-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden von Kontaktfahnen benachbarter Batterieeinzelzellen einer Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
-
Batterien, insbesondere Hochleistungs- oder Hochvoltbatterien, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie werden häufig als Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt. Die Batterieeinzelzellen sind typischerweise in Lithium-Ionen-Technologie oder gegebenenfalls Nickel-Metallhydrid-Technologie ausgeführt. Dies sichert eine vergleichsweise hohe Speicherdichte. Um die erforderlichen Ausgangsleistungen beziehungsweise -spannungen zu erreichen, sind die Batterieeinzelzellen typischerweise direkt zu der Batterie oder zu einzelnen Zellblöcken zusammengeschaltet. Die Batterieeinzelzellen der Batterie oder eines Zellblocks werden untereinander dann typischerweise seriell verschaltet. Um bei der Herstellung eine serielle Verschaltung realisieren zu können, müssen die Kontaktfahnen entweder direkt miteinander oder typischerweise über Zellverbinder miteinander verbunden werden.
-
Aus der
DE 10 2010 008 582 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von Anschlussklemmen bekannt. Der dort beschriebene Aufbau zeigt eine Batterie mit prismatischen Batterieeinzelzellen, welche seitlich über die zu einem Zellblock aufgestapelten Batterieeinzelzellen hinausragen. Zwischen den einzelnen Kontaktfahnen wird ein im Querschnitt im Wesentlichen U-förmiges Bauteil als Zellverbinder positioniert. Jeder einzelne Schenkel des U-förmigen Zellverbinders wird dann jeweils nacheinander mit den Kontaktfahnen der benachbarten Batterieeinzelzellen verschweißt. Dies ist vergleichsweise aufwändig und erfordert je Verbindung zwei getrennte Schweißvorgänge.
-
Der praktische Aufbau einer Batterie wird sich außerdem von dem in der genannten DE-Schrift dargestellten Aufbau dahingehend unterscheiden, dass die Kontaktfahnen selten über den Zellblock der Batterieeinzelzellen hinausragen. Vielmehr werden die Kontaktfahnen typischerweise im Bereich zwischen den Rahmen angeordnet sein und dort mit den entsprechenden Zellverbindern verbunden werden. Dies erfordert zusätzlich speziell ausgestaltete Zellverbinder und speziell ausgestaltete Rahmen, um die Zugänglichkeit der späteren Verbindungspunkte für Amboss und Sonotrode des Ultraschallschweißens in jedem Fall zu gewährleisten.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Verbinden von Kontaktfahnen benachbarter Batterieeinzelzellen anzugeben, welches den Herstellungsaufwand bei der Verbindung der Kontaktfahnen innerhalb eines Zellblocks deutlich reduziert. Außerdem ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Batterie anzugeben, welche unter Nutzung dieses Verfahrens einfach und effizient mit wenigen und/oder weniger stark komplex geformten Bauteilen, als dies beim allgemeiner Stand der Technik notwendig ist, realisiert werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Eine Batterie, welche die oben genannte Aufgabe last, ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 beschrieben. Die jeweils abhängigen Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens beziehungsweise der Batterie wieder.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass der im Querschnitt im Wesentlichen U-förmige Zellverbinder zwischen den beiden benachbarten Kontaktfahnen positioniert wird, wonach die beiden Kontaktfahnen gleichzeitig mittels eines Widerstandspressschweißverfahrens mit dem Zellverbinder verschweißt werden. Ein solches Widerstandspressschweißverfahren, insbesondere ein Punktschweißverfahren, jedoch auch ein Buckelschweißverfahren oder Rollnahtschweißverfahren, erweicht beziehungsweise verflüssigt die Fügepartner durch elektrischen Strom. Unter Druck werden diese dann aneinandergefügt. Dies stellt eine sichere und zuverlässige Verbindung zwischen den Fügepartner sicher. Der Aufbau erlaubt es, beide mit dem U-förmigen Zellverbinder zu verbindenden Kontaktfahnen gleichzeitig mit dem Zellverbinder zu verschweißen, da der elektrische Strom durch den Zellverbinder hindurch von der einen Kontaktfahne zur anderen Kontaktfahne geleitet wird und damit ein einfaches und effizientes Widerstandspressschweißen, insbesondere Punktschweißen, ermöglicht. Da die elektrochemisch aktiven Bereiche der Batterie, welche über die Kontaktfahnen ebenfalls mit den Schweißstellen verbunden sind, einen deutlich höheren elektrischen Widerstand aufweisen, wird über diesen Weg kein Strom geleitet, sodass eine Schädigung der Batterieeinzelzellen vermieden werden kann. Die Anzahl der Schweißschritte wird halbiert und damit die Herstellungszeit für den Zellblock deutlich reduziert.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass zwischen die Schenkel des U-förmigen Zellverbinders vor dem Schweißen ein Stützelement platziert wird. Ein solches Stützelement kann helfen, die beim elektrischen Widerstandspressschweißen auftretenden Kräfte auf die Schenkel aufzunehmen, um so eine Deformation des Zellverbinders zu vermeiden. Das Stützelement kann dabei insbesondere als nicht leitendes Stützelement ausgeführt sein.
