DE102012207616B4

DE102012207616B4 - Verfahren zum Messen des elektrischen Widerstands von Verbindungen

Info

Publication number: DE102012207616B4
Application number: DE102012207616.6A
Authority: DE
Inventors: Leonid C. Lev; Nikolay Kondratyev
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: DE102012207616A1; CN102778608A; US20120290228A1; US8531305B2; CN102778608B

Abstract

Verfahren zum Messen des elektrischen Widerstands einer Verbindung (24, 224, 274), welches umfasst, dass:ein erster elektrischer Strom zwischen einem ersten Ende (36, 236, 286) eines ersten Elements (12, 212, 262) der Verbindung (24, 224, 274) und einem ersten Ende (38, 238, 288) eines zweiten Elements (20, 220, 270) der Verbindung (24, 224, 274) bereitgestellt wird;eine erste elektrische Spannung zwischen einem zweiten Ende (37, 237, 287) des ersten Elements (12, 212, 262) und einem zweiten Ende (39, 239, 289) des zweiten Elements (20, 220, 270) gemessen wird;wobei das erste Ende (36, 236, 286) und das zweite Ende (37, 237, 287) des ersten Elements (12, 212, 262) an entgegengesetzten Seiten der Verbindung (24, 224, 274) gelegen sind und das erste Ende (38, 238, 288) und das zweite Ende (39, 239, 289) des zweiten Elements (20, 220, 270) an entgegengesetzten Seiten der Verbindung (24, 224, 274) gelegen sind; undaus dem bereitgestellten ersten Strom und der gemessenen ersten Spannung ein erster Verbindungswiderstand der Verbindung (24, 224, 274) berechnet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Messen des elektrischen Widerstands einer Verbindung. Solche Verfahren zum Messen des elektrischen Widerstands einer Verbindung sind grundsätzlich bekannt, siehe hierzu beispielsweise die Druckschriften JP 2000 - 207 956 A oder DE 15 16 921 C .
HINTERGRUND
Zahlreiche Vorrichtungen werden mit Verbindungen montiert oder gefertigt, die zwei oder mehrere Bauteile miteinander verbinden. Fahrzeuge, und insbesondere Hybridfahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge, umfassen Batterien zur Speicherung von elektrischer Energie. Die wiederaufladbare(n) Batterie(n) können Leistung bereitstellen, der für den Fahrzeugantrieb verwendet wird. Darüber hinaus können die Batterien auch dazu verwendet werden, Leistung für den Betrieb von Zusatzeinrichtungen und für die Funktionen des Startens, der Beleuchtung und der Zündung des Fahrzeugs bereitzustellen.
Moderne Fahrzeuge enthalten eine große Anzahl von Bauteilen. Viele dieser Bauteile enthalten mehrere Elemente auf Unterbauteil-Ebene, die miteinander verbunden oder zusammengefügt sind. Ein Bauteil, welches verbundene Elemente enthält, wird üblicherweise als zusammengefügtes Bauteil bezeichnet.
KURZFASSUNG
Es wird ein Verfahren zum Messen des elektrischen Widerstands einer Verbindung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst, dass ein erster Strom zwischen einem ersten Ende eines ersten Elements der Verbindung und einem ersten Ende eines zweiten Elements der Verbindung bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst, dass eine erste Spannung zwischen einem zweiten Ende des ersten Elements und einem zweiten Ende des zweiten Elements gemessen wird. Das erste Ende des ersten Elements und das erste Ende des zweiten Elements befinden sich jeweils auf der anderen Seite der Verbindung dem zweiten Ende des ersten Elements bzw. dem zweiten Ende des zweiten Elements gegenüberliegend. Somit trennt die Verbindung das erste und das zweite Element und definiert außerdem die ersten und zweiten Enden. Das Verfahren umfasst außerdem, dass aus dem bereitgestellten ersten Strom und der gemessenen ersten Spannung ein erster Verbindungswiderstand der Verbindung berechnet wird.
