AT515206B1 - Verbindungselement zum Kontaktieren von Zellpolen von Batteriezellen - Google Patents

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

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum Kontaktieren von Zellpolen von Bat¬teriezellen, mit einem im Wesentlichen plattenartigen Grundkörper aus isolierendem Material, indem zumindest eine Zellpoldurchführung angeordnet ist.

[0002] Beim sogenannten "Clinchen" werden zur Kontaktierung flache Zellpole von Batteriezel¬len miteinander verpresst, um eine elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen herzu¬stellen. Aufgrund der Zellgeometrie haben diese Zellpole häufig einen gewissen Abstand zuei¬nander, der mittels Zellverbindungselemente, insbesondere U-förmige Metallplättchen über¬brückt werden muss. Diese Zellverbinder sind üblicherweise lose und müssen während desClinchvorganges händisch positioniert werden. Das Clinch-Werkzeug wird dann ebenfalls freipositioniert und die Verpressung ausgelöst. Aufgrund der freien Positionierung des Werkzeugesund/oder der Zellverbinder kann es hier zu räumlichen Verschiebungen und damit zu fehlerhaf¬ten Clinchverbindung kommen.

[0003] Daher sind im Stand der Technik Rahmen bekannt geworden, durch die die Zellpolehindurch gesteckt werden, um eine höhere Positioniergenauigkeit zu erzielen. In der DE 102008 034 867 A1 ist eine Batterie mit einer Vielzahl von Einzelzellen beschrieben, wobei eineKühlplatte vorgesehen ist, die über schlitzförmige Aussparungen verfügt, durch die die Zellpoleder Einzelzellen hindurchführbar sind.

[0004] Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine weitere Erleichterung des Clinchprozesses zuermöglichen, der die Fehleranfälligkeit dieses Kontaktierungsprozesses verringert und ein ra¬sches und zuverlässiges Clinchen der Zellpole ermöglicht.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass am Grundkörper des Ver¬bindungselementes zumindest eine Positioniereinrichtung für ein Clinch- Werkzeug angeordnetist. Die definierte Geometrie dieser Positioniereinrichtung erlaubt es, das Clinch-Werkzeug fürden Clinchvorgang genau zu positionieren, wobei besonders bevorzugt die Positioniereinrich¬tung eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Erhebungen umfasst, die an einer ersten Ober¬fläche des Grundkörpers angeordnet sind. Das zugehörige Clinch-Werkzeug verfügt hierbeiüber eine korrespondierende Geometrie, das heißt, im Fall von Ausnehmungen im Grundkörperverfügt das Clinch-Werkzeug über entsprechend ausgeformte Erhebungen. Diese Positionier¬einrichtung kann hierbei wellenförmig, pyramidenförmig oder andere passende Geometrienaufweisen.

[0006] Um eine hündische Positionierung von Zellverbindungselementen, sogenannten Zellver¬bindern zu vermeiden, ist in einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgese¬hen, dass in dem Grundkörper zumindest ein Zellverbindungselement zur Kontaktierung derZellpole zweier benachbarter Batteriezellen angeordnet ist. Der Grundkörper besteht hierbeiaus einem isolierendem Material, insbesondere aus Kunststoff, wobei besonders bevorzugt dasZellverbindungselement in diese Kunststoffmatrix eingegossen ist. Alternativ kann das Zellver¬bindungselement auch in die Kunststoffmatrix eingesteckt, eingeklebt oder eingeclipst sein.

[0007] Besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass in dem Grundkörper zumindest einintegrierter Spannungsabgriff angeordnet ist, über den die elektrische Energie der Batteriezelleabgeleitet werden kann. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper zumindest eineStromschiene aufweist, die den gleichen Zweck erfüllt.

[0008] Bei entsprechend großen Zellgeometrien ist in einer weiteren Ausführung der Erfindungvorgesehen, dass die zumindest eine Zellpoldurchführung geneigt zu der ersten Oberfläche desGrundkörpers verläuft. Somit schneiden die jeweiligen Zellpoldurchführungen die Oberflächedes Grundkörpers in einem Winkel ungleich 90 Grad, wobei jeweils zwei benachbarte Zellpol¬durchführungen derart ausgebildet sind, dass die hindurchgeführten Zellpole der jeweiligenBatteriezellen zueinander geneigt sind, was das Verclinchen dieser beiden Zellpole erleichtert.

