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Die Erfindung betrifft Zellkontaktiersysteme für elektrische Energiespeichereinrichtungen, hier insbesondere Batterien, insbesondere Antriebsbatterien für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge.
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Elektrische Energiespeichereinrichtungen werden zum Speichern bzw. Zwischenspeichern von elektrischer Energie verwendet. Solche Energiespeichereinrichtungen können z.B. Akkumulatoren- oder Batteriepacks mit mehreren Zellen, d. h. Batterie- oder Akkuzellen umfassen. Solche Energiespeichereinrichtungen werden im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung der Einfachheit halber generell als „Batterien“ bezeichnet. Anwendung finden derartige Batterien insbesondere als Antriebs- bzw. Fahrbatterien für elektrische Kraftfahrzeuge.
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Zellkontaktiersysteme sind Verbindungssysteme, die dazu dienen, einzelne Zellen der Batterie, insbesondere Akkumulator- oder Batteriezellen bzw. aus mehreren Zellen bestehende Batterien elektrisch miteinander zu verbinden. Durch entsprechende Zellkontaktiersysteme werden die einzelnen Zellen oder Zellverbände zusammengeschaltet, so dass eine gewünschte Zielspannung an Anschlüssen bzw. Abgriffen der Zellkontaktiersysteme zur Verfügung steht.
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Die Zellkontaktiersysteme enthalten dabei in der Regel auch Mittel, um sowohl die einzelnen Zellen als auch die gesamte Batterie z.B. hinsichtlich Temperaturen, Spannungen und Strömen zu überwachen bzw. im Lade- oder Entladebetrieb zu managen. Solche Mittel sind insbesondere Sensorleitungen, Sensoren oder auch elektronische Schaltungen.
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Z.B. ist aus der
EP 2 639 857 B1 ein Verbindungssystem für eine Energiespeichereinrichtung bekannt, wobei die Energiespeichereinrichtung eine Mehrzahl an Zellen aufweist, mit einer Mehrzahl von durch ein Trägersystem gehalterten Zellverbindern zum elektrischen Zusammenschalten der Zellen, mit einer Speicherkontrolleinheit zur Überwachung eines Energievorrats und/oder Ladezustands der Zellen, wobei das Trägersystem dazu ausgebildet ist, die Speicherkontrolleinheit aufzunehmen und/oder zu haltern und wobei die Speicherkontrolleinheit mit dem Trägersystem integriert oder lösbar ausgebildet ist. Ein vom Trägersystem umfasstes Trägerteil weist eine Schnittstelle und / oder Aufnahme für die Speicherkontrolleinheit auf.
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Die
CN 107 403 889 A beschäftigt sich mit einem Batterieverbindungsmodul zum Verbinden einer Vielzahl von parallelen Batterien. Das Batterieverbindungsmodul umfasst einen Isolierrahmen, der auf der Vielzahl von Batterien angeordnet ist, eine Vielzahl von Zellverbindern, die auf dem Isolierrahmen montiert sind, eine Leiterplatte, die auf dem Isolierrahmen angeordnet ist, und eine Sensoranordnung. Jeder Zellverbinder umfasst ein Elektroden-Verbindungsstück und ein Leiterplatten-Verbindungsstück. Das Elektroden-Verbindungsstück ist elektrisch mit den Elektroden von mindestens zwei benachbarten Batterien verbunden. Das Leiterplatten-Verbindungsstück ist mit einem festen Teil, das auf dem Isolierrahmen befestigt ist, und mindestens einem Führungsstift versehen, der elektrisch mit der Leiterplatte verbunden ist. Die Sensoranordnung umfasst einen Sensor und zwei Drahtleiteradapterstücke, wobei der Sensor auf einem Zellverbinder angeordnet und mit zwei Leitern versehen ist, die jeweils mit den beiden Leiteradapterstücken elektrisch verbunden sind. Jedes Leiteradapterstück ist mit einem Positionierungsteil versehen, das an dem Isolierrahmen befestigt ist, und mit mindestens einem Führungsstift, der elektrisch mit der Leiterplatte verbunden ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen in Bezug auf ein Zellkontaktiersystem vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Elektronikkomponente gemäß Patentanspruch 1 für ein Zellkontaktiersystem. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Das Zellkontaktiersystem ist insbesondere ein solches für eine Antriebsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.
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Die Erfindung geht davon aus, dass das Zellkontaktiersystem eine Mehrzahl von Zellverbindern aufweist, die zur Leistungskontaktierung von Batteriezellen einer Batterie dienen. Dies bedeutet, dass über die Zellverbinder die Batterieleistung aus dieser entnommen oder in diese eingespeist wird. Insbesondere ist die Elektronikkomponente im Hinblick auf ein bestimmungsgemäßes Zellkontaktiersystem ausgeführt. „Bestimmungsgemäß“ heißt, dass die Elektronikkomponente auf ein bestimmtes oder einen bestimmten Typ von Zellkontaktiersystem bzw. Batterie konstruktiv abgestimmt ist und für den Einsatz dort vorgesehen ist; z.B. für die dadurch bestimmten Geometrieanforderungen, Leistungsanforderungen usw. ausgelegt ist.
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Im Sinne der oben genannten bestimmungsgemäßen Eignung werden im Rahmen der Anmeldung daher auch Eigenschaften von Zellkontaktiersystem bzw. Batterien beschrieben, obschon die eigentlichen Komponenten streng genommen nicht Teil, sondern Objekt der jeweiligen Erfindung sind. Diese Aussagen gelten jedoch sinngemäß auch für die weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Zellkontaktiersysteme bzw. Batterien und werden gegebenenfalls dort nicht nochmals explizit wiederholt.