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich mit größerer Deutlichkeit aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der besten Umsetzungsarten der Erfindung und anderer Ausführungsformen derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 ist eine schematische, isometrische Ansicht eines Abschnitts einer Mehrzellenbatterie mit einer Mehrzahl von aus Schweißlinsen geformten Verbindungen,
2A ist eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Batteriezelle ähnlich jener, die in 1 gezeigt ist, jedoch mit einer Ein-Fahnen-Auslegung;
2B ist eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Batteriezelle ähnlich jener, die in 1 gezeigt ist, und mit einer Drei-Fahnen-Auslegung;
3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Algorithmus oder Verfahrens zum Prüfen des Widerstands von Schweißpunkten in einer Mehrzellenbatterie, wie beispielsweise jener, die in 1 gezeigt ist;
4A ist eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer mechanischen Verbindung, die durch eine Schraube oder einen Niet gebildet ist;
4B ist eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer mechanischen Verbindung, die durch Clinchen gebildet ist.

BESCHREIBUNG
In den Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszahlen über die verschiedenen Figuren hinweg auf gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen, ist in 1 ein Abschnitt einer Mehrzellenbatterie 10 für ein Fahrzeug (nicht gezeigt) dargestellt. Die Batterie 10 umfasst eine Mehrzahl von Verbindungen zwischen Bauteilen. Eine jede der Verbindungen umfasst eine Mehrzahl von ersten Elementen oder ersten Seiten, wie beispielsweise die Buselemente 12 (von denen nur eines in 1 gezeigt ist), und eine Mehrzahl von zweiten Elementen oder zweiten Seiten, wie beispielsweise die Batteriezellen 14. Die ersten und zweiten Elemente befinden sich an entgegengesetzten Seiten der Verbindung und die Bezeichnung ‚erste‘ oder ‚zweite‘ ist nicht einschränkend. Die Batteriezellen 14 können einzeln als eine erste Zelle 15, eine zweite Zelle 16 und eine dritte Zelle 17 bezeichnet sein. Merkmale und Bauteile, welche in anderen Figuren gezeigt sind, können in die in 1 gezeigten integriert sein und zusammen mit diesen verwendet werden.
Das gezeigte Buselement 12 kann als ein gemeinsamer Bus oder U-Kanal bezeichnet werden. Die gesamte Batterie 10, oder Abschnitte davon, können alternativ auch als eine Batteriegruppe bezeichnet werden. Darüber hinaus kann eine jede der ersten bis dritten Zellen 15, 16, 17 so ausgelegt sein, dass sie als einzelne Batterien betrieben werden, die anschließend kombiniert und so angeordnet werden, dass sie spezifische Merkmale für die Batterie 10 bereitstellen, die den Anforderungen der spezifischen Hybridfahrzeuge oder Hybrid-Elektrofahrzeuge entsprechen, in welche die Batterie 10 eingebaut werden kann. Wie hier beschrieben, sind die Befestigungen für nur eine Seite des Buselements 12 zur Gänze gezeigt und jede Seite des Buselements 12 kann mit weniger oder mit mehr Batteriezellen 14 als hier gezeigt in Verbindung stehen. Die exakten Auslegungen der Abschnitte der in den Figuren gezeigten Batterie 10 dienen nur der Veranschaulichung.
Die Batteriezellen 14 sind durch eine Mehrzahl von Fahnen 20, die sich an den zweiten Elementen der Verbindungen befinden, an dem Buselement 12 angebracht. Die erste, zweite und dritte Zelle 15, 16 und 17 umfassen jeweils eine erste Fahne 21, eine zweite Fahne 22 und eine dritte Fahne 23. Eine jede der Batteriezellen 14 und der Fahnen 20 können im Wesentlichen identisch sein, so dass jede beliebige einzelne Batteriezelle 14 als erste, zweite oder dritte bezeichnet werden kann.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Buselement 12 und den Fahnen 20 erfolgt durch eine Mehrzahl von Schweißverbindungen 24. Bei den Schweißverbindungen 24 handelt es sich um zusammengesetzte Verbindungen, die aus den einzelnen Schweißlinsenverbindungen gebildet sind. Spezifische Schweißverbindungen 24 können als ein erster Schweißstapel 25, ein zweiter Schweißstapel 26 und ein dritter Schweißstapel 27 bezeichnet werden. Mehr oder weniger Schweißverbindungen 24 können dazu verwendet werden, um die Fahnen 20 elektrisch mit dem Buselement 12 zu verbinden.