[0009] In einer weiteren Variante der Erfindung ist in dem Grundkörper zumindest ein Kühlkanalanqeordnet, der der Kühlung der Batteriezellen dient. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Grundkörper mehrteilig, beispielsweise zweiteilig ausgeführt ist, so dass diejeweilige Kühlkanalhälfte in jeweils einem Teil der Grundkörpers angeordnet ist, und anschlie¬ßend die beiden Teile des Grundkörpers zusammengeführt werden. Dies erleichtert die Ferti¬gung des Grundkörpers mit einem Kühlkanal. Um die Dichtigkeit dieser Kühlkanäle, die voneinem beispielsweise flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium durchströmt sind, gewährleistenzu können, werden die zumindest zwei Teile des Grundkörpers vor dem Aufsetzen auf dieBatteriezellen mittels Verkleben, Verschweißen oder einer anderen geeigneten Methode mitei¬nander verbunden.

[0010] Weist die Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die in einem Gehäuse oder ineiner Form eingeschäumt werden, so ist in einer weiteren Ausführung der Erfindung vorgese¬hen, dass in der zumindest einen Zellpoldurchführung zumindest ein Dichtungselement ange¬ordnet ist, das einen Austritt des Schaummaterials während des Einschäumens verhindert. DieEnden der Zellpole liegen dann bevorzugterweise außerhalb der geschäumten Einheit undkönnen somit auch im Nachhinein, z.B. mittels Clinchen, miteinander verbunden werden.

[0011] Im Folgenden wird anhand von nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen mit zuge¬hörigen Figuren die Erfindung näher erläutert. Darin zeigen [0012] Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Batterie mit dem erfindungsgemäßen Ver¬ bindungselement, [0013] Fig. 2 eine erste Seitenansicht eines Ausschnitts der Batterie aus Fig. 1, [0014] Fig. 3 eine zweite Seitenansicht eines Ausschnitts der Batterie aus Fig. 1, [0015] Fig. 4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßen Verbin¬ dungselements, [0016] Fig. 5 eine Schnittansicht einer dritten Ausführung des erfindungsgemäßen Verbin¬ dungselements, [0017] Fig. 6 eine Schnittansicht einer vierten Ausführung des erfindungsgemäßen Verbin¬ dungselements, [0018] Fig. 7 eine Schnittansicht einer fünften Ausführung des erfindungsgemäßen Verbin¬ dungselements, [0019] Fig. 8 eine Schnittansicht einer sechsten Ausführung des erfindungsgemäßen Ver¬ bindungselements, [0020] Fig. 9 eine Schnittansicht einer siebenten Ausführung des erfindungsgemäßen

Verbindungselements, [0021] Fig. 10 eine Schnittansicht einer achten Ausführung des erfindungsgemäßen Verbin¬ dungselements, und [0022] Fig. 11 eine Schnittansicht einer neunten Ausführung des erfindungsgemäßen Ver¬ bindungselements.

[0023] Die Fig. 1 zeigt schematische Darstellung einer wiederaufladbaren Batterie 200 mit einerVielzahl von Batteriezellen 210, die über Trennelemente 220 voneinander beabstandet ange¬ordnet sind. Die im Wesentlichen flachen Zellpole 230 der einzelnen Batteriezellen sind hierbeidurch ein erfindungsgemäßes Verbindungselement 100 hindurchgeführt.

[0024] Auf der Oberfläche 111 des Grundkörpers 110 des Verbindungselementes 100 sindPositioniereinrichtungen angeordnet, die als wellenförmige Struktur 112a, als pyramidenartigeErhebungen 112b und als Ausnehmungen 112c ausgebildet sind. Ebenso sind auch weitere,nicht dargestellte Geometrien, wie Nischen, Rippen oder runde Vertiefungen oder Erhöhungeneinsetzbar. Diese Positioniereinrichtungen 112a, 112b, 112c erlauben bei Zuführung einesClinch-Werkzeuges, das über eine korrespondierende Geometrie, also beispielsweise im Fallder pyramidenartige Erhebungen 112b über entsprechende Ausnehmungen wie in der Form derAusnehmungen 112c im Grundkörper 110 ausgebildet sind, verfügt, eine genaue und zuverläs¬ sig wiederholbare Positionierung des Clinch-Werkzeuges und damit der Kontaktierung derZellpole. Damit lässt sich auch eine Automatisierung des Clinchvorgangs realisieren, bei der einBatteriemodul mit einer Vielzahl von zu kontaktierenden Batteriezellen eine Clinchstation durch¬fährt und bei jedem Wellental der Form 112a ein Clinchvorgang ausgelöst wird.

