用于电池模块的单元接触系统以及包括这种单元接触系统的电池模块的制作方法

1.本发明涉及一种用于具有多个电池单元的阵列的电池模块的单元接触系统，还涉及一种具有这样的单元接触系统的电池模块。


背景技术：

2.单元管理控制器(cmc)监测电池模块的各个电池单元，以便对电池单元执行例如充电处理以及电压和充电状态的平衡、温度控制处理等，该单元管理控制器需要用于接触电池单元的单元接触系统，以便获得相应测量信号，例如电池单元的电势和温度的测量信号。常规的单元接触系统通常需要用于构建单元接触系统的较高装配工作和空间需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是创造一种改进的单元接触系统，该单元接触系统有简单构造和节省空间的结构。
4.该目的通过具有权利要求1的特征的单元接触系统来实现。从属权利要求涉及本发明的特别有利的构造和发展形式。
5.根据本发明的、用于具有多个电池单元的阵列的电池模块的单元接触系统有：多个单元连接器，用于导电连接不同电池单元的单元端子；印刷电路板，该印刷电路板有多个信号线，各信号线用于使得该多个单元连接器中的一个的信号源与信号管理电路或连接接口连接，其中，该多个单元连接器的信号源各自通过至少一个连接元件而与印刷电路板的多个信号线中的一个导电连接；以及塑料材料载体板，该塑料材料载体板能够装配在电池单元阵列上，并有用于印刷电路板的第一接收区域以及用于多个单元连接器中的每一个的多个第二接收区域。根据本发明，提出了一种特殊的载体板，该载体板(i)有板基座，该板基座在整个电池单元阵列上延伸，其中，板基座在该多个第二接收区域中的每一个中具有用于接触相应电池单元的单元端子的至少一个穿透开口；(ii)在板基座的背离电池单元阵列的一侧有第一框架元件，该第一框架元件至少局部环绕用于印刷电路板的第一接收区域；(iii)在板基座的背离电池单元阵列的一侧上还有多个第二框架元件，各第二框架元件至少局部环绕用于单元连接器的多个第二接收区域中的一个；(iv)在第一框架元件上有至少一个第一卡扣作用钩，用于使得印刷电路板卡扣配合在载体板的第一接收区域中；以及(v)在该多个第二框架元件中的每一个上有至少一个第二卡扣作用钩，用于使得单元连接器卡扣配合在载体板的相应第二接收区域中。
6.使用具有绕印刷电路板和单元连接器的接收区域的框架元件的这种载体板以及设置在框架元件上用于将印刷电路板或多个单元连接器卡扣配合(即以基本上形状配合的方式插入)至相应接收区域中的卡扣作用钩，将允许印刷电路板和单元连接器简单(可能甚至自动)和快速地安装在载体板上，而没有另外的紧固元件(例如螺钉)，且不需要另外的紧固处理。另外，通过使用这种卡扣作用钩，具有板基座和框架元件的载体板能够大体上具有
相对较低高度，因此，与使用其它安装系统的常规单元接触系统相比，单元接触系统的高度以及因此整个电池模块的高度也能够减小。另外，通过卡扣作用钩的安装在原则上有些柔性，因此，与刚性安装系统(例如通过螺钉)相比，还能够补偿电池单元的变形(例如温度引起的膨胀)和运动。
7.在本发明的范围内，至少局部环绕用于印刷电路板的第一接收区域的第一框架元件能够设计成在其中有或没有间隙的单独框架元件的形式，或者设计成在其间有或没有间距的多个框架子元件的形式。在本发明的范围内，各自至少局部环绕用于单元连接器的第二接收区域的多个第二框架元件能够在各种情况下设计成在其中有或没有间隙的单独框架元件的形式，或者设计成在其间有或没有间距的多个框架子元件的形式。另外，在本发明的范围内，各自至少局部环绕用于单元连接器的第二接收区域的多个第二框架元件中的全部或一些能够彼此组合以便形成部件。第一框架元件和第二框架元件能够作为单独的组成部件而紧固在板基座，或者能够优选是与板基座形成单件。第一和第二卡扣作用钩优选是各自与相应框架元件形成一体。卡扣作用钩也可以称为卡扣配合元件。
