EP4736271A1 - Niedervoltkontaktierung für eine batterie, montage der niedervoltkontaktierung und fahrzeug mit einer hochvoltbatterie - Google Patents

Niedervoltkontaktierung für eine batterie, montage der niedervoltkontaktierung und fahrzeug mit einer hochvoltbatterie

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EP4736271A1
EP4736271A1 EP25739961.8A EP25739961A EP4736271A1 EP 4736271 A1 EP4736271 A1 EP 4736271A1 EP 25739961 A EP25739961 A EP 25739961A EP 4736271 A1 EP4736271 A1 EP 4736271A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Niedervoltkontaktierung für eine Batterie (1) mit Aufnahmeelementen (4) auf einer Oberfläche, welche über einen mit ihnen verschweißten Lackdraht (5) elektrisch kontaktiert sind. die erfindungsgemäße Niedervoltkontaktierung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeelemente (4) in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel zu der sie aufnehmenden Oberfläche (9) verlaufen.

Description

Niedervoltkontaktierung für eine Batterie, Montage der Niedervoltkontaktierung und Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie
Die Erfindung betrifft eine Niedervoltkontaktierung für eine Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage einer derartigen Niedervoltkontaktierung sowie ein Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie, welche eine derartige Niedervoltkontaktierung aufweist.
Batterien wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, welche zur Speicherung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt werden, sind so weit aus dem Stand der Technik bekannt. Ein prinzipielles Batteriemodul dieser Art zeigt beispielsweise die
DE 102010035478 Al. Darin wird die Zellkontaktierung der Batteriemodule zur Entnahme von Leistung und zum Laden der Batterieeinzelzellen beschrieben. Neben dieser sogenannten Hochvoltkontaktierung, wobei Hochvolt gemäß der Definition der ECE 100R bedeutet, dass hier Spannungen von mehr als 60 V Gleichstrom vorherrschen, haben derartige Batterien bzw. Batteriemodule typischerweise auch eine Niedervoltkontaktierung oder LV(Low Voltage)- Kontaktierung, auf einem geringeren Spannungsniveau. Diese Kontaktierung dient typischerweise zur Erfassung von Messdaten wie beispielsweise Einzelzellspannungen, für Steuerungszwecke oder dergleichen.
Die DE 102019000856 Al beschreibt einen allgemein bekannten und üblichen Aufbau einer solchen Niedervoltkontaktierung. Dafür werden typischerweise mit Lack isolierte Drähte an Pins bzw. Kontaktiergabeln verschweißt, wodurch eine elektrisch leitende Verbindung entsteht. Der Draht für die Niedervoltkontaktierung wird dabei um die Pins bzw. Kontaktiergabeln gelegt bzw. gewickelt, um dann zu einem Steuergerät des Batteriemanagements geführt zu werden. Der Aufbau ist entsprechend einfach, da an hochstehenden Kontaktiergabeln und Pins eine außerordentlich einfache und in der Montage sehr effiziente Kontaktierung möglich ist. Beim Einsatz für Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen kann es durch Intrusionen im Crashfall jedoch dazu kommen, dass diese Niedervoltkontaktierungen beschädigt werden, beispielsweise wenn diese abgeknickt oder der hochstehende Draht von einem die Batterie beschädigenden Teil abgerissen wird. Dies ist besonders kritisch, da genau in solchen Situationen Informationen über den Batteriezustand wichtig sind, um die Sicherheit der Batterie nach einem Crash beurteilen und evtl. Gegenmaßnamen ergreifen zu können. Wenn genau dann die Niedervoltkontaktierungen jedoch nicht zur Verfügung stehen, können dadurch sicherheitskritische Nachteile auftreten.
Weitere Hochvoltkontaktierungen oder Bauteile dafür sind aus der US 2019 / 0 189996 Al oder der DE 102018 201 155 Al bekannt. Darin sind schräg zu einer Oberfläche verlaufende Anschlusselemente gezeigt die mit Kabeln vercrimpt oder gemäß der DE-Schrift auch anderweitig elektrisch leitend verbunden werden.
Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die US 2019 / 0296312 Al und die CN 2 17385 761 U verwiesen werden.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin eine verbesserte Niedervoltkontaktierung sowie ein Verfahren zu ihrer Montage anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Niedervoltkontaktierung für eine Batterie mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren zur Montage einer derartigen Niedervoltkontaktierung gemäß Anspruch 5 die Aufgabe. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung aus dem abhängigen Unteranspruch. Im Anspruch 6 ist außerdem ein Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie angegeben, welche mit einer derartigen Niedervoltkontaktierung ausgerüstet ist, und damit die Aufgabe mittelbar ebenfalls löst.
Die erfindungsgemäße Niedervoltkontaktierung umfasst - vergleichbar wie im Stand der Technik - einen mit Aufnahmeelementen wie beispielsweise Kontaktpins oder Kontaktiergabeln verschweißten Lackdraht. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass diese Aufnahmeelemente in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel zu der Oberfläche, auf welcher sie aufgenommen sind, verlaufen.
Dabei ist es ferner vorsehen, dass die Aufnahmeelemente an wenigstens zwei ihrer Seiten von Schutzelementen umgeben sind, die fest mit der Oberfläche verbunden oder einteilig mit dieser ausgebildet sind. Diese Schutzelemente dienen dazu eine Beeinträchtigung der Aufnahmeelemente für den Lackdraht im Falle einer Intrusion weiter zu verringern. Idealerweise ist es dabei vorgesehen, dass diese Schutzelemente an zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, und dass gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung die Oberkante des Aufnahmeelements weniger Abstand von der Oberfläche aufweist als die Oberkante der Schutzelemente. Hierdurch wird mit minimalem konstruktivem Mehraufwand ein sehr guter Schutz erzielt.
Dieser Winkel kann insbesondere in der Größenordnung von 10 bis 60° zu der Oberfläche liegen. Die Aufnahmeelemente sind also nicht mehr senkrecht auf der sie tragenden Oberfläche angeordnet, sondern gegen diese Oberfläche hingebogen. Dies sorgt einerseits dafür, dass die Aufnahmeelemente selbst weniger Bauraum in Höhenrichtung benötigen, was die Gefahr einer Beeinträchtigung im Falle einer Intrusion minimiert. Zusätzlich wird durch die Anordnung schräg zur Oberfläche eine Leitungsführung des Lackdrahts erreicht, welche dichter an der Oberfläche verläuft, was die Gefahr einer Beschädigung ebenfalls minimiert. Damit lässt sich ein sehr guter Aufbau erreichen, welcher mit minimalem Mehraufwand die Konstruktion gemäß dem Stand der Technik hinsichtlich der Crash-Sicherheit deutlich verbessern kann.
Die schräg zur Oberfläche stehenden Aufnahmeelemente, insbesondere wenn sie zwischen zwei Schutzelementen angeordnet sind, erschweren die Montage nun jedoch erheblich. Um auch dieser Problematik entgegenzuwirken kann es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Montage der Niedervoltkontaktierung vorgesehen sein, dass der Lackdraht um die Aufnahmeelemente gewickelt und mit diesen verschweißt wird. Erst im Anschluss werden die zuvor senkrecht stehenden Aufnahmeelemente dann in Richtung der Oberfläche gebogen, gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung zwischen die wenigstens zwei Schutzelemente. Damit ist der Aufwand bei der Montage der Niedervoltkontaktierung vergleichbar, wie der Aufwand im Stand der Technik, da die anfangs senkrecht stehenden Bauteile einfach und ideal mit dem Lackdraht umwickelt bzw. der Lackdraht in diese eingefädelt werden kann. Im Anschluss erfolgt die Verbindung über Verschweißen. Erst danach werden die einzelnen Aufnahmeelemente in Richtung der sie tragenden Oberfläche gebogen, um so die erfindungsgemäße Niedervoltkontaktierung zu erhalten. Der Mehraufwand bei der Montage beschränkt sich somit auf das Umbiegen der Aufnahmeelemente. Dieser kleine Mehraufwand führt jedoch zu einem weitaus sichereren Aufbau.