In 2A und 2B, auf welche nun nebst weiterer Bezugnahme auf 1 Bezug genommen wird, sind zwei Seitenansichten von Abschnitten der Batterien 10 gezeigt, die dem in 1 gezeigten Abschnitt der Batterie 10 ähneln. 2A zeigt eine Seitenansicht einer Ein-Fahnen-Auslegung, bei welcher die Fahne 20 direkt an das Buselement 12 angeschweißt ist, so dass die Schweißverbindung 24 nur eine Schweißlinse 30 aufweist. 2B zeigt eine Seitenansicht einer Drei-Fahnen-Auslegung, bei welcher drei Fahnen 20 alle direkt an das Buselement 12 angeschweißt sind, so dass die Schweißverbindung 24 drei Schweißlinsen 30, eine erste Schweißlinse 31, eine zweite Schweißlinse 32 und eine dritte Schweißlinse 33, aufweist. Merkmale und Bauteile, welche in anderen Figuren gezeigt sind, können in die in 2A und 2B gezeigten integriert sein und zusammen mit diesen verwendet werden.
Obwohl sie hier als separat identifizierbare Komponenten veranschaulicht sind, können die Schweißlinsen 30 allgemein als Schmelzzonen zwischen den benachbarten Fahnen 20 betrachtet werden. Weiterhin können benachbarte Fahnen 20 während der Montage zusammengedrückt werden, so dass eine Seitenansicht nicht unbedingt die einzelnen Schweißlinsen 30 zwischen den Fahnen 20 zeigen würde. Die Schweißlinsen 30 können von unterschiedlicher Dicken- und Flächenabmessung sein und können durch Widerstandsschweißen, Ultraschallschweißen oder ein anderes geeignetes Schweißverfahren gebildet werden. Die einzeln für sich genommenen Schweißlinsen 30 oder die Schweißverbindungen 24 können auch als Verbindungen oder Schweißverbindungen bezeichnet werden.
Die Schweißlinsen 30 können einzeln gemessen und auf Verbindungsintegrität hin geprüft werden oder die Schweißverbindungen 24 können auf ihre Gesamt-Verbindungsintegrität hin geprüft werden.
Wie in 2A gezeigt, weist das Buselement 12 ein erstes Ende 36 und ein zweites Ende 37 auf, die an entgegengesetzten Seiten der Schweißlinse 30 angeordnet sind. In ähnlicher Weise weist die Fahne 20 ein erstes Ende 38 und ein zweites Ende 39 auf, die ebenfalls an entgegengesetzten Seiten der Schweißlinse 30 angeordnet sind. Das erste Ende 36 des Buselements 12 und das erste Ende 38 der Fahne 20 befinden sich jeweils auf derselben Seite der Schweißlinse 30. Die Lage der Schweißlinse 30, oder der anderen Verbindungsarten, definiert die relative Lage der ersten Enden 36, 38 und der zweiten Enden 37, 39. Daher befinden sich die ersten Enden 36, 38 (gemäß der Darstellung in den Figuren) unterhalb der Verbindung und befinden sich die zweiten Enden 37, 39 (gemäß der Darstellung in den Figuren) über der Verbindung.
Die Batteriezelle 14 (in 2A nicht gezeigt) oder die Fahne 20 ist mit einer Stromquelle 42 verbunden, welche einen Strom über (als gestrichelte Linien gezeigte) Drähte oder Leiter zwischen dem ersten Ende 36 des Buselements 12 und dem ersten Ende 38 der Fahne 20 bereitstellt. Um zwischen dem ersten Ende 36 des Buselements 12 und dem ersten Ende 38 der Fahne 20 zu fließen, fließt der Strom durch die Schweißlinse 30 hindurch. Die Stromquelle 42 kann eine Spannungsquelle und einen Präzisionswiderstand umfassen. Daher kann die Stromquelle 42 auch eine Spannung mit einem gesteuerten Widerstand zwischen dem ersten Ende 36 des Buselements 12 und dem ersten Ende 38 der Fahne 20 bereitstellen. Ein erster Spannungsmesser 44 misst eine Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Ende 37 des Buselements 12 und dem zweiten Ende 39 der Fahne 20.
