CN102640324A - 用于制造导电连接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造尤其是电池组(12)的电池单元(10)上的接触销(30，32)与横向连接件(34)之间的导电连接的方法。由材料A制造所述接触销(30，32)以及由不同于材料A的材料B制造所述横向连接件(34)。也由所述材料B制造所述接触销(30)或者(32)以及也由所述材料A制造接片状构造的横向连接件(34)。在所述横向连接件(34)中产生开口(35)或裂缝状的开口几何形状(72)。通过激光焊接在所述接触销(30，32)与接片状构造的横向连接件(34)之间建立材料锁合的连接(52)。

Description

用于制造导电连接的方法
背景技术
WO 2006/016441 A1涉及一种电池装置，在所述电池装置中点焊薄的金属板。在薄地构造的金属板上通过激光焊接产生不同的熔点，其中制造金属板的金属材料具有相对较低的熔点。金属板由铝或者由铜制造。金属板形成基本上层状结构的布置。金属板设置成叠堆形并且形成作为堆的电池装置。
WO 2007/112116 A2涉及一种用于混合动力车辆的电池模块。电池是锂离子电池或者镍金属氢化物电池。电池模块的电池单元中的每一个彼此电连接，其中所述电连接被构造为焊接。焊接可以通过电阻焊接、激光焊接或超声焊接产生。各个电池单元装到隔离框架内。隔离框架使各个单元彼此保持一相对间距。
JP 2008-226519 A涉及一种电池装置，所述电池装置具有多个方形的单元。所述多个方形构造的单元装配有一个正电极连接端子和一个负电极连接端子，其中各个单元串联。一个单元的正电极连接端子分别与另一个单元的负电极连接端子通过激光焊接连接。电池单元中的每一个包括一个安全阀，所述安全阀设置在电池单元的相对置的侧面上。
在电池(例如目前在混合动力车辆中使用的锂离子电池)的接通区域中需要传输大电流。这一方面要求线路载体的横截面较大而另一方面对于汽车中的应用要求非常高的可靠性、高机械强度以及持久稳定的、经受振动的连接技术。
在堆叠布置的电池单元的接通中，必须连接各个单元的正极或者负极。在此，连接端子中的一个(典型地在锂离子电池中)由铝材料制造，而另一连接端子通常包括铜材料。这些材料的特征均在于高导电能力和高导热能力。
电池组的各个电池单元通过铝板条或者铜板条(也称作连接件)彼此接通和连接成一个堆。为了实现接触部位上尽可能良好的接触电阻，材料锁合的连接技术或者接合技术是优选的。
然而，因为电池组的各个电池单元在接合过程中不允许过热(可能引起单元的损坏或者所谓的“热失控”)，所以应当尽可能使材料锁合的接合过程中的热输入最小化。
目前，例如在缺少合适的接合方法的情况下螺纹紧固这些单元。然而所述连接技术不足够持续稳定并且接触电阻过高，这又会导致接触部位的损耗和/或不期望的发热。
与连接件由铝条还是铜条实现无关地出现如下情况：必须制造非同类的连接(铝/铜)。
发明内容
根据本发明，提出了一种在同类组合(即铝/铝或者铜/铜)与非同类组合(即铜/铝)之间的接通技术。借助于激光焊接来实现接触，其中通过激光焊接方法来连接单元的横向连接件，以及准备相应的连接部位的适于焊接的结构。通过根据本发明提出的方案可以实现由非同类组合(在此铝/铜)构成的连接部位的可靠的可制造性。
由于形成的金属间相以及由于铝和铜的不同热膨胀系数，与非同类组合(铝/铜)的熔焊相比，同类组合(铝/铝或者铜/铜)在材料锁合的接合方法的过程中可更简单地进行控制。
为了避免形成金属间相，一定在熔池中熔化两种材料铝和铜的精确定义的质量份额。这优选通过激光方法来实现，所述激光方法可以非常精确地进行控制并且引入局部有限的热量。
在根据本发明提出的解决方案的第一实施变型方案中，将优选由材料A制成的圆形几何形状的销插到由材料B制造的连接件中以及借助于耦合输入激光射束来局部熔化所述销。连接件的材料(即材料B)在此优选镀有销的材料A。
优选地，使用熔点较低的材料作为销材料，通常为铝，其中连接件材料是熔点较高的材料，通常为铜。在现有技术中已知了铝轧制复合的铜材料。此外，也可以在铜连接上局部地施加铝涂层。
由铜制造的销和由铝制成的连接件的连接是关键的，因为散热和在铝和铜的熔化温度方面的热特性更不利。
两种具有极其不同的熔点的材料的连接技术是DE 10359564 B4的主题。
如果连接件中的孔在孔内部在开口(例如孔)的内侧面上涂覆有材料A(即销材料)，则销也可以下沉到孔中。在所述方法中，不熔化或者仅仅不显著地熔接连接件的基本材料。所述连接通过将销材料熔接到开口的内侧面上的连接件涂层上实现，所述销延伸穿过所述开口。
在根据本发明提出的解决方案的另一实施变型方案中，通过熔化销材料A和销材料B来实现销焊入。在此应注意的是，在熔池中铝/铜的混合比例实现不会产生裂缝或缺陷的混匀。在所述焊接布置中有利的是，制造同类的连接(即在随后与下一个单元同类地连接的连接件的另一接触侧面上)。以下描述了接合几何形状的一些有利扩展方案：
有利地，可以制造具有环形焊缝或者矩形横截面时的分段的焊缝的焊接连接。分段的焊缝具有以下优点：在焊缝中出现裂缝时(例如由于熔池中不充分的混匀或者由于其他过程干扰)，裂缝仅仅可能导致一个区段失效，而其他的区段仍然可供用于电流传输和强度保险。
为了补偿公差有意义的是，不通过孔将所使用的横向连接件与销连接，而是选择缝隙几何形状。这补偿纵向公差并且在机械上不超定。
附图说明
以下借助附图详细地描述本发明。
附图示出：
图1：在电池组的各个电池之间借助于螺纹紧固的横向连接的实施方式，
图2：根据本发明提出的解决方案的原理图，
图3：根据本发明提出的解决方案的第一实施变型方案，具有由材料A制造的接触销和由不同于材料A的材料B制造的具有通孔的横向连接件，
图4：横向连接件在接触销的头部区域中的再熔化和形成的接触区，
图5.1至5.3：横向连接件与接触销之间的材料锁合的连接的实施变型方案，
图5.4至5.7：材料锁合的连接、尤其是作为环形焊缝、区段焊缝或U形焊缝的焊接焊缝的实施变型方案，
图6.1至6.3：接触销与横向连接件之间的接触连接的实施变型方案，所述横向连接件具有用于补偿纵向容差的缝隙状的开口，
图6.4至6.6：具有缝隙状开口几何形状的横向连接件与接触销之间借助点焊、区段焊缝焊接和O形焊缝焊接的材料锁合的连接的变型方案。
具体实施方式
从根据图1的示图中可以看到，多个电池单元10连接成电池组或者电池模块12。电池单元10中的每一个包括连接销14。两个电池单元的连接销14分别通过充当横向连接件的接片16彼此螺纹紧固。借助于旋拧到各个电池单元10的连接销14的外螺纹上并且借助于垫片20置于接片16上的螺母18实现螺纹紧固。在同样在图1中示出的分解示图中示出：首先将靴(Schuh)24施加到连接销14上，所述靴又支撑充当横向连接件的接片16。卡圈22位于接片16的上侧面上，所述卡圈包围垫片20，借助于螺母18螺纹紧固所述垫片。然而，在图1中示出的螺纹紧固具有各种缺点。一方面，所述连接技术不足够持久稳定，即螺纹紧固件由于运行中出现的振动会松动，即使它们彼此牢固地拧紧。此外，所述解决方案的缺点是所出现的高接触电阻，这会导致接触部位区域中的损耗和/或不期望的发热。材料(尤其是铜)随着时间松弛。这意味着，螺纹紧固件的预张紧力随着时间减小，由此接触电阻显著劣化。
实施变型方案
从根据图2的示图中在示意图中可以看到电池单元10连接成电池组或电池模块12的连接结构。
电池单元10中的每一个包括一个第一接触销30以及另一个第二接触销32，所述第一接触销例如由材料A(例如铝)制造，所述第二接触销由材料B(例如由铜或铜合金)制造。可以自由选择接片状构造的横向连接件34的材料。优选地，横向连接件34的材料是铝或铜，因为在此要求高导电能力。
借助根据本发明提出的方法可以实现材料锁合的接合部位，一方面在第一接触销30与横向连接件34之间，另一方面在横向连接件34与相邻的电池单元10的第二接触销32之间。在根据本发明提出的方法中，提供横向连接件34与第一接触销30或第二接触销32之间的同类组合(例如铝/铝对)的材料锁合的接合部位，或者对于第一接触销30以及第二接触销32和横向连接件34由铜制造的情况提供另一同类组合(例如铜-铜)的材料锁合的接合部位。借助根据本发明提出的方法，除以上简要描述的所构造的材料锁合的接合部位上的同类组合以外还提供接通技术，在所述接通技术中通过激光焊接彼此连接各个电池单元10的横向连接件34，并且提供所产生的材料锁合的接合部位的适于焊接的构造，以便可靠地制造同类的材料组合，例如在铝与铜之间。