-
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, zur Anwendung bei Batterieeinzelzellen, welche im Wesentlichen prismatisch ausgebildet sind und durch elektrisch nicht leitende Rahmen gehalten und mit den Rahmen zu einem Zellblock gestapelt sind, kann es ferner vorgesehen sein, dass ein Teil eines der Rahmen als Stützelement genutzt wird. Damit entsteht ein sehr einfacher und kompakter Aufbau.
-
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass jede der Kontaktfahnen mit mehreren Schweißpunkten mit dem U-förmigen Zellverbinder verbunden wird, wobei durch Trennfugen in Teilbereichen des U-förmigen Zellverbinders der zum Schweißen erforderliche Strom von der Verbindungsstelle der einen Kontaktahne mit dem U-förmigen Zellverbinder zur Verbindungsstele der anderen Kontaktahne mit dem U-förmigen Zellverbinder während des Schweißens geleitet wird. Dieser Aufbau, bei welchem mit mehreren Schweißpunkten die Kontaktfahnen mit dem U-förmigen Zellverbinder jeweils gleichzeitig verschweißt werden, stellt sicher, dass in jedem Fall eine sichere und zuverlässige Verbindung gegeben ist, auch wenn einer der Schweißpunkte aufgrund eines verfahrenstechnischen Fehlers oder dergleichen nicht die erforderliche Verbindung bereitstellt. Das Verfahren wird damit nicht wesentlich komplizierter, da mehrere Punkte nebeneinander gleichzeitig geschweißt werden können. Dabei ist es so, dass der U-förmige Zellverbinder Trennfugen aufweist, welche in den Teilbereichen zwischen den einzelnen Schweißpunkten angeordnet sind, um einen Stromfluss von dem einen Schweißpunkt auf der einen Seite zu dem benachbarten Schweißpunkt auf der anderen Seite zu gewährleisten und einen Stromfluss von dem einen Schweißpunkt schräg zu einem anderen Schweißpunkt nach Möglichkeit zu unterbinden.
-
Die erfindungsgemäße Batterie ist nun so ausgebildet, dass die Kontaktfahnen benachbarter Batterieeinzelzellen jeweils mit einem sie verbindenden U-förmigen Zellverbinder durch elektrisches Widerstandspressschweißen verschweißt sind. Die Vorteile eines solchen Aufbaus ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des Verfahrens.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie ist es vorgesehen, dass die Batterieeinzelzellen im Wesentlichen prismatisch ausgebildet, in Rahmen gehaltert und mit den Rahmen zu einem Zellblock gestapelt sind, wobei die U-förmigen Zellverbinder auf einen Teil des Rahmens mit den Schenkeln in Richtung der gegenüberliegenden Seitenkante des Rahmens positioniert sind. Die U-förmigen Zellverbinder können also einfach und effizient auf den Rahmen, insbesondere auf den Rahmen zwischen den beiden Kontaktfahnen, aufgesteckt werden. Dies ist bei der Montage außerordentlich einfach, da eine Halterung und Positionierung durch eine geeignete Abmessung der U-förmigen Zellverbinder und des Rahmens einfach und effizient realisiert werden kann. Gleichzeitig kann der Rahmen, welcher typischerweise aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, die Abstützung der beim elektrischen Widerstandspressschweißen auftretenden Kräfte auf die Schenkel des U-förmigen Zellverbinders übernehmen.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Aufbaus kann es ferner vorgesehen sein, dass der U-förmige Zellverbinder im Bereich jeder seiner Schenkel wenigstens zwei noppenartige Bereiche aufweist. Diese noppenartigen Bereiche können insbesondere als überstehende Noppen im Bereich der Schenkel des U-förmigen Zellverbinders ausgeführt sein. Sie können die Kontaktierung der Kontaktfahne mit dem U-förmigen Zellverbinder erleichtern und stellen die bevorzugten Punkte für eine Schweißung zwischen den Kontaktfahnen und dem Zellverbinder dar. Dadurch, dass