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Insbesondere ist daher auch eine (zumindest spätere, im Montagezustand) feste und bekannte geometrische Relativlage der Zellverbinder zueinander bzw. im Zellkontaktiersystem bekannt, zumindest wenn das Zellkontaktiersystem bestimmungsgemäß mit der Batterie verbunden ist.
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Die Elektronikkomponente enthält eine Leiterplatte einer Mess- und/oder Managementanordnung für die Batterie, wobei jede der Leiterplatten Steckaufnahmen zur elektrischen Verbindung der Leiterplatte (bzw. deren Leitungen / Komponenten) mit den Zellverbindern aufweist. Die Elektronikkomponente enthält mindestens einen, insbesondere zwischen den Zellverbindern anordenbaren bzw. im Montagezustand angeordneten, Tragrahmen, der eine Aufnahme für die Leiterplatte aufweist. Die Leiterplatte kann dabei insbesondere auch mehrteilig ausgeführt sein.
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Die Elektronikkomponente enthält eine Mehrzahl von, insbesondere einpoligen, elektrischen Verbindungselementen zur jeweiligen elektrischen Verbindung der Leiterplatte (bzw. Steckaufnahmen) mit den Zellverbindern. Dabei weist jedes Verbindungselement, insbesondere endseitig - der Leiterplatte zugewandt, einen Steckkontakt auf. Der Steckkontakt ist mit einer der Steckaufnahmen elektrisch kontaktierend steckbar. Insbesondere geschieht der Steckvorgang so, dass die Verbindung wieder lösbar und später erneut steckbar ist. Alternativ ist die einmal hergestellte Steckverbindung jedoch unlösbar. Jeder der Steckkontakte ist im Tragahmen eingebettet und dadurch mechanisch fest an diesem befestigt. Der Tragrahmen ist insbesondere aus Kunststoff gefertigt. Insbesondere ist der Steckkontakt als Stecker und die Steckaufnahme als Buchse ausgeführt, dies kann aber auch umgekehrt sein.
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Die Leiterplatte ist in die Aufnahme einsetzbar, wobei dabei (insbesondere gleichzeitig bzw. automatisch mit dem Einsetzen) ein Stecken der Steckkontakte in bzw. mit den Steckaufnahmen erfolgt.
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Die Leiterplatte weist außerdem mindestens eine Kommunikationsschnittstelle zum Datenaustausch von Informationen mit einer jeweiligen Gegenstelle auf. Informationen sind jegliche für ein Batteriemanagement nützliche oder notwendige Informationen, insbesondere solche über Ströme, Spannungen und Temperaturen der kontaktierten Batterie im Montagezustand bzw. im Betrieb der Batterie.
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Eine Kommunikation kann dabei ausgehend von der Leiterplatte in eine oder beide Richtungen (eingehend/ausgehend) erfolgen. Die Gegenstelle kann eine Kommunikationsschnittstelle einer anderen Leiterplatte, insbesondere einer anderen Elektronikkomponente, oder eine Gegenstelle innerhalb oder außerhalb des Zellkontaktiersystems sein, z.B. eine externe Auswerteeinheit, Zentralsteuerung etc.
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Auf der Leiterplatte werden insbesondere Messignale aus der Batterie (Spannungen, Ströme, Temperaturen etc.) empfangen oder erzeugt. Auf der Leiterplatte findet insbesondere eine Umwandlung solcher Messsignale in ein datenübertragbares Signal statt, um dieses über die Kommunikationsschnittstelle zu übertragen.
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Die nicht zur Elektronikkomponente gehörenden Zellverbinder sind insbesondere nicht im Tragrahmen eingebettet, vergossen, von diesem umschmolzen etc. Allenfalls ist der Tragrahmen dabei auf Zellverbinder aufgesteckt bzw. anderweitig an diesen befestigt.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich das Einbringen/Integrieren einer Leiterplatte in das Zellkontaktiersystem, welche eine elektrische Weiterleitung / Verarbeitung von Messsignalen ausführt. Das Zellkontaktiersystem mit den elektronischen Komponenten (Leiterplatte etc.) wird durch die Kommunikationsschnittstelle so erweitert, dass ein Datenübertragungssystem (leitungsgebunden oder per Funk) für die Kommunikation zwischen einzelnen Leiterplatten bzw. Zellen eines Moduls und zwischen mehreren Batteriemodulen verwendet werden kann.
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Gemäß der Erfindung sind die Leiterplatten von einem Tragrahmen, insbesondere Kunststoffrahmen, umgeben, in welchen Steckkontakte, insbesondere Einpresszonen- Pins (oder PTH-Pins), eingebettet sind, um die Zellverbinder dank der Verbindungselemente (insbesondere indirekt über einen Cu-Lackdraht oder direkt mit einer Leiterbrücke) mit der Leiterplatte kontaktieren zu können.
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Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Montage der Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) erst nach Anschweißen des Zellkontaktiersystems (ZKS) auf die Batterie (Zelle) vorzunehmen. Durch die Steckbarkeit, insbesondere Einpresszonen-Technik, ist es möglich, die, insbesondere starre, Leiterplatte als letzten Montageschritt in das ZKS einzusetzen und auch erst nachdem alle vorgehenden Prozessschritte erfolgreich sind. Durch die Steckbarkeit, insbesondere Einpresszonen-Technologie, ergibt sich eine minimale thermische und mechanische Belastung während der Montage der Leiterplatte.
