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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen Akkumulatorzellen bei der Herstellung von Akkumulatorbatterien.
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Aus der
DE 10 2008 045 780 A1 ist eine als Akkupack bezeichnete Akkumulatorbatterie bekannt, die mehrere zylindrische Akkumulatorzellen enthält. Zur Kontaktierung derselben ist ein Verkabelungsträger vorgesehen, der einzelne Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung der Akkumulatorzellen aufweist. Die Kontaktelemente werden mit den Akkumulatorzellen verschweißt.
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Aus der
DE 11 2008 001 424 T5 ist auch eine Akkumulatorbatterie mit einer größeren Anzahl von Akkumulatorenzellen bekannt, um eine Speichervorrichtung mit höherer Kapazität zu schaffen. Die einzelnen Akkumulatorenzellen haben axiale Anschlüsse, mit denen sie in entsprechenden Kontaktblechen gehalten sind. Zur elektrischen Verbindung dienen Sammelschienen.
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Die
DE 10 2008 059 949 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Akkumulatorbatterie, bestehend aus zahlreichen in Reihe geschalteten flacher plattenförmiger Akkumulatorenzellen, die in Form eines Stapel angeordnet sind. Die Akkumulatorzellen werden im Zick-Zack durch Schweißvorrichtungen miteinander verschweißt.
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Die elektrische Spannung einer einzelnen Akkumulatorzelle beträgt meist etwas mehr als 3 V. Für viele Anwendungen sind höhere Spannungen erforderlich, so dass einzelne Akkumulatorenzellen nicht nur elektrisch parallel, sondern auch in Reihe geschaltet werden müssen. Deshalb muss bei der Herstellung einer Akkumulatorbatterie meist eine große Anzahl von Akkumulatorzellen durch entsprechende Kontaktbleche elektrisch parallel und in Reihe geschaltet werden. Die Herstellung dieser Verbindungen soll auf einfache prozesssichere Weise geschehen.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein robustes Verfahren zur Herstellung von Akkumulatorbatterien anzugeben, die aus einer größeren Anzahl von Akkumulatorzellen bestehen.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Unterstützt wird das Verfahren durch die Schweißvorrichtung nach Anspruch 5.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Akkumulatorzellen in der nötigen Anzahl bereitgestellt, wobei sie mit z. B. kundenspezifisch vorgegebener Orientierung in eine Haltevorrichtung eingesetzt werden können. Zur Aufnahme der mit den Akkumulatorzellen zu verbindenden Leitungsbleche dient eine Schweißschablone mit Fächern, in die die einzelnen Leitungsbleche eingelegt werden. Die Schweißschablone mit den eingelegten Leitungsblechen wird dann so auf die Akkumulatorzellen aufgesetzt, dass die Akkumulatorzellen mit ihren Enden in die Fächer ragen. Vorzugsweise werden zwei Schweißschablonen genutzt, die jeweils individuell die Fächer für die entsprechenden Leitungsbleche aufweisen und die Akkumulatorzellen werden zwischen den Schweißschablonen gehalten, die oberen Enden der Akkumulatorzellen ragen in die Fächer der oberen Schweißschablone. Die unteren Enden der Akkumulatorzellen ragen in die Fächer der unteren Schweißschablone. Die elektrischen Anschlüsse der Akkumulatorzellen sind jeweils an den endseitigen, einander entgegengesetzten Stirnflächen der Akkumulatorzellen angeordnet. Durch Spannung der Schweißschablonen gegen einander werden die Stirn- und Kontaktflächen der Akkumulatorzellen an die Leitungsbleche angedrückt.