Aus dem Strom und der gemessenen Spannung ist es möglich, den Widerstand der Schweißlinse 30 zu berechnen. Der berechnete Widerstand kann über die Qualität der Schweißlinse 30 Aufschluss geben. Wenn beispielsweise die Schweißlinse 30 keine durchgehende Verschmelzung zwischen der Fahne 20 und dem Buselement 12 umfasst, kann der Fluss des Stroms von der Fahne 20 zu dem Buselement 12 erschwert sein, was bewirkt, dass sich der berechnete Widerstand erhöht. Ist darüber hinaus die Schweißlinse 30 gebrochen oder weist sie eine merkliche Rissbildung auf, so kann sich auch der berechnete Widerstand in großem Ausmaß erhöhen.
Bei der in 2B gezeigten Drei-Fahnen-Auslegung kann es sich um dieselbe Auslegung der Batterie 10 handeln, die auch in 1 gezeigt ist. Die in 2B gezeigte Schweißverbindung 24 umfasst die erste Schweißlinse 31, die zweite Schweißlinse 32 und die dritte Schweißlinse 33. Bei der Schweißverbindung 24 kann es sich um einen beliebigen aus dem ersten Schweißstapel 25, dem zweiten Schweißstapel 26 und dem dritten Schweißstapel 27 handeln, die in 1 gezeigt sind.
Die erste Fahne 21 weist ein erstes Ende 38 und ein zweites Ende 39 auf, die an entgegengesetzten Seiten der ersten Schweißlinse 31 angeordnet sind. Das erste Ende 36 des Buselements 12 und das erste Ende 38 der ersten Fahne 21 befinden sich jeweils auf derselben Seite der ersten Schweißlinse 31. In ähnlicher Weise weist die zweite Fahne 22 ein erstes Ende 38 und ein zweites Ende 39 auf, die an entgegengesetzten Seiten der zweiten Schweißlinse 32 angeordnet sind, und weist die dritte Fahne 23 ein erstes Ende 38 und ein zweites Ende 39 auf, die an entgegengesetzten Seiten der dritten Schweißlinse 33 angeordnet sind.
Die Stromzufuhr 42 ist mit dem jeweils ersten Ende 38 der ersten Fahne 21, der zweiten Fahne 22 und der dritten Fahne 23 verbunden. Ein erster Strom (I₁) wird durch die Stromzufuhr 42 zwischen dem ersten Ende 36 des Buselements 12 und dem ersten Ende 38 der ersten Fahne 21 bereitgestellt. In ähnlicher Weise wird ein zweiter Strom (I₂) durch die Stromzufuhr 42 zwischen dem ersten Ende 36 des Buselements 12 und dem ersten Ende 38 der zweiten Fahne 22 bereitgestellt und wird ein dritter Strom (I₃) durch die Stromzufuhr 42 zwischen dem ersten Ende 36 des Buselements 12 und dem ersten Ende 38 der dritten Fahne 23 bereitgestellt. Der erste Strom, der zweite Strom und der dritte Strom können im Wesentlichen gleich sein, so dass ein jeder ungefähr ein Drittel eines von der Stromzufuhr 42 bereitgestellten Stapel-Gesamtstroms (I) ausmacht. $I_{1} = I_{2} = I_{3} = I / 3$
Der erste Spannungsmesser 44 misst eine erste Spannung (V₁) zwischen dem zweiten Ende 37 des Buselements 12 und dem zweiten Ende 39 der ersten Fahne 21. Ein zweiter Spannungsmesser 46 ist an dem zweiten Ende 37 des Buselements 12 und dem zweiten Ende 39 der zweiten Fahne 22 angebracht und misst eine zweite Spannung (V₂) zwischen diesen. Ein dritter Spannungsmesser 48 ist an dem zweiten Ende 37 des Buselements 12 und dem zweiten Ende 39 der dritten Fahne 23 angebracht und misst eine dritte Spannung (V₃) zwischen diesen.
Elektrischer Stromfluss in metallischen Leitern erfolgt durch Elektronenfluss. Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Stromfluss durch einen Leiter zwischen zwei Punkten direkt proportional zu der Potenzialdifferenz zwischen den beiden Punkten ist. Der Proportionalitätsfaktor verhält sich invers zu dem Widerstand zwischen den beiden Punkten.
Der Stromfluss in metallischen Leitern unterliegt üblicherweise dem Ohmschen Gesetz. Daher ist das Verhältnis zwischen der Spannung und dem an einen metallischen Leiter oder einen Satz von Leitern angelegten Strom, der durch diese Spannung verursacht wird, konstant, und kann als der Wirkwiderstand des Leitersatzes gegenüber der angelegten Spannung oder dem angelegten Strom bezeichnet werden.
