DE102024204858A1 - Battery pack - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Akkupack, insbesondere einen Wechsel akku pack, mit einem Gehäuse, in welchem zumindest eine Akkuzelle angeordnet ist, mit einer Elektronik, die zumindest eine Leiterplatte aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass der Akkupack zumindest ein Federelement zur Wärmeableitung und/oder zum Schutz vor elektrischer Entladung aufweist, wobei das Federelement derart auf der Leiterplatte angeordnet ist, dass das Federelement das Gehäuse kontaktiert.The invention relates to a battery pack, in particular a replaceable battery pack, with a housing in which at least one battery cell is arranged, and with electronics comprising at least one printed circuit board. It is proposed that the battery pack includes at least one spring element for heat dissipation and/or protection against electrical discharge, wherein the spring element is arranged on the printed circuit board such that the spring element contacts the housing.
Description
Stand der TechnikState of the art
In der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung betrifft einen Akkupack, insbesondere einen Wechsel akku pack, mit einem Gehäuse, in welchem zumindest eine Akkuzelle angeordnet ist, mit einer Elektronik, die zumindest eine Leiterplatte aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass der Akkupack zumindest ein Federelement zur Wärmeableitung und/oder zum Schutz vor elektrischer Entladung aufweist, wobei das Federelement derart auf der Leiterplatte angeordnet ist, dass das Federelement das Gehäuse kontaktiert. Vorteilhaft kann dadurch die Leistung und/oder Sicherheit des Akkupacks verbessert werden.The invention relates to a battery pack, in particular a replaceable battery pack, comprising a housing in which at least one battery cell is arranged, and electronics comprising at least one printed circuit board. It is proposed that the battery pack include at least one spring element for heat dissipation and/or protection against electrical discharge, wherein the spring element is arranged on the printed circuit board such that it contacts the housing. Advantageously, this can improve the performance and/or safety of the battery pack.
Der Akkupack ist insbesondere Teil eines Systems, welches sich aus dem Akkupack und einem Verbraucher zusammensetzt, wobei der Verbraucher während des Betriebs über den Akkupack mit Energie versorgt wird. Der Akkupack kann beispielsweise als ein Handwerkzeugmaschinenakkupack oder als ein Elektrofahrradakkupack ausgebildet sein. Der Akkupack ist insbesondere als ein Wechselakkupack ausgebildet, der bevorzugt werkzeuglos lösbar mit dem Verbraucher ausgebildet ist. Alternativ ist ebenso denkbar, dass der Akkupack fest im Gehäuse des Verbrauchers angebracht beziehungsweise integriert ist. Der Akkupack ist insbesondere verbindbar mit einer Ladevorrichtung zum Aufladen des Akkupacks ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Akkupack auch derart ausgebildet sein, dass er im mit dem Verbraucher verbundenen Zustand aufladbar ist.The battery pack is, in particular, part of a system consisting of the battery pack and a load, the load being supplied with energy via the battery pack during operation. The battery pack can be, for example, a power tool battery pack or an e-bike battery pack. The battery pack is specifically designed as a replaceable battery pack, preferably one that can be detached from the load without tools. Alternatively, it is also conceivable that the battery pack is permanently attached to or integrated into the load's housing. The battery pack is, in particular, designed to be connectable to a charging device for recharging the battery pack. Alternatively or additionally, the battery pack can also be designed to be rechargeable while connected to the load.
Der Verbraucher kann insbesondere als ein Gartengerät, wie beispielsweise ein Rasenmäher oder eine Heckenschere, als ein Haushaltsgerät, wie beispielsweise ein elektrischer Fensterreiniger oder Handstaubsauger, als eine Handwerkzeugmaschine, wie beispielsweise ein Winkelschleifer, ein Schrauber, eine Bohrmaschine, ein Bohrhammer, etc., als ein elektrisches Fortbewegungsmittel, wie beispielsweise ein Elektrofahrrad in Form eines Pedelecs oder eines E-Bikes, als ein eScooter oder als ein Messwerkzeug, wie beispielsweise ein Laserentfernungsmessgerät, ausgebildet sein. Des Weiteren ist auch denkbar, dass der Verbraucher als ein anderes insbesondere tragbares Gerät ausgebildet ist, wie beispielsweise eine Baustellenbeleuchtung, ein Absauggerät oder ein Baustellenradio.The consumer may be trained in various ways, including as a garden tool, such as a lawnmower or hedge trimmer; as a household appliance, such as an electric window cleaner or handheld vacuum cleaner; as a power tool, such as an angle grinder, screwdriver, drill, hammer drill, etc.; as an electric means of transport, such as an electric bicycle in the form of a pedelec or e-bike, as an e-scooter; or as a measuring tool, such as a laser distance meter. Furthermore, it is also conceivable that the consumer may be trained in other, particularly portable, devices, such as construction site lighting, a dust extractor, or a construction site radio.