[0025] Das erfindungsgemäße Verbindungselement 100 verfügt des Weiteren über einenKühlmittelanschluss 120, über den ein entsprechendes flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel zubzw. abgeführt werden kann. Schließlich sind in dem Grundkörper 110 noch Modulabgänge 130sowie Zellspannungsabgriffe 140 vorgesehen.

[0026] In den Fig. 2 und Fig. 3 sind in einer schematischen Seitenansicht die unterschiedlichenPositioniereinrichtungen 112a, 112b dargestellt. Diese können als erhabene oder vertiefte,geeignete Geometrien ausgebildet sein. Exemplarisch sind die Geometrien hier in beidenRandbereichen des Grundkörpers 100 dargestellt.

[0027] Alternativ kann die erfindungsgemäße Positioniereinrichtung aber auch nur auf einerSeite oder im Mittelbereich des Grundkörpers 110 angeordnet sein.

[0028] In der Fig. 4 ist eine weitere Variante der Erfindung in einer Schnittansicht dargestellt,bei der die Zellpole 230 durch Zellpoldurchführungen 113 hindurchgeführt darstellt sind. Indiesen Zellpoldurchführungen 113 ist jeweils ein Dichtungselement 150 angeordnet, das beimVerschäumen von Batteriezellen 210 ein Austreten des Schaummaterials verhindert. Das Dich¬tungselement 150 ist hier aus einem elastischen Schaummaterial separat gefertigt und in denGrundkörper 110 eingelegt oder, bei einem geeignetem Herstellungsverfahren, mittels einesZweikomponentenmaterials einstückig gefertigt. Das Dichtungselement 150 ist geschlitzt ausge¬führt, um die Zellpole 230 hindurchführen zu können, und legt sich dann dicht an diese an. DieZellpole 230 bleiben nach außen hin frei und können nachträglich miteinander verbunden wer¬den.

[0029] Eine weitere Variante der Erfindung ist in der Fig. 5 dargestellt, bei der die Zellpoldurch¬führungen 113 eine geneigte Fläche aufweisen, über die die Zellpole 230a, 230b zweier be¬nachbarter Batteriezellen 210a, 210b geneigt zueinander angeordnet sind, was den Clinchpro¬zess dadurch erleichtert, dass kein zusätzlicher Zellverbinder benötigt wird, und die Zellpole230a, 230b leichter direkt miteinander verbunden werden können. Das Erfassen der losenZellpole 230a, 230b durch das Clinchwerkzeug wird deutlich einfacher, wenn die zu verbinden¬den Zellpole 230a, 230b bereits in einen engen Abstand zueinander gebracht worden sind.

[0030] In den Fig. 6 und Fig. 7 sind jeweils Varianten des Verbindungselementes 100 darge¬stellt, bei dem der Grundkörper 110 über Zellverbindungselemente 160 verfügt, die in dieKunststoffmatrix des Grundkörpers 110 eingegossen sind. Die hierbei im Wesentlichen U- oderL-förmig ausgebildeten Zellverbindungselemente 160 sind in der Kunststoffmatrix des Grund¬körpers 110 des Verbindungselementes 100 derart angeordnet, dass ihre Schenkel aus denZellpoldurchführungen 113 hervorragen und hierbei im Wesentlichen parallel zu den Zellpolen230 der Batteriezellen 210 angeordnet sind. Bei der in der Fig. 7 dargestellten Variante sindzusätzlich in der Kunststoffmatrix des Grundkörpers 110 integrierte Spannungsabgriffe 140angeordnet, die beim Clinchen des Zellpols 230 mit dem Zellverbinder 160 mitverbunden wer¬den. Alternativ oder zusätzlich können statt den Spannungsabgriffen 140 auch Sensoren oderSensorleitungen im Grundkörper 110 integriert sein. Die einzelnen Zellspannungsabgriffe wer¬den gesammelt aus dem Grundkörper 110 herausgeführt und können dort beispielsweise miteinem Stecker oder direkt mit einer Steuereinheit kontaktiert werden.