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Die optionale Drahtverlegung eines Cu-Lackdrahtes als Kontaktierung erlaubt thermische Bewegungen im Zellkontaktiersystem durch Nachgiebigkeiten bzw. eine 3D-Beweglichkeit. Dies ist so zu verstehen, dass der Draht Bewegungen, Verschiebungen seiner Enden bzw. Fixierstellen in allen drei Raumrichtungen, also in 3D, ausgleichen bzw. diesen nachgeben kann. Dies wird insbesondere erreicht durch einen geschwungenen bzw. brückenförmigen bzw. U-förmigen oder S-förmigen Verlauf des Drahtes. Entsprechendes gilt auch für eine Formgebung der Verbindungselemente. Eine Datenübertragung kann im ZKS selbst und zwischen ZKS bis zu einer Gegenstelle / Auswerteinheit etc. beliebig gestaltet werden.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich die Integration einer elektronischen Komponente (Leiterplatte mit entsprechenden Komponenten) in das Zellkontaktiersystem, welche die Messsignale der Signalleitungen (Verbindungselemente) in ein für Datenübertragungssysteme (Übertragung über die Kommunikationsschnittstelle) verwendbares Signal (z.B. Digitalsignal) umwandelt. Es ergibt sich die Möglichkeit der Integration eines Datenübertragungssystems (z.B. BUS, leitungsgeführt oder drahtlos) in das ZKS. Eine freie Anpassung auf die Zellanzahl einer Batterie ist durch die optionale Drahtverlegetechnik möglich. Der Einsatz von umspritzten Stanzgittern (für die Steckkontakte / Verbindungselemente) ist möglich. Eine Aufnahme des PCB kann so gestaltet werden, dass die PCB/FPC(Flexible Printed Circuit)/RFPC(Rigid Flex Printed Circuit) - oder auch eine Kombination daraus - auch nach der Montage des ZKS ins Batteriesystem oder nach der Montage des ZKS selbst noch aufgenommen werden kann.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in den aktuell aus der Praxis bekannten Produkten (Zellkontaktiersysteme) zur Signalleitung elektromechanische Leitungssysteme verwendet werden. Die Signalverarbeitung wird meist extern (also außerhalb des ZKS) realisiert. Die Anbindung von Sensoren erfolgt direkt auf den zu beobachtenden Bauteilen abgesetzt von der Verarbeitungselektronik. Analoge (Mess-)Signale werden mittels FPC oder Cu-Leiter mit Steckverbindungen realisiert. Die Kontrolleinheit/PCB ist meist extern angeordnet.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich eine Alternative zu den aus der Praxis bekannten bestehenden Lösungen für die Weiterleitung physikalischer Zustandsgrößen von und zwischen Batteriekomponenten zu einer dezentralen Signalauswertung oder Verarbeitung ohne Verkabelung der Einzelkomponenten. Es ergibt sich eine Funktionsintegration von separaten Teilbaugruppen und Sensoriken.
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Es ergibt sich eine Integration von Elektronik in Zellkontaktiersysteme (Single-/Multicell-Design). Es ergibt sich eine Elektronik mit Temperaturmessung auf Zellverbindern und ein Einpresszonenhousing. Es ergibt sich eine Erweiterung von Zellkontakiersystemen um eine oder mehrere elektrisch leitende Komponenten, welche die Weiterleitung und Verschaltung von Signal- und Sensorleitungen innerhalb von Batteriesystemen zur weiteren Verarbeitung ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens einer der Steckkontakte ein Einpresszonenpin oder ein PTH-Pin (plated through hole). Derartige Pins als Steckkontakte sind am Markt erhältlich und bieten eine zuverlässige und einfache Kontaktierung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eines der Verbindungselemente ein einstückiger Direktverbinder zwischen Leiterplatte und Zellverbinder. Insbesondere ist der Direktverbinder mit einem thermischen Längenausgleich ausgerüstet, z.B. einer brückenartigen, mehrfachen Abwinkelung und einer Federeigenschaft, also eine „Federbrücke“. Der Direktverbinder ist insbesondere einteilig, durchgehend aus einem Material, insbesondere ohne Fügestellen gefertigt. So ergibt sich eine besonders einfache Ausführungsform.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eines der Verbindungselemente mehrteilig ausgeführt und enthält einen der Leiterplatte zugewandten Festabschnitt mit dem Steckkontakt und einen dem Zellverbinder zugewandten Drahtabschnitt. Der Drahtabschnitt enthält wenigstens einen mit dem Festabschnitt verbundenen Drahthalter, insbesondere eine Klemmgabel / einen Gabelkontakt, für einen Verbindungsdraht und den von dem Drahthalter zum Zellverbinder führenden Verbindungsdraht. Das Verbindungselement ist daher aus mehreren Teilen gefertigt. Selbst wenn im Montagezustand dabei eine stoffschlüssige Verbindung entstehen sollte, dann ist so eine Fügestelle in Abgrenzung zur obigen einstückigen Ausführungsform gegeben. Der Verbindungsdraht ist insbesondere ein Lackdraht, insbesondere ein Cu-Lackdraht. Durch die Drahtverlegung ist vor allem eine einfache Anpassung an Montagegegebenheiten möglich. Der Draht ist insbesondere an sich flexibel genug, um einen thermischen oder mechanischen (Vibrationen, Bewegungen) Längenausgleich zwischen Festabschnitt und Zellverbinder zu gewährleisten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Tragrahmen in einem Montagezustand im Zellkontaktiersystem ausschließlich vermittels der Verbindungselemente mechanisch an den Zellverbindern und/oder einer wiederum die Zellverbinder selbst tragenden, haltenden bzw. fixierenden Tragstruktur befestigt und dadurch im Zellkontaktierungssystem befestigt. Der Tragrahmen muss dann nicht gesondert mechanisch gehalten werden.
