AT515206A4

AT515206A4 - Verbindungselement zum Kontaktieren von Zellpolen von Batteriezellen

Info

Publication number: AT515206A4
Application number: ATA50067/2014A
Authority: AT
Inventors: Markus Ing Kores; Dietmar Niederl; Harald Dipl Ing Fh Stütz
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2015-07-15
Also published as: WO2015113854A3; WO2015113854A2; AT515206B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement (100) zum Kontaktieren von Zellpolen (230, 230a, 230b) von Batteriezellen (210, 210a, 210b), mit einem im Wesentlichen plattenartigen Grundkörper (110) aus isolierendem Material, in dem zumindest eine Zellpoldurchführung (113) angeordnet ist, wobei am Grundkörper (110) zumindest eine Positioniereinrichtung (112a, 112b, 112c) für ein Clinchwerkzeug angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum Kontaktieren von Zellpolen vonBatteriezellen, mit einem im Wesentlichen plattenartigen Grundkörper ausisolierendem Material, in dem zumindest eine Zellpoldurchführung angeordnet ist.

Beim sogenannten "Clinchen" werden zur Kontaktierung flache Zellpole vonBatteriezellen miteinander verpresst, um eine elektrische Verbindung zwischen denBatteriezellen herzustellen. Aufgrund der Zellgeometrie haben diese Zellpole häufigeinen gewissen Abstand zueinander, der mittels Zellverbindungselemente,insbesondere U-förmige Metallplättchen überbrückt werden muss. DieseZellverbinder sind üblicherweise lose und müssen während des Clinchvorgangeshändisch positioniert werden. Das Clinch-Werkzeug wird dann ebenfalls freipositioniert und die Verpressung ausgelöst. Aufgrund der freien Positionierung desWerkzeuges und/oder der Zellverbinder kann es hier zu räumlichen Verschiebungenund damit zu fehlerhaften Clinchverbindung kommen.

Daher sind im Stand der Technik Rahmen bekannt geworden, durch die die Zellpolehindurch gesteckt werden, um eine höhere Positioniergenauigkeit zu erzielen. Inder DE 10 2008 034 867 Al ist eine Batterie mit einer Vielzahl von Einzelzellenbeschrieben, wobei eine Kühlplatte vorgesehen ist, die über schlitzförmigeAussparungen verfügt, durch die die Zellpole der Einzelzellen hindurchführbar sind.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine weitere Erleichterung des Clinchprozesses zuermöglichen, der die Fehleranfälligkeit dieses Kontaktierungsprozesses verringertund ein rasches und zuverlässiges Clinchen der Zellpole ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass am Grundkörper desVerbindungselementes zumindest eine Positioniereinrichtung für ein Clinch-Werkzeug angeordnet ist. Die definierte Geometrie dieser Positioniereinrichtungerlaubt es, das Clinch-Werkzeug für den Clinchvorgang genau zu positionieren,wobei besonders bevorzugt die Positioniereinrichtung eine Vielzahl vonAusnehmungen und/oder Erhebungen umfasst, die an einer ersten Oberfläche desGrundkörpers angeordnet sind. Das zugehörige Clinch-Werkzeug verfügt hierbeiüber eine korrespondierende Geometrie, das heißt, im Fall von Ausnehmungen imGrundkörper verfügt das Clinch-Werkzeug über entsprechend ausgeformteErhebungen. Diese Positioniereinrichtung kann hierbei wellenförmig,pyramidenförmig oder andere passende Geometrien aufweisen.

Um eine händische Positionierung von Zellverbindungselementen, sogenanntenZellverbindern zu vermeiden, ist in einer besonders bevorzugten Ausführung derErfindung vorgesehen, dass in dem Grundkörper zumindest einZellverbindungselement zur Kontaktierung der Zellpole zweier benachbarterBatteriezellen angeordnet ist. Der Grundkörper besteht hierbei aus einemisolierendem Material, insbesondere aus Kunststoff, wobei besonders bevorzugt dasZellverbindungselement in diese Kunststoffmatrix eingegossen ist. Alternativ kanndas Zellverbindungselement auch in die Kunststoffmatrix eingesteckt, eingeklebtoder eingeclipst sein.

Besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass in dem Grundkörper zumindestein integrierter Spannungsabgriff angeordnet ist, über den die elektrische Energieder Batteriezelle abgeleitet werden kann. Ebenso kann vorgesehen sein, dass derGrundkörper zumindest eine Stromschiene aufweist, die den gleichen Zweck erfüllt.