Die erfindungsgemäße Niedervoltkontaktierung eignet sich nun ideal, um in Hochvoltbatterien zum Einsatz zu kommen, welche unter für mechanische Beeinträchtigung anfälligen Bedingungen genutzt werden. Dementsprechend kann ein Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie vorgesehen werden, welche eine derartige Niedervoltkontaktierung aufweist, wobei die Hochvoltbatterie als Traktionsbatterie, also zur Speicherung von elektrischer Antriebsleistung, ausgebildet ist. Da bei Fahrzeuganwendungen immer mit einem Crashfall gerechnet werden muss, ist hier durch die gegen die Oberfläche umgebogenen Anordnung der Aufnahmeelemente ein besonders hoher Sicherheitsvorteil zu erreichen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen einer Batterie mit einer erfindungsgemäßen Niedervoltkontaktierung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Montage ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Batterie mit einer Niedervoltkontaktierung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Darstellung gemäß Fig. 1 in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine Kontaktgabel einer erfindungsgemäßen Niedervoltkontaktierung in einem ersten Schritt der Montage; und
Fig. 4 der Aufbau gemäß Fig. 3 nach der Montage.
In der Darstellung der Figur 1 ist eine in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete Hochvoltbatterie, wie sie beispielsweise als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen kann, in einem Ausschnitt dargestellt. Der hier gezeigte Ausschnitt umfasst dabei vier Batterieeinzelzellen 2, sowie einen Ausschnitt aus einem mit 3 bezeichneten Batteriegehäuse, welches hier beispielsweise den Unterboden eines Fahrzeugs ausbildet. Im Bereich der Batterieeinzelzellen 2 befinden sich mehrere Aufnahmeelemente 4, welche als senkrecht von der Oberfläche der Batterieeinzelzellen abstehende Kontaktpins oder Kontaktiergabeln ausgebildet sind, um welche ein mit 5 bezeichneter Lackdraht gewickelt und mit dem jeweiligen Aufnahmeelement 4 verschweißt ausgebildet ist. Dieser Lackdraht 5, von welchem ebenfalls nur ein Ausschnitt dargestellt ist, ist dann mit einem Steuergerät verbunden, um so beispielsweise Messdaten von den einzelnen Batterieeinzelzellen 2 an dieses Steuergerät zu liefern. Man spricht hierbei von der Niedervoltkontaktierung der Batterieeinzelzellen 2, welche parallel dazu über mit 6 bezeichnete Zellverbinder auch bezüglich der Leistung mit einer Hochvoltkontaktierung untereinander kontaktiert, hier in Reihe verschaltet sind, um so Energie aus der Batterie 1 zu entnehmen oder in diese einzuspeichern.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist es nun so, dass ein hier als Kugel dargestellter Intrusionskörper 7 das Batteriegehäuse 3 entsprechend beschädigt, beispielsweise bei einem Crash des Fahrzeugs. Hierdurch kommt es im Bereich des links dargestellten Aufnahmeelements 4 zu einer Beschädigung desselben, welche hier durch ein Explosionszeichen 8 entsprechend angedeutet ist. In diesem Fall kann es dazu kommen, dass die Niedervoltkontaktierung gestört wird, weil der Lackdraht 5 an dieser Stelle reißt und/oder das Aufnahmeelement 4 abgerissen wird. In dieser Situation stehen dann keine Messwerte der Batterie 1 mehr zur Verfügung, sodass also auch keine Aussage über den Status bzw. Zustand der Batterie 1 getroffen werden kann, was im Crashfall ein gravierender Sicherheitsnachteil ist.
In der Darstellung der Figur 2 ist ein Ausschnitt aus dem Aufbau der Figur 1 nochmals gezeigt, wobei dieser nun entsprechend modifiziert ist. Das Aufnahmeelement 4 mit dem hier dargestellten Abschnitt des Lackdrahts 5 ist gegenüber der Oberfläche der Batterieeinzelzellen 2 der Batterie 1 so gebogen worden, dass es schräg gegenüber dieser Oberfläche steht und damit mehr Bauraum zwischen der Batterie 1 und dem mit 3 bezeichneten Abschnitt des Batteriegehäuses zur Verfügung steht. Der Intrusionskörper 7 verbeult nun das Batteriegehäuse 3 vergleichbar wie in der Darstellung der Figur 1, es bleibt jedoch genügend Freiraum, sodass eine Beschädigung der Niedervoltkontaktierung und hier des Anschlusselements 4 nicht auftritt. Mit einer einfachen konstruktiven Anpassung lässt sich so die Sicherheit steigern. In der Montage kann dies nun so realisiert werden, wie es in der Darstellung der Figur 3 und 4 zu erkennen ist. In der Figur 3 ist eine mit 9 bezeichnete Oberfläche, beispielsweise die Oberfläche der Batterieeinzelzellen 2 oder einer die Zellverbinder 6 tragenden Platine oder dergleichen, zu erkennen. Auf dieser Oberfläche ist als Aufnahmeelement 4 eine Kontaktiergabel beispielhaft gezeigt. Diese besteht aus einem Fuß 10 und der eigentlichen Kontaktiergabel 4. In dieser Kontaktiergabel 4 wird nun der Lackdraht 5 eingelegt und mit dieser verschweißt, um die elektrische Kontaktierung zu gewährleisten. Die Kontaktiergabel 4 steht dabei während der Montage senkrecht von der Oberfläche 9 ab, sodass bei der elektrischen Kontaktierung kein zusätzlicher Aufwand entsteht. Erst danach wird die Kontaktiergabel 4, wie es in der Darstellung der Figur 4 zu erkennen ist, in Richtung der Oberfläche 9 gebogen, um die auch in Figur 2 dargestellte Position einzunehmen.
In der Darstellung der Figur 3 und 4 sind außerdem Schutzelemente 11 erkennbar, welche senkrecht von der Oberfläche 9 abstehen. Sie sind mit der Oberfläche 9 verbunden oder einteilig mit dieser ausgeführt. Sie sind so angeordnet, dass sie die Verbindung zwischen dem Lackdraht 5 und der Kontaktiergabel 4 bei der Montage nicht beeinträchtigen. Wird die mit dem Lackdraht 5 elektrisch leitend verbundene Kontaktiergabel 4 dann jedoch in Richtung der Oberfläche 9 gebogen, wie es in der Darstellung der Figur 4 zu erkennen ist, kommt sie zwischen diesen beiden Schutzelementen 11 zu liegen und erfährt so einen zusätzlichen Schutz im Falle einer seitlichen Intrusion. Die Sicherheit lässt sich also nochmals steigern, indem die Kontaktiergabel 4 zwischen die Schutzelemente 11 heruntergebogen wird, nachdem diese elektrisch angeschlossen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Niedervoltkontaktierung für eine Batterie (1) mit Aufnahmeelementen (4) auf einer Oberfläche, welche über einen mit ihnen verschweißten Lackdraht (5) elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeelemente (4) in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel zu der sie aufnehmenden Oberfläche (9) verlaufen, wobei die Aufnahmeelemente (4) an wenigstens zwei ihrer Seiten von Schutzelementen (11) umgeben sind, die fest mit der Oberfläche (9) verbunden oder einteilig mit dieser ausgeführt sind.
2. Niedervoltkontaktierung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeelemente (4) in einem Winkel von 10 bis 60° zu der Oberfläche (9) angeordnet sind.
3. Niedervoltkontaktierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzelemente (11) an zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.
4. Niedervoltkontaktierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberkante des Aufnahmeelements (4) weniger Abstand von der Oberfläche (9) aufweist als die Oberkante der Schutzelemente (11).
5. Verfahren zur Montage einer Niedervoltkontaktierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wozu der Lackdraht (5) um die senkrecht zu der Oberfläche (9) stehenden Aufnahmeelemente (4) gewickelt oder in diese eingefädelt wird, wonach der Lackdraht (5) mit den Aufnahmeelementen (4) verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Verschweißen die Aufnahmeelemente (4) in Richtung der Oberfläche (9) zwischen wenigstens zwei Schutzelemente (11) umgebogen werden.
6. Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie (1), welche eine Niedervoltkontaktierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist, und welche zur Speicherung von elektrischer Antriebsleistung vorgesehen ist.
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