8.本发明的单元接触系统原则上能够利用任何类型/结构的单元连接器和印刷电路板来实现。本发明的单元接触系统原则上也能够利用在印刷电路板和单元连接器之间的任何类型/结构的电连接元件来实现，其中，该连接元件优选是能够设计为压配合连接元件，如在专利申请de102021116447.8中详细所述。
9.单元接触系统优选是有与印刷电路板的信号线连接的至少一个信号管理电路。例如，该至少一个信号管理电路能够集成至印刷电路板中，或者通过相应连接接口而与作为外部电路的印刷电路板连接。另外优选是，集成的或外部的信号管理电路通过连接接口与电池模块控制器而连接。单元接触系统、信号管理电路和电池模块控制器也能够一起称为电池单元管理控制器(cmc)。
10.在本发明的实施例中，该至少一个第一卡扣作用钩在它面向板基座的下侧基本平行于该板基座。也可选择或者另外，多个第二卡扣作用钩在它们面向板基座的下侧也各自基本平行于板基座。因此，卡扣作用钩的下侧也基本平行于印刷电路板或单元连接器。卡扣作用钩的该实施例实现了卡扣作用钩的特别小的高效设计，使得框架元件和因此整个载体板也能够有特别低的高度。
11.在本发明的实施例中，该至少一个第一卡扣作用钩设计成使得它沿板基座的方向预加应力。也可选择或者另外，多个第二卡扣作用钩还各自设计成使得它们沿板基座的方向预加应力。作为该措施的结果，在印刷电路板和/或单元连接器的制造公差的情况下，且在印刷电路板和/或单元连接器的运动(例如由电池单元12的膨胀和/或运动而引起)的情况下，卡扣作用钩保持与印刷电路板或单元连接器接触，以使得这些卡扣作用钩牢固地固定在载体板上。
12.在本发明的实施例中，该至少一个第一卡扣作用钩和/或该多个第二卡扣作用钩各自是弹性的。卡扣作用钩的弹性设计能够例如通过它们的材料选择、它们的结构和/或它们与相应框架元件的连接来实现。作为该措施的结果，简化了将印刷电路板或单元连接器布置于载体板的相应接收区域中。另外，该措施同样支持了以下优点：即使在印刷电路板或单元连接器的制造公差和运动(沿水平方向)的情况下，卡扣作用钩也保持与印刷电路板或单元连接器接触，以使得它们牢固地固定到载体板上，且在电池模块的操作过程中能够更
好地补偿电池单元的变形和运动。
13.在本发明的实施例的还一实施例中，在用于印刷电路板的第一接收区域中，载体板的板基座有至少一个弹性部分，该弹性部分相对于板基座的厚度方向为弹性的。作为该措施的结果，在电池模块的操作过程中，甚至能够更好地沿竖直方向补偿电池单元的变形和运动。
14.优选是，单元连接器的信号源有在该多个单元连接器中的一个上设置的至少一个电压分接点和/或安装在该多个单元连接器中的一个上的至少一个温度测量装置。优选是，所有单元连接器各自提供有与印刷电路板的信号线连接的电压分接点。优选是，一些或甚至全部单元连接器各自有附接于其上的温度测量装置，该温度测量装置与印刷电路板的信号线连接。该至少一个温度测量装置优选是有具有温度感测元件的传感器印刷电路板，该传感器印刷电路板通过接触元件而与相应单元连接器连接，并通过连接元件而与印刷电路板的信号线连接。
15.在本发明的还一实施例中，载体板的板基座在第一接收区域内或在第一接收区域和第二接收区域外有至少一个通风开口，例如成多个孔或间隙的形式。在第一提及的变化形式中，印刷电路板同样有至少一个通风开口，该通风开口与板基座的至少一个通风开口配合。通风开口能够支持在单元接触系统下方的电池单元的冷却处理。
16.本发明还涉及一种电池模块，该电池模块有多个电池单元的阵列以及在电池单元阵列上的本发明上述单元接触系统。通过该电池模块，能够获得与上面结合根据本发明的单元接触系统所述相同的优点。
17.电池单元通过单元接触系统的单元连接器而彼此连接，并能够通过电池模块的电连接而与消耗装置或充电系统连接。本发明并不限制多个电池单元的任何特殊类型、数量、尺寸或布置。特别是，本发明还可用于锂离子电池模块。
18.电池模块通常还有用于操作电池模块的至少一个电池模块控制器，所述电池模块控制器与至少一个信号管理电路(集成在印刷电路板中或者通过连接接口而作为外部电路与印刷电路板连接)连接。模块控制器至少部分根据由单元接触系统获得的测量信号来执行例如充电处理、电压和充电状态的平衡、温度控制处理(例如特别是冷却过程)等。
19.电池模块优选是有用于接收电池单元阵列的模块壳体。模块壳体优选是有壳体开口，电池单元的单元端子可通过该壳体开口接近，其中，单元接触系统的载体板安装在模块壳体的该壳体开口中或壳体开口上。
20.本发明可有利地用于车辆的电池模块，特别是电动车辆和混合动力车辆，特别是机动车辆和摩托车，还可用于能量存储系统和其它电气设备(例如电子家用设备)。
附图说明
21.通过下面参考附图对优选的非限定示例实施例的说明，将更好地理解本发明的上述和其它特征和优点。附图中，主要示意地：
22.图1表示了根据本发明示例实施例的电池模块的透视平面图；
23.图2表示了用于图1的电池模块的、根据本发明示例实施例的单元接触系统的载体板的平面图；
24.图3a表示了图2的载体板的放大透视局部平面图，其中没有安装印刷电路板；
25.图3b表示了图2的载体板的放大透视局部平面图，其中安装了印刷电路板；
26.图4a表示了图2的载体板的放大透视局部平面图，其中没有安装单元连接器；以及
27.图4b表示了图2的载体板的放大透视局部平面图，其中安装了单元连接器。
具体实施方式
28.参考图1至4，电池模块的示例实施例将利用在权利要求中确定的根据本发明的单元接触系统的示例实施例而以示例方式来介绍。
29.电池模块10具有多个电池单元(例如锂离子电池单元)12的阵列。在该示例实施例中，电池单元12并排布置，且各自有在上端或下端区域中的负极端子以及在下端或上端区域中的正极端子，其中，电池单元12的负极端子和正极端子(单元端子)交替地布置，以使得一个电池单元的负极端子与相邻电池单元的正极端子邻接。电池单元阵列通常布置在模块壳体(未示出)中，其中，模块壳体有壳体开口，具有电池单元阵列的单元端子的上端区域可通过该壳体开口接近。
30.电池模块10还有布置在电池单元阵列12上方的单元接触系统18。在这种情况下，单元接触系统18安装在未示出的模块壳体的壳体开口中或壳体开口上。
31.单元接触系统18有形成电源线系统的多个单元连接器22。在该示例实施例中，单元连接器22各自有两个接触区域22a、22b以及在两个接触区域22a、22b之间的补偿区域22c(优选是弹性)，并安装在电池单元12上，使得它们各自通过它们的两个接触区域22a、22b而使得电池单元12的负极端子与相邻电池单元12的正极端子连接，从而导致在电池模块10中的电池单元12的串联连接。电池单元12还可通过电池模块10的电连接而与消耗装置或充电系统连接。
32.单元接触系统18还有例如刚性印刷电路板24，该刚性印刷电路板24形成信号线系统，并沿电池单元阵列的整个长度在电池单元12上方布置在两行单元连接器22之间的区域中。印刷电路板24的形状和尺寸原则上能够用于任何结构的电池模块，特别是用于任何布置、尺寸或数量的电池单元。
33.如图1中所示，印刷电路板24有用于单元接触系统18的多个通风开口36的较大间隙，用于支持位于其下方的电池单元12的冷却处理。