[0031] In den Fig. 8 und Fig. 9 sind weitere Ausführungen der Erfindung dargestellt, wobeiStromschienen 170, sogenannte Busbars in dem Grundkörper 110 des erfindungsgemäßenVerbindungselementes 100 angeordnet sind. Auch diese Stromschienen 170 sind gegebenen¬falls mit Spannungsabgriffen 140 verbunden. Wie in der Fig. 9 gezeigt werden beim Kontaktie¬ren die Zellpole 230a, 230b durch Anpressen derart verbogen, dass sie in elektrischem Kontaktmit der Stromschiene 170 stehen. Bei dieser Ausführung ist das benötigte Clinchwerkzeug nichtzangenartig, sondern einteilig ausgeführt und presst von oben auf die auf den Busbar 170 gefalteten Zellpole 230a, 230b. Ein zu starker Krafteintrag auf die Batteriezellen 210a, 210bsollte während des Clinchvorgangs allerdings vermieden werden.

[0032] In den Fig. 10 und Fig. 11 sind schließlich noch zwei Ausführungsvarianten des erfin-dungsgemäßen Verbindungselementes 100 dargestellt, bei denen jeweils Kühlkanäle 121 indem Grundkörper 110 angeordnet sind. Als eine mögliche Ausführungsform ist in Fig. 10 ein, indem Grundkörper 110 eingegossenes Rohr dargestellt, das den Kühlkanal 121 bildet. Alternativhierzu ist in einer weiteren Ausführung der Grundkörper 110 aus zwei oder mehr Teilen, z.B.mittels Spritzgießen, hergestellt. Wie in Fig. 11 dargestellt sind diese Teile durch Verkleben,Verschweißen oder ähnlichen Methoden zu einem Grundkörper 110 fluiddicht verbunden. Kor¬respondierende Oberflächen der Einzelteile formen hierbei im zusammengesetzten Grundkör¬per 110 den Kühlkanal 121 aus. Die Kühlkanäle 121 werden durch Kühlmittelanschlüsse 120am Grundkörper 110 begrenzt, an die weiterführende Leitungen des Batteriekühlsystems ange¬schlossen werden können. Das Kühlmedium kann flüssig oder gasförmig sein.

[0033] Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Varianteneingeschränkt ist, insbesondere kann die Form der Zellgeometrie völlig unterschiedlich an derOberfläche des Grundkörpers des Verbindungselementes ausgebildet sein, ebenso könnenverschiedene Varianten auf einem Grundkörper vorgesehen sein.

Claims (10)

1. Patentansprüche 1. Verbindungselement (100) zum Kontaktieren von Zellpolen (230, 230a, 230b) von Batterie¬zellen (210, 210a, 21 Ob), mit einem im Wesentlichen plattenartigen Grundkörper (110) ausisolierendem Material, in dem zumindest eine Zellpoldurchführung (113) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dass am Grundkörper (110) zumindest eine Positioniereinrich¬tung (112a, 112b, 112c) für ein Clinchwerkzeug angeordnet ist.
2. 2. Verbindungselement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positio¬niereinrichtung (112a, 112b, 112c) eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Erhebungenumfasst, die an einer ersten Oberfläche (111) des Grundkörpers (110) angeordnet sind.
3. 3. Verbindungselement (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass indem Grundkörper (110) zumindest ein Zellverbindungselement (160) zur Kontaktierung derZellpole (230, 230a, 230b) zweier benachbarter Batteriezellen (210, 210a, 210b) angeord¬net ist.
4. 4. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass in dem Grundkörper (110) zumindest ein integrierter Spannungsabgriff (140) ange¬ordnet ist.
5. 5. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass der Grundkörper (110) zumindest eine Stromschiene (170) aufweist.
6. 6. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass die zumindest eine Zellpoldurchführung (113) geneigt zu der ersten Oberfläche (111)des Grundkörpers (110) verläuft.
7. 7. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,dass in dem Grundkörper (110) zumindest ein Kühlkanal (121) angeordnet ist.
8. 8. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass der Grundkörper (110, 110a, 110b) mehrteilig ausgeführt ist.
9. 9. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass in der zumindest einen Zellpoldurchführung (113) zumindest ein Dichtungselement(150) angeordnet ist.
10. 10. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dassin dem Grundkörper (110) elektrische Modulabgänge (130) angeordnet sind. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen