DE102010008582A1

DE102010008582A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von Anschlussklemmen

Info

Publication number: DE102010008582A1
Application number: DE102010008582A
Authority: DE
Inventors: Robert J. Washington Scheuerman; Rick F. Metamora Rourke
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2010-10-14
Also published as: KR20100099652A; US7896219B2; KR101152974B1; CN101841015A; CN101841015B; US20100224671A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Batterieanschlussklemmen an einen Verbinder umfassen, dass: zwei oder mehrere Batteriezellenanschlussklemmen nebeneinander gestellt werden, um einen Anschlussklemmenstapel zu erzeugen, der eine innerste Anschlussklemme und eine äußerste Anschlussklemme umfasst; ein Batteriezellenverbinder mit der innersten Anschlussklemme des Stapels nebeneinander gestellt wird; ein Amboss in Kontakt mit dem Verbinder positioniert wird; ein Luftstrom gegen die äußerste Anschlussklemme gerichtet wird, sodass der Luftstrom den Anschlussklemmenstapel zusammendrückt und die innerste Anschlussklemme in Kontakt mit der Verbinder drängt; ein Sonotrodenhorn in Kontakt mit der äußersten Anschlussklemme positioniert wird; und das Sonotrodenhorn mit Energie beaufschlagt wird, um den Anschlussklemmenstapel in Schwingung zu versetzen und dadurch eine Ultraschallschweißnaht zwischen den gestapelten Anschlussklemmen des Anschlussklemmenstapels und dem Verbinder herzustellen. Der Luftstrom wird auf die Anschlussklemme unter dem Sonotrodenhorn gerichtet, um jegliche Fremdkörper einzufangen, und eine Absaugung entfernt die Fremdkörper.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Zusammenschweißen eines Stapels von Batterieanschlussklemmen mit einem Verbinderelement mittels Ultraschall.
Hintergrund der Erfindung
Wieder aufladbare Energiespeichersysteme für Kraftfahrzeuge werden assembliert, indem eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden wird. Zum Beispiel umfassen Lithiumionen-Batteriezellen typischerweise eine weiche Gehäusetasche, welche eine positive Anschlussklemme und eine negative Anschlussklemme aufweist, die sich von der Tasche nach außen erstrecken. Diese Batteriezellen sind nebeneinander in einem Batteriekasten positioniert, um die positiven Anschlussklemmen zusammenzubringen und die negativen Anschlussklemmen zusammenzubringen und dadurch einen Stapel von Anschlussklemmen zu erzeugen, um eine parallele elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Zellen herzustellen. Diese Anschlussklemmenstapel müssen an einem Verbinderelement angebracht werden, welches wiederum eine Verbindung mit weiteren solcher Untermontageeinheiten der Batteriezellen herstellen wird.
Es wäre wünschenswert, Ultraschallschweißen zu verwenden, um die Stapel von Anschlussklemmen an dem Verbinderelement anzubringen. Aller dings erfordert solch ein Ultraschallschweißvorgang, dass die Anschlussklemmenfahnen in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Verbinderplatte exakt ausgerichtet und positioniert sind, bevor die Ultraschallschweißnaht zwischen den Anschlussklemmenfahnen und der Verbinderplatte hergestellt wird. Außerdem besteht das Problem, dass jegliche Fremdkörper, die während des Ultraschallschweißens erzeugt werden, die Taschen beschädigen können, wenn zugelassen wird, dass die Fremdkörper zwischen die einzelnen Taschen fallen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von gestapelten Batterieanschlussklemmen an ein Verbinderelement bereit und umfasst allgemein, dass zwei oder mehrere Batteriezellenanschlussklemmen nebeneinander gestellt werden, um einen Anschlussklemmenstapel zu erzeugen, der eine innerste Anschlussklemme und eine äußerste Anschlussklemme umfasst. Das Verbinderelement wird mit der innersten Anschlussklemme des Stapels nebeneinander gestellt und ein Amboss wird gegen das Verbinderelement positioniert. Ein Luftstrom wird gegen die äußerste Anschlussklemme des Stapels gerichtet, sodass der Luftstrom den Anschlussklemmenstapel zusammendrücken und die innerste Anschlussklemme in Kontakt mit dem Verbinderelement drängen wird. Dann wird das Sonotrodenhorn eines Ultraschallschweißgeräts in Kontakt mit der äußersten