Aus dem Stapel-Gesamtstrom und aus der jeweils gemessenen ersten, zweiten und dritten Spannung kann jeweils der Widerstand der ersten, zweiten und dritten Schweißlinse 31, 32 und 33 berechnet werden. Ein erster Linsenwiderstand (R₁₂) ist der nur an der ersten Schweißlinse 31 ermittelte Widerstand zwischen der ersten Fahne 21 und der zweiten Fahne 22. Ein zweiter Linsenwiderstand (R₂₃) ist der nur an der zweiten Schweißlinse 32 ermittelte Widerstand zwischen der zweiten Fahne 22 und der dritten Fahne 23. Ein dritter Linsenwiderstand (R_3b) ist der nur an der dritten Schweißlinse 33 ermittelte Widerstand zwischen der dritten Fahne 23 und dem Buselement 12. Der erste, der zweite und der dritte Linsenwiderstand können als drei Unbekannte in drei Gleichungen bestimmt oder berechnet werden. $V_{1} = I * (1 / 3 * R_{12} + 2 / 3 * R_{23} + R_{3 b})$
$V_{2} = I * (2 / 3 * R_{23} + R_{3 b})$
$V_{3} = I * (R_{3 b})$
Die einzelnen Widerstände einer jeden der ersten Schweißlinse 31, der zweiten Schweißlinse 32 und der dritten Schweißlinse 33 können mit einem Schweißnaht-Qualitätsbereich mit einem vorbestimmten Linsen-Minimalwiderstand und einem vorbestimmten maximalen Linsenwiderstand verglichen werden. Die Vergleichsergebnisse können anschließend an einen Empfänger ausgegeben werden, bei dem es sich, ohne einschränkenden Charakter, beispielsweise um Computer-Protokollierungsdaten, einen Bediener, der die Batterie 10 oder Abschnitte davon prüft, oder um einen automatisierten Test- und Ausleseprozess handeln kann. Die spezifischen Werte für den Schweißnaht-Qualitätsbereich können basierend auf der Art der Batterie 10, den für die Fahnen 20 verwendeten Materialien und der Art des für die Herstellung der Schweißlinsen 30 und der Schweißverbindungen 24 verwendeten Schweißprozesses stark variieren.
Die Ergebnisse der Vergleiche können, als Beispiel ohne einschränkenden Charakter, einen Messfehler, eine mangelbehaftete Verbindung und eine akzeptable Verbindung umfassen. Wenn es sich bei der gemessenen Verbindung um eine Schweißverbindung handelt, können die Ergebnisse der Vergleiche, als Beispiel ohne einschränkenden Charakter, einen Messfehler, eine mangelbehaftete Schweißnaht und eine akzeptable Schweißnaht umfassen. Das Ergebnis des Messfehlers kann ausgegeben werden, wenn der berechnete erste Widerstand unter dem vorgegebenen minimalen Linsenwiderstand liegt. Zwar deutet ein geringer Widerstand im Allgemeinen auf eine Schweißnaht von besserer Qualität hin, es ist jedoch davon auszugehen, dass unterhalb des vorbestimmten Minimalwiderstands ein Testfehler vorliegt, da selbst Schweißnähte bester Qualität den Widerstand nicht unter den Widerstand von beispielsweise den verwendeten Feststoffen abzusenken in der Lage ist.
Das auf eine mangelbehaftete Schweißnaht hindeutende Ergebnis kann ausgegeben werden, wenn der berechnete erste Widerstand über dem vorbestimmten maximalen Linsenwiderstand liegt, wodurch angezeigt wird, dass die Schweißnaht von geringer Qualität ist und der Strom nur schwer durch die Schweißverbindung 24 fließen kann. Das auf eine akzeptable Schweißnaht hindeutende Ergebnis kann ausgegeben werden, wenn der berechnete erste Widerstand über dem vorbestimmten minimalen Linsenwiderstand und unter dem vorbestimmten maximalen Linsenwiderstand liegt, so dass der Widerstand in den Schweißnaht-Qualitätsbereich fällt.