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Insbesondere ist entsprechend die Leiterplatte alleine durch Aufstecken auf die Steckkontakte sowohl elektrisch als auch mechanisch am Tragrahmen gehalten. Auch hier entfällt dann die Notwendigkeit einer anderweitigen Befestigung der Leiterplatte am Tragrahmen oder einer anderen Haltestruktur. Die Leiterplatte ist dann also sowohl elektrisch kontaktierend als auch mechanisch verbindend auf die Steckkontakte aufsteckbar.
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In einer alternativen Ausführungsform zu oben enthält der Tragrahmen neben den Verbindungselementen eine mechanische Schnittstelle und der Tragrahmen ist im Montagezustand im Zellkontaktiersystem zumindest teilweise vermittels der Schnittstelle mechanisch an den Zellverbindern oder einer anderen Struktur des ZKS und dadurch im Zellkontaktiersystem befestigt. Eine zusätzliche mechanische Befestigung erfolgt z.B. durch die Verbindungselemente.
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In einer bevorzugten Variante der genannten Ausführungsform ist die mechanische Schnittstelle zur Befestigung an einem bestimmungsgemäßen Zellverbinder und/oder der oben genannten, die Zellverbinder tragenden Tragstruktur eingerichtet. Gemäß den obigen Ausführungen ist also der Zellverbinder hinsichtlich seiner Geometrie, Eigenschaften usw. bekannt und die Schnittstelle ist speziell darauf ausgelegt, um zusammen mit dem Zellverbinder eine Haltefunktion für den Tragrahmen zu erfüllen, z.B. durch Dimensionierung eines Form- oder Reibschlusses, z.B. einer Umgreifung, eines Hinterschnitts, einer Klemmung, einer Rastverbindung usw.
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In einer bevorzugten Variante der genannten Ausführungsform ist die mechanische Schnittstelle dadurch zur Befestigung an einem bestimmungsgemäßen Zellverbinder und/oder der Tragstruktur eingerichtet, dass sie als Aufsteckhalter zum Aufstecken des Tragrahmens auf eine bestimmungsgemäße Gegenstruktur am Zellverbinder ausgebildet ist. Die Gegenstruktur ist z.B. eine in ihren Dimensionen bekannte (s.o.) blattartige Zunge oder Lasche am Zellverbinder. Der Tragrahmen bzw. die Schnittstelle kann dann auf die Gegenstruktur zur Befestigung aufgesteckt und insbesondere durch entsprechend dimensionierten Reibschluss oder Formschluss dort sicher gehalten werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Elektronikkomponente einen Temperaturfühler, der fest auf der Leiterplatte angebracht ist. Insbesondere ist dieser so angeordnet, dass er im Montagezustand, d.h. bei bestimmungsgemäßer Montage in Relation zu einem bestimmungsgemäßen Zellkontaktiersystem einen der Zellverbinder direkt wärmeleitend kontaktiert. „Direkt“ bedeutet: allenfalls unter Zwischenlage einer Wärmeleitpaste / Folie o.ä., nicht jedoch so weit entfernt vom Zellverbinder, dass erst eine streckenhafte Übertragung der Temperatur zum Fühler nötig wäre, z.B. durch ein Wärmeleitblech o.ä. So kann eine direkte Temperaturmessung mit Hilfe der Platine direkt am Zellverbinder erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Elektronikkomponente einen alternativen Temperaturfühler, der als oder in einer zur bzw. von der Leiterplatte separaten Einheit ausgeführt ist. Die Einheit ist elektrisch mit der Leiterplatte verbindbar oder im Montagezustand verbunden. Somit kann die Leiterplatte im Montagezustand an einem beliebigen Ort relativ zu einer gewünschten Messstelle einer Temperatur liegen. An der Messstelle ist dann nur (entfernt von der Leiterplatte) die Einheit, z.B. eine separate Leiterplatte mit Temperaturfühler, zu platzieren. Die Einheit wird oder ist dann über eine Signalleitung / Funkstrecke / Kommunikationskanal / etc. zur Übertragung der Temperaturinformation (nicht der Temperatur selbst) mit der Leiterplatte verbunden. Die Temperaturinformation ist dann z.B. eine mit der Temperatur korrelierte Spannung / Strom / Widerstand etc.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektronikkomponente Verbindungselemente für genau zwei Zellverbinder auf. Die Elektronikkomponente dient damit der Auswertung des Zustandes einer Batterie in Bezug auf genau zwei von deren Zellverbindern. Damit kann z.B. die Spannung einer einzelnen Batteriezelle oder deren Temperatur, deren Impedanz, Stromleistung usw. ermittelt werden. In einer gesamten Batterie können so eine Reihe von derartigen Elektronikkomponenten platziert und kommunizierend miteinander verbunden werden, um die gesamte Batterie managen zu können.
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In einer alternativen Ausführungsform weist die Elektronikkomponente Verbindungselemente für mindestens drei, insbesondere alle Zellverbinder eines bestimmungsgemäßen Zellkontaktiersystems auf. Somit kann bereits auf Ebene der Leiterplatte eine Auswertung komplexerer Zusammenhänge im ZKS bzw. - im Montagezustand und Betrieb - in der Batterie ermittelt werden. So reicht z.B. eine einzige Leiterplatte zur Bewerkstelligung eines gesamten Batteriemonitorings oder sogar -managements aus.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Zellkontaktiersystem gemäß Patentanspruch 13. Das Zellkontaktiersystem und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektronikkomponente erläutert. Das Zellkontaktiersystem enthält eine Mehrzahl von Zellverbindern, die zur Leistungskontaktierung von Batteriezellen dienen, und mindestens eine erfindungsgemäße Elektronikkomponente. In einem entsprechenden Zellkontaktiersystem ist die Anzahl, Lage, Gestalt, Geometrie, Relativposition zueinander usw. von Zellverbindern und sonstigen Strukturteilen bekannt. Insbesondere ist so die Anpassung einer Elektronikkomponente an ein konkretes und nicht nur bestimmungsgemäßes Zellkontaktiersystem möglich.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 14 zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Zellkontaktiersystems. Bei dem Verfahren wird die erfindungsgemäße Elektronikkomponente mit noch nicht in die Aufnahme eingesetzter Leiterplatte bereitgestellt. Zuerst werden dann die elektrischen Verbindungselemente der Elektronikkomponente (ohne Leiterplatte) mit den Zellverbindern elektrisch verbunden. Anschließend wird die Leiterplatte unter Kontaktierung der Steckaufnahmen mit den Steckkontakten in die Aufnahme eingesetzt. So wird eine thermische und mechanische Belastung der Leiterplatte während der Montage des Zellkontaktiersystems selbst (noch ohne Leiterplatte) vermieden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15 zum Herstellen eines Batteriemoduls. Das Batteriemodul enthält eine Batterie und ein die Batterie kontaktierendes, erfindungsgemäßes Zellkontaktiersystem. Bei dem Verfahren wird die erfindungsgemäße Elektronikkomponente mit noch nicht in die Aufnahme eingesetzter Leiterplatte bereitgestellt. Zuerst werden dann die elektrischen Verbindungselemente der Elektronikkomponente (ohne Leiterplatte) mit den Zellverbindern elektrisch verbunden. Außerdem wird (vorher, zeitgleich oder später) das ggf. so weit fertiggestellte Zellkontaktiersystem mit der Batterie verbunden. Nach diesem Schritt, also anschließend wird die Leiterplatte unter Kontaktierung der Steckaufnahmen mit den Steckkontakten in die Aufnahme eingesetzt. So wird eine thermische und mechanische Belastung der Leiterplatte während der Montage des Zellkontaktiersystems, auch der Montage auf die Batterie vermieden.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch „die Erfindung“ genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.
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Die Leiterplatte kann als Rigid PCB (alternativ kann sie auch Flex oder Starr-Flex ausgeführt sein) ausgeführt sein. Der Tragrahmen ist insbesondere ein Kunststoffrahmen für die Aufnahme der Leiterplatte. Es erfolgt insbesondere eine Einbettung der Steckkontakte in Form von Einpresszonen-Pins in den Kunststoffrahmen (die Pins können auch PTH Pins sein). Es handelt sich insbesondere um Cu-Pins für ein spezielles Laser-Verbindungsverfahren Alu - Cu. Es erfolgt insbesondere eine direkte Anbindung mittiger Pins von der Leiterplatte an die Zellverbinder. Eine indirekte Anbindung der Leiterplatte über Verbindungselemente, die Gabeln mit Draht (Cu-Lackdraht) enthalten, an die Zellverbinder ist möglich. Die Aufnahme für die Leiterplatte bzw. der Tragrahmen wird insbesondere zuerst im ZKS montiert. Dann werden Verbindungen zum ZKS bzw. den Zellverbindern (Cu-Lackdraht / Laserschweissverbindung) hergestellt. Abschließend wird die Leiterplatte über Eindrücken auf die Steckkontakte (z.B. Einpresszonenpins) mechanisch und elektrisch in einem Schritt verbunden.
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Die Verbindung der Leiterplatte zum Housing (Tragrahmen / Aufnahme) erfolgt über Steckkontakte bzw. Einpresszonenpins (kann alternativ auch über zusätzliche Kunststoffelemente erfolgen). Die elektrische Verbindung der Leiterplatte zu den Zellverbindern erfolgt über Steckkontakte bzw. Einpresszonenpins und Laserschweissverbindung.
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Die Konstruktion des Tragrahmens bzw. der Aufnahme (PCB housing) ist insbesondere so gestaltet, dass: 1. das Housing auf die Zellverbinder montiert wird, 2. das ZKS komplett assembliert wird, 3. die elektrische Verbindung der Steckkontakte (Einpresszonenpins) zu den Zellverbindern hergestellt wird, 4. die Leiterplatte durch Einpressen im Housing (Tragrahmen, Aufnahme) montiert wird.
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Die Leiterplatte wird also in einem abschließenden Montageschritt mit dem ZKS verbunden. Hierbei ergeben sich minimale Belastung des PCB durch den Einsatz der Stecktechnik (Einpresszonentechnologie). Ein Einbau eines starren PCB in ein „atmendes“ ZKS (thermische / mechanische Bewegungen der Komponenten gegeneinander) ist möglich durch den Einsatz einer Nachgiebigkeit (wie oben erläutert) in Form von Draht (z.B. Cu-Lackdraht). Dank der Kommunikationsschnittstellen ist die Erstellung eines Bussystem innerhalb des ZKS / Moduls, insbesondere durch Draht (z.B. Cu-Lackdraht) möglich.
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Durch die Stecktechnik (Einpresszonenpins) mit integriertem Toleranz- und Längenausgleich ergibt sich ein ZKS für einen dauerstabilen Betrieb.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 eine Elektronikkomponente in Schrägansicht,
- 2 ein Zellkontaktiersystem mit zwei Elektronikkomponenten gemäß 1
- 3 eine alternative Elektronikkomponente in Draufsicht,
- 4 die Elektronikkomponente aus 3 in Schrägansicht,
- 5 ein alternatives Zellkontaktiersystem mit drei Elektronikkomponenten gemäß 3 und 4
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1 zeigt eine Elektronikkomponente 2 für ein Zellkontaktiersystem 4.