Bei entsprechend großen Zellgeometrien ist in einer weiteren Ausführung derErfindung vorgesehen, dass die zumindest eine Zellpoldurchführung geneigt zu derersten Oberfläche des Grundkörpers verläuft. Somit schneiden die jeweiligenZellpoldurchführungen die Oberfläche des Grundkörpers in einem Winkel ungleich90 Grad, wobei jeweils zwei benachbarte Zellpoldurchführungen derart ausgebildetsind, dass die hindurchgeführten Zellpole der jeweiligen Batteriezellen zueinandergeneigt sind, was das Verclinchen dieser beiden Zellpole erleichtert.

In einer weiteren Variante der Erfindung ist in dem Grundkörper zumindest einKühlkanal angeordnet, der der Kühlung der Batteriezellen dient. Hierbei kannbeispielsweise vorgesehen sein, dass der Grundkörper mehrteilig, beispielsweisezweiteilig ausgeführt ist, so dass die jeweilige Kühlkanalhälfte in jeweils einem Teilder Grundkörpers angeordnet ist, und anschließend die beiden Teile desGrundkörpers zusammengeführt werden. Dies erleichtert die Fertigung desGrundkörpers mit einem Kühlkanal. Um die Dichtigkeit dieser Kühlkanäle, die voneinem beispielsweise flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium durchströmt sind,gewährleisten zu können, werden die zumindest zwei Teile des Grundkörpers vordem Aufsetzen auf die Batteriezellen mittels Verkleben, Verschweißen oder eineranderen geeigneten Methode miteinander verbunden.

Weist die Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die in einem Gehäuse oder ineiner Form eingeschäumt werden, so ist in einer weiteren Ausführung der Erfindungvorgesehen, dass in der zumindest einen Zellpoldurchführung zumindest einDichtungselement angeordnet ist, das einen Austritt des Schaummaterials währenddes Einschäumens verhindert. Die Enden der Zellpole liegen dann bevorzugterweiseaußerhalb der geschäumten Einheit und können somit auch im Nachhinein, z.B.mittels Clinchen, miteinander verbunden werden.

Im Folgenden wird anhand von nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen mitzugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Batterie mit dem erfindungsgemäßenVerbindungselement,

Fig. 2 eine erste Seitenansicht eines Ausschnitts der Batterie aus Fig. 1,

Fig.3 eine zweite Seitenansicht eines Ausschnitts der Batterie aus Fig. 1,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßenVerbindungselements,

Fig. 5 eine Schnittansicht einer dritten Ausführung des erfindungsgemäßenVerbindungselements,

Fig. 6 eine Schnittansicht einer vierten Ausführung des erfindungsgemäßenVerbindungselements,

Fig. 7 eine Schnittansicht einer fünften Ausführung des erfindungsgemäßenVerbindungselements,

Fig. 8 eine Schnittansicht einer sechsten Ausführung des erfindungsgemäßenVerbindungselements,

Fig. 9 eine Schnittansicht einer siebenten Ausführung des erfindungsgemäßenVerbindungselements,

Fig. 10 eine Schnittansicht einer achten Ausführung des erfindungsgemäßenVerbindungselements, und

Fig. 11 eine Schnittansicht einer neunten Ausführung des erfindungsgemäßenVerbindungselements.

Die Fig. 1 zeigt schematische Darstellung einer wiederaufladbaren Batterie 200 miteiner Vielzahl von Batteriezellen 210, die über Trennelemente 220 voneinanderbeabstandet angeordnet sind. Die im Wesentlichen flachen Zellpole 230 dereinzelnen Batteriezellen sind hierbei durch ein erfindungsgemäßesVerbindungselement 100 hindurchgeführt.