Der Akkupack weist ein Gehäuse auf, in welchem die Akkuzellen aufgenommen sind. Das Gehäuse des Akkupacks ist vorzugsweise als ein Außengehäuse ausgebildet. Der Akkupack, insbesondere das Gehäuse des Akkupacks, kann über eine mechanische Schnittstelle lösbar mit dem Verbraucher und/oder einer Ladevorrichtung verbindbar oder fest verbunden ausgebildet sein. Das Gehäuse des Akkupacks kann ein oder mehrere Gehäuseteile aufweisen. Das Gehäuse weist zumindest ein Gehäuseteil auf, das als ein Außengehäuseteil ausgebildet ist. Vorzugsweise besteht das Gehäuse vollständig aus Außengehäuseteilen. Das Außengehäuseteil grenzt dabei den Akkupack nach außen ab und kann von einem Benutzer berührt werden. Zudem kann das Gehäuse zumindest ein Innengehäuseteil aufweisen, dass vollständig von dem zumindest einen Gehäuseteil umschlossen wird. Das Gehäuse des Akkupacks kann aus einem metallischen Werkstoff und/oder aus einem Kunststoff ausgebildet sein.The battery pack has a housing in which the battery cells are contained. The battery pack housing is preferably designed as an outer casing. The battery pack, and in particular its housing, can be detachably connected to the load and/or a charging device via a mechanical interface, or it can be permanently connected. The battery pack housing can have one or more housing parts. The housing has at least one housing part that is designed as an outer casing part. Preferably, the housing consists entirely of outer casing parts. The outer casing part separates the battery pack from the outside and can be touched by a user. Furthermore, the housing can have at least one inner casing part that is completely enclosed by the at least one housing part. The battery pack housing can be made of a metallic material and/or a plastic.
Der Akkupack weist zur Aufnahme der Akkuzellen vorzugsweise einen Zellenhalter auf. Der Zellenhalter des Akkupacks ist insbesondere als ein Gehäuseteil ausgebildet, vorzugsweise als ein Innengehäuseteil. Es ist allerdings ebenso denkbar, dass der Zellenhalter teilweise oder vollständig als ein Außengehäuseteil ausgebildet ist. Das Gehäuse des Akkupacks kann einen oder mehrere Zellenhalter aufweisen. Die Gehäuseteile, insbesondere die Zellenhalter, sind miteinander kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden. Der Zellenhalter ist vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, ausgebildet. Der Zellenhalter ist bevorzugt aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, bevorzugt aus einem faserverstärkten Kunststoff, ausgebildet. Alternativ ist ebenso denkbar, dass der Zellenhalter aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist. Der Zellenhalter ist insbesondere einteilig oder einstückig ausgebildet. Es sind auch noch weitere Werkstoffe, zum Beispiel Keramik denkbar. Unter einstückig soll im Zusammenhang dieser Anmeldung insbesondere ein Bauteil verstanden werden, welches aus einem Stück ausgebildet und nicht aus mehreren Bauteilen, die stoffschlüssig und/oder kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind, ausgebildet ist. Ein einstückiges Bauteil besteht demnach aus einem einzigen Material. Unter einteilig soll im Zusammenhang dieser Anmeldung mehrere Bauteile, die stoffschlüssig, beispielsweise über ein 2K Spritzguss oder einen Stoffschluss, miteinander verbunden sind, verstanden werden. Eine einteilige Komponente kann somit aus einem oder mehreren Materialien bestehen. Alternativ ist auch denkbar, dass der Zellenhalter mehrteilig ausgebildet ist, wobei die unterschiedlichen Teile kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind. Der Akkupack kann einen oder mehrere Zellenhalter, die nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind, aufweisen.The battery pack preferably includes a cell holder for receiving the battery cells. The cell holder of the battery pack is specifically designed as a housing component, preferably an inner housing component. However, it is also conceivable that the cell holder is partially or completely designed as an outer housing component. The housing of the battery pack can have one or more cell holders. The housing components, especially the cell holders, are connected to one another by force-fit, form-fit, and/or material-fit. The cell holder is preferably made of a plastic, particularly a thermoplastic. The cell holder is preferably made of a temperature-resistant plastic, preferably a fiber-reinforced plastic. Alternatively, it is also conceivable that the cell holder is made of a metallic material. The cell holder is specifically designed as a single piece. Other materials, such as ceramics, are also conceivable. In the context of this application, "single piece" is understood to mean, in particular, a component that is formed from a single piece and not from several components that are connected to one another by material-fit, force-fit, and/or form-fit. A one-piece component therefore consists of a single material. In the context of this application, "one-piece" is understood to mean several components that are joined together by a material bond, for example, via two-component injection molding or a material bond. A one-piece component can thus consist of one or more materials. Alternatively, it is also conceivable that the cell holder is designed in multiple parts, with the different parts being connected to each other by force-fit and/or form-fit. The battery pack can have one or more cell holders arranged side by side and/or one behind the other.
Über eine mechanische Schnittstelle ist der Akkupack kraft- und/oder formschlüssig mit dem Verbraucher verbindbar. Vorteilhaft umfasst die mechanische Schnittstelle zumindest ein Betätigungselement, über das die Verbindung des Akkupacks mit dem Verbraucher und/oder mit der Ladevorrichtung lösbar ist. Das Betätigungselement kann beispielsweise als ein Schloss, ein Knopf, ein Hebel oder als ein Taster ausgebildet sein. Das Betätigungselement kann am Akkupack oder am Verbraucher angeordnet sein. Zudem kann die mechanische Schnittstelle Führungselemente zur Führung des Akkupacks beim Verbindungsprozess und/oder Zentrierelemente zur Zentrierung des Akkupacks beim Verbindungsprozess umfassen.The battery pack can be connected to the load via a mechanical interface, either by force or form-fit. Advantageously, the mechanical interface includes at least one actuating element that allows the connection between the battery pack and the load and/or the charging device to be released. The actuating element can be, for example, a lock, a button, a lever, or a push button. The actuating element can be located on the battery pack or on the load. Furthermore, the mechanical interface can include guide elements for guiding the battery pack during the connection process and/or centering elements for centering the battery pack during the connection process.