非同类组合(即铝和铜的材料组合)的熔焊由于金属间相的形成以及由于铝和铜的不同热膨胀系数而极其关键。相反，同类组合(如以上提到的组合——铝/铝或者铜/铜)可显著更简单地在焊接技术上进行控制。
在本发明所基于的构思的有利扩展方案中，为了避免金属间相，在熔池中熔化两种材料——即铝和铜的精确定义的质量份额。通过激光器的焦点的大小和焦点相对于接合区的位置可以有针对性地在熔池内进行接合双方的混合。通过有针对性地选择激光器运行时的参数——例如激光器功率、激光射束的焦点或者时间射束调制或者激光射束的摆动或者旋转(这等同于空间射束调制)，可以影响熔池内的流动。由此可以实现：在熔池内两种熔融物(例如铜和铝)特别良好地进行混合，即均匀化或非常少地交融混合。根据所使用的合金的几何形状和部件上的馈给深度或者馈给宽度，调节涉及熔池的滚动的参数。0％至53％的Cu并且其余是铝或者91％至100％的Cu并且其余是铝的范围内的混合比例是特别有利的。通过适当地选择铜合金或者铝合金，可以进一步稳定熔化区中的接合，从而可以至少极大地减少金属间相并且在理想情况下完全排除金属间相。优选通过激光焊接方法来制造材料锁合的接通，所述激光焊接方法可非常精确地进行控制并且能够实现局部有限的热输入，所述热输入不损害电池单元。从根据图2的原理图中看出，在通过接片状构造的横向连接件34材料锁合地彼此连接的电池单元10之间具有距离36。所述距离可以仅仅是几毫米，从而提高通常包含根据图2中的连接方案彼此连接的多个电池单元10的电池组12中的充填密度。
从根据图3的示图中可以看到电池单元的接触销的再熔化。
在根据图3的实施变型方案中，未示出的电池单元10的接触销30、32由材料A(例如铝)制造并且具有优选圆形的几何形状。接触销30、32包括直径阶梯40，在所述直径阶梯上方在轴向上接触销30、32在其直径方面变细。接触销30、32的变细的区域伸到接片状构造的横向连接件34中的相应构造的开口中，所述横向连接件由材料B(例如铜)制造。横向连接件34的材料在上侧面上(参见位置54)设有镀层或涂层42，其由制造接触销30、32的材料制造。在图3中示出的实施变型方案中，涂层42由材料A(即由铝)制造。涂层也可以由不同于材料A和/或材料B的材料构成。可以如此制造涂层，使得其适于与再熔化的材料连接。除所使用的基本材料Al和Cu以外，镍、银和锡也是有利的。
在根据本发明提出的方法中，优选将材料A和B中熔点较低的材料用作接触销30或者32的材料，在当前情形中材料A(即铝)。作为制造接片状构造的横向连接件34的材料通常选择熔点较高的材料，在当前情形中材料B(即铜)。从根据图4的示图中看出，接触销30、32在直径阶梯40上方具有减小的直径的质量再熔化，从而产生接片状构造的横向连接件34与接触销30或者32的蘑菇部44下方的侧凹部36之间的接触区48。接触销30或者32的再熔化产生侧凹部46，在所述侧凹部上得到涂层42的材料(即在当前情形中材料A，即铝)与接触销30、32在接触区48中的材料(即同样材料A，即铝)之间的接触。与在图1中描述的在接触销与横向连接件之间的螺纹紧固相比，通过根据本发明提出的、结合图3和4产生的材料锁合的连接实现了接触部位上非常良好的接触电阻。
在根据图5.1的示图中示出了接触销30、32在接片状构造的横向连接件34的开口中的下沉。在所述实施变型方案中存在如下可能性：在直径阶梯40上方具有减小的直径的、在轴向上延伸的区域的缩短的情况下，使接触销30或者32在接片状构造的横向连接件34的开口中下沉。优选地，在根据图5.1的实施变型方案中，在接片状构造的横向连接件34中的开口的侧面上设有涂层，所述涂层由制造接触销30或者32本身的材料制造，使得在图4中示出的接触区48的区域中出现相同的材料对。
从根据图5.2和5.3的示图中可以看到接片状构造的横向连接件34与接触销30或者32之间的材料锁合的连接。
两个环绕构造的、材料锁合的连接52的共同之处在于，在根据本发明提出的材料锁合的接合部位的所述实施变型方案中不熔化或者仅仅不显著地熔接接片状构造的横向连接件34的基本材料。环绕构造的焊缝52的范围内的材料锁合连接本身的构造通过将接触销30、32的材料熔化到连接涂层——即施加在接片状构造的横向连接件34的开口的内侧面上的层上来实现。如以上提到的那样，为此优选选择制造接触销30或者32本身的材料。