Ein Vergleich der einzelnen Widerstände kann Probleme bei der Fertigung oder beim Zusammenbau der Batterie 10 aufdecken. So kann etwa, als Beispiel ohne einschränkenden Charakter, nach mehreren Tests und Vergleichen festgestellt werden, dass die dritte Schweißlinse 33 häufig nicht zur Gänze ausgeformt ist, und es kann der Schweißprozess entsprechend angepasst werden.
Zusätzlich zu der Auflösung der drei Gleichungen für den Widerstand einer jeden der einzelnen Linsen können die in Klammer angeführten Größen als Widerstandskonstanten für Abschnitte der Schweißverbindung 24 bestimmt werden. Bei einem ersten Schweißstapelwiderstand (RI) handelt es sich um den Gesamtwiderstand der Schweißverbindung 24 und dieser kann Aufschluss über die Gesamtqualität der Schweißverbindung 24 als Ganzes geben. Die Widerstandskonstante für die Schweißverbindung 24 ist nicht der Widerstand irgendeines spezifischen Elements, sondern der gesamte Wirkwiderstand zwischen der ersten Fahne 21 und dem Buselement 12. $V_{1} = I * (R_{1})$
Ein Schweißnaht-Qualitätsbereich kann auch auf die Widerstandskonstante für die gesamte Schweißverbindung 24 angewendet werden, so dass der erste Schweißstapelwiderstand mit einem vorbestimmten minimalen Stapelwiderstand und einem vorbestimmten maximalen Stapelwiderstand verglichen wird. Die einzelnen Widerstände der ersten, zweiten und dritten Schweißlinse 31, 32, 33 können bei der Identifikation spezifischer Fertigungsmängel behilflich sein. Die Widerstandskonstante für die gesamte Schweißverbindung 24 kann jedoch dazu beitragen, im Rahmen der Qualitätssicherung einen erfolgreichen Zusammenbau dieses Abschnitts der Batterie 10 festzustellen. Es kann sein, dass eine jede der Schweißverbindungen 24 funktionieren muss, damit die Batterie 10 die Abnahme passieren kann. In einem solchen Fall kann es unerheblich sein, welche der Schweißlinsen 30 innerhalb der Schweißverbindung 24 fehlerhaft ist.
Bei der Schweißverbindung 24 kann es sich um den in 1 gezeigten, ersten Schweißstapel 25 handeln. In ähnlicher Weise kann unter Bezugnahme auf 1 jeweils dem ersten Schweißstapel 25 bzw. dem zweiten Schweißstapel 26 bzw. dem dritten Schweißstapel 27 die gesamte Strommenge zwischen dem ersten Ende 38 der ersten Fahne 21 und dem ersten Ende 36 des Buselements 12 zugeführt werden. Ein Spannungsmesser kann (ähnlich wie bei dem in 2B gezeigten, ersten Voltmeter 44) oberhalb eines jeden des ersten bis dritten Schweißstapels 25 - 27 mit dem zweiten Ende 39 der ersten Fahne 21 und dem zweiten Ende 37 des Buselements 12 verbunden sein.
Aus dem Gesamtstrom, der jeweils unterhalb des ersten bis dritten Schweißstapels 25 - 27 bereitgestellt wird, und aus der Spannung, die jeweils oberhalb des ersten bis dritten Schweißstapels 25 - 27 gemessen wird, kann für einen jeden des ersten bis dritten Schweißstapels 25 - 27 die Widerstandskonstante bestimmt werden. Darüber hinaus können die Widerstandskonstanten des jeweils ersten bis dritten Schweißstapels 25 - 27 mit dem Schweißnaht-Qualitätsbereich verglichen werden, um festzustellen, ob die Schweißnahtqualität des Gesamtstapels innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt. Da der erste bis dritte Schweißstapel 25 - 27 jeweils einen einfacheren Pfad für den Stromfluss darstellen als direkt zwischen den ungeschweißten Abschnitten der Fahnen 20, können die Fahnen 20 bei der Bestimmung ihres Widerstands so behandelt werden, als ob sie zwischen dem ersten bis dritten Schweißstapel 25 - 27 elektrisch getrennt wären (oder als ob Luftspalte dazwischen vorhanden wären).