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2 zeigt zwei der Elektronikkomponenten 2 aus 1 in ihrem Montagezustand im Zellkontaktiersystem 4. Das Zellkontaktiersystem 4 enthält eine Mehrzahl von Zellverbindern 6, von denen in 2 neun Stück (6a-i) erkennbar sind. Die Zellverbinder 6a-i dienen zur Leistungskontaktierung von in den Figuren nicht dargestellten Batteriezellen einer Batterie. Bei der nicht dargestellten Endmontage eines Batteriesystems wird das Zellkontaktiersystem 4 auf der Batterie montiert, indem unter anderem die Zellverbinder 6a-i mit den Batteriepolen verschweißt werden.
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Die Elektronikkomponente 2 enthält eine Leiterplatte 8. Diese ist Teil einer in den Figuren nicht näher dargestellten Managementanordnung, um ein Batteriemanagement an der Batterie bei deren Betrieb zu realisieren. Die Leiterplatte 8 enthält im Beispiel fünf in den Figuren nicht näher sichtbaren Steckaufnahmen 10a-e, hier in Form von PTHs (plated through hole), also metallisch ausgekleideten Durchgangsbohrungen. Die Steckaufnahmen 10a-e dienen zur elektrischen Verbindung der Leiterplatte 8 mit den Zellverbindern 6a-i über hier jeweils fünf Verbindungselemente 12a-e. Die Verbindungselemente 12a-e sind ebenfalls Teil der Elektronikkomponente 2.
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Die Elektronikkomponente 2 enthält außerdem einen Tragrahmen 14, hier einen Kunststoffrahmen, der eine Aufnahme 16 für die Leiterplatte 8 aufweist. Die Aufnahme 16 ist hier ein wannen- oder schalenartiger Aufnahmeraum, der vom Kunststoffrahmen umgeben bzw. gebildet ist. In den 1 und 2 ist die Leiterplatte 8 bereits in die Aufnahme 16 eingesetzt.
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Jedes der Verbindungselemente 12a-e ist hier einpolig ausgeführt und weist an seinem jeweiligen, im Montagezustand der Leiterplatte 8 zugewandten Ende einen Steckkontakt 18a-e auf. Die Steckkontakte 18a-e sind in den 1 und 2 ebenfalls nicht sichtbar, da diese bereits vollständig in die Steckaufnahmen 10a-e eingesteckt sind. Die Steckkontakte 18a-e sind im Ausführungsbeispiel Einpresszonenpins. Die Kombination aus Einpresszonenpins und PTHs ermöglicht sowohl eine elektrische Kontaktierung als auch eine mechanisch feste Halterung zwischen Verbindungselement 12a-e und Leiterplatte 8. Sämtliche Steckkontakte 18a-e sind jeweils im Tragrahmen 14 mechanisch fest eingebettet, was in den 1 und 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.
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So ist folgendes möglich: Die Leiterplatte 8 wird in dem Tragrahmen 14 bzw. in der Aufnahme 16 montiert bzw. in diese eingebracht, in dem sie in Richtung des Pfeils 20 in den Tragrahmen 14 / die Aufnahme 16 eingeführt wird. Da die Verbindungselemente 12a-e und damit auch deren als Steckkontakte 18a-e ausgeführte Enden fest am Tragrahmen 14 befestigt sind, werden diese dabei gleichzeitig in die Steckaufnahmen 10a-e der Leiterplatte 8 eingedrückt und stellen so einen jeweiligen elektrischen Kontakt und eine mechanische Verbindung her. Mit anderen Worten ist die Leiterplatte 8 also in Richtung des Pfeils 20 in den Tragrahmen 14 bzw. die Aufnahme 16 einsetzbar, wobei das Einsetzen unter gleichzeitigem Stecken bzw. Einstecken bzw. Einführen der Steckkontakte 18a-e in die Steckaufnahmen 10a-e erfolgt.
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Die Leiterplatte 8 weist außerdem im Beispiel zwei Kommunikationsschnittstellen 22a-b auf, die ebenfalls Teil der Elektronikkomponente 2 sind. Jede der Kommunikationsschnittstellen 22a,b ist hier in Form von vier an der Leiterplatte 8 angeschlossenen Drahthalter 24, hier Gabelkontakten bzw. Klemmgabeln ausgeführt. Auch die Gabelkontakte sind im Tragrahmen 14 vergossen bzw. mechanisch fest in diesem aufgenommen und besitzen Steckkontakte für entsprechende Steckaufnahmen in der Leiterplatte 8. Jeder der Drahthalter 24 dient der elektrisch kontaktierenden und mechanisch befestigenden Aufnahme von einem nur symbolisch angedeuteten Verbindungsdraht 28, hier z.B. Cu-Lackdraht. Die Kommunikation erfolgt dann über die entsprechenden Verbindungsdraht 28 als elektrische Kommunikationsleitung / Kommunikationsmedium zum Datenaustausch mit einer in den Figuren nur symbolisch angedeuteten Gegenstelle 26, hier einer externen Managementeinheit für die Batterie.
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Die Verbindungselemente 12a-e sind im Beispiel einstückige Direktverbinder zwischen Leiterplatte 8 und dem jeweiligen Zellverbinder 6a-i.
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Im Beispiel ist der Tragrahmen 14 ausschließlich über die Verbindungselemente 12a-e und ausschließlich an den Zellverbindern 6a-i und/oder einer nicht dargestellten, die Zellverbinder 6a-i tragenden Tragstruktur im Zellkontaktiersystem 4 mechanisch gehalten. Auch die Leiterplatte 8 ist in der Aufnahme 16 über die Verbindung der Steckaufnahmen 10a-e mit den Steckkontakten 18a-e mechanisch fixiert. Eine zusätzliche formschlüssige Halterung erfolgt außerdem durch die Umgrenzung der Leiterplatte 8 mit dem Tragrahmen 14.
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Im Ausführungsbeispiel ist Leiterplatte 8 als Mehrfachleiterplatte (Multi-Cell-Chip) ausgeführt, d.h. sie ist für mehr als zwei, hier nämlich fünf Zellverbinder 6d,e,g,h,i (für die „vorne im Bild“ sichtbare Leiterplatte 8) ausgelegt, kann also deren fünf ggf. unterschiedliche Potenziale oder sonstige Kenngrößen erfassen. Für ein Batteriesystem mit zum Beispiel fünfzehn Zellverbindern wären damit lediglich drei Elektronikkomponenten 2 mit solchen Leiterplatten 8 notwendig.
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Im nicht dargestellten Endmontagezustand ist das ZKS 4 auf der Batterie montiert. Die Signalleitungen (hier realisiert durch die Verbindungselemente 12a-e) der einzelnen Potenzialniveaus (z.B. Potenziale der kontaktierten Zellverbinder 6d,e,g,h,i) des Batteriesystems werden dann auf der einzelnen Leiterplatte 8 (hier ein PCB, alternativ auch flex / flex-rigid PCB) zusammengefasst. Dort werden die Potenzialniveaus in ein digitales Signal umgewandelt vermittels der Kommunikationsschnittstellen 22a,b über ein Datenübertragungssystem (BUS, Bussystem 44, hier die Verbindungsdrähte 28) weitergegeben, hier an die Gegenstelle 26. Die dafür notwendigen elektronischen Komponenten befinden sich auf der Leiterplatte 8. Die Leiterplatte 8 ist in einen Kunststoffrahmen, nämlich den Tragrahmen 14, eingesetzt, in welchen die Verbindungselemente 12a-e bzw. die Steckkontakte 18a-e, hier Einpresszonen-Pins (oder PTH-Pins) eingebettet sind. Diese Pins (Steckkontakte 18a-e) werden direkt über die einteiligen Verbindungselemente 12a-e mit den Zellverbindern 6d,e,g,h,i verbunden.
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In einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform sind die Verbindungselemente 12a-e mehrteilig ausgeführt. Dann werden die Steckkontakte 18a-e indirekt über Gabeln und Cu-Lackdrahtverlegung mit den Zellvebindem 6d,e,g,h,i verbunden, wie im Beispiel für die Kommunikationsschnittstellen 22a,b angedeutet ist.
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Das Verfahren zur Herstellung des Zellkontaktiersystem 4 ist so gestaltet, dass die Aufnahme 16 der Leiterplatte 8 / der Tragrahmen 14 in Form des Kunststoffrahmens zuerst montiert wird. Anschließend werden die Verbindungen im ZKS durch Verbinden der Verbindungselemente 12a-e, alternativ die genannte nicht dargestellte Drahtverlegung, zu den eingebetteten Einpresszonen-Pins (Steckkontakte 18a-e) hergestellt. Abschließend wird die Leiterplatte 8 über Eindrücken auf die Einpresszonenpins, also die Steckkontakte 18a-e mechanisch und elektrisch in einem Schritt mit der Aufnahme 16 bzw. dem Tragrahmen 14 verbunden.
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Es wird zwischen mehreren Leiterplatten (Single-Cell-Chip), welche jeweils zwischen zwei aufeinander folgenden Potenzialen liegen (siehe 3-5), und einer Mehrfach- oder Gesamtleiterplatte (MultiCell-Chip), welche mehr als zwei oder alle im Batteriesystem liegenden Potenziale erfasst, unterschieden (siehe 1-2).
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Die „MultiCell-Chip“-Variante greift für eine Temperaturmessung über einen separat ausgeführten Sensor 30, hier ein NTC-PCB (NTC: Temperaturfühler, Negative Temperature Coefficient), das Signal ab und leitet es über eine Zuleitung 32, hier Cu-Lackdraht, zur Leiterplatte 8. Die Datenübertragung erfolgt für beide Varianten über BUS-Anbindungen seitens der Kommunikationsschnittstellen 22a,b. Die Kontaktierung der Leiterplatte 8 durch Steckkontakte 18a-e in Form von speziellen Cu-Pins ermöglicht die Anwendung eines Laser-Verbindungsverfahrens, um (bei Zellverbindern 6 aus Aluminium) serienfähig eine Alu-Cu-Schweißverbindung an der Verbindungsstelle zwischen Zellverbinder 6 und Verbindungselement 12 zu erzeugen.
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Gemäß der 1 und 2 ergibt sich also eine Multicell / (3-5: Single-Cell) Elektronik (Elektronikkomponente 2 bzw. Leiterplatte 8) mit Temperaturmessung / Spannungsmessung und Balancing auf dem Zellverbinder 6.
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Auch die Gabelkontakte der Kommunikationsschnittstellen 22a,b sind auf Seite der Leiterplatte 8 als Steckkontakte ausgebildet. Auch hier erfolgt eine Kontaktierung der Leiterplatte 8 erst bei deren Aufstecken mit entsprechenden Steckaufnahmen (in den Figuren nicht separat bezeichnet).
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Die Verschweißung zwischen den Verbindungselementen 12 und den Zellverbindern 6 erfolgt jeweils an der plattenartig verbreiterten Stelle 13 der Verbindungselemente 12.
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Die 3 bis 5 zeigen eine alternative Ausführungsform einer Elektronikkomponente 2 und eines Zellkontaktiersystems 4 (5, Batterie wiederum nicht dargestellt). Hier sind insgesamt vier Zellverbinder 6a-d und drei Elektronikkomponenten 2 enthalten.