jeder der Schenkel wenigstens zwei derartige noppenartige Bereiche aufweist, wird typischerweise eine Verbindung zwischen den Kontaktfahnen und dem U-förmigen Zellverbinder in zwei getrennt voneinander liegenden Bereichen auf jeder Seite des U-förmigen Zellverbinders erreicht. Sollte eine der Schweißungen fehlerhaft sein, so wird in jedem Fall über die zweite Schweißung die elektrische Kontaktierung sichergestellt, sodass ein bei der Montage sehr fehlertolerantes System realisiert werden kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieser Variante der erfindungsgemäßen Batterie ist es ferner vorgesehen, dass zwischen den wenigstens zwei noppenartigen Bereichen zumindest im Bereich des Bodens des U-förmigen Zellverbinders eine Trennfuge angeordnet ist. Da der Bodenbereich des U-förmigen Zellverbinders der Bereich ist, in dem elektrische Ströme sehr gut weitergeleitet werden, dient die Trennfuge dazu, Querströme zwischen den benachbarten zu verschweißenden Bereichen zu vermeiden und den Strom gezielt von dem einen Schenkel über den Boden zu dem anderen Schenkel zu leiten, sodass beim Widerstandspressschweißen eine gezielte Stromleitung erzielt wird.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie ist es zusätzlich vorgesehen, dass die Batterieeinzelzellen als zwischen den Rahmen eingebrachte Batterieeinzelzelle mit in Folie eingeschweißten elektrochemisch aktivem Bereich und durch die Folie herausgeführten Kontaktfahnen ausgebildet sind. Diese Ausbildung der Batterieeinzelzellen als sogenannte Pouch- oder Coffeebag-Zellen ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Der Aufbau mit dem oben erläuterten Schweißverfahren ist prinzipiell für alle möglichen Batterien und Typen von Batterieeinzelzellen entweder in prismatischer oder zylindrischer Ausführungsform geeignet. Besonders vorteilhaft ist er jedoch bei derartigen Pouch-Zellen, da diese typischerweise zwischen Rahmen eingebracht werden, und der Rahmen dann in bevorzugter Art und Weise sowohl die Halterung als auch die Positionierung und die Presskraftabstützung beim elektrischen Widerstandspressschweißen der Kontaktfahnen mit dem U-förmigen Zellverbinder übernehmen kann.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiel.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine dreidimensionale Ansicht eines Zellblocks in einer Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik;
-
2 eine der Einzelzellen aus dem Zellblock gemäß 1 gemäß dem Stand der Technik;
-
3 eine Explosionsdarstellung eines Ausschnitts aus einer der Einzelzellen und einem Zellverbinder gemäß dem Stand der Technik;
-
4 eine dreidimensionale Ansicht eines Zellblocks in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung;
-
5 eine der Einzelzellen aus dem Zellblock gemäß 4;
-
6 eine Schnittdarstellung durch den Aufbau gemäß 5;
-
7 eine Explosionsdarstellung von Rahmen, Zellverbinder und Batterieeinzelzelle analog der Darstellung in 5; und
-
8 eine vergrößerte Darstellung des U-förmigen Zellverbinders in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung.
-
In den Darstellungen der 1 bis 3 soll zuerst der eingangs geschilderte allgemeine Stand der Technik erläutert werden. In der Darstellung der 1 ist eine Batterie in Form eines Zellblocks 1 zu erkennen. Dieser Zellblock 1 setzt sich aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 2 zusammen. Diese Batterieeinzelzellen 2 sind zwischen Rahmen 3 eingebracht und zu dem Zellblock 1 aufgestapelt. Die Rahmen 3 sind zwischen zwei Druckbrillen 4 eingelegt und über Zuganker 5 miteinander verspannt. Von den Batterieeinzelzellen 2 ist lediglich eine durch eine Ausnehmung in einer der Druckbrillen 4 hindurch zu erkennen.