3, auf welche nun Bezug genommen wird, zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Algorithmus oder Verfahrens 100 zum zerstörungsfreien Prüfen und Messen von zusammengefügten Bauteilen, wie beispielsweise der in 1 gezeigten Mehrzellenbatterie 10. Die exakte Reihenfolge der Schritte des Algorithmus oder Verfahrens 100, so wie in 3 gezeigt, ist nicht erforderlich. Manche Schritte können neu angeordnet werden, manche Schritte können weggelassen werden und es können auch zusätzliche Schritte hinzugefügt werden. Darüber hinaus kann das Verfahren 100 einen Abschnitt oder eine Subroutine eines anderen Algorithmus oder Verfahrens bilden. 3 zeigt nur ein Diagramm auf hoher Ebene des Verfahrens 100.
Zu Veranschaulichungszwecken kann das Verfahren 100 unter Bezugnahme auf einige der im Zusammenhang mit 1 gezeigten und beschriebenen Elemente und Bauteile beschrieben werden. Es können jedoch zur Umsetzung des Verfahrens 100 und der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung auch andere Bauteile verwendet werden. Jeder beliebige der Schritte kann durch mehrere Bauteile innerhalb eines Steuersystems ausgeführt werden.
Schritt 110: Start.
Das Verfahren 100 kann an einem Start oder Initialisierungsschritt beginnen, in dessen Verlauf das Verfahren 100 die Betriebsbedingungen des zusammengefügten Bauteils oder der Testausrüstung, auf welcher das zusammengefügte Bauteil montiert ist, überwacht. Die Initialisierung kann in Ansprechen auf ein durch eine Bedienperson gegebenes Signal erfolgen.
Schritt 112: Anlegen einzelner Ströme.
Das Verfahren 100 umfasst, dass ein erster Strom zwischen einem ersten Ende eines ersten Elements, wie beispielsweise dem Buselement 12, und dem ersten Ende eines zweiten Elements, wie beispielsweise der ersten Fahne 20, bereitgestellt wird. Wenn das zusammengefügte Bauteil eine Ein-Fahnen-Auslegung aufweist, kann es sich bei dem ersten Strom um den einzigen Strom handeln, der bereitgestellt wird. Bei Mehrkomponenten- oder Mehrfahnen-Auslegungen umfasst das Verfahren 100 jedoch auch, dass der zweite Strom zwischen dem ersten Ende des ersten Elements und dem ersten Ende der zweiten Fahne bereitgestellt wird, und dass der dritte Strom zwischen dem ersten Ende des ersten Elements und dem ersten Ende der dritten Fahne bereitgestellt wird. Der erste Strom, der zweite Strom und der dritte Strom können im Wesentlichen gleich sein, so dass ein jeder ein Drittel des Stapel-Gesamtstroms ausmacht.
Schritt 114: Messen einzelner Spannungen.
Das Verfahren 100 umfasst, dass die erste Spannung zwischen dem zweiten Ende des ersten Elements und dem zweiten Ende des zweiten Elements gemessen wird. Das erste Ende des ersten Elements und das erste Ende des zweiten Elements sind jeweils auf der anderen Seite der ersten Verbindung dem zweiten Ende des ersten Elements bzw. dem zweiten Ende des zweiten Elements gegenüberliegend ausgerichtet, und die jeweils ersten Enden der zweiten Fahne und der dritten Fahne sind ähnlich ausgerichtet. Das Verfahren 100 kann außerdem umfassen, dass die zweite Spannung zwischen dem zweiten Ende des ersten Elements und dem zweiten Ende der zweiten Fahne gemessen wird, und dass die dritte Spannung zwischen dem zweiten Ende des ersten Elements und dem zweiten Ende der dritten Fahne gemessen wird.
Schritt 116: Berechnen einzelner Verbindungswiderstände.
Das Verfahren 100 umfasst, dass aus dem bereitgestellten ersten Strom und der gemessenen ersten Spannung ein erster Verbindungswiderstand der ersten Verbindung berechnet wird. Je nach Auslegung des verbundenen Bauteils kann dies direkt ermittelt werden oder muss dies in Verbindung mit der Berechnung des zweiten Verbindungswiderstands der zweiten Verbindung aus dem bereitgestellten zweiten Strom und der gemessenen zweiten Spannung sowie in Verbindung mit der Berechnung des dritten Verbindungswiderstands der dritten Verbindung aus dem bereitgestellten dritten Strom und der gemessenen dritten Spannung ermittelt werden. Die drei einzelnen Widerstände der ersten, zweiten und dritten Verbindung können bestimmt werden, indem drei Gleichungen für die drei Unbekannten aufgelöst werden.