在图5.3和5.3中示出的实施变型方案中，设有环绕的焊接焊缝52，其是接触销30或者32与接片状构造的横向连接件34之间的材料锁合的接合部位。在图5.2和5.3的实施变型方案中，使接触销30或者32的材料(例如铝)和接片状构造的横向连接件的材料(材料B，例如铜)熔化。在制造这种非同类组合——铝/铜时应注意，熔池中铝/铜的混合比例得到混匀物并且不出现裂缝或缺陷。在焊接布置中，待彼此接合的组件的同类组合是有利的。
从根据图5.4至5.7的示图中详细地看到接触销与接片状构造的横向连接件之间的材料锁合的连接的几何形状变型方案。
图5.4示出接片状构造的横向连接件34的上侧面上的环绕的、构造为环形焊缝的材料锁合的连接，在图5.5中示出了在接片状构造的横向连接件的上侧面54上延伸的、连续地构造的环形焊缝58。图5.6示出分段的焊缝60，其具有基本上方形的外观，其中在所述情形中接触销30或者32同样具有方形的横截面。分段的焊缝60包括各个焊缝区段66，这些焊缝区段在空余的角部62上不相连，而是每一个分别是材料锁合的连接。分段的焊缝60具有如下优点：在焊缝中出现裂缝时(例如由于熔池中不充分的混匀或者由于其他过程干扰)，裂缝仅仅可能导致焊缝区段66中的一个失效，而其余的焊缝区段66仍然可供用于电流传输和强度保证。
在根据图5.7的实施变型方案中可以看到分段的焊缝60的配置，其基本上具有U形并且构造在接触销30、32之间，所述接触销具有矩形的横截面并且与接片状构造的横向连接件34接合，所述横向连接件具有缝隙状的开口72。在根据图5.7的示图中构造的焊缝几何形状将接触销30或者32的材料在三个靠触侧上与接片状的横向连接件34的缝隙状的开口几何结形状72连接。
在图5.4至5.7的实施变型方案中，接片状构造的横向连接件34不仅可以由材料A(即铝)而且可以由材料B(即铜)制造。同样适于接触销30或者32，其同样不仅可以由材料A(即铝)而且可以由材料B(即铜)制造，使得在材料锁合的连接的简要示出的实施变型方案中得到非同类的组合。此外，接触销30或者32具有圆形的横截面还是如结合图5.6和5.7示出的那样具有多边形的横截面是不重要的。
在图6.1至6.3的图序列中示出接触销30或者32与在此弯曲地构造的接片状的横向连接件34之间的没有焊接的连接。接片状的横向连接件34例如包括其开口的缝隙几何形状72，从而可以补偿待制造的电池组12的相邻电池单元10之间的纵向公差。在接触销30或者32与基本上弯曲地构造的接片状的横向连接件之间在图6.1至6.3中没有焊接地构造的连接以及在图6.4至6.3中示出的焊接地构造的连接示出在图3至5.5的以上实施变型方案中已经描述的孔的实施变型方案。在根据图6.1的接触销30或者32中，在头状盖板70下方具有环形槽68，弯曲地构造的接片状的横向连接件34的缝隙状的开口几何形状72伸到环形槽68中。图6.2示出在图6.1中出示的连接变型方案的仰视图，而根据图6.3的示图给出根据图6.1中的示图的没有焊接的连接的俯视图。
在图6.1至6.2中示出的在接片状构造的横向连接件34与接触销30或者32之间的没有焊接的连接中也存在同类组合(即铝/铝连接，或铜/铜连接)或者非同类连接(即铝/铜连接或铜/铝连接)的可能性。
图6.4至6.4在根据图6.1至6.3的没有焊接的实施变型方案的改进方案中示出：为了补偿纵向公差，如以上结合图6.1、6.2和6.3简要示出的那样，连接也可以被构造为材料锁合的止动，即材料锁合的连接。为此根据图6.4设有点焊76，其中盖板70与弯曲的并且接片状构造的横向连接件34的伸到环形槽68中的材料焊接。替代在图6.4中示出的点焊76存在如下可能性：进行区段透焊78，其中区段焊缝60如在图5.6中示出的那样透焊到仅仅三个侧面上，从而可以实现包围接触销30或者32、但没有与接触销30或者32的变细的区段的外周接合的、材料锁合的连接。
图6.6示出靠触焊接80，其中横向连接件34在三个侧面上与根据图5.7的实施变型方案中类似靠触地与接触销30或者32的这里方形配置的区段的侧面材料锁合地接合，与接触销30或者32的其余材料相比，接触销具更小的边长。
对于图6.4至6.6的实施变型方案也适用的是：可以进行材料的同类组合(铝/铝、铜/铜)或者非同类的材料组合(铝/铜或者铜/铝)。

Claims (13)

1.用于制造尤其是电池单元(10)上的接触销(30)或者(32)与横向连接件(34)之间的导电连接的方法，所述方法具有如下方法步骤：
a)由材料A制造所述接触销(30，32)以及由不同于材料A的材料B制造所述横向连接件(34)，或者
b)由所述材料B制造所述接触销(30，32)以及由所述材料A制造所述横向连接件(34)，
c)产生所述横向连接件(34)中的开口(35)，以及
d)通过激光焊接在所述接触销(30，32)与所述横向连接件(34)之间产生材料锁合的连接(52，58，60，64，76，78，80)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料A是铝合金而所述材料B是铜或铜合金。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触销(30，32)优选以圆形几何形状实施并且由低熔点的材料A和B制造。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述横向连接件(34)由所述材料A和B中的熔点较高的材料制造。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述横向连接件(34)设有所述材料A和B中用于制造所述接触销(30)或者(32)本身的那种材料的涂层(42)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述横向连接件(34)上的开口(35)设有所述材料A、B中用于制造所述接触销(30，32)的那种材料的涂层(42)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在熔池中熔化所述材料A、B的根据方法步骤d)限定的质量份额，其中，Cu的质量份额是0％至53％，其余是铝，或者Cu的质量份额是91％至100％，其余是铝。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行在所述接触销(30)或者(32)的直径阶梯(40)上所述横向连接件(34)的蘑菇形(44)构造的再熔化。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将根据方法步骤d)的材料锁合的连接实施为环形焊缝(58)或者分段的焊缝(60)或者U形焊缝(64)，实施为点状透焊(76)或者分段透焊(78)或者靠触焊接(80)。
10.根据以上权利要求中一项或多项所述的方法，其特征在于，在所述接触销(30)或者(32)的端部(70)与所述横向连接件(34)中的缝隙状的开口(72)之间产生点状透焊(76)。
11.根据以上权利要求中一项或多项所述的方法，其特征在于，在所述分段焊缝(60)的各个焊缝区段(66)与接片状构造的所述横向连接件(34)中的缝隙状的开口(72)之间产生所述分段透焊(78)。
12.根据以上权利要求中一项或多项所述的方法，其特征在于，沿所述接触销(30)或者(32)的环形槽(68)和接片状构造的所述横向连接件(34)的缝隙状的开口(72)产生所述靠触焊接(80)。
13.接触销(30，32)与横向连接件(34)之间的电接通，尤其是在电池组(12)的电池单元(10)之间，其特征在于，所述接触销(30)或者(32)与接片状构造的横向连接件(34)通过激光焊接材料锁合地接合，所述横向连接件具有开口(35)或缝隙状的开口几何形状(72)，其中，所述材料锁合的连接(52)实施为接片状构造的所述横向连接件(34)与所述接触销(30)或者(32)之间的环形焊缝(58)、分段的焊缝(60)、U形焊缝(64)、点状透焊(76)、分段透焊(78)或者靠触焊接(80)。
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