Zudem weist der Akkupack zumindest eine elektrische Schnittstelle auf, über die der Akkupack mit dem Verbraucher und/oder mit der Ladevorrichtung elektrisch verbindbar ist. Über die elektrische Verbindung kann der Akkupack beispielsweise geladen und/oder entladen werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch denkbar, dass über die elektrische Schnittstelle Informationen von dem Akkupack an den Verbraucher und umgekehrt übermittelbar sind. Die elektrische Schnittstelle ist bevorzugt als eine Kontaktschnittstelle ausgebildet, bei der die elektrische Verbindung über einen physischen Kontakt zumindest zweier leitfähiger Bauteile erfolgt. Die elektrische Schnittstelle umfasst bevorzugt zumindest zwei elektrische Kontaktelemente. Insbesondere ist einer der elektrischen Kontaktelemente als ein Plus-Kontakt und das andere elektrische Kontaktelement als ein Minus-Kontakt ausgebildet. Zusätzlich kann die elektrische Schnittstelle zumindest einen Zusatzkontakt aufweisen, der dazu ausgebildet ist, zusätzliche Informationen an den Verbraucher und/oder an die Ladevorrichtung zu übertragen. Die Zusatzkontakte können als Signalkontakte, Codierkontakte, Temperaturkontakte, Bus-Kontakte etc. ausgebildet sein. Die elektrischen Kontaktelemente können beispielsweise als federnde Kontaktelemente in Form von Kontakttulpen oder als Flachkontakte in Form von Kontaktklingen ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Schnittstelle ein sekundäres Ladespulenelement zur induktiven Ladung aufweisen. Die mechanische Schnittstelle und die elektrische Schnittstelle können dabei integriert oder getrennt voneinander ausgebildet sein.Furthermore, the battery pack has at least one electrical interface through which it can be electrically connected to the load and/or the charging device. The battery pack can be charged and/or discharged via this electrical connection. Alternatively or additionally, it is also conceivable that information can be transmitted between the battery pack and the load via the electrical interface. The electrical interface is preferably designed as a contact interface, in which the electrical connection is made via a physical contact between at least two conductive components. The electrical interface preferably comprises at least two electrical contact elements. In particular, one of the electrical contact elements is designed as a positive contact and the other as a negative contact. Additionally, the electrical interface can have at least one auxiliary contact designed to transmit additional information to the load and/or the charging device. The auxiliary contacts can be designed as signal contacts, coding contacts, temperature contacts, bus contacts, etc. The electrical contact elements can be designed, for example, as spring-loaded contact elements in the form of contact tips or as flat contacts in the form of contact blades. Alternatively or additionally, the electrical interface can include a secondary charging coil element for inductive charging. The mechanical and electrical interfaces can be integrated or separate.
Die Elektronik des Akkupacks kann neben der Leiterplatte beispielsweise eine Recheneinheit, eine Steuereinheit, einen Transistor, einen Kondensator, Sensorelemente, Leuchtdiode, eine Speichereinheit, etc. aufweisen. Zusätzlich oder alternativ ist ebenfalls denkbar, dass Informationen von der Elektronik ermittelt werden. Die Elektronik ist insbesondere zur Steuerung oder Regelung des Akkupacks und/oder des Verbrauchers ausgebildet. Die Elektronik umfasst insbesondere ein BMS (engl. Battery Management System), das zur Überwachung des Akkupacks ausgebildet ist. Das BMS ist insbesondere dazu ausgebildet, eine Überladung und/oder eine Tiefenentladung des Akkupacks zu verhindern. Vorzugsweise ist das BMS zur korrekten Zellsymmetrierung ausgebildet. Die Elektronik kann zudem ein oder mehrere Sensorelemente aufweisen, beispielsweise einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur innerhalb des Akkupacks oder einen Bewegungssensor zur Ermittlung von Bewegungen. Die Elektronik kann alternativ oder zusätzlich ein Kodierungselement, wie beispielsweise ein Kodierungswiderstand, aufweisen. Die elektrischen Kontaktelemente der elektrischen Schnittstelle des Akkupacks können auf der Leiterplatte der Elektronik angeordnet oder mit der Leiterplatte verbunden sein. Unter einer Leiterplatte soll im Zusammenhang dieser Anmeldung ein Schaltungsträger verstanden werden, der ein organisches oder anorganisches Substrat, beispielsweise IMS, aufweist. Die Leiterplatte kann als eine starre Leiterplatte oder als eine flexible Leiterplatte ausgebildet sein. Zudem kann es sich bei der Leiterplatte um eine bestückte oder eine unbestückte Leiterplatte handeln. Die Leiterplatte kann eine einzelne Lage aufweisen oder mehrlagig ausgebildet sein.The electronics of the battery pack can include, in addition to the circuit board, components such as a processing unit, a control unit, a transistor, a capacitor, sensor elements, a light-emitting diode, a memory unit, etc. Additionally or alternatively, it is also conceivable that the electronics acquire information. The electronics are specifically designed to control or regulate the battery pack and/or the connected device. The electronics include, in particular, a BMS (Battery Management System) designed to monitor the battery pack. The BMS is specifically designed to prevent overcharging and/or deep discharging of the battery pack. Preferably, the BMS is designed to ensure correct cell balancing. The electronics can also include one or more sensor elements, for example, a temperature sensor to determine the temperature inside the battery pack or a motion sensor to detect movement. Alternatively or additionally, the electronics can include a coding element, such as a coding resistor. The electrical contact elements of the battery pack's electrical interface can be arranged on the circuit board of the electronics or connected to the circuit board. For the purposes of this application, a printed circuit board (PCB) is understood to be a circuit carrier comprising an organic or inorganic substrate, for example, IMS. The PCB can be rigid or flexible. Furthermore, the PCB can be populated or unpopulated. The PCB can be single-layer or multi-layered.
Die Akkuzelle kann als eine galvanische Zelle ausgebildet sein, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommen. Insbesondere weist die Akkuzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Akkuzellen als NiCd- oder NiMh-, besonders bevorzugt als lithiumbasierte Akkuzellen bzw. Li-Ion Akkuzellen, ausgebildet. Alternativ ist beispielhaft auch denkbar, dass die Akkuzelle als eine Pouchzelle oder als eine prismatische Zelle ausgebildet ist. Die Akkuspannung des Akkupacks ist in der Regel ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Akkuzelle und ergibt sich aus der Schaltung (parallel oder seriell) der Akkuzellen. Bei gängigen Akkuzellen mit einer Spannung von 3,6 V ergeben sich somit beispielhafte Akkuspannung von 3,6 V, 7,2 V, 10, 8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V, 54 V, 108 V etc. Bevorzugt ist die Akkuzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind.The battery cell can be designed as a galvanic cell with a structure in which one cell terminal is located at one end and another cell terminal at the opposite end. In particular, the battery cell has a positive cell terminal at one end and a negative cell terminal at the opposite end. Preferably, the battery cells are designed as NiCd or NiMH cells, and especially preferably as lithium-based or Li-ion battery cells. Alternatively, it is also conceivable, for example, that the battery cell is designed as a pouch cell or as a prismatic cell. The battery voltage of the battery pack is generally a multiple of the voltage of a single battery cell and results from the connection (parallel or series) of the battery cells. For common battery cells with a voltage of 3.6 V, exemplary battery voltages of 3.6 V, 7.2 V, 10 V, 8 V, 14.4 V, 18 V, 36 V, 54 V, 108 V, etc., result. Preferably, the battery cell is designed as a round cell that is at least substantially cylindrical, with the cell poles arranged at the ends of the cylindrical shape.
Das zumindest eine Federelement ist vorzugsweise einstückig ausgebildet, wobei auch eine einteilige oder eine mehrteilige Ausbildung denkbar ist. Das Federelement ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl ausgebildet. Ebenso denkbar wäre eine Ausbildung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wodurch die thermische Leitfähigkeit optimiert wird. Alternativ wäre ebenso denkbar, dass das Federelement aus einem elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Kunststoff ausgebildet ist. Das Federelement ist insbesondere derart ausgebildet, dass das Federelement das Gehäuse im montierten Zustand mit einer Kraft beaufschlägt. Der Akkupack kann ein einzelnes Federelement, zwei Federelemente oder mehrere Federelemente aufweisen. Die Federelemente können getrennt voneinander oder miteinander verbunden ausgebildet sein. Die Kontaktierung des Gehäuses durch das Federelement erfolgt insbesondere direkt, sodass das Federelement unmittelbar an dem Gehäuse anliegt.The at least one spring element is preferably formed in one piece, although a one-piece or multi-piece design is also conceivable. The spring element is preferably made of a metallic material, in particular steel. A design made of copper or a copper alloy would also be conceivable, which would optimize thermal conductivity. Alternatively, It is also conceivable that the spring element is made of an electrically and/or thermally conductive plastic. The spring element is designed, in particular, such that it exerts a force on the housing when assembled. The battery pack can have a single spring element, two spring elements, or several spring elements. The spring elements can be separate from each other or connected to one another. The spring element makes direct contact with the housing, so that it rests directly against the housing.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Federelement elektrisch leitend ausgebildet ist. Insbesondere ist das Federelement elektrisch mit der Elektronik verbunden ist. Vorteilhaft kann dadurch ein wirksamer Schutz vor elektrischer Entladung bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist das Federelement über die Elektronik mit einer Masse verbunden. Alternativ wäre ebenso denkbar, dass das Federelement nicht elektrisch mit der Elektronik verbunden ist. Es ist beispielhaft denkbar, zumindest zwei Federelemente vorzusehen, wobei eines der Federelemente zur Wärmeableitung und das weitere Federelement zum Schutz vor elektrische Entladung ausgebildet ist.Furthermore, it is proposed that the spring element be electrically conductive. In particular, the spring element is electrically connected to the electronics. Advantageously, this provides effective protection against electrical discharge. Preferably, the spring element is connected to ground via the electronics. Alternatively, it would also be conceivable that the spring element is not electrically connected to the electronics. It is conceivable, by way of example, to provide at least two spring elements, one of which is designed for heat dissipation and the other for protection against electrical discharge.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Elektronik zumindest zwei Leistungshalbleiter, insbesondere Feldeffekttransistoren, aufweist, wobei das Federelement in unmittelbarer Nähe zu den Leistungshalbleitern, insbesondere zwischen den Feldeffekttransistoren, angeordnet ist. Vorteilhaft kann dadurch die Wärmeabfuhr optimiert werden. Alternativ wäre ebenso denkbar, dass die Elektronik einen einzelnen Leistungshalbleiter aufweist.It is further proposed that the electronics comprise at least two power semiconductors, in particular field-effect transistors, with the spring element being arranged in close proximity to the power semiconductors, especially between the field-effect transistors. This advantageously optimizes heat dissipation. Alternatively, it would also be conceivable for the electronics to comprise a single power semiconductor.