Auf der Oberfläche 111 des Grundkörpers 110 des Verbindungselementes 100 sindPositioniereinrichtungen angeordnet, die als wellenförmige Struktur 112a, alspyramidenartige Erhebungen 112b und als Ausnehmungen 112c ausgebildet sind.Ebenso sind auch weitere, nicht dargestellte Geometrien, wie Nischen, Rippen oderrunde Vertiefungen oder Erhöhungen einsetzbar. Diese Positioniereinrichtungen112a, 112b, 112c erlauben bei Zuführung eines Clinch-Werkzeuges, das übereinekorrespondierende Geometrie, also beispielsweise im Fall der pyramidenartigeErhebungen 112b über entsprechende Ausnehmungen wie in der Form derAusnehmungen 112c im Grundkörper 110 ausgebildet sind, verfügt, eine genaueund zuverlässig wiederholbare Positionierung des Clinch-Werkzeuges und damit derKontaktierung der Zellpole. Damit lässt sich auch eine Automatisierung desClinchvorgangs realisieren, bei der ein Batteriemodul mit einer Vielzahl von zukontaktierenden Batteriezellen eine Clinchstation durchfährt und bei jedemWellental der Form 112a ein Clinchvorgang ausgelöst wird.

Das erfindungsgemäße Verbindungselement 100 verfügt des Weiteren über einenKühlmittelanschluss 120, über den ein entsprechendes flüssiges oder gasförmigesKühlmittel zu bzw. abgeführt werden kann. Schließlich sind in dem Grundkörper110 noch Modulabgänge 130 sowie Zellspannungsabgriffe 140 vorgesehen.

In den Fig. 2 und Fig. 3 sind in einer schematischen Seitenansicht dieunterschiedlichen Positioniereinrichtungen 112a, 112b dargestellt. Diese können alserhabene oder vertiefte, geeignete Geometrien ausgebildet sein. Exemplarisch sinddie Geometrien hier in beiden Randbereichen des Grundkörpers 100 dargestellt.

Alternativ kann die erfindungsgemäße Positioniereinrichtung aber auch nur aufeiner Seite oder im Mittelbereich des Grundkörpers 110 angeordnet sein.

In der Fig. 4 ist eine weitere Variante der Erfindung in einer Schnittansichtdargestellt, bei der die Zellpole 230 durch Zellpoldurchführungen 113hindurchgeführt darstellt sind. In diesen Zellpoldurchführungen 113 ist jeweils einDichtungselement 150 angeordnet, das beim Verschäumen von Batteriezellen 210ein Austreten des Schaummaterials verhindert. Das Dichtungselement 150 ist hieraus einem elastischen Schaummaterial separat gefertigt und in den Grundkörper110 eingelegt oder, bei einem geeignetem Herstellungsverfahren, mittels einesZweikomponentenmaterials einstückig gefertigt. Das Dichtungselement 150 istgeschlitzt ausgeführt, um die Zellpole 230 hindurchführen zu können, und legt sichdann dicht an diese an. Die Zellpole 230 bleiben nach außen hin frei und könnennachträglich miteinander verbunden werden.

Eine weitere Variante der Erfindung ist in der Fig. 5 dargestellt, bei der dieZellpoldurchführungen 113 eine geneigte Fläche aufweisen, über die die Zellpole230a, 230b zweier benachbarter Batteriezellen 210a, 210b geneigt zueinanderangeordnet sind, was den Clinchprozess dadurch erleichtert, dass kein zusätzlicherZellverbinder benötigt wird, und die Zellpole 230a, 230b leichter direkt miteinanderverbunden werden können. Das Erfassen der losen Zellpole 230a, 230b durch dasClinchwerkzeug wird deutlich einfacher, wenn die zu verbindenden Zellpole 230a,230b bereits in einen engen Abstand zueinander gebracht worden sind.

In den Fig. 6 und Fig. 7 sind jeweils Varianten des Verbindungselementes 100dargestellt, bei dem der Grundkörper 110 über Zellverbindungselemente 160verfügt, die in die Kunststoffmatrix des Grundkörpers 110 eingegossen sind. Diehierbei im Wesentlichen U- oder L-förmig ausgebildeten Zellverbindungselemente160 sind in der Kunststoffmatrix des Grundkörpers 110 des Verbindungselementes100 derart angeordnet, dass ihre Schenkel aus den Zellpoldurchführungen 113hervorragen und hierbei im Wesentlichen parallel zu den Zellpolen 230 derBatteriezellen 210 angeordnet sind. Bei der in der Fig. 7 dargestellten Variante sindzusätzlich in der Kunststoffmatrix des Grundkörpers 110 integrierteSpannungsabgriffe 140 angeordnet, die beim Clinchen des Zellpols 230 mit demZellverbinder 160 mitverbunden werden. Alternativ oder zusätzlich können stattden Spannungsabgriffen 140 auch Sensoren oder Sensorleitungen im Grundkörper 110 integriert sein. Die einzelnen Zellspannungsabgriffe werden gesammelt aus denGrundkörper 110 herausgeführt und können dort beispielsweise mit einem Steckeroder direkt mit einer Steuereinheit kontaktiert werden.

