DE102011109211A1

DE102011109211A1 - Verbindungselement zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung

Info

Publication number: DE102011109211A1
Application number: DE102011109211A
Authority: DE
Inventors: Martin Ertle; Heiko Hachtel; Jörg Mahrle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Ein Verbindungselement (2) zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung eines Polkontakts (1.1) einer elektrochemischen Zelle (1) weist erfindungsgemäß ein Ringsegment (2.1) in Form eines offenen Rings auf, welcher zur Ausbildung einer radial nach innen gerichteten Kraft zur kraftschlüssigen Verbindung mit dem Polkontakt (1.1) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung eines Polkontakts einer elektrochemischen Zelle und eine Verbindungsvorrichtung, welche das Verbindungselement umfasst. Ferner betrifft die Erfindung einen Zellverbund mit dem Verbindungselement und eine Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, welche den Zellverbund aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind Batterien, insbesondere Fahrzeugbatterien bekannt, die eine Vielzahl von in Reihe und/oder in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen umfassen. Zur Kontaktierung und Verschaltung sind die Polkontakte der elektrochemischen Zellen entsprechend elektrisch leitend und starr miteinander verbunden. Zur Kontaktierung der Polkontakte kommen typischer Weise Schraubverbindungen oder Verschweißungen zum Einsatz. Metallische Verbindungsstege, die insbesondere auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet sein können, realisieren dabei die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Polkontakten der verschiedenen elektrochemischen Zellen eines Zellverbunds.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte elektrisch leitfähige Kontaktierung von elektrochemischen Zellen anzugeben, welche insbesondere einen fertigungsbedingten Toleranzausgleich ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Verbindungselement zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung eines Polkontakts einer elektrochemischen Zelle weist erfindungsgemäß ein Ringsegment in Form eines offenen Rings auf, welcher zur Ausbildung einer radial nach innen gerichteten Kraft zur kraftschlüssigen Verbindung mit dem Polkontakt ausgebildet ist.
Durch den Kraftschluss ist das Verbindungselement mit dem Polkontakt in einem vorgebbaren axialen Abstand verbindbar. Dabei ermöglicht die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Polkontakt eine geringfügige Verschiebung des Verbindungselements entlang des Polkontakts in axialer Richtung, welche senkrecht zur Kreisebene des Ringsegments verläuft. Somit können fertigungsbedingte Toleranzen, bei denen elektrochemischen Zellen und/oder deren Polkontakte in axialer Richtung leicht versetzt angeordnet sind, ausgeglichen werden, ohne dass die elektrisch leitfähige Verbindung beeinträchtigt wird.
Die elektrisch leitfähige Kontaktierung des Polkontakts ist durch die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Polkontakt realisiert. Dies reduziert im Vergleich zu starren Verbindungsarten die mechanische Beanspruchung der Kontaktierung. Insbesondere kann eine solche mechanische Beanspruchung von Vibrationen verursacht werden. Das Verbindungselement und eine das Verbindungselement aufweisende Batterie, welche eine Vielzahl von miteinander elektrisch leitfähig verbundenen elektrochemischen Zellen umfasst, sind somit zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug besonders geeignet.
Das Verbindungselement ist auf besonders einfache Art und Weise auf den Polkontakt der elektrochemischen Zelle aufsteckbar, so dass die Herstellung und die Montage der Batterie vereinfacht sind. Dabei können Insbesondere arbeitsintensive Fertigungsschritte wie Verschraubungen oder Verschweißungen eingespart werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine Anordnung zweier elektrochemischer Zellen in einer Explosionsdarstellung, wobei zwei Polkontakte mittels einer Verbindungsvorrichtung elektrisch leitfähig verbunden sind und
2 die mittels der Verbindungsvorrichtung elektrisch leitfähig verbundenen Polkontakte in einer Schnittdarstellung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch einen Zellverbund Z, welcher eine Mehrzahl von elektrochemischer Zellen 1 umfasst, die im hier gezeigten Beispiel als Rundzellen ausgebildet sind. Die Zellverbund Z ist beispielsweise zur Verwendung in einer Batterie, insbesondere in einer Hoch-Volt-Batterie mit Lithiumzellchemie in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Die im Wesentlichen zylindrisch ausgebildete elektrochemische Zelle 1 weist endseitig zwei Polkontakte 1.1 auf, die in axialer Richtung A hervor ragen.
Zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung ist jeder Polkontakt 1.1 kraftschlüssig mit jeweils einem Verbindungselement 2 verbunden. Das Verbindungselement 2 ist aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer gefertigt und weist ein Ringsegment 2.1 in Form eines offenen Rings auf. Dadurch kann beim Aufsetzen des Verbindungselements 2 auf den Polkontakt 1.1 das Ringsegment 2.1 in radialer Richtung geringfügig geweitet werden, so dass eine radial nach innen wirkende Rückstellkraft resultiert, welche zur kraftschlüssigen Verbindung mit dem Polkontakt 1.1 geeignet ist. Dem Ringsegment 2.1 ist eine Vielzahl von Klemmelementen 2.2 angeformt, welche vom Ringsegment 2.1 im Wesentlichen in axialer Richtung A, also senkrecht zur Kreisebene des Ringsegments 2.1, vorstehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die vorstehenden Klemmelemente 2.2 im unbelasteten Zustand bezüglich der axialen Richtung A leicht geneigt angeordnet, so dass beim Aufstecken auf den Polkontakt 1.1 vom Klemmelement 2.2 selbst eine federnde Rückstellkraft auf den Polkontakt 1.1 ausübbar ist.
Die Klemmelemente 2.2 liegen kraftschlüssig am Polkontakt 1.1 an, so dass die elektrische leitfähige Kontaktierung der Polkontakte 1.1 sichergestellt ist. Dabei erlaubt die kraftschlüssige Verbindung zwischen Polkontakt 1.1 und Verbindungselement 2 eine relative Verschiebung in axialer Richtung A, so dass fertigungsbedingte Höhentoleranzen der Polkontakte 1.1 ausgleichbar sind.
An der den Klemmelementen 2.2 abgewandten Seite des Ringsegments 2.1 ist eine Vielzahl von Kontaktelementen 2.3 angeordnet, welche durch eine elektrisch isolierende Trägerplatte 3, die mehrere Verbindungselemente 2 miteinander verbindet, durchgeführt sind. Die Trägerplatte 3 trägt auf der den Verbindungselementen 2 abgewandten Seite einen Verbindungssteg 4, welcher beispielsweise aus Kupfer gefertigt ist und mit zwei Verbindungselementen 2 verbunden ist, so dass die beiden hier beispielhaft dargestellten und im Zellverbund Z benachbarten elektrochemischen Zellen 1 elektrisch leitend in Serie geschaltet sind. In einem alternativen Ausführungsbeispiel dient eine Verbindungsvorrichtung 5, welche aus zumindest zwei der Verbindungselemente 2, dem Verbindungssteg 4 und der Trägerplatte 3 gebildet ist, zur Parallelverschaltung der elektrochemischen Zellen 1 des Zellverbunds Z.
Um eine elektrisch gut leitfähige Verbindung zwischen den durch die Trägerplatte 3 geführten Kontaktelementen 2.3 und dem Verbindungssteg 4 sicherzustellen, sind die Kontaktelemente 2.3 in den Verbindungssteg 4 eingepresst. Alternativ oder zusätzlich können die Kontaktelemente 2.3 mit dem Verbindungssteg 4 verschweißt und/oder verlötet sein.
Aus Sicherheitsgründen und zur Reduzierung von Korrosion ist jeweils um einen der Polkontakte 1.1 der elektrochemischen Zelle 1 und dem darauf aufgesteckten Verbindungselement 2 ein elektrisch isolierendes und im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildetes Schutzelement 6 angeordnet.
2 zeigt die Verbindungsvorrichtung 5 in einer Schnittdarstellung. Die Verbindungsvorrichtung 5 und insbesondere die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement 2 und dem Polkontakt 1.1 ist besonders dazu geeignet, fertigungsbedingte Toleranzen, bei denen die benachbarten elektrochemischen Zellen 1 und/oder deren Polkontakte 1.1 in axialer Richtung A leicht versetzt angeordnet sind, auszugleichen.
Bezugszeichenliste