Anschlussklemme positioniert und mit Energie beaufschlagt, um den Anschlussklemmenstapel in Schwingung zu versetzen und dadurch eine Ultraschallschweißnaht zwischen den gestapelten Anschlussklemmen des Anschlussklemmenstapels und dem Verbinderelement herzustellen. Außerdem wird der Luftstrom auf den Anschlussklemmenstapel an einer Kontaktlinie vertikal unter dem Sonotrodenhorn gerichtet, sodass der Luftstrom einen Luftvorhang bereitstellt, um jegliche Fremdkörper, die während des Ultraschallschweißens erzeugt werden, einzufangen und zu verhindern, dass die Fremdkörper nach unten zwischen die Batterietaschen fallen. Zusätzlich ist eine Absaugung benachbart zu dem Sonotrodenhorn vorgesehen, um die Fremdkörper wegzusaugen, die durch den Luftvorhang eingefangen werden.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der hierin nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung angeben, lediglich Illustrationszwecken dienen sollen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
1 ist eine perspektivische Darstellung, welche die Batteriezellen und die Ultraschallschweißvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
2 ist eine Seitenansicht, welche die Batteriezellen und die Ultraschallschweißvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung von bestimmten beispielhaften Ausführungsformen ist beispielhafter Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken.
Es ist unter Bezugnahme auf 2 ersichtlich, dass ein Batteriesatz oder -modul, allgemein bei 8 bezeichnet, eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellentaschen 10, 12, 14, 16, 18 und 20 aufweist, die nebeneinander innerhalb eines Batteriegehäuses 26 mit einem Deckel 28 angeordnet sind. Jede dieser Batteriezellentaschen ist ein flexibler beutelähnlicher Behälter aus einem Lithiumionen- oder anderem Energiespeichermedium. Die Taschen bestehen aus einem relativ flexiblen Material wie z. B. einer Folie. Die Taschen werden an ihren Nebeneinander-Positionen von 2 durch Stützrahmen 22 wie auch Isolatoren, Wärmetauschern und weiteren Strukturen, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind, gestützt und getrennt. Die Batteriezellentasche 16 ist typisch und umfasst eine positive Anschlussklemme 38A, die sich aus der Tasche 16 heraus erstreckt. Auch erstreckt sich eine negative Anschlussklemme 40A aus der Tasche 16 heraus, wie in 1 gezeigt. Die positive Anschlussklemme 38A besteht typischerweise aus Kupfer mit einer Nickelbeschichtung und weist eine Dicke von 0,2 mm auf. Die negative Anschlussklemme 40A ist typischerweise aus Aluminium hergestellt und weist eine Dicke von ungefähr 0,2 mm auf.
Wie in 2 zu sehen, laufen die einzelnen Zellen 16, 18 und 20 durch eine Öffnung 46 in dem Deckel 28 hindurch und sollen durch Nebeneinanderstellen der positiven Anschlussklemmen 38A, 38B und 38C der drei Zellen, um einen Anschlussklemmenstapel 44 zu erzeugen, und dann durch Schweißen des Anschlussklemmenstapels 44 an ein/e Verbinderelement oder -platte 50 miteinander elektrisch verbunden werden. Das Verbinderelement 50 ist allgemein U-förmig mit einer Basis 52 und aufrechten Schenkeln 54 und 56. Die Basis 52 weist Einsätze 60 und 62 auf, die davon nach unten abstehen und in dem Gehäuse der Batterie eingebettet werden, sodass das Verbinderelement an dem Gehäuse befestigt ist.
Die Anschlussklemme 38A kann insofern als die innerste der Anschlussklemmen des Anschlussklemmenstapels 44 betrachtet werden, als die Anschlussklemme 38A die dem Schenkel 54 des Verbinderelements 50 am nächsten liegende ist. Die Anschlussklemme 38A weist einen seitlichen Bogen 38AA auf, durch welchen die Anschlussklemme 38A hinüber reicht, um mit der Anschlussklemme 38B in Kontakt zu stehen. Die Anschlussklemme 38C kann insofern als die äußerste der Anschlussklemmen des Anschlussklemmenstapels 44 betrachtet werden, als die Anschlussklemme 38C die von dem Schenkel 54 des Verbinderelements 50 am weitesten entfernte ist. Die Anschlussklemme 38C weist einen seitlichen Bogen 38CC auf, durch welchen die Anschlussklemme 38C hinüber reicht, um mit der Anschlussklemme 38B in Kontakt zu stehen. Die Anschlussklemme 38B weist einen seitlichen Bogen 38BB auf.