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Es ergibt sich durch die Schweißschablonen eine lagerichtige Positionierung der Leitungsbleche relativ zu den Akkumulatorzellen. Außerdem werden die Leitungsbleche durch die zwischen den einzelnen Fächern vorhandenen Wände oder Vorsprünge so auf Abstand gehalten, dass sie sich nicht berühren können. Auf diese Weise werden auch temporäre unerwünschte elektrische Verbindungen, wie sie beim freihändigen Hantieren mit Kontaktblechen an einer Gruppe von Akkumulatorzellen sonst auftreten könnten, zuverlässig ausgeschlossen. Die Wände umschließen auch die Enden der Akkumulatorzellen, die gemeinsam als Gruppe in ein Fach ragen. Die Wände umschließen somit die Enden einer Gruppe von Akkumulatorzellen und sorgen somit für die Gesamtmaßhaltigkeit des Akkupacks.
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Die Leitungsbleche werden dann mit den Akkumulatorzellen verschweißt. Dies kann beispielsweise durch Widerstandsschweißen, Kondensatorentladungsschweißen, Reibschweißen, Laserschweißen oder dergleichen Schweißverfahren erfolgen.
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Nach Herstellung der elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen den Leitungsblechen und den Akkumulatorzellen, beispielsweise durch Schweißen, kann die Schweißschablone abgenommen werden. Die weitere Montage der Akkumulatorbatterie, beispielsweise durch Einsetzen des aus Akkumulatorzellen und Leitungsblechen bestehenden Akkumulatorpacks in ein Gehäuse, Kontaktieren einer elektronischen Überwachungsschaltung, Ladeschaltung oder dergleichen, Anbringen eines Vergusses usw. ist dann hinsichtlich der Handhabung und der Sicherheit für Mensch, Material und Akkumulatorbatterie unkritisch.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es insbesondere, zumindest teilweise vorgeladene Akkumulatorzellen zu einer Akkumulatorbatterie zusammen zu stellen, ohne dass dabei die Gefahr der Zellenschädigung, zum Beispiel durch vorübergehende Kurzschlüsse oder sonstige unerwünschte elektrische Verbindungen, entsteht. Außerdem kann sichergestellt werden, dass gewünschte Abstände zwischen Leitungsblechen unterschiedlicher Polarität bei der Herstellung und auch später während des Betriebs sicher eingehalten werden.
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Die Schweißschablone weist vorzugsweise für jede Akkumulatorzelle einen Durchgang auf, um Schweißelektroden oder anderen Werkzeugen Zugang zu an den Leitungsblechen ausgebildeten Kontaktbereichen zu gewähren, die mit der Akkumulatorzelle zu verbinden sind. Auf diese Weise kann zum Beispiel mit Schweißelektroden durch die Schweißschablone hindurch geschweißt werden.
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Die Schweißschablone besteht vorzugsweise aus Kunststoff oder einem anderen elektrisch nicht leitenden Material. Im bevorzugten Fall ist die Schweißschablone durchsichtig. Dies ermöglicht eine leichte visuelle Kontrolle des Arbeitsprozesses. Zum Beispiel werden Fehler, wie zum Beispiel fehlende Leitungsbleche sehr schnell erkannt.
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In der Schweißschablone sind vorzugsweise Mittel zum temporären Fixieren der Leitungsfläche in den Fächern vorgesehen. Solche Mittel können Magnete, Klemmfedern, Haftmittel, Saugnäpfe oder dergleichen sein.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Schweißvorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung oder Unteransprüchen. Es zeigen:
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1 Eine Akkumulatorbatterie mit geschlossenem Gehäuse, in Perspektivdarstellung,
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2 Akkumulatorzellen mit aufgeschweißten Leitungsblechen, in ausschnittsweiser perspektivischer und teilweise schematisierter Darstellung,
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3 Akkumulatorzellen vorbereitet zum Anbringen von Leitungsblechen, in ausschnittsweiser, perspektivischer Darstellung,
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4 eine Schweißschablone in perspektivischer Darstellung,
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5 die Schweißschablone nach 5 mit einigen eingelegten Kontaktblechen,
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6 die Schweißschablone nach 5 in perspektivischer Darstellung und vollständig mit Kontaktflächen bestückt,
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7 den Vorgang des Verbindens von Leitungsblechen mit den Akkumulatorzellen durch einen Schweißvorgang, anhand eines ausschnittsweisen vertikalen Schnittbilds, und
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8 die Akkumulatorbatterie ohne Gehäuse mit Draufsicht auf die an die Akkumulatorzelle angeschweißten Leitungsbleche.