-
In der vergrößerten Darstellung der 2 ist eine der Batterieeinzelzellen 2 sowie einer der Rahmen 3 – und hiervon weitgehend verdeckt eine zweite der Batterieeinzelzellen 2 – nochmals dargestellt. Die Batterieeinzelzelle 2 ist dabei als sogenannte Pouch- oder Coffeebag-Zelle ausgebildet. Dies bedeutet, dass der elektrochemisch aktive Bereich zwischen zwei Folien 6 eingeschweißt ist. Er ist über zwei Kontaktfahnen 7, welche durch die Folien 6 herausgeführt sind, elektrisch zu kontaktieren. Die elektrische Kontaktierung der Batterieeinzelzellen 2 erfolgt dabei so, dass die jeweils benachbart angeordneten Kontaktfahnen 7 von zwei benachbart angeordneten Batterieeinzelzellen 2 miteinander verbunden werden. Dies erfolgt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel abwechselnd auf der einen Seite und auf der anderen Seite, sodass insgesamt eine serielle Verschaltung der Batterieeinzelzellen 2 in dem Zellblock 1 erzielt wird. In der Darstellung der 2 ist ferner zu erkennen, dass ein Zellverbinder 8, welcher auch in der Explosionsdarstellung der 3 nochmals vergrößert dargestellt ist, zwischen zwei benachbarten Kontaktfahnen 7 zweier Batterieeinzelzellen 2, von welchen hier nur eine erkennbar ist, eingelegt ist. Sowohl der Zellverbinder 8, welcher im Querschnitt eine im Wesentlichen U-förmige Kontur aufweist, als auch der Rahmen 3 in dem Bereich, in dem er mit dem Zellverbinder zusammenwirkt, ist dabei so ausgestaltet, dass bei dem Zellverbinder 8 im Bereich eines hier nach oben gerichteten Bodens 9 des U-förmigen Querschnitts Öffnungen 10 vorgesehen sind. Korrespondierende Öffnungen finden sich im Bereich des Rahmens 3. Zwischen diese Öffnungen kann dann ein Amboss 11 einer Ultraschallschweißvorrichtung eingreifen und kann zusammen mit einer Sonotrode 12 die Kontaktfahne 7 mit einem der Schenkel 13 des U-förmigen Zellverbinders 8 verschweißen. Um dies realisieren zu können, müssen die Öffnungen 10 sowohl im Zellverbinder 8 als auch im Bereich des Rahmens 3 vorgesehen sein. Außerdem muss jede der Kontaktfahnen 7 einzeln mit dem jeweiligen Schenkel 13 des U-förmigen Zellverbinders verschweißt werden, sodass insgesamt ein sehr aufwändiger Prozess für das Ultraschallschweißen entsteht.
-
In der Darstellung der 4 ist nun ein vereinfachter Aufbau dargestellt, wobei die Darstellung in der Figur im Wesentlichen der in 1 beschriebenen Darstellung des Zellblocks 1 entspricht. Der einzige Unterschied liegt im Bereich der Zellverbinder 8, welche hier ebenfalls im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sind. Die Zellverbinder 8 weisen, anders als die Zellverbinder 8 gemäß dem Stand der Technik, jedoch keine Öffnungen 10 auf, und können auf ein durchgehendes Teilstück des Rahmens 3 aufgesteckt werden. Dies ist in der Darstellung der 5, analog zur Darstellung in 2, in der Schnittdarstellung der 6 und insbesondere in der Explosionsdarstellung der 7 deutlich zu erkennen. Die im Wesentlichen U-förmigen Zellverbinder 8 erlauben so ein Verschweißen beider Kontaktfahnen 7 der benachbarten Batterieeinzelzellen 2 mit dem U-förmigen Zellverbinder 8 in einem einzigen Arbeitsgang, sodass Montagezeit eingespart werden kann. Die U-förmigen Zellverbinder 8 sind dabei auf Teile 16 des elektrisch isoliert ausgebildeten Rahmens 3 aufgesteckt, wie dies in der Darstellung der 4 bis 7 deutlich wird. Über zwei Elektroden 14 wird dann beispielsweise mittels eines Punktschweißverfahrens als Widerstandspressschweißverfahren eine Verschweißung zwischen den Kontaktfahnen 7 der beiden benachbarten Batterieeinzelzellen 2 und dem U-förmigen Zellverbinder 8 erreicht. Der U-förmige Zellverbinder 8 kann dabei im Bereich seiner Schenkel 13 noppenartige Bereiche 15 aufweisen, in deren Bereich sich beim Punktschweißen die Verbindungsstelle ausbildet. Wie in der Darstellung der 6 durch die Pfeile f angedeutet, pressen die Elektroden den Aufbau dabei zusammen. Der Teil des Rahmens 3 zwischen den beiden Schenkeln 13 des U-förmigen Zellverbinders stützt diesen gegen die über die Elektroden 14 eingebrachten Presskräfte ab. Da der Rahmen 3 selbst elektrisch nicht leitend ausgebildet ist, kommt es zu einem Stromfluss i, wie er zwischen dem Plus- und Minuspol durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Der Großteil des Stroms i fließt also durch den Boden 9 des U-förmigen Zellverbinders, sodass die elektrochemisch aktiven Bereiche in den Batterieeinzelzellen 2 nicht vom Strom durchflossen werden.