Somit sind die Anschlussklemmen 38A, 38B und 38C, wie in 2 zu sehen, lose zusammengestapelt, wobei 38A die innerste Anschlussklemme des Anschlussklemmenstapels 44 und dem Verbinderelement 50 am nächsten ist, die Anschlussklemme 38C die äußerste Anschlussklemme, die von dem Verbinderelement am weitesten entfernte ist und die Anschlussklemme 38B die mittlere Anschlussklemme in dem Stapel 44 ist, die zwischen den Anschlussklemmen 38A und 38C angeordnet ist.
Wie in 1 zu sehen, wird das Ultraschallschweißen durch einen Ultraschallschweißmechanismus ausgeführt, der einen Amboss 80 und ein Sonotrodenhorn 82 umfasst. Der Amboss 80 und das Sonotrodenhorn 82 sind an einem mehrachsigen Bedienungsmechanismus, nicht gezeigt, befestigt, durch den der Amboss 80 und das Horn 82 in die in den 1 und 2 gezeigte Position abgesenkt werden können, wobei eine Ambossfläche 84 des Amboss 80 benachbart zu dem vertikalen Schenkel 54 der Verbinderplatte angeordnet ist und das Horn 82 benachbart zu, jedoch beabstandet von der äußersten Anschlussklemme 38C des Anschlussklemmenstapels 44, angeordnet ist. Der Amboss 80 wird nach rechts in die Richtung des Pfeils 100 in einen Stützkontakt mit dem vertikalen Schenkel 54 bewegt, sodass der Amboss 80 die Verbinderplatte 50 gegen eine Bewegung abstützen wird. Das Horn 82 wird nach links in die Richtung des Pfeils 102 bewegt, um gezahnte Greiffinger 108 des Sonotrodenhorns 82 in Kontakt mit der äußersten Anschlussklemme 38C des Anschlussklemmenstapels 44 zu bringen.
Wie in den 1 und 2 zu sehen, ist ein Luftbürstenmechanismus 112 an der Unterseite des Horns 82 befestigt und umfasst einen horizontale/n Luftauslassschlitz oder -schlitze 114. Der Luftbürstenmechanismus 112 ist über einen Anschluss 118 mit einer Druckluftversorgung 116 verbunden, durch welchen ein Druckluftstrom gegen den Anschlussklemmenstapel 44 geblasen wird, wenn sich das Horn 82 nach links bewegt, um mit dem Anschlussklemmenstapel 44 in Kontakt zu treten. Dieser Luftstrom oder -vorhang wird fungieren, um den Anschlussklemmenstapel 44 nach links in Kontakt mit dem vertikalen Schenkel 54 der Verbinderplatte 50 zu drangen, sodass sich der Anschlussklemmenstapel 44 in einem zusammengedrückten Zustand befinden und zum Kontakt durch die an dem Horn 82 vorgesehenen gezahnten Finger 108 korrekt positioniert sein wird.
Nach der Bewegung des Horns 82 nach links in Kontakt mit dem Anschlussklemmenstapel 44 wird das Sonotrodenhorn auf 10 000 Zyklen pro Sekunde geschaltet, um die gezahnten Finger 108 in Schwingung zu versetzen, die wiederum den Anschlussklemmenstapel 44 gegen den vertikalen Schenkel 54 der Verbinderplatte in Schwingung versetzen werden. Diese Schwingung wird bei einem bestimmten Druck eine bestimmte Zeit lang fortgesetzt, bis die einzelnen Anschlussklemmen 38A, 38B und 38C des Anschlussklemmenstapels 44 durch Ultraschall aneinandergeschweißt sind und die innerste von den Anschlussklemmen 38A an den vertikalen Schenkel 54 der Verbinderplatte geschweißt ist. Wie in den Zeichnungen zu sehen, wird der Luftstrom durch eine Luftbürste 112 bereitgestellt, die genau unter den gezahnten Fingern 108 angeordnet ist. Der Luftstrom wird während dieses Ultraschallschweißvorganges aufrechterhalten, um einen Luftvorhang zu erzeugen, der unter dem Ort der Ultraschallschweißnaht liegt, sodass jegliche Fremdkörper, die während der Herstellung der Ultraschallschweißnaht erzeugt werden, durch den Luftvorhang eingefangen werden und nicht zugelassen wird, dass sie nach unten zwischen die Batteriezellentaschen fallen.