Wird nur eine einzelne Schweißlinse (d.h. eine einzelne Schweißverbindung) gemessen, so kann der Verbindungswiderstand einfach ein in Ohm gemessener Widerstand sein. Wenn jedoch Mehrfach-Bauteile mehrere einzelne Schweißnähte innerhalb der Gesamtverbindung aufweisen, wie dies bei der Schweißverbindung 24 der Fall ist, so stellt das Spannung/Strom-Verhältnis die Widerstandskonstante der gesamten Verbindung bereit. Die Widerstandskonstante kann auch als Wirkwiderstand bezeichnet werden und ist die Verhältniszahl der ersten Spannung zu dem Stapel-Gesamtstrom. Der hier verwendete Ausdruck „Verbindungswiderstand“ kann sich auf den tatsächlichen Widerstand einer einzelnen Verbindung zwischen zwei Bauteilen beziehen oder kann sich auf den Wirkwiderstand mehrerer Verbindungen zwischen mehreren Bauteilen, die durch das Spannung/Strom-Verhältnis gemessen werden, beziehen.
Schritt 118: Vergleichen einzelner Bereiche.
Das Verfahren 100 umfasst, dass der berechnete erste Widerstand mit dem vorbestimmten minimalen Verbindungswiderstand und dem vorbestimmten maximalen Verbindungswiderstand verglichen wird. Der vorbestimmte maximale Verbindungswiderstand ist größer als der vorbestimmte minimale Verbindungswiderstand. Der zweite Widerstand und der dritte Widerstand können ebenfalls mit dem vorbestimmten minimalen Verbindungswiderstand und dem vorbestimmten maximalen Verbindungswiderstand verglichen werden.
Schritt 120: Ausgeben der Verbindungsergebnisse; Ende.
Das Verfahren 100 umfasst, dass die Ergebnisse des Vergleichs an den Empfänger ausgegeben werden. Wie weiter oben erörtert, können die Ergebnisse umfassen: einen Messfehler, wenn der berechnete erste Widerstand unter dem vorbestimmten minimalen Verbindungswiderstand liegt; eine mangelbehaftete Verbindung, wenn der berechnete erste Widerstand über dem vorbestimmten maximalen Verbindungswiderstand liegt; und eine akzeptable Verbindung, wenn der berechnete erste Widerstand über dem vorbestimmten minimalen Verbindungswiderstand und unter dem vorbestimmten maximalen Verbindungswiderstand liegt.
Das Verfahren 100 kann nach dem Ausgeben der Ergebnisse des Vergleichs mit dem Verbindungsqualitätsbereich enden. Der Endschritt kann einen direkten Rücksprung zum Start darstellen, oder das Verfahren 100 kann warten, bis es wieder aufgerufen wird.
Schritt 122: Berechnen des Stapelwiderstands.
Im Fall der Anwendung auf ein zusammengefügtes Bauteil mit einer Mehrfahnen-Auslegung mit mehreren gestapelten Verbindungen, wie beispielsweise die Mehrzellenbatterie 10 kann das Verfahren 100 umfassen, dass aus dem bereitgestellten Stapel-Gesamtstrom und der gemessenen ersten Spannung ein Schweißstapelwiderstand berechnet wird. Der Stapelwiderstand kann für den ersten Schweißstapel, den zweiten Schweißstapel und den dritten Schweißstapel berechnet werden. Die Schweißstapel können als zusammengesetzte Verbindungen bezeichnet werden.
Schritt 124: Vergleichen des Stapelbereichs.
Das Verfahren kann umfassen, dass der berechnete erste Schweißstapelwiderstand mit dem vorbestimmten minimalen Stapelwiderstand und dem vorbestimmten maximalen Stapelwiderstand verglichen wird. Der vorbestimmte maximale Stapelwiderstand ist größer als der vorbestimmte minimale Stapelwiderstand.
Schritt 126: Ausgeben der Stapelergebnisse; Ende.
Das Verfahren 100 umfasst, dass das Ergebnis des Vergleichs des Schweißstapelwiderstands mit dem Schweißnaht-Qualitätsbereich an den Empfänger ausgegeben wird. Die Ergebnisse können umfassen: Messfehler, mangelbehaftete Schweißnaht und akzeptable Schweißnaht. Zu dem Messfehler kommt es, wