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Die Erfindung betrifft ein System umfassend wenigstens eine Batterie und eine Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßes System ist aus der
DE 10 2004 043 138 A1 bekannt. Ein weiteres System ist aus der
DE 10 2015 013 472 A1 bekannt. In der
EP 0 906 853 A2 werden eine Batterie und eine Verteilerbox über Verbindungselemente miteinander verbunden. Diese Verbindungselemente sind als starre separate Bauteile - beispielsweise in L-Form - ausgebildet. So erfolgt der Kontakt zwischen der Batterie und der Verteilerbox nicht direkt, sondern muss über die Zuhilfenahme der Verbindungselemente erfolgen. So wird zwar eine kompakte Bauweise ermöglicht, die Stromübertragung kann dennoch beispielsweise durch äußere Einflüsse auf die Verbindungselemente beeinträchtigt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zur direkten Verbindungen einer Batterie mit einer Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Als Einsatzgebiet der Erfindung gelten Anwendungen im Automobilbereich, insbesondere Anwendungen in der Elektromobilität.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine kompakte, fehlerminimierte und verlustarme Verbindung zwischen einer Batterie und einer Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung zu schaffen. Zudem kann dabei auf die Verwendung von Verbindungskabeln verzichtet werden.
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Das erfindungsgemäße System umfasst wenigstens eine Batterie mit wenigstens zwei Polen, sowie eine Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Dabei ist die Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung mittels einer Verbindungsanordnung mit den Polen der wenigstens einen Batterie verbindbar. Die Verbindungsanordnung oder die Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung weist einen Gegenpol zur Verbindung mit einem Pol der Batterie auf, wobei die Pole der Batterie und der Gegenpol eine konische Kontaktfläche aufweisen, die miteinander in Eingriff bringbar sind. Konische Kontaktflächen vergrößern im Gegensatz zu bekannten Kontaktflächen mit einem kreisringförmigen Querschnitt die zur Verfügung stehende Fläche zur Stromübertragung. Dadurch werden der Übertragungswiderstand und dadurch auch die Übertragungsverluste minimiert. Ein weiterer Vorteil der konischen Kontaktflächen besteht darin, dass diese sicher ineinandergreifen und somit auch bei starken, fahrbahnbedingten Erschütterungen oder einem Aufprall des Fahrzeugs im Eingriff bleiben. Erfindungsgemäß weist die Batterie ein Steckergehäuse auf, das an einer Polseite der Batterie eine Aussparung zur Aufnahme des Steckergehäuses der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energiegewinnung aufweist. So kann zwischen den beiden Komponenten Batterie und Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung eine Art Schlüssel-/Schloss-System gebildet werden. Das Steckergehäuse der Batterie ist dabei mit dem Batteriegehäuse lösbar verbindbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine Gegenpol mittels einer kräftigen Feder am jeweiligen Pol der Batterie anpressbar. Hierdurch entsteht ein zuverlässiger, hoher Kontaktdruck zwischen den Kontaktflächen, der auch eine Übertragung von hohen Stromstärken nahezu verlustfrei und ohne die Gefahr einer Entstehung eines Lichtbogens ermöglicht.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Kontaktflächen der wenigstens zwei Pole der Batterie eine sich nach oben hin erweiternde hohlkegelförmige Aufnahme bilden und der jeweilige Gegenpol entsprechend als kegelstumpf-förmige Kontaktfläche für den Eingriff in die hohlkegelförmige Aufnahme ausgebildet ist. In einer alternativen Ausführungsform können die Kontaktflächen zwischen Pol und Gegenpol auch umgekehrt ausgebildet sein - der Pol an der Batterie kegelstumpfförmig und der Gegenpol hohlkegelförmig. Gemäß einer weiteren Alternative können die Kontaktflächen auch als ebene Schrägflächen eines n-seitigen Prismas oder als einfache ebene Schrägflächen ausgebildet sein, wobei im letzteren Fall eine zusätzliche Führungsfläche neben den Polen erforderlich ist.
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Die Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung weist in einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung einen Aufnahmeraum für eine bewegbare Lagerung des Gegenpols auf.
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Dabei dient der Aufnahmeraum bevorzugt auch zur Aufnahme der Feder und ist mit einem auf die Rückseite der Feder wirkenden Gegendruckstück verbindbar.
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Das Gegendruckstück ist vorteilhafterweise in den Aufnahmeraum einschraubbar, wodurch mittels einer variablen Einschraubtiefe auch eine Einstellung der gewünschten Federkraft ermöglicht wird.