Überdies ist, wie in 2 gezeigt, eine Luftabsaugvorrichtung 120 genau über den gezahnten Fingern 108 angeordnet, die einen Anschluss 122 aufweist, der mit der Absaugvorrichtung 124 verbunden ist und mit einer Düse oder Düsen 126 verbunden ist, die genau über dem Anschlussklemmenstapel 44 angeordnet ist/sind, sodass die Absaugvorrichtung 120 derart fungieren wird, um die Fremdkörper, die durch den Luftvorhang eingefangen wurden, wegzusaugen. Die Absaugvorrichtung 120 ist an dem Amboss 80 befestigt gezeigt, wobei jedoch einzusehen sein wird, dass die Absaugvorrichtung 120 entweder an dem Horn 80 oder dem Amboss 82 befestigt sein kann. Oder es können Absaugvorrichtungen sowohl an dem Horn 80 als auch dem Amboss 82 befestigt sein.
Es wird einzusehen sein, dass sich während der Hochgeschwindigkeitsschwingung des Anschlussklemmenstapels 44 durch das Sonotrodenhorn 82 die seitlichen Abschnitte 38AA, 38BB und 38CC der Anschlussklemmen geringfügig biegen werden, sodass die Schwingungsenergie innerhalb der Anschlussklemmenlaschen absorbiert und nicht nach unten in die einzelnen Batteriezellen übertragen wird.
Nach der Herstellung der Ultraschallschweißnaht zwischen den Anschlussklemmenfahnen 38A, 38B und 38C und der Verbinderplatte 50 werden das Horn 82 und der Amboss 80 voneinander weg bewegt und ein Mehrfachzugriffs-Bedienungsmechanismus wird den Amboss 80 und das Horn 82 zu dem Ort des/r nächsten Anschlussklemmenstapels und Verbinderplatte umstellen, die zusammengeschweißt werden sollen.
Es ist somit ersichtlich, dass die Erfindung ein/e neue/s und verbesserte/s Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von Batteriezellenanschlussklemmen an eine Verbinderplatte vorsieht. Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur und Abwandlungen davon sind daher als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung liegend zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Schweißen von Batterieanschlussklemmen an einen Verbinder, welches umfasst, dass zwei oder mehrere Batteriezellenanschlussklemmen nebeneinander gestellt werden, um einen Anschlussklemmenstapel zu erzeugen, der eine innerste Anschlussklemme und eine äußerste Anschlussklemme umfasst; ein Batteriezellenverbinder mit der innersten Anschlussklemme des Stapels nebeneinander gestellt wird; ein Amboss in Kontakt mit dem Verbinder positioniert wird; ein Luftstrom gegen die äußerste Anschlussklemme gerichtet wird, sodass der Luftstrom den Anschlussklemmenstapel zusammendrückt und die innerste Anschlussklemme in Kontakt mit dem Verbinder drangt; ein Sonotrodenhorn in Kontakt mit der äußersten Anschlussklemme positioniert wird; und das Sonotrodenhorn mit Energie beaufschlagt wird, um den Anschlussklemmenstapel in Schwingung zu versetzen und dadurch eine Ultraschallschweißnaht zwischen den gestapelten Anschlussklemmen des Anschlussklemmenstapels und dem Verbinder herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass eine Luftabsaugung benachbart zu dem Sonotrodenhorn bereitgestellt wird, um jegliche Fremdkörper wegzusaugen, die während des Schallschweißens erzeugt werden, und die Luftabsaugung insbesondere durch eine Saugdüse bereitgestellt wird, die an einem oder beiden von dem Amboss und dem Sonotrodenhorn befestigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass ein Luftstrom bereitgestellt wird, der auf den Anschlussklemmenstapel an einer Kontaktlinie vertikal unter dem Sonotrodenhorn gerichtet wird, sodass der Luftstrom einen Luftvorhang bereitstellt, um jegliche Fremdkörper, die während des Ultraschallschweißens erzeugt werden, einzufangen, sodass sie nicht nach unten fallen, und eine Luftabsaugung benachbart zu dem Sonotrodenhorn bereitgestellt wird, um jegliche Fremdkörper wegzusaugen, die während des Schallschweißens erzeugt werden, und/oder welches ferner umfasst, dass jede der Anschlussklemmen einen seitlichen Bogen darin aufweist, durch welchen eine Ultraschallschwingung, die während des Ultraschallschweißens induziert wird, durch den seitlichen Bogen absorbiert wird.
