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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Verbinden eines elektrischen Pols einer Batteriezelle mit einem Leiter, welcher zum Kontaktieren eines weiteren elektrischen Pols einer weiteren Batteriezelle ausgelegt ist. Das Werkzeug umfasst eine Messeinrichtung, welche zum Erfassen wenigstens einer Größe ausgelegt ist, die vom elektrischen Potenzial des mit dem Leiter zu verbindenden elektrischen Pols abhängig ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines elektrischen Pols einer Batteriezelle mit einem Leiter.
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Beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen werden Hochvoltbatterien eingesetzt, wobei die von der Batterie gelieferte elektrische Spannung je nach Batterie zwischen 250 Volt und 600 Volt liegen kann. Es kann so bei einem vergleichsweise geringen Strom eine vergleichsweise große elektrische Leistung von der Hochvoltbatterie abgegeben werden, sodass die stromführenden Leitungen einen vergleichsweise geringen Leitungsquerschnitt aufweisen können. Um eine Hochvoltspannung bereitzustellen, wird eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen der Batterie in Reihe geschaltet. Bei der Nickel-Metallhybrid-Technologie liefern nämlich die einzelnen Batteriezellen eine Zellspannung von ca. 1,2 Volt, im Falle von Lithium-Ionen-Batteriezellen von ca. 3,7 Volt. Um eine Reihenschaltung von Batteriezellen zu realisieren, wird ein elektrischer Leiter mit den elektrischen Polen der jeweiligen Batteriezellen verbunden. Dies kann durch Verschrauben oder Verschweißen des Leiters mit den Polen erfolgen.
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Die
DE 43 16 331 A1 beschreibt einen Elektroschrauber mit einer Steuerelektronik und einer Hülse. Wenn die Hülse einen Schraubenvorratsbehälter berührt, so wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Schraubenvorratsbehälter und der Steuerelektronik geschaffen. Jedem Schraubenvorratsbehälter ist ein bestimmtes Drehmoment zugeordnet, sodass das jeweils richtige Drehmoment, mit welchem der Elektroschrauber anschließend die aus dem jeweiligen Schraubenvorratsbehälter stammenden Schrauben anzieht, automatisch ausgewählt wird.
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Die
JP 2004 106 141 A beschreibt ein Schraubwerkzeug, mit dessen Spitze ein elektrisches Potenzial erfassbar ist. Wenn eine Bedienperson das Schraubwerkzeug an einer Schraube ansetzt, welche ein von Null verschiedenes Potenzial aufweist, fängt der Griff des Schraubwerkzeugs an zu vibrieren. So kann auch in einer lauten Arbeitsumgebung die Bedienperson vor dem Kontaktieren von spannungsführenden Schrauben gewarnt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Werkzeug sowie ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welches das Herstellen einer besonders präzisen Verbindung zwischen dem elektrischen Pol einer Batteriezelle und dem elektrischen Leiter ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug umfasst eine Steuerungseinrichtung, mittels welcher in Abhängigkeit von der wenigstens einen erfassten, vom elektrischen Potenzial des elektrischen Pols abhängigen Größe dieser wahlweise auf zumindest eine erste Art oder auf zumindest eine zweite Art mit dem Leiter verbindbar ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei dem Verbinden der elektrischen Pole von Batteriezellen einer Hochvoltbatterie mit dem elektrischen Leiter auf eine hohe Genauigkeit und sichere Durchführung des Verbindungsvorgangs ankommt. Eine schlechte Verbindung des Pols mit dem Leiter kann nämlich zu einem hohen Übergangswiderstand führen. Dies kann im Betrieb der Hochvoltbatterie eine lokale Erwärmung der Batteriezelle zur Folge haben. Dadurch kann die Batteriezelle in ihrer Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt oder gar vollständig zerstört werden. Letzteres kann sogar zu einer Schädigung oder einem Totalausfall der gesamten Hochvoltbatterie führen.