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In 1 ist eine elektrische Speichervorrichtung 10 veranschaulicht, die ein Gehäuse 11 aufweist, das eine in 2 ausschnittweise gezeigte Akkumulatorbatterie 12 umschließt. Außerdem beherbergt das Gehäuse 11 eine nicht weiter veranschaulichte elektronische Schaltung, zum Beispiel zur Kontrolle des Ladens und Entladens sowie des Betriebs der Akkumulatorbatterie 12. Eine an dem Gehäuse 11 vorgesehene Anschlusseinrichtung 13 dient dem Anschluss der Batteriekabel, über die die Speichervorrichtung 11 Strom erhält und/oder abgibt.
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Die Akkumulatorbatterie 12 besteht aus einer größeren Anzahl einzelner Akkumulatorzellen 14, die gruppenweise untereinander durch Leitungsbleche 15, 16 verbunden sind. Wie ersichtlich kontaktiert jedes Leitungsblech 15, 16 jeweils mehrere Akkumulatorzellen 14. Die Leitungsbleche 15, 16 sind untereinander nicht verbunden, sondern vielmehr durch einen Spalt 17 voneinander beabstandet und somit elektrisch getrennt. Die Leitungsbleche 15, 16 sowie weitere Leitungsbleche, stellen eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Akkumulatorzellen 14 her. Sie bewirken die kundenspezifisch vorgegebene gruppenweise Parallelschaltung und/oder Reihenschaltung der so gebildeten Gruppen von Akkumulatorzellen miteinander. Damit hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel die von in den Akkumulatorzellen 14 gebildete Akkumulatorbatterie 12 insgesamt eine Spannung, die größer ist als die der Einzelzelle. Außerdem hat sie einen Entladestrom, der größer ist als der Entladestrom einer Einzelzelle.
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Wie aus 3 ersichtlich, sind die Akkumulatorzellen 14 gruppenweise in einheitlicher Polarität angeordnet, wobei zwei Gruppen mit unterschiedlichen Polaritäten existieren. In 3 sind negative Pole durch glatte Becherböden 18 und positive Pole durch Kontaktsterne 19 markiert.
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Optional können die einzelnen Akkumulatorzellen 14 in einen oder zwei Trägerkörper 20, 21 eingesteckt werden, die dazu jeweils entsprechende als Durchgangsöffnungen ausgebildete Aufnahmeöffnungen 22 aufweisen.
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Zum Anbringen der Leitungsbleche 15, 16 an den Akkumulatorzellen 14 ist die in den 4 bis 6 veranschaulichte Schweißschablone 23 vorgesehen. Wie ersichtlich weist sie einzelne Fächer 24, 25 auf, in die Kontaktbleche 15, 16 einlegbar sind.
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Die Schweißschablone 23 ist vorzugsweise eine ebene Platte vorzugsweise aus einem durchsichtigen Kunststoff. Die Fächer 24, 25 sind z. B. als Vertiefungen in den Grundkörper eingebracht. Beispielsweise können sie eingefräst sein. Jedes Fach 24, 25 hat eine Kontur, die der Kontur eines aufzunehmenden Kontaktblechs 15, 16 und oder der Kontur der von dem jeweiligen Kontaktblech zu kontaktierenden Gruppe von Akkumulatorzellen 14 entspricht. Zu den anzubringenden Kontaktflächen 15, 16 gehören vorzugsweise verschiedene Kontaktbleche mit unterschiedlicher Kontur, wobei einzelne Kontaktbleche untereinander auch übereinstimmend ausgebildet sein können. Die Schweißschablone 23 gibt zwingend für jedes Kontaktblech 15, 16 die richtige Position vor. Vorzugsweise stimmt die Kontur des Kontaktblechs mit der Kontur der von dem jeweiligen Kontaktblech zu kontaktierenden Gruppe von Akkumulatorzellen 14 überein.