34.为了方便，如图1中所示，印刷电路板24有多个信号线，各信号线使得单元连接器22的信号源与电子信号管理电路26连接。信号管理电路26设置成例如执行电压测量处理和评估从单元连接器22的信号源获得的测量信号。在该示例实施例中，信号管理电路26集成在印刷电路板24上，并与连接接口28连接，信号管理电路26能够通过该连接接口28而与电池模块控制器连接。该电池模块控制器用于例如执行充电处理、电压和充电状态的平衡、温度控制处理(例如特别是冷却处理)等，这些处理至少部分根据由单元接触系统18获得的测量信号或由它的信号管理电路26获得的测量值来执行。在本发明的替代实施例中，信号管理电路26也能够设计在印刷电路板24的外部。在这种情况下，印刷电路板24的信号线与连接接口28直接连接，且外部信号管理电路与印刷电路板24的连接接口28连接，并另外通过还一连接接口而与电池模块控制器连接。
35.如图1中所示，在该单元接触系统18中有两种类型的信号源。首先，全部(可选地只是大部分)单元连接器22有电压分接点，作为用于测量电池单元12的电压的第一信号源类
型。电压分接点能够各自通过单元连接器22的接触区域22a、22b而直接形成。另外，一些(可选地也是全部)单元连接器22有温度测量装置32，作为用于测量电池单元12的温度的第二信号源类型。温度测量装置32例如有具有温度感测元件的传感器印刷电路板，其中，传感器印刷电路板通过接触元件而与相应电池单元连接器22连接。为了使电压分接点和温度测量装置32与印刷电路板24的信号线连接，在各种情况下提供至少一个(单部件或多部件)连接元件30。这些连接元件30的结构原则上在本发明的范围内是任意的。不过，如特别在图3b和4b中可见，在该示例实施例中，连接元件优选是设计为压配合连接元件，这实现了信号源与由印刷电路板形成的信号线系统的简单、快速和自动连接。在本技术人的专利申请de102021116447.8中详细介绍了这种有利的压配合连接元件，因此该文献的全部内容被本文参引。
36.如图1中所示，印刷电路板24和单元连接器22在各种情况下都安装在载体板20上，该载体板20同样是单元接触系统18的部件。单元接触系统18通过载体板20而安装在模块壳体上，因此安装在电池单元阵列上。载体板20的特殊结构以及印刷电路板24和单元连接器22在载体板20上的特殊类型紧固将参考图2至4更详细地介绍。
37.图2通过示例表示了单元接触系统18的载体板20，该载体板20形成为塑料材料载体板20。载体板20有用于接收印刷电路板24的第一接收区域207和用于接收多个单元连接器22中的每一个的多个第二接收区域205。
38.载体板20具有基本平面形的板基座202，该板基座202在整个电池单元阵列上延伸。在该多个第二接收区域205的每个中，板基座202有至少一个穿透开口208，然后电池连接件22能够通过该穿透开口208而接触相应电池单元12的单元端子。
39.在该示例实施例中，除了用于印刷电路板24和单元连接器22的第一接收区域207和第二接收区域205之外，根据印刷电路板24的结构，板基座202还有用作通风开口36的中心细长间隙。在替代实施例中，当印刷电路板24有一个或多个孔作为通风开口时，板基座202相应设计成有在第一接收区域207内用于印刷电路板24的一个或多个通孔。
40.从图2中能够看出，载体板20在它的板基座202背离电池单元阵列的一侧有多部分第一框架元件206，该多部分第一框架元件206向内和向外环绕用于印刷电路板24的第一接收区域207。另外，载体板20在它的板基座202背离电池单元阵列的一侧有多个(在该示例实施例中，在各种情况下为单部分)第二框架元件204，该第二框架元件204环绕用于单元连接器22的多个第二接收区域205中的每一个。第一框架元件206和第二框架元件204同样是塑料材料元件，并优选是与板基座202形成一体。