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Bevorzugt weist das Gegendruckstück einen Ringraum zur Aufnahme einer Strommessvorrichtung auf. Die Strommessvorrichtung dient zur Überwachung des Stromflusses zwischen Pol und Gegenpol und kann bevorzugt auch für eine Bestimmung der Restkapazität der in der Batterie noch gespeicherten elektrischen Energie oder bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts zur Begrenzung der Leistung eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs verwendet werden.
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In einer alternativen Weiterbildung kann das Gegendruckstück auch als Gegendruckplatte ausgebildet sein, welche an einer Gehäusewand der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung befestigbar ist. Die Strommessvorrichtung ist in diesem Falle dann beispielsweise als umlaufender Ring ausgebildet und die Strommessung kann ohne „Eingriff“ in das System erfolgen.
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Als weiterhin besonders vorteilhafte Weiterbildung hat sich gezeigt, wenn das Steckergehäuse der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung wenigstens zwei Aufnahmeräume für wenigstens einen Gegenpol aufweist, so dass jeder Gegenpol in einem eigenen Aufnahmeraum anordenbar ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Steckergehäuse der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung und dem Steckergehäuse der Batterie wenigstens ein Abschirmblech angeordnet. Dieses wenigstens eine Abschirmblech dient zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, durch welche elektrische Bauteile sonst in ihrer Funktion und/oder Lebensdauer beeinträchtigt werden könnten.
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Als besonders vorteilhaft hat sich weiterhin gezeigt, wenn die Verbindungsanordnung als separates Bauteil ausgebildet und mit einer Gehäusewand der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung verbindbar ist. So kann die Verbindungsanordnung beispielsweise im Rahmen von Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten aus dem System entnommen werden.
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Weiterhin sind Teilbereiche des Systems vorteilhafterweise von flexiblen Elementen gebildet. Dies können beispielsweise Faltenbälge sein, welche als Dichtelemente im System Verwendung finden.
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Es hat sich zudem gezeigt, dass es von besonderem Vorteil ist, wenn die Batterie erste Pole zur Übertragung einer ersten, hohen Stromstärke und wenigstens einen Nebenkontakt zur Übertragung einer zweiten, niedrigeren Stromstärke aufweist. Die zweite Stromstärke ist dabei um wenigstens das zehnfache geringer als die erste Stromstärke. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die erste Stromstärke zwischen 25 A und 500 A und die zweite Stromstärke zwischen 0,1 A und 25 A liegt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung des Systems entlang einer Schnittebene A gemäß 2;
- 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung;
- 3 eine perspektivische Teilschnittdarstellung der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung mit einem dieser zugeordneten zweiten Steckergehäuse;
- 4 eine perspektivische Teilschnittdarstellung der Batterie mit einem batterieseitigen ersten Steckergehäuse und
- 5 eine perspektivische Teilschnittdarstellung des Systems in gekoppeltem Zustand.
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Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Systems 10 entlang einer Schnittebene A (siehe 2). Wie aus 2 ersichtlich, bildet die Schnittebene A eine erste Symmetrieachse, zu der eine zweite Symmetrieachse A10 orthogonal angeordnet ist. Rechts und links der Symmetrieachse A10 ist in den Figuren somit die gleiche Anordnung der im Folgenden beschriebenen Bauteile dargestellt. Eine Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 mit einem Gehäuse 32 ist mittels einer Verbindungsanordnung 40 mit einer ein Gehäuse 22 aufweisenden Batterie 20 verbunden.
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Die Batterie 20 weist dabei wenigstens zwei Pole 26 und die Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 wenigstens zwei Gegenpole 36 auf. An den Polen 26 und den Gegenpolen 36 sind konische Kontaktflächen 261 bzw. 361 ausgebildet, mittels derer die Pole 26 und die Gegenpole 36 miteinander in Eingriff bringbar sind. Die Gegenpole 36 sind dabei durch eine Feder 48 an die Pole 26 anpressbar. Die Kontaktflächen 261 der Pole 26 bilden eine sich nach oben - in Richtung der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 hin - erweiternde hohlkegelförmige Aufnahme 262. Entsprechend ist die Kontaktfläche 361 für den Eingriff der Gegenpole 36 in die hohlkegelförmige Aufnahme 262 als Kegelstumpf ausgebildet. Idealerweise ist der so gebildete Kontakt zwischen der Batterie 20 und der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 durch die konischen Kontaktflächen 261 bzw. 361 bezogen auf den Durchmesser der Pole 26 und der Gegenpolen 36 stark vergrößert. Die Widerstände und Verluste bei der Stromübertragung sind mittels der konischen Kontaktflächen 261 und 361 wesentlich geringer als beispielsweise bei runden Kontaktflächen.
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Auf Kontaktstiften der Pole 26 der Batterie 20 sind bevorzugt Sensoren zur Strommessung integriert (nicht dargestellt). Dies kann beispielsweise durch Hall-Sensoren realisiert werden. Eine Spannungsmessung erfolgt besonders bevorzugt mittels einer Vierleiter-Technik auf beiden Seiten der Verbindung (ebenfalls nicht dargestellt). Des Weiteren erfolgt bevorzugt auch eine Temperaturüberwachung des Systems 10 über integrierte Temperatursensoren (ebenfalls nicht dargestellt).
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Für eine bewegbare Lagerung und Führung des wenigstens einen Gegenpols 36 weist die Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 ein zweites Steckergehäuse 34 mit einem Aufnahmeraum 342 auf. Das zweite Steckergehäuse 34 ist dabei in einer Aussparung 222 eines ersten Steckergehäuses 24 der Batterie 20 angeordnet. Dadurch sind Pole 26 und Gegenpole 36 für das Koppeln zur Herstellung einer leitenden Hochvolt-Verbindung in einfacher Weise relativ zueinander bewegbar.
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Der Aufnahmeraum 342 dient dabei zur Aufnahme des wenigstens einen Gegenpols 36. Der Gegenpols 36 weist einen nach außen vorspringenden Bund 37 auf, auf dem sich eine einen zylindrischen Schaft des Gegenpols 36 umgebende Feder 48 mit einem Ende abstützt. Das andere Ende der Feder 48 liegt an der Innenseite eines Gegendruckstücks 44 an. Das Gegendruckstück 44 ist in den Aufnahmeraum 342 einschraubbar und weist auf seiner Oberseite einen Ringraum 442 auf, der zur Aufnahme einer Strommessvorrichtung 46 dient. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Gegendruckstück 44 auch als Gegendruckplatte 45 mit einem um den Gegenpol 36 umlaufenden Kragen und die ringförmige Strommessvorrichtung um diesen Kragen herum ausgebildet sein (siehe 3 und 5). So kann eine Strommessung erfolgen, ohne in das System 10 „eingreifen“ zu müssen.
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Die Batterie 20 weist für ein formschlüssiges Zusammenwirken mit dem zweiten Steckergehäuse 34 ein erstes Steckergehäuse 24 auf. Das erste Steckergehäuse 24 ist durch ein umlaufendes Ringblech 80 (siehe 4 und 5) mit einer Gehäusewand 221 des Gehäuses 22 der Batterie 20 lösbar verbindbar.
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Zwischen dem Steckergehäuse 34 der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 und dem Steckergehäuse 24 der Batterie 20 ist wenigstens ein Abschirmblech 70 angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform kann das Abschirmblech 70 auch zusätzlich unterhalb eines Polgehäuses 263 und zwischen dem Steckergehäuse 34 und einem Rahmen 52 eines elastischen Elements 50 angeordnet sein. Das elastische Element 50 ist dabei als flexible Dichtung in Form eines Faltenbalgs ausgebildet und ermöglicht somit auch einen Ausgleich von Toleranzen.
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Um das System 10 dauerhaft funktionsfähig zu erhalten und beispielsweise vor Feuchtigkeit und Verschmutzung zu schützen, sind zusätzlich zum elastischen Element 50 drei umlaufende Dichtungen 245, 246 und 55 vorgesehen. Die erste Dichtung 245 ist zwischen dem ersten Steckergehäuse 24 und dem Rahmen 52 des elastischen Elements 50 angeordnet. Die zweite Dichtung 246 ist in einer Nut nahe des Außenrandes des Steckergehäuses 24 zwischen diesem und der Gehäusewand 221 angeordnet. Die bevorzugt vom Rand des flexiblen Elements 50 gebildete dritte Dichtung 55 ist zwischen dem Rahmen 52 des elastischen Elements 50 und einer Gehäusewand 321 der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 angeordnet.
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Die sichere und kompakte Verbindung des Systems 10 erfolgt mittels Verbindungselementen 60, 62 und 63. Dabei dienen die beiden Verbindungelement 60 dazu, das Gehäuse 32 der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 mit dem Gehäuse 22 der Batterie 20 fest miteinander zu verbinden (siehe auch 2). Die Verbindungselemente 62 verbinden das Steckergehäuse 24 mit der Gehäusewand 221 des Batteriegehäuses 22 und die Verbindungselemente 63 verbinden den Rahmen 52 des elastischen Elements 50 mit der Gehäusewand 321 der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30.