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Die Fächer 24, 25 sind untereinander durch Wände 26 getrennt, die vorzugsweise durchgängig und lückenlos ausgebildet sind. Die Wände 26 legen somit eine gegebene Beabstandung zwischen den Leitungsblechen 15, 16 fest und positionieren diese. Die Wände 26 können auch durch andere Abstandshaltemittel, beispielsweise durch einzelne Finger, Vorsprünge oder dergleichen ersetzt sein.
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Die einzelnen Fächer sind an ihrem jeweiligen Boden mit Öffnungen 27, beispielsweise in Gestalt runder Bohrungen versehen, die an den Stellen angeordnet sind, unter denen sich jeweils Akkumulatorzellen 14 befinden. Mit anderen Worten, die Öffnungen 27 fluchten jeweils mit den Akkumulatorzellen 14. Die einzelnen Leitungsbleche 15, 16 weisen im Bereich der Öffnungen 27 jeweils Freischnitte auf, so dass dort jeweils mindestens eine einzelne Kontaktzunge 28 (8) ausgebildet ist oder auch zwei solche Kontaktzungen (5, 6) einander gegenüberliegend stehen. Anstelle vieler einzelner Öffnungen 27 können auch mehrere oder alle Öffnungen 27 einer Gruppe zu einem einzigen Durchgang zusammengefasst sein.
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Wie weiter aus 5 ersichtlich kann die Schweißschablone 23 Mittel zum temporären Halten der Leitungsbleche 15, 16 aufweisen. Dazu können z. B. in jedem Fach ein oder mehrere Permanentmagnete 30 angeordnet sein, deren Stirnseite vorzugsweise eben mit dem Boden jedes Fachs abschließt oder geringfügig über diesen vorsteht. Die Permanentmagnete 30 sind auch aus 7 ersichtlich.
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Das Herstellen des Akkupacks 12 erfolgt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt:
Es werden zunächst die Akkumulatorzellen 14 in einen geeigneten Träger eingesteckt, beispielsweise den Trägerkörper 20 und/oder 21 gemäß 3. Dabei wird die Polarität der einzelnen Akkumulatorzellen 14 berücksichtigt.
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Danach erfolgt das Anbringen der Leitungsbleche 15, 16 (sowie weiterer) mit der Schweißschablone 23, indem diese zunächst, wie in 4, 5 und 6 dargestellt, vollständig mit Leitungsblechen 15, 16 bestückt wird. Die in den Fächern vorhandenen Magnete 30 halten die Leitungsbleche verliersicher in den Fächern. Die Schweißschablone 23 kann deshalb nun umgekehrt werden, so dass ihre Fächer 24, 25 nach unten weisen, ohne dass die Leitungsbleche 15, 16 herausfallen. Die Schweißschablone 23 kann nun auf die Akkumulatorzellen 14 aufgesetzt werden, so dass diese mit ihren oberen Endabschnitten 29 in die Fächer 24, 25 ragen. Die Wände 26 separieren dabei nicht nur die benachbarten Leitungsbleche 15, 16, sondern auch die Akkumulatorzellen 14, 15 benachbarter Gruppen voneinander.
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Es können nun Schweißelektroden 32, 33 auf die Zungen 28 der Kontaktbleche 15, 16 aufgesetzt werden, um einen Schweißstrom durch die Zungen 28 fließen zu lassen. Es werden dadurch jede Zunge 28 mit der jeweiligen Akkumulatorzelle 14 verschweißt.