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Mittels der Steuerungseinrichtung können nun vorliegend das Verbinden bestimmende Parameter derart eingestellt werden, dass der anhand seines jeweiligen elektrischen Potenzials identifizierbare elektrische Pol auf die für diesen geeignete Art mit dem Leiter verbunden wird. So lässt sich eine auf den jeweiligen elektrischen Pol zugeschnittene und somit besonders exakte Verbindung desselben mit dem Leiter realisieren. Beim Verbinden des elektrischen Pols mit dem Leiter durch Verschweißen kann das Verbinden auf die erste Art oder auf die zweite Art durch Vorgeben jeweiliger Schweißparameter eingestellt werden.
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Der Leiter braucht nicht notwendigerweise die Pole zweier Batteriezellen miteinander zu verbinden, sondern er kann beispielsweise dazu dienen, wenigstens eine Batteriezelle an einen Verbraucher anzuschließen, etwa an ein Gerät, welches mit elektrischer Energie der Batterie versorgt werden soll.
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Der elektrische Pol kann mit dem elektrischen Leiter auch durch ein Verschrauben dieser beiden Teile miteinander verbunden werden. Entsprechend umfasst das Werkzeug bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Schraubeinheit, wobei mittels der Steuerungseinrichtung für das Verbinden auf die erste Art zumindest ein erster Schraubparameter der Schraubeinheit und für das Verbinden auf die zweite Art zumindest ein zweiter Schraubparameter der Schraubeinheit einstellbar ist. Auf diese Weise kann den unterschiedlichen mechanischen sowie elektrischen Eigenschaften der elektrischen Pole der Batteriezelle Rechnung getragen werden.
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Als Schraubparameter können insbesondere ein Drehmoment, ein Drehwinkel und/oder eine Drehgeschwindigkeit der Schraubeinheit einstellbar sein. So kann besonders genau die für den jeweiligen elektrischen Pol angebrachte Art des Verschraubens vorgegeben werden.
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Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn – wie es bei Lithium-Ionen-Batteriezellen üblicherweise der Fall ist – die beiden elektrischen Pole der Batteriezelle aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Beim Herstellen von Schraubverbindungen dieser aus unterschiedlichen Materialien bestehenden elektrischen Pole einer jeweiligen Batteriezelle kann so mittels der Steuerungseinrichtung das dem jeweiligen Material gemäße Drehmoment aufgrund der vorher erfolgten Erfassung wenigstens einer vom elektrischen Potenzial des Pols abhängigen Größe eingestellt werden. Eine solche Identifizierung des elektrischen Pols und damit einhergehend die Auswahl des geeigneten Drehmoments ist besonders aufwandsarm im Vergleich zu einer Erkennung des Pols anhand optischer Hilfsmittel, etwa durch Bildverarbeitung oder durch Erfassen eines Strichcodes. Durch das Einstellen des jeweils geeigneten Drehmoments kann der Schraubprozess besonders sicher und genau durchgeführt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Messeinrichtung eine Komponente des Werkzeugs, welche zum Verbinden des elektrischen Pols mit dem Leiter mit dem elektrischen Pol in Anlage zu bringen ist. Dann kann besonders rasch, nämlich unmittelbar nach dem In-Anlage-Bringen der Komponente des Werkzeugs mit dem elektrischen Pol, die Art der Verbindung ausgewählt und eingestellt werden.
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Die Messeinrichtung kann des Weiteren ein Kontaktelement umfassen, durch welches ein Bezugspotenzial vorgebbar ist. Dies kann erfolgen, indem das Kontaktelement mit einem von dem zu verbindenden elektrischen Pol verschiedenen Bereich der Batteriezelle oder mit einem weiteren Gegenstand in Kontakt gebracht wird. Beispielsweise kann besonders einfach das elektrische Potenzial des elektrischen Pols der Batteriezelle gegenüber dem Gehäuse als Bezugspotenzial erfasst werden. Zudem ist es beim Handhaben oder automatischen Führen des Werkzeugs, etwa mittels eines Roboters, besonders leicht möglich, mit dem Kontaktelement das Gehäuse der Batteriezelle zu kontaktieren, da sich hier eine vergleichsweise große Angriffsfläche bietet.
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Mittels des Kontaktelements kann jedoch auch ein weiterer elektrischer Pol derselben Batteriezelle kontaktiert werden. Dann ist das Bezugspotenzial nicht das des Gehäuses der Batteriezelle, sondern das des weiteren elektrischen Pols derselben Batteriezelle. Es kann so ein Werkzeug mit einem auf die jeweilige Form der Batteriezelle und die jeweilige Anordnung ihrer beiden elektrischen Pole abgestimmten Kontaktelement zum Einsatz kommen. Insbesondere kann hierbei zugleich festgestellt werden, ob die Batteriezelle die gewünschte Spannung liefert. Im Fehlerfall kann so vor dem Verbinden des elektrischen Pols mit dem Leiter die Batteriezelle ausgetauscht werden.
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Das Kontaktelement kann insbesondere als Messspitze ausgebildet sein, welche aus einem Federstahl besteht. Dann ist eine gute Anlage des Kontaktelements an dem Gehäuse oder an dem weiteren elektrischen Pol der Batteriezelle gewährleistet.
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Die Messeinrichtung kann zum Erfassen einer Polarität des mit dem Leiter zu verbindenden elektrischen Pols ausgelegt sein. So lässt sich besonders rasch und einfach der jeweilige elektrische Pol anhand seiner Polarität identifizieren.
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Die Messeinrichtung kann jedoch auch zum Erfassen eines Absolutwerts des auf ein Bezugspotenzial bezogenen elektrischen Potenzials des mit dem Leiter zu verbindenden elektrischen Pols ausgelegt sein. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn die beiden elektrischen Pole der jeweiligen Batteriezelle bezogen auf das Bezugspotenzial unterschiedliche Absolutwerte des elektrischen Potenzials aufweisen. Dann kann nämlich anhand des Absolutwerts der jeweilige Pol identifiziert werden, und es kann festgestellt werden, ob die jeweiligen Potenzialdifferenzen innerhalb eines vorbestimmten Toleranzintervalls liegen. Auch dies kann dazu herangezogen werden, fehlerhafte Batteriezellen zu identifizieren und auszutauschen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden eines elektrischen Pols einer Batteriezelle mit einem zum Kontaktieren eines weiteren elektrischen Pols einer weiteren Batteriezelle ausgelegten Leiter wird wenigstens eine Größe erfasst, welche vom elektrischen Potenzial des mit dem Leiter zu verbindenden elektrischen Pols abhängt. in Abhängigkeit von der wenigstens einen erfassten Größe wird der elektrische Pol mit dem Leiter wahlweise auf zumindest eine erste Art oder auf zumindest eine zweite Art verbunden. Dadurch, dass die Art des Verbindens auf den anhand seines elektrischen Potenzials identifizierten Pol abgestimmt wird, kann eine besonders exakte Verbindung des Pols mit dem elektrischen Leiter sichergestellt werden.
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Die für das erfindungsgemäße Werkzeug beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt schematisch ein Schraubwerkzeug, mittels welchem eine Stromschiene mit einem elektrischen Pol einer Batteriezelle verschraubt wird, wobei das Drehmoment, mit welchem hierbei eine Schraube angezogen wird, in Abhängigkeit vom Potenzial des elektrischen Pols eingestellt wird.
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Ein in der Figur gezeigtes Schraubwerkzeug 10 umfasst einen Griff 12 und einen Schraubkopf 14. Der Schraubkopf 14 dient zum Anziehen einer Schraube, mittels welcher ein auch als Terminal bezeichneter elektrischer Pol 16 einer Batteriezelle 18 mit einer Stromschiene verbunden wird. Die Stromschiene verbindet die Pole 16 von in elektrisch in Reihe oder parallel zu schaltenden Batteriezellen 18 einer Hochvoltbatterie 20.
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Die Batteriezellen 18 sind als Lithium-Ionen-Zellen der Hochvoltbatterie 20 ausgebildet, welche insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug vorgesehen ist. Die Hochvoltbatterie 20 stellt hierbei elektrische Energie für wenigstens einen Antriebsmotor des Fahrzeugs bereit. Um eine entsprechend hohe Spannung der Hochvoltbatterie 20 zu realisieren, wird eine Vielzahl von Batteriezellen 18 in Reihe geschaltet. Dies geschieht durch das Verbinden der elektrischen Pole 16 der Batteriezellen 18 miteinander über die Stromschienen.
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Der positive elektrische Pol, also die Kathode der Batteriezelle 18, besteht bei der Lithium-Ionen-Zelle aus Aluminium, und die Anode, also der negative elektrische Pol der Batteriezelle 18, aus Kupfer. Aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften dieser Materialien sind jeweils unterschiedliche Drehmomente beim Verschrauben der Pole 16 mit den Stromschienen vorzusehen.
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Vorliegend wird hierfür zunächst das elektrische Potenzial des jeweils zu verschraubenden elektrischen Pols 16 gemessen. Anhand des Potenzials wird erkannt, ob gerade der positive elektrische Pol oder der negative elektrische Pol der Batteriezelle 18 verschraubt werden soll. Zum Erfassen des elektrischen Potenzials weist das Schraubwerkzeug 10 eine Messspitze 22 auf, welche das Gehäuse der Batteriezelle 18 kontaktiert, während der Schraubkopf 14 mit dem elektrischen Pol 16 der Batteriezelle 18 in Anlage ist. Die Messspitze 22 kann aus einem Federstahl gebildet sein, um besonders leicht und sicher das Gehäuse der Batteriezelle 18 kontaktieren zu können.
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Ein in das Schraubwerkzeug 10 integrierter Mikrocontroller 24 wertet das Messergebnis dieser Spannungsmessung aus und gibt das für den jeweiligen elektrischen Pol 16 vorzusehende Solldrehmoment vor. Dann wird die Schraube mit dem für das jeweilige Material des elektrischen Pols 16 vorgesehenen Drehmoment angezogen. So wird eine gute, einen besonders geringen elektrischen Widerstand aufweisende Verbindung des jeweiligen elektrischen Pols 16 mit der Stromschiene sichergestellt. Zusätzlich oder alternativ zum Solldrehmoment kann auch ein Soll-Drehwinkel oder eine Soll-Schraubgeschwindigkeit beim Verschrauben des elektrischen Pols 16 mit der Stromschiene vorgegeben werden.
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Da bei Lithium-Ionen-Zellen jeder der beiden elektrischen Pole 16 einer Batteriezelle 18 im Bezug auf das Gehäuse der Batteriezelle 18 eine unterschiedliche Potenzialdifferenz aufweist, kann anhand der Spannung, welche zwischen dem Schraubkopf 14 und der Messspitze 22 anliegt, sehr einfach der jeweilige elektrische Pol 16 identifiziert werden. Zudem kann so festgestellt werden, ob die jeweiligen Potenzialdifferenzen innerhalb vorgegebener Toleranzintervalle liegen. Daraus kann auf die Qualität der Batteriezelle 18 rückgeschlossen werden, bevor deren Pol 16 mit der Stromschiene verbunden wird.
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In einer alternativen Ausführungsformen kann auch die Spannung zwischen den beiden elektrischen Polen 16 einer jeweiligen Batteriezelle 18 erfasst und so das für den jeweiligen elektrischen Pol 16 vorzusehende Drehmoment eingestellt werden, mit welchem die Schrauben angezogen werden.
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Es kann auch direkt über den Schraubkopf 14 bezogen auf ein durch das Schraubwerkzeug 10 bereitgestelltes Bezugspotenzial die an dem jeweiligen elektrischen Pol 16 anliegende Spannung erfasst und so das Solldrehmoment eingestellt werden.
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Das Drehmoment, mit welchem die Schraube angezogen wurde, kann dann für den jeweiligen Pol 16 einer jeden Batteriezelle 18 dieser Batteriezelle 18 zugeordnet werden. Hierfür kann eine Identifizierung der jeweiligen Batteriezelle 18 anhand eines Strichcodes oder eines Matrixcodes vorgenommen werden. Dann stehen die der jeweiligen Batteriezelle 18 zugeordneten, das Verbinden der elektrischen Pole 16 derselben mit der Stromschiene betreffenden Daten für einen späteren Abruf oder eine Auswertung zur Verfügung.