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Die Draufsicht auf eine Oberseite des Gehäuses 32 der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieverteilung 30 macht deutlich, dass das zweite Steckergehäuse 34 mit der Verbindungsanordnung 40, welche aus dem Gegendruckstück 44 mit dem Ringraum 442, der Strommessvorrichtung 46 und der Feder 48 gebildet wird, in einem Aufnahmeraum 322 der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 angeordnet sind. An der oberen Gehäusewand 321 der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Umwandlung 30 ist zur Bildung des Aufnahmeraums 322 eine im gezeigten Ausführungsbeispiel ovale Aussparung vorgesehen. An einem Rand dieser Aussparung sind ringsum Flansche 326 ausgebildet, mittels derer das zweite Steckergehäuse 34 an der Gehäusewand 321 befestigbar ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel (siehe 3 bis 5) übernimmt diese Funktion das Gegendruckstück 44 in Form einer Gegendruckplatte 45.
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Wie aus 2 ersichtlich sind zu beiden Seiten der Schnittebene A jeweils ein Nebenkontakt 38 und diesen benachbarte Signalkontakte 39 dargestellt. Die Nebenkontakte 38 dienen dabei zur Übertragung einer zweiten Stromstärke 12, die um etwa das wenigstens zehnfache geringer ist, als die von den Polen 26 und Gegenpolen 36 übertragene erste Stromstärke 11. Die stiftförmigen Signalkontakte 39 bilden mit stiftförmigen Signalkontakten 29 der Batterie 20 eine Überwachungseinrichtung, mittels der überprüft werden kann, welche Kontakte zwischen Pol 26 und Gegenpol 36 geöffnet und geschlossen sind. Es handelt sich hierbei um eine sogenannte intelligente Steckkontakt-Identifikation.
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Die 3 zeigt eine perspektivische Teilschnittdarstellung der oben im Detail beschriebenen Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30. Das Gegendruckstück 44 ist dabei in einer alternativen Ausgestaltung als Gegendruckplatte 45 mit einem um die Gegenpole 36 ausgeführten Kragen dargestellt. Sich an die einen Boden bildende Gehäusewand 321 nach oben anschließende Seitenwände des Gehäuses 32 der Vorrichtung 30 sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.
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Aus der perspektivischen Teilschnittdarstellung der batterieseitigen Anordnung der Bauteile gemäß 4 ist die Position eines Nebenkontakts 28, sowie der Signalkontakte 29 veranschaulicht.
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In der 5 ist das System 10 in gekoppeltem Zustand dargestellt. Die Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 ist mit der Batterie 20 durch die beiden Verbindungselemente 60 (siehe 1 und 2) fest verbunden. Die Anordnung der Abschirmbleche 70 zwischen dem ersten Steckergehäuse 24 der Batterie 20 bzw. dem Rahmen 52 des flexiblen Elements 50 und dem zweiten Steckergehäuse 34 der Vorrichtung zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung 30 ist auch in 5 verdeutlicht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- System
- 20
- Batterie
- 22
- Gehäuse
- 221
- Gehäusewand
- 222
- Aussparung
- 24
- (erstes, batterieseitiges) Steckergehäuse
- 245
- Dichtung (zwischen 24 und 52)
- 246
- Dichtung (zwischen 22 und 24)
- 26
- Pol
- 261
- Kontaktfläche
- 262
- Aufnahme
- 263
- Polgehäuse
- 28
- Nebenkontakt
- 29
- Signalkontakt
- 30
- Vorrichtung (zur Energieverteilung und/oder Energieumwandlung)
- 32
- Gehäuse
- 321
- Gehäusewand
- 322
- Aufnahmeraum
- 326
- Flansch
- 34
- (zweites) Steckergehäuse
- 342
- Aufnahmeraum
- 36
- Gegenpol
- 37
- Bund (an 36)
- 361
- Kontaktfläche
- 38
- Nebenkontakt
- 39
- Signalkontakt
- 40
- Verbindungsanordnung
- 44
- Gegendruckstück
- 45
- Gegendruckplatte
- 442
- Ringraum
- 46
- Strommessvorrichtung
- 48
- Feder
- 50
- Flexibles Element (Faltenbalg)
- 52
- Rahmen
- 55
- Dichtung
- 60
- Verbindungselement (von 20 mit 30)
- 62
- Verbindungselement (von 22 mit 24 und 25)
- 63
- Verbindungselement (von 32 mit 52)
- 70
- Abschirmblech
- 80
- Ringblech
- A
- Schnittebene
- A10
- Symmetrieachse