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Nachdem die Schweißelektroden 32, 33 durch jede Öffnung 27 an alle Kontaktzungen 28 aller Leitungsbleche 15, 16 herangeführt worden sind und dort entsprechende Schweißpunkte gesetzt haben, kann die Schweißschablone 23 abgenommen werden.
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Das vorstehend geschilderte Schweißverfahren kann sowohl für die oberen Leitungsbleche 15, 16 angewendet werden, die in 7 dargestellt sind, sowie in gleicher Weise für untere, bodenseitige Leitungsbleche. Dies kann in enger Verknüpfung des Arbeitsablaufs erfolgen. Z. B. können die in den Trägerkörpern 20, 21 steckenden Akkumulatorzellen 14 sowohl an ihrer Oberseite an den Endabschnitten 29 mit der Schweißschablone 23 sowie auch an ihrem gegenüberliegenden Ende 31 mit einer entsprechenden Schweißschablone 23 versehen werden, die allerdings andere Fächer und andere Kontaktbleche enthält. Die beiden Schweißschablonen 23 können untereinander durch nicht weiter veranschaulichte Verbindungsmittel, wie Stifte, Schrauben, Klammern oder dergleichen, verbunden und gegebenenfalls auch aufeinander zu vorgespannt werden, um die Kontaktbleche 15, 16 und die bodenseitigen Kontaktbleche (z. B. 34, 35 in 8) gegen die Akkumulatorzellen 14 zu drücken. Die Schweißschablonen 23 an der Oberseite und der Unterseite der Akkumulatorzellen 14 und die Akkumulatorzellen 14 bilden miteinander einen festen, sicher handzuhabenden Block, der an einem Schweißarbeitsplatz im Ganzen als kompaktes Werkstück gehandhabt werden kann. Alle Schweißverbindungen können sicher und auf einfache Weise hergestellt werden.
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8 veranschaulicht die hergestellte Akkumulatorbatterie 12. Diese kann nun in das Gehäuse 11 eingesetzt und dort entsprechend gesichert werden.
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Zum Herstellen von Akkumulatorbatterien 12 aus einzelnen Akkumulatorzellen 14 dienen Schweißschablonen 23 mit Fächern 24, 25 zur Aufnahme von Leitungsblechen 15, 16, 34, 35. Die Akkumulatorzellen 14 werden zwischen beiden Schweißschablonen 23 so angeordnet, dass sie mit ihren Enden 29 in die entsprechenden Fächer 24, 25 der beiden Schweißschablonen 23 ragen. Die Akkumulatorbatterien 14 sind somit zwischen den Schweißschablonen 23 lagerichtig gehalten. Die Wände 26 der einzelnen Fächer 24, 25 folgen vorzugsweise der Kontur der zum Beispiel zylindrischen Akkumulatorzellen 14. In den Fächern 24, 25 liegende Leitungsbleche 15, 16, 34, 35 werden durch Öffnungen 27 der Schweißschablonen 23 hindurch mit den Akkumulatorzellen verschweißt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Speichervorrichtung
- 11
- Gehäuse
- 12
- Akkumulatorbatterie
- 13
- Anschlusseinrichtung
- 14
- Akkumulatorzellen
- 15, 16
- Leitungsbleche
- 17
- Spalt
- 18
- Becherboden
- 19
- Kontaktstern
- 20
- Oberer Trägerkörper
- 21
- Unterer Trägerkörper
- 22
- Durchgangsöffnung
- 23
- Schweißschablone
- 24
- Fach
- 25
- Fach
- 26
- Wände
- 27
- Öffnungen
- 28
- Kontaktzunge
- 29
- Endabschnitt der Akkumulatorzellen 14
- 30
- Permanentmagnet
- 31
- Endabschnitte der Akkumulatorzellen 14
- 32
- Schweißelektrode
- 33
- Schweißelektrode
- 34
- unteres Leitungsblech
- 35
- unteres Leitungsblech
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008045780 A1 [0002]
- DE 112008001424 T5 [0003]
- DE 102008059949 A1 [0004]