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Die Elektronikkomponente 2 ist hier als „Single-Cell-Chip“-Variante (kontaktiert nur jeweils zwei Zellverbinder 6) ausgeführt und liegt direkt am einem der Zellverbinder 6a,c,d an und greift über einen integrierten Temperaturfühler 34, hier einen Temperatursensor (NTC, symbolisch angedeutet) die Temperatur des Zellverbinders 6a,c,d ab. Zwei aufeinander folgende Potenziale (zweiter Zellverbinder 6b zu 6a, 6a zu 6c und 6c zu 6d) werden über Verbindungselemente 12a,b (lang ausgeführte Einpresszonenpins zum nächsten Potenzial (Zellverbinder 6a,c,d) geführt. So ist auch eine Impedanzmessung möglich. Die Verbindungselemente weisen dabei die oben erläuterte Nachgiebigkeit auf, hier bewirkt (siehe insb. in 4) durch deren S-förmigen Verlauf zwischen den Stellen 13 und dem Tragrahmen 14.
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Insbesondere in den 3 und 4 ist hier, anders als in den 1 und 2, die mechanisch feste Einbettung der Verbindungselemente 12 und der entsprechenden Strukturen der Kommunikationsschnittstellen 22a,b in den Tragrahmen 14 dargestellt bzw. zu erkennen. Die feste Einbettung ist Voraussetzung für ein erfolgreiches Aufstecken der Steckaufnahmen 10 auf die Steckkontakte 18 beim Einführen der Leiterplatte 8 in die Aufnahme 16.
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Beispielhaft wird hier die Anordnung anhand der einen Elektronikkomponente 2 zwischen den Zellverbindern 6a,b erläutert.
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Auch hier umfasst die Elektronikkomponente den Tragrahmen 14 mit Aufnahme 16, wobei in den Tragrahmen 14 vier Verbindungselemente 12a-d mechanisch fest eingebettet sind. Pro Leiterplatte 8 ist hier nur eine Kommunikationsschnittstelle 22a mit insgesamt vier Gabelkontakten für Drahtanschlüsse enthalten. Das Einstecken der Leiterplatte 8 erfolgt ebenfalls in Richtung des Pfeils 20 in die Aufnahme 16 des Tragrahmens 14.
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Der Tragrahmen 14 enthält hier allerdings eine mechanische Schnittstelle 36. Im Montagezustand in 5 ist der Tragrahmen 14 vermittelt der Schnittstelle 36 mechanisch an den Zellverbindern 6 befestigt und dadurch im gesamten Zellkontaktiersystem 4. Die Schnittstelle 36 weist hierzu insgesamt vier Laschen 38 auf, die eine Gegenstruktur 40, hier eine Lasche des Zellverbinders 6 umgreifen und dadurch eine mechanische Befestigung bewirken. Zur Montage wird der Tragrahmen 14 in Richtung des Pfeils 42 auf die Gegenstruktur 40 aufgeschoben.
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Dabei tritt auch der Temperaturfühler 34 in Kontakt mit der Gegenstruktur 40, also der metallischen Lasche als Fortsatz des Zellverbinder 6, so dass die Temperatur des Zellverbinders 6 direkt gemessen werden kann.
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Gemäß der 3-5 ergibt sich also eine Leiterplatte 8 in Form eines Rigid-PCB mit Single-Cell-Chip mit integrierter Temperarturmessung und Impedanzmessung.
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Die Anordnung des Temperatursensors (Chip) befindet ist unterhalb des Zellverbinders 6a. Über ein Medium (nicht dargestellt, Klebstoff oder Paste oder Gummi, mit oder ohne verbesserte Wärmeleiteigenschaften) wird die Temperatur des Zellverbinders 6a mit dem im Temperaturfühler 34 (im Chip integrierter eigentlicher Sensor / Fühler) erfasst. Unterhalb des Temperaturfühlers 34 (Chip) befindet sich ein (in den Figuren nicht sichtbares) Loch in der Leiterplatte 8, um eine Wärmeabfuhr über die Metallisierung der Leiterplatte 8 zu verringern. Die eigentlicheTemperaturmessung erfolgt über die (der Unterseite des Zellverbinders 6a zugewandte) Chipoberseite des Temperaturfühlers 34.
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Die Impedanzmessung wird über die zwei Verbindungselemente 12a,b und 12c,d pro Zellverbinder 6a und 6b möglich.
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Für ein entsprechend mit einer nicht dargestellten Batterie komplettiertes Zellkontaktiersystem 4 ergibt sich gemäß 5 eine Singlecell Steuerung: Eine elektrische Verbindung (Logik Anbindung/Steuerungsanbindung) erfolgt durch ein Bussystem 44 (Anschluss an der Kommunikationsschnittstelle 22a) zum jeweils nächsten Single-Cell-Chip (Leiterplatte 8) über hier Cu-Lackdraht (Schweissgabeln, etc), im Beispiel einen vieradrigen Bus aus vier Verbindungsdrähten 28.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Elektronikkomponente
- 4
- Zellkontaktiersystem
- 6a-i
- Zellverbinder
- 8
- Leiterplatte
- 10a-e
- Steckaufnahme
- 12a-e
- Verbindungselement
- 13
- Stelle
- 14
- Tragrahmen
- 16
- Aufnahme
- 18a-e
- Steckkontakt
- 20
- Pfeil
- 22a,b
- Kommunikationsschnittstelle
- 24
- Drahthalter
- 26
- Gegenstelle
- 28
- Verbindungsdraht
- 30
- Sensor
- 32
- Zuleitung
- 34
- Temperaturfühler
- 36
- Schnittstelle (mechanisch)
- 38
- Lasche
- 40
- Gegenstruktur
- 42
- Pfeil
- 44
- Bussystem