. Energiespeichereinheit (12) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine erste der zumindest zwei Komponenten der Isolierplatte (66) als eine Hartkomponente (72) und eine zweite der zumindest zwei Komponenten als eine Weichkomponente (74) ausgebildet ist.
3. Energiespeichereinheit (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichkomponente (74) eine Härte von 0 bis 100 Shore A, vorzugsweise von 30 bis 70 Shore A, aufweist.
4. Energiespeichereinheit (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartkomponente (72) eine Mehrzahl von Rasthaken (76) zur Befestigung an den zumindest zwei Zell-Clustern (48) aufweist.
5. Energiespeichereinheit (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rasthaken (76) und/oder eine Mehrzahl von mechanischen Kulissen (78) derart an der Isolierplatte (66) angeordnet sind, dass die Zell- Cluster (48) nur in im Sinne eines Poka-Yoke-Prinzips mit der Isolierplatte (66) verbindbar sind. Energiespeichereinheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichkomponente (74) als eine Mehrzahl (M) elastischer Lamellen (80) und/oder Kalotten (83) ausgebildet ist, die innerhalb der Hartkomponente (72) angeordnet sind und die insbesondere über Stege (82) desselben Materials miteinander verbunden sind. Energiespeichereinheit (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl (M) der Lamellen (80) und/oder Kalotten (83) der Anzahl (N) von Energiespeicherzellen (50) mindestens eines der mit der Isolierplatte (66) verbundenen Zell-Clusters (48) entspricht. Energiespeichereinheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (80) und/oder Kalotten (83) kreisförmig ausgebildet sind und ihre Position mit den elektrischen Zellpolen (54) der mit der Isolierplatte (66) verbundenen Zell-Cluster (48) entspricht. Energiespeichereinheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verpressung der Lamellen (80) und/oder Kalotten (83) im montierten Zustand der Isolierplatte (66) erfolgt. Elektrischer Verbraucher (30) mit einer Energiespeichereinheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine (24, 26, 28) ausgebildeten elektrischen Verbraucher (30) und zumindest einer als ein Wechselakkupack (10) ausgebildeten Energiespeichereinheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9.
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