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Federelement stoffschlüssig mit der Leiterplatte verbunden ist, insbesondere über einen Lötprozess. Vorteilhaft kann dadurch eine robuste Verbindung des Federelements mit der Leiterplatte realisiert werden. Alternativ sind auch andere Verbindungstechniken, beispielsweise ein Verschweißen, ein Verklippsen oder ein Verschrauben denkbar.Furthermore, it is proposed that the spring element be bonded to the circuit board, particularly via a soldering process. This advantageously allows for a robust connection between the spring element and the circuit board. Alternatively, other joining techniques are also conceivable, such as welding, clipping, or screwing.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse an seiner Innenseite eine Kontaktfläche für das Federelement aufweist. Vorteilhaft kann dadurch die Wärmeabfuhr und/oder die elektrische Verbindung verbessert werden. Die Kontaktfläche ist insbesondere frei von einer Oxidschicht ausgebildet. Das Gehäuse kann derart ausgebildet sein, dass durch den Montageprozess das Gehäuse an der Kontaktfläche durch eine Reibung zwischen dem Federelement und dem Gehäuse entfernt wird. Alternativ kann das Gehäuse an der Position der Kontaktfläche auch vor der Verbindung von der Oxidschicht befreit werden.Furthermore, it is proposed that the housing have a contact surface for the spring element on its inner surface. This can advantageously improve heat dissipation and/or the electrical connection. The contact surface is specifically designed to be free of an oxide layer. The housing can be designed such that, during the assembly process, the housing is removed at the contact surface by friction between the spring element and the housing. Alternatively, the housing can also be cleaned of the oxide layer at the contact surface location before assembly.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Federelement einen Kraftaufnahmeabschnitt aufweist, der derart ausgebildet ist, dass der Kraftaufnahmeabschnitt bei der Montage durch das Gehäuse mit einer Kraft beaufschlagt und das Federelement dadurch insbesondere elastisch verformt wird. Vorzugsweise ist der Kraftaufnahmeabschnitt derart ausgebildet, dass ein Linienkontakt zwischen dem Gehäuse und dem Federelement entsteht. Vorteilhaft kann dadurch die Verbindung zur Wärmeabfuhr und/oder zum Schutz vor elektrischer Entladung weiter optimiert werden.It is further proposed that the spring element has a force-bearing section designed such that, during assembly, the housing exerts a force on the force-bearing section, thereby causing the spring element to deform, particularly elastically. Preferably, the force-bearing section is designed to create line contact between the housing and the spring element. This advantageously optimizes the connection for heat dissipation and/or protection against electrical discharge.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Federelement zwei Kraftaufnahmeabschnitte aufweist, die getrennt voneinander ausgebildet sind. Vorteilhaft kann dadurch ein Kontakt sichergestellt werden, sodass auch bei einer Beschädigung bei der Montage zumindest ein Bereich des Federelements in Kontakt mit dem Gehäuse ist.Furthermore, it is proposed that the spring element has two force-absorbing sections that are designed separately from each other. This advantageously ensures contact so that even if damaged during assembly, at least one part of the spring element remains in contact with the housing.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Kraftaufnahmeabschnitt auf einem der Leiterplatte gegenüberliegenden Bereich des Federelements angeordnet ist. Vorteilhaft kann dadurch der Kontakt zum Gehäuse optimiert werden.Furthermore, it is proposed that the force-absorbing section be arranged on a region of the spring element opposite the circuit board. This advantageously optimizes the contact with the housing.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Kraftaufnahmeabschnitt derart ausgebildet ist, dass das Gehäuse über ein Aufschieben des Gehäuses entlang der Leiterplatte montierbar ist. Die Leiterplatte spannt dabei eine Ebene auf, wobei das Aufschieben im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Leiterplatte erfolgt. Alternativ wäre ebenso denkbar, dass das Aufschieben kreuzend oder senkrecht zu der Ebene erfolgt.It is further proposed that the force-bearing section be designed such that the housing can be mounted by sliding it along the printed circuit board. The printed circuit board spans a plane, with the sliding action occurring essentially parallel to this plane. Alternatively, it would also be conceivable for the sliding action to occur at an angle or perpendicular to this plane.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Federelement im Querschnitt U-förmig oder S-förmig ausgebildet ist. Vorteilhaft kann dadurch die Verbindung zum Gehäuse weiter durch einen verbesserten Toleranzausgleich optimiert werden.Furthermore, it is proposed that the spring element be U-shaped or S-shaped in cross-section. This advantageously allows for further optimization of the connection to the housing through improved tolerance compensation.
ZeichnungenDrawings
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Merkmale alternative Ausführungsformen werden mit dem gleichen Bezugszeichen und einem zusätzlichen die Ausführungsform kennzeichnenden Buchstaben gekennzeichnet.Further advantages arise from the following drawing description. The drawings, the description, and the claims contain numerous features in combination. A person skilled in the art will expediently consider the features individually and combine them into meaningful further combinations. Features of alternative embodiments are identified with the same reference numeral and an additional letter that characterizes the embodiment.
Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht eines Elektrofahrrads mit einem erfindungsgemäßen Akkupack; -
2 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Akkupacks; -
3 eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte des Akkupacks nach2 ; -
4 ein Seitenschnitt des Akkupacks nach2 ; -
5 ein Seitenschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Federelements während der Montage; -
6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Federelements.