-
In der Explosionsdarstellung der 7 ist nochmals eine Darstellung analog der zuvor beschriebenen 3 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Rahmen 3 einen verjüngten Aufnahmebereich 16 aufweist, auf welchen der Zellverbinder 8 bei der Montage einfach aufgesteckt werden kann. Dadurch ist sowohl eine sichere und zuverlässige Positionierung des Zellverbinders 8 als auch ein Abstützen der Schenkel 13 des Zellverbinders 8 gegen die Presskräfte beim Schweißen erzielt. Um die Montage der Batterie beziehungsweise des Zellblocks 1 weiter zu erleichtern, kann eine Verbindung des Zellverbinders 8 mit dem Rahmen 3 im Bereich 16 beispielsweise durch ein Verkleben oder ein Einclipsen, also eine nach dem Aufstecken entstehende formschlüssige Verbindung, zwischen dem Rahmen 3 und dem Zellverbinder 8 vorgesehen werden.
-
Die elektrische Widerstandspressschweißung funktioniert besonders dann sehr gut, wenn der Strom i auf vergleichsweise direktem Weg, wie in der Darstellung der 6 zu erkennen ist, von dem einem noppenartigen Bereich in dem einen Schenkel 13 in den anderen noppenartigen Bereich 15 in dem gegenüberliegenden Schenkel 13 geleitet wird. Um dies zu optimieren und Nebenschlüsse weitgehend zu unterbinden, sind in dem Zellverbinder 8 in den Bereichen zwischen den einzelnen Noppen 15 Trennfugen 17 zumindest im Bereich des Bodens 9 des U-förmigen Zellverbinders 8 vorgesehen, welche eben dies gewährleisten. Die 6 und 8 zeigen dies deutlich.
-
Alles in allem entsteht so ein sehr einfacher Aufbau, welcher eine einfache und zuverlässige Montage des Zellblocks 1 gewährleistet. Zusätzlich kann dies dadurch unterstützt werden, dass der Rahmen 3, wie es in der Darstellung der 4, 5 und 7 zu erkennen ist, jeweils auf einer Seite eine Ausnehmung 18 aufweist, während er auf der anderen Seite den in der Darstellung der 7 mit 16 bezeichneten Aufnahmebereich aufweist. Werden die einzelnen Rahmen beim Stapeln abwechselnd gedreht übereinander gestapelt, so kommt immer einer der Aufnahmebereiche 16 neben einer der Ausnehmungen 18 zu liegen. Dies ist in der Darstellung der 4 zu erkennen. Über den Teil des Rahmens 3 wird dann der Zellverbinder 8 gestülpt beziehungsweise ist bereits auf den Rahmen 3 vormontiert. Das Ergebnis ist ein Aufbau, wie er in der Darstellung der 4 zu erkennen ist. Jeweils jeder zweite Rahmen 3 weist auf der einen Seite den Zellverbinder 8 auf und auf der anderen Seite die Ausnehmung, während dies auf der anderen Seite genau umgekehrt ist. Dadurch kann der Zellblock 1 fertig aufgebaut und verspannt werden, bevor im Bereich der ohnehin vorhandenen Ausnehmungen mittels der Elektroden 14 die Kontaktfahnen 7 der beiden benachbarten Batterieeinzelzellen 2 mit dem dazwischen liegenden Zellverbinder 8 verschweißt werden können.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010008582 A1 [0003]