In den Fig. 8 und Fig. 9 sind weitere Ausführungen der Erfindung dargestellt, wobeiStromschienen 170, sogenannte Busbars in dem Grundkörper 110 deserfindungsgemäßen Verbindungselementes 100 angeordnet sind. Auch dieseStromschienen 170 sind gegebenenfalls mit Spannungsabgriffen 140 verbunden.Wie in der Fig. 9 gezeigt werden beim Kontaktieren die Zellpole 230a, 230b durchAnpressen derart verbogen, dass sie in elektrischem Kontakt mit der Stromschiene170 stehen. Bei dieser Ausführung ist das benötigte Clinchwerkzeug nichtzangenartig, sondern einteilig ausgeführt und presst von oben auf die auf denBusbar 170 gefalteten Zellpole 230a, 230b. Ein zu starker Krafteintrag auf dieBatteriezellen 210a, 210b sollte während des Clinchvorgangs allerdings vermiedenwerden.

In den Fig. 10 und Fig. 11 sind schließlich noch zwei Ausführungsvarianten deserfindungsgemäßen Verbindungselementes 100 dargestellt, bei denen jeweilsKühlkanäle 121 in dem Grundkörper 110 angeordnet sind. Als eine möglicheAusführungsform ist in Fig. 10 ein, in dem Grundkörper 110 eingegossenes Rohrdargestellt, das den Kühlkanal 212 bildet. Alternativ hierzu ist in einerweiterenAusführung der Grundkörper 110 aus zwei oder mehr Teilen, z.B. mittelsSpritzgießen, hergestellt. Wie in Fig. 11 dargestellt sind diese Teile durchVerkleben, Verschweißen oder ähnlichen Methoden zu einem Grundkörper 110fluiddicht verbunden. Korrespondierende Oberflächen der Einzelteile formen hierbeiim zusammengesetzten Grundkörper 110 den Kühlkanal 121 aus. Die Kühlkanäle121 werden durch Kühlmittelanschlüsse 120 am Grundkörper 110 begrenzt, an dieweiterführende Leitungen des Batteriekühlsystems angeschlossen werden können.Das Kühlmedium kann flüssig oder gasförmig sein.

Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestelltenVarianten eingeschränkt ist, insbesondere kann die Form der Zellgeometrie völligunterschiedlich an der Oberfläche des Grundkörpers des Verbindungselementesausgebildet sein, ebenso können verschiedene Varianten auf einem Grundkörpervorgesehen sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verbindungselement (100) zum Kontaktieren von Zellpolen (230, 230a, 230b)von Batteriezellen (210, 210a, 210b), mit einem im Wesentlichenplattenartigen Grundkörper (110) aus isolierendem Material, in dem zumindesteine Zellpoldurchführung (113) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,dass am Grundkörper (110) zumindest eine Positioniereinrichtung (112a, 112b, 112c) für ein Clinchwerkzeug angeordnet ist.
2. Verbindungselement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Positioniereinrichtung (112a, 112b, 112c) eine Vielzahl vonAusnehmungen und/oder Erhebungen umfasst, die an einer ersten Oberfläche(111) des Grundkörpers (110) angeordnet sind.
3. Verbindungselement (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (110) zumindest einZellverbindungselement (160) zur Kontaktierung der Zellpole (230, 230a,230b) zweier benachbarter Batteriezellen (210, 210a, 210b) angeordnet ist.
4. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurchgekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (110) zumindest ein integrierterSpannungsabgriff (140) angeordnet ist.
5. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurchgekennzeichnet, dass der Grundkörper (110) zumindest eine Stromschiene(170) aufweist.
6. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurchgekennzeichnet, dass die zumindest eine Zellpoldurchführung (113) geneigtzu der ersten Oberfläche (111) des Grundkörpers (110) verläuft.
7. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurchgekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (110) zumindest ein Kühlkanal(121) angeordnet ist.
8. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurchgekennzeichnet, dass der Grundkörper (110, 110a, 110b) mehrteiligausgeführt ist.
9. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurchgekennzeichnet, dass in der zumindest einen Zellpoldurchführung (113)zumindest ein Dichtungselement (150) angeordnet ist.
10. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurchgekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (110) elektrische Modulabgänge(130) angeordnet sind.