-
1 a perspective view of an electric bicycle with a battery pack according to the invention; -
2 a perspective view of an example battery pack; -
3 a perspective view of a circuit board of the battery pack2 ; -
4 a side section of the battery pack after2 ; -
5 a side section of another embodiment of a spring element during assembly; -
6 a perspective view of another embodiment of a spring element.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary implementations
In
Das Elektrofahrrad 14 weist einen Rahmen 18 bzw. einen Fahrradrahmen auf. Mit dem Rahmen 18 sind zwei Räder 20 verbunden. Zudem weist der Verbraucher 10 eine Antriebseinheit 22 auf, die einen Elektromotor umfasst. Der Elektromotor ist vorzugsweise als ein Permanentmagnet-erregter, bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet. Der Elektromotor ist beispielhaft als ein Mittelmotor ausgebildet, wobei auch ein Nabenmotor oder dergleichen denkbar ist.The electric bicycle 14 has a frame 18, or bicycle frame. Two wheels 20 are connected to the frame 18. The consumer 10 also has a drive unit 22, which includes an electric motor. The electric motor is preferably a permanent magnet excited, brushless DC motor. The electric motor is shown as a mid-drive motor, although a hub motor or the like is also conceivable.
Die Antriebseinheit 22 umfasst eine Steuereinheit (nicht dargestellt), die zur Steuerung oder Regelung des Elektrofahrrads 14, insbesondere des Elektromotors, ausgebildet ist. Das Elektrofahrrad 14 weist eine Tretkurbel 24 auf. Die Tretkurbel 24 ist mit einer Tretkurbelwelle (nicht dargestellt) verbunden.The drive unit 22 includes a control unit (not shown) designed to control or regulate the electric bicycle 14, in particular the electric motor. The electric bicycle 14 has a pedal crank 24. The pedal crank 24 is connected to a pedal crank axle (not shown).
Die Steuereinheit und die Antriebseinheit 22 mit dem Elektromotor und der Tretkurbelwelle sind in einem mit dem Rahmen verbundenen Antriebsgehäuse 26 angeordnet. Die Antriebsbewegung des Elektromotors wird vorzugsweise über ein Getriebe (nicht dargestellt) auf die Tretkurbelwelle übertragen, wobei die Größe der Unterstützung durch die Antriebseinheit 22 mittels der Steuereinheit gesteuert oder geregelt wird.The control unit and the drive unit 22, comprising the electric motor and the crank axle, are arranged in a drive housing 26 connected to the frame. The drive motion of the electric motor is preferably transmitted to the crank axle via a gearbox (not shown), with the degree of assistance provided by the drive unit 22 being controlled or regulated by the control unit.
Der Verbraucher 10 ist mit dem Akkupack 100, der zur Energieversorgung der Antriebseinheit 22 ausgebildet ist, elektrisch und mechanisch verbunden. Der Akkupack 100 ist beispielhaft als ein Wechselakkupack 102 ausgebildet. Der Akkupack 100 ist beispielhaft im verbundenen Zustand vollständig im Rahmen 18 des Elektrofahrrads 14 aufgenommen. Die Verbindung kann dabei über ein axiales Einschieben des Akkupacks 100 in das Unterrohr des Rahmens 18 oder durch ein seitliches Einschwenken des Akkupacks 100 in den Rahmen 18 erfolgen. Alternativ ist ebenso denkbar, dass der Akkupack 100 derart ausgebildet ist, dass der Akkupack 100 an einer Außenseite des Rahmens 18 befestigbar ist, beispielsweise am Unterrohr des Rahmens 18 oder am Sitzrohr.The consumer 10 is electrically and mechanically connected to the battery pack 100, which is designed to supply energy to the drive unit 22. The battery pack 100 is shown, by way of example, as a replaceable battery pack 102. In its connected state, the battery pack 100 is shown, by way of example, fully integrated into the frame 18 of the electric bicycle 14. The connection can be made by axially inserting the battery pack 100 into the down tube of the frame 18 or by pivoting the battery pack 100 laterally into the frame 18. Alternatively, it is also conceivable that the battery pack 100 is designed such that it can be attached to an outside of the frame 18, for example, to the down tube or the seat tube.
In
Der Akkupack 100 weist eine Ladezustandsanzeige 106 auf, die am Gehäuse 104 des Akkupacks 100 angeordnet und zur Anzeige des Ladezustands des Akkupacks 100 ausgebildet ist. Zudem ist das Gehäuse 104 des Akkupacks 100 mit zwei Verbindungsplatten 108 verbunden. Die Verbindungsplatten 108 sind beispielhaft mit dem Gehäuse 104 des Akkupacks 100 verschraubt, es wäre aber ebenso denkbar, dass die Verbindungsplatten 108 mittels einer anderen Verbindungsart mit dem Gehäuse 104 verbunden sind oder einstückig mit dem Gehäuse 104 des Akkupacks 100 ausgebildet sind. Die erste Verbindungsplatte 110 umfasst dabei eine Verriegelungseinheit 113, die mit einer korrespondierenden Verriegelungseinheit (nicht dargestellt) des Elektrofahrrads 14 verbindbar ist. Die zweite Verbindungsplatte 112 umfasst eine elektrische Schnittstelle (nicht dargestellt) zur elektrischen Verbindung des Akkupacks 100 mit dem Elektrofahrrad 14. Es ist ebenso denkbar, dass die Verbindungsplatten 108 und die Endplatten 103 einstückig oder einteilig miteinander ausgebildet sind.The battery pack 100 has a charge level indicator 106, which is arranged on the housing 104 of the battery pack 100 and is designed to indicate the charge level of the battery pack 100. Furthermore, the housing 104 of the battery pack 100 is connected to two connecting plates 108. The connecting plates 108 are shown screwed to the housing 104 of the battery pack 100 by way of example; however, it would also be conceivable that the connecting plates 108 are connected to the housing 104 by a different type of connection or are formed integrally with the housing 104 of the battery pack 100. The first connecting plate 110 includes a locking unit 113, which can be connected to a corresponding locking unit (not shown) of the electric bicycle 14. The second connecting plate 112 includes an electrical interface (not shown) for the electrical connection of the battery pack 100 to the electric bicycle 14. It is also conceivable that the connecting plates 108 and the end plates 103 are formed in one piece or as a single unit.
In
Zudem weist die Leiterplatte 200 zwei Federelemente 206 auf, die zur Wärmeableitung und/oder zum Schutz vor elektrischer Entladung ausgebildet sind. Die Federelemente 206 weisen einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf und sind beispielhaft mit der Leiterplatte 200 verlötet.Furthermore, the circuit board 200 has two spring elements 206 designed for heat dissipation and/or protection against electrical discharge. The spring elements 206 have a substantially U-shaped cross-section and are shown soldered to the circuit board 200.
Die Federelemente 206 weisen eine Breite 210 auf, die zumindest 50% einer Breite 212 der Leiterplatte 200 entspricht. Die Federelemente 206 sind derart auf der Leiterplatte 200 angeordnet, dass die Federelemente 206 das Gehäuse 104 des Akkupacks 100 kontaktieren. Zur Kontaktierung des Gehäuses 104 des Akkupacks 100 weisen die Federelemente 206 jeweils zumindest einen Kraftaufnahmeabschnitt 214 auf, der bei der Montage in Kontakt mit dem Gehäuse 104 tritt und auf welchen eine Kraft zur insbesondere elastischen Verformung des Federelements 206 wirkt. Zur Erhöhung der Elastizität der Federelemente 206 weisen diese zwischen einem Leiterplattenverbindungsbereich 216, in welchem die Federelemente 206 mit der Leiterplatte 200 verbunden sind, und dem Kraftaufnahmeabschnitt 214 eine Aussparung 218 auf. Die Aussparung 218 weist eine maximale Breite von beispielhaft ca. 30% der Breite 210 der Federelemente 206 auf, wobei sich die Aussparung 218 in Richtung des Kraftaufnahmeabschnitts 214 stetig verkleinert und schließt. Dadurch weisen die Federelemente 206 jeweils einen einzigen Kraftaufnahmeabschnitt 214, dessen Breite im Wesentlichen der Breite 210 der Federelemente 206 entspricht.The spring elements 206 have a width 210 that corresponds to at least 50% of the width 212 of the printed circuit board 200. The spring elements 206 are arranged on the printed circuit board 200 such that they contact the housing 104 of the battery pack 100. To make contact with the housing 104 of the battery pack 100, each spring element 206 has at least one force-bearing section 214, which comes into contact with the housing 104 during assembly and on which a force acts, causing the spring element 206 to deform, in particular elastically. To increase the elasticity of the spring elements 206, they have a recess 218 between a printed circuit board connection area 216, in which the spring elements 206 are connected to the printed circuit board 200, and the force-bearing section 214. The recess 218 has a maximum width of approximately 30% of the width 210 of the spring elements 206, whereby the recess 218 continuously decreases and closes in the direction of the force-absorbing section 214. As a result, each spring element 206 has a single force-absorbing section 214, the width of which essentially corresponds to the width 210 of the spring elements 206.
Die Federelemente 206 sind beispielhaft unterschiedlich in ihrer Funktion ausgebildet, wobei auch denkbar wäre, dass die beiden Federelemente 206 zur gleichen Funktion ausgebildet sind.The spring elements 206 are designed differently in their function as examples, although it would also be conceivable that the two spring elements 206 are designed for the same function.
Beispielhaft ist das erste Federelement 220, das beispielhaft stirnseitig auf der Leiterplatte 200 angeordnet ist, im Wesentlichen ausschließlich zum Schutz vor elektrischer Entladung ausgebildet. Hierzu ist das erste Federelement 220 elektrisch mit der Leiterplatte 200, insbesondere mit der Masse, verbunden. Das erste Federelement 220 ist einstückig und beispielhaft aus einem Stahl ausgebildet.The first spring element 220, which is arranged at the end face of the circuit board 200, is designed essentially solely for protection against electrical discharge. For this purpose, the first spring element 220 is electrically connected to the circuit board 200, in particular to ground. The first spring element 220 is a single piece and is made of steel.
In
Beispielhaft ist das zweite Federelement 222 in unmittelbarer Nähe zu einem Leistungshalbleiter 224 in Form eines Feldeffekttransistors angeordnet. Insbesondere ist das zweite Federelement 222 derart angeordnet, dass der Leistungshalbleiter 224 im Wesentlichen vollständig abgedeckt wird. Zwischen dem Leistungshalbleiter 224 und dem zweiten Federelement 222 ist beispielhaft kein Luftspalt angeordnet, sodass das Federelement 206 unmittelbar an der elektronischen Komponente 204 anliegt, insbesondere unter einer Spannung anliegt. Es wäre aber ebenso denkbar, dass das zweite Federelement 222 den Leistungshalbleiter 224 nicht unmittelbar berührt und ein Luftspalt zwischen den Komponenten angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist ebenso denkbar, ein Wärmeleitfähiges Material, beispielsweise eine Wärmeleitpaste zur Verbesserung der Wärmeabfuhr zu verwenden und den Luftspalt auszufüllen. Das zweite Federelement 222 ist beispielhaft aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet, um die Wärmeabfuhr weiter zu verbessern.As an example, the second spring element 222 is arranged in close proximity to a power semiconductor 224 in the form of a field-effect transistor. Specifically, the second spring element 222 is arranged such that the power semiconductor 224 is essentially completely covered. For example, there is no air gap between the power semiconductor 224 and the second spring element 222, so that the spring element 222 is in direct contact with the electronic component 224, and in particular, is subjected to a voltage. However, it would also be conceivable that the second spring element 222 does not directly contact the power semiconductor 224 and that an air gap is arranged between the components. Alternatively or additionally, it is also conceivable to use a thermally conductive material, for example, thermal paste, to improve heat dissipation and to fill the air gap. For example, the second spring element 222 is made of copper or a copper alloy to further improve heat dissipation.