41.为了将印刷电路板24以基本形状配合的方式插入和固定在载体板20的第一接收区域207中，多个第一卡扣作用钩(卡扣配合元件)212设置在多部分第一框架元件206上，优选是与第一框架元件206形成为单件。如图3a和3b中更精确所示，第一卡扣作用钩212在它们面向板基座202的下侧上基本平行于板基座202，因此也平行于接收的印刷电路板24，由此，它们能够形成有相对较低高度。另外，第一卡扣作用钩212优选是各自沿板基座202的方向预加应力和/或为弹性的。通过载体板20的这种结构，印刷电路板24能够很容易地插入第一接收区域207内并固定于其中，而不必执行利用附加紧固元件的附加固定处理，且载体板能够有相对较低高度。
42.如图2和图3a中所示，用于印刷电路板24的第一接收区域207中的载体板20的板基
座202优选是有一个或多个弹性部分214，该弹性部分214相对于板基座202的厚度方向是弹性的。
43.由于具有第一框架元件206和特殊第一卡扣作用钩212的载体板20的这种结构，即使在有制造公差以及印刷电路板24沿水平和竖直方向运动的情况下，第一卡扣作用钩212也保持与印刷电路板24接触，以使得它们牢固地固定在载体板20上，还能够在电池模块10的操作过程中补偿电池单元12的变形和运动。由于在第一接收区域207中的板基座202的弹性部分214，甚至能够更好地补偿在电池模块10的操作过程中电池单元12沿竖直方向的变形和运动。
44.为了将单元连接器22以基本形状配合的方式插入和固定在载体板20的第二接收区域205中，多个第二卡扣作用钩(卡扣配合元件)216设置在第二框架元件204上，且优选是与相应第二框架元件204形成为单件。如图4a和4b中更精确所示，第二卡扣作用钩216在它们面向板基座202的下侧上基本平行于板基座202，因此也平行于接收的单元连接器22，由此，它们能够形成有相对较低高度。另外，第二卡扣作用钩216优选是各自沿板基座202的方向预加应力的和/或是弹性的。通过载体板20的这种结构，单元连接器22能够很容易地插入到第二接收区域205内并固定于其中，而不必执行利用附加紧固元件的附加固定处理，且载体板能够有相对较低高度。
45.由于具有第二框架元件204和特殊第二卡扣作用钩216的载体板20的这种结构，即使在有单元连接器22的制造公差和运动的情况下，第二卡扣作用钩216也保持与相应单元连接器22接触，使得它们牢固地固定到载体板20，且在电池模块10的操作过程中也能够补偿电池单元12的变形和运动。
46.具有根据本发明的单元接触系统18的上述电池模块10能够用于例如车辆，特别是电动车辆和混合动力车辆，特别是机动车辆和摩托车，或者用于能量存储系统或用于其它电气设备(例如电子家用设备)。
47.本发明的保护范围由附加权利要求来确定。电池模块和单元接触系统的上述示例实施例(包括几个变化形式)将特别用于提高对本发明的理解，而并不用于限制保护范围。本领域技术人员将能够识别在本发明的保护范围内的其它变化形式，这些变化形式基于例如来自上述示例实施例的特征的其它组合、上述示例实施例的各个省略特征和/或上述示例实施例的各个变化特征。
48.参考标号列表
49.10 电池模块
50.12 电池单元
51.18 单元接触系统
52.20 载体板
53.202 板基座
54.204 第二框架元件(用于单元连接器)
55.205 第二接收区域(用于单元连接器)
56.206 第一框架元件(用于印刷电路板)
57.207 第一接收区域(用于印刷电路板)
58.208 在第二接收区域中的穿透开口
59.212 在第一框架元件上的第一卡扣作用钩(用于印刷电路板)
60.214 在板基座中的弹性部分
61.216 在第二框架元件上的第二卡扣作用钩(用于单元连接器)
62.22 单元连接器(电源线系统)
63.22a、22b 单元连接器的接触区域
64.22c 单元连接器的补偿区域
65.24 印刷电路板(信号线系统)
66.26 信号管理电路
67.28 连接接口
68.30 连接元件
69.32 温度测量装置
70.36 通风开口