1: elektrochemische Zelle
1.1: Polkontakt
2: Verbindungselement
2.1: Ringsegment
2.2: Klemmelement
2.3: Kontaktelement
3: Trägerplatte
4: Verbindungssteg
5: Verbindungsvorrichtung
6: Schutzelement
A: axiale Richtung
Z: Zellverbund

Claims

Verbindungselement (2) zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung eines Polkontakts (1.1) einer elektrochemischen Zelle (1), gekennzeichnet durch ein Ringsegment (2.1) in Form eines offenen Rings, welcher zur Ausbildung einer radial nach innen gerichteten Kraft zur kraftschlüssigen Verbindung mit dem Polkontakt (1.1) ausgebildet ist.
Verbindungselement (2) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von dem Ringsegment (2.1) axial abstehenden Klemmelementen (2.2), die dazu ausgebildet sind, am Polkontakt (1.1) kraftschlüssig anzuliegen, wobei jedes Klemmelement (2.2) vom Ringsegment (2.1) im Wesentlichen in einer axialen Richtung (A) vorsteht, welche senkrecht zur Kreisebene des Ringsegments (2.1) verläuft.
Verbindungselement (2) nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Kontaktelementen (2.3), welche von der den Klemmelementen (2.2) abgewandten Seite des Ringsegments (2.1) in axialer Richtung (A) abstehen.
Verbindungselement (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (2) aus einem Metall gefertigt ist.
Verbindungsvorrichtung (5) zur elektrisch leitfähigen Verbindung zumindest zweier Polkontakte (1.1) elektrochemischer Zellen (1), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungselement (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche in einem vorgebbaren axialen Abstand kraftschlüssig mit zumindest einem der Polkontakte (1.1) verbunden ist.
Verbindungsvorrichtung (5) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (2.3) des Verbindungselements (2) durch eine elektrisch isolierende Trägerplatte (3) hindurchgeführt sind.
Verbindungsvorrichtung (5) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Trägerplatte (3) geführten Kontaktelemente (2.3) auf der dem Verbindungselement (2) abgewandten Seite der Trägerplatte (3) elektrisch leitfähig verbunden sind.
Verbindungsvorrichtung (5) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Polkontakt (1.1) mit jeweils einem Verbindungselement (2) kraftschlüssig verbunden ist und die durch die Trägerplatte (3) geführten Kontaktelemente (2.3) zumindest zweier Verbindungselemente (2) mittels eines Verbindungssteges (4) aus Metall, insbesondere Kupfer elektrisch leitfähig verbunden sind.
Zellverbund (Z), umfassend eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (1), dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Reihen- und/oder Serienschaltung der elektrochemischen Zellen (1) mindestens zwei Polkontakte (1.1) mindestens zweier elektrochemischer Zellen (1) mittels einer Verbindungsvorrichtung (5) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8 elektrisch leitfähig verbunden sind.
Batterie, insbesondere Fahrzeugbatterie mit einem Zellverbund (Z) nach Anspruch 9.