Verfahren zum Schweißen von Batterieanschlussklemmen an einen Verbinder, welches umfasst, dass zwei oder mehrere Batteriezellenanschlussklemmen nebeneinander gestellt werden, um einen Anschlussklemmenstapel zu erzeugen, der eine innerste Anschlussklemme und eine äußerste Anschlussklemme umfasst; ein Batteriezellenverbinder mit der innersten Anschlussklemme des Stapels nebeneinander gestellt wird; ein Amboss in Kontakt mit dem Verbinder positioniert wird; ein Luftstrom gegen die äußerste Anschlussklemme gerichtet wird, sodass der Luftstrom den Anschlussklemmenstapel zusammen drückt und die innerste Anschlussklemme in Kontakt mit dem Verbinder drängt; ein Sonotrodenhorn in Kontakt mit der äußeren Anschlussklemme positioniert wird; das Sonotrodenhorn mit Energie beaufschlagt wird, um den Anschlussklemmenstapel in Schwingung zu versetzen und dadurch eine Ultraschallschweißnaht zwischen den gestapelten Anschlussklemmen des Anschlussklemmenstapels und dem Verbinder herzustellen; und eine Absaugung hergestellt wird, um jegliche Fremdkörper wegzusaugen, die während des Schallschweißens erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, welches ferner umfasst, dass der Luftstrom auf den Anschlussklemmenstapel an einer Kontaktlinie vertikal unter dem Sonotrodenhorn gerichtet wird, sodass der Luftstrom einen Luftvorhang bereitstellt, um jegliche Fremdkörper, die während des Ultraschallschweißens erzeugt werden, einzufangen, sodass sie nicht nach unten fallen, und/oder welches ferner umfasst, dass der Luftstrom durch eine Luftbürste bereitgestellt wird, die unter dem Sonotrodenhorn befestigt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, welches ferner umfasst, dass die Absaugung durch eine Saugdüse bereitgestellt wird, die an einem oder beiden von dem Amboss und dem Sonotrodenhorn befestigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, welches ferner umfasst, dass der Luftstrom aktiviert wird, bevor das Sonotrodenhorn mit der äußersten der Anschlussklemmen in Eingriff tritt, sodass die Positio nierung der Anschlussklemmen vor einem Kontakt des Sonotrodenhorns mit der äußersten der Anschlussklemmen bewerkstelligt wird.
Vorrichtung für das Ultraschallschweißen einer Vielzahl von gestapelten Batterieanschlussklemmen an einen Verbinder, welche umfasst; einen Amboss, der den Verbinder abstützt; eine Luftbürste, die einen Luftstrom gegen die gestapelten Batterieanschlussklemmen richtet, um den Stapel gegen den Verbinder zu drücken; und ein Sonotrodenhorn, das mit den gestapelten Batterieanschlussklemmen in Eingriff tritt, um eine Ultraschallschweißnaht zwischen den gestapelten Anschlussklemmen und dem Verbinder zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, welche ferner umfasst, dass die Luftbürste den Luftstrom zu einer Kontaktlinie vertikal unter dem Sonotrodenhorn richtet, sodass der Luftstrom einen Luftvorhang bereitstellt, um jegliche Fremdkörper, die während des Ultraschallschweißens erzeugt werden, einzufangen, sodass sie nicht nach unten fallen, und/oder welche ferner umfasst, dass sich die Luftbürste, an dem Sonotrodenhorn befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, welche ferner eine Luftabsaugvorrichtung umfasst, um jegliche Fremdkörper wegzusaugen, die während des Schallschweißens erzeugt werden, und/oder welche ferner eine Saugdüse umfasst, die an einem oder beiden von dem Amboss und dem Sonotrodenhorn befestigt ist, um jegliche Fremdkörper wegzusaugen, die während des Ultraschallschweißens erzeugt werden.