Im Gehäuse 104 des Akkupacks 100 sind eine Vielzahl von Akkuzellen 101 angeordnet, die beispielhaft als zylindrische Rundzellen ausgebildet sind. Die Akkuzellen 101 sind in Zellenhaltern 103 angeordnet, die beispielhaft zur Einzelzellenaufnahme der einzelnen Akkuzellen 101 ausgebildet sind. Die Zellenhalter 103 sind beispielhaft aus einem Kunststoff, insbesondere aus einer Hartplastik, ausgebildet. Die Leiterplatte 200 ist zwischen dem Zellenhalter 103 und dem Gehäuse 104, insbesondere dem Grundkörper 105 des Gehäuses 104, angeordnet. Insbesondere sind die Akkuzellen 101 im Wesentlichen parallel zu der Leiterplatte 200 angeordnet.A plurality of battery cells 101, for example cylindrical cells, are arranged in the housing 104 of the battery pack 100. The battery cells 101 are arranged in cell holders 103, which are designed, for example, to hold the individual battery cells 101. The cell holders 103 are, for example, made of a plastic, in particular a hard plastic. The circuit board 200 is arranged between the cell holder 103 and the housing 104, in particular the base body 105 of the housing 104. In particular, the battery cells 101 are arranged substantially parallel to the circuit board 200.
Bei der Montage des Gehäuses 104 wird der Grundkörper 105 relativ zu den mit Akkuzellen 101 bestückten Zellenhaltern 103 und der Leiterplatte 200 auf diese entlang einer Verbindungsrichtung 230 aufgeschoben. Die Verbindungsrichtung 230 verläuft dabei beispielhaft im Wesentlichen parallel zu der Leiterplatte 200. Der Kraftaufnahmeabschnitt 214 der Federelemente 206 weist eine Schräge 232 auf, die sich schräg zu der Verbindungsrichtung 230 erstreckt und bei Kontakt mit dem Grundkörper 105 des Gehäuses 104 bewegt. Durch die Bewegung wird der Kraftaufnahmeabschnitt 214 in Richtung der Leiterplatte 200 gedrückt und die eine Vorspannkraft auf das Gehäuse 104 des Akkupacks 100 erzeugt.During assembly of the housing 104, the base body 105 is slid onto the cell holders 103, which are equipped with battery cells 101, and the circuit board 200 along a connection direction 230. This connection direction 230 runs essentially parallel to the circuit board 200. The force-absorbing section 214 of the spring elements 206 has a slope 232 that extends obliquely to the connection direction 230 and moves upon contact with the base body 105 of the housing 104. This movement pushes the force-absorbing section 214 towards the circuit board 200, generating a preload force on the housing 104 of the battery pack 100.
Das Gehäuse 104 des Akkupacks 100, insbesondere der Grundkörper 105 des Gehäuses 104, weist beispielhaft zwei Kontaktfläche 234 auf, an welchen die Federelemente 206 im montierten Zustand anliegen. Die Kontaktflächen 234 können dabei hinsichtlich der Funktion der Federelemente 206 optimiert sein. So ist beispielhaft die nicht dargestellte Kontaktfläche 234 des ersten Federelements 220 von einer Oxidschicht, insbesondere einer Eloxalschicht, befreit, sodass die elektrische Verbindung verbessert wird.The housing 104 of the battery pack 100, in particular the base body 105 of the housing 104, has, for example, two contact surfaces 234 against which the spring elements 206 bear when assembled. The contact surfaces 234 can be optimized with regard to the function of the spring elements 206. For example, the contact surface 234 of the first spring element 220 (not shown) is freed from an oxide layer, in particular an anodized layer, so that the electrical connection is improved.
In
In
Das Federelement 206b ist beispielhaft aus Kupfer ausgebildet und elektrisch mit dem der Leiterplatte (nicht dargestellt) verbunden. Das Federelement 206b weist beispielhaft mehrere, insbesondere zwei Kraftaufnahmeabschnitte 214b auf, die zur Kontaktierung von zwei unterschiedlichen Kontaktflächen des Akkupacks ausgebildet sind. Die Kraftaufnahmeabschnitte 214b sind über eine Aussparung 218b voneinander getrennt, wobei die Aussparung 218b breiter als die jeweiligen Kraftaufnahmeabschnitte 214b ausgebildet sind. Vorteilhaft kann durch Verwendung mehrere Kraftaufnahmeabschnitte 214b eine höhere Defekttoleranz realisiert werden.The spring element 206b is, by way of example, made of copper and electrically connected to the circuit board (not shown). The spring element 206b has, by way of example, several, in particular two, force-absorbing sections 214b, which are designed to contact two different contact surfaces of the battery pack. The force-absorbing sections 214b are separated from each other by a recess 218b, the recess 218b being wider than the respective force-absorbing sections 214b. Advantageously, a higher defect tolerance can be achieved by using several force-absorbing sections 214b.
Zudem ist der Leiterplattenverbindungsbereich 216b derart ausgebildet, dass mehrere elektronische Komponenten, beispielhaft zwei oder drei elektronische Komponenten abgedeckt werden können.Furthermore, the printed circuit board interconnection area 216b is designed in such a way that several electronic components, for example two or three electronic components, can be covered.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10 2022 206 663 A1 [0001]DE 10 2022 206 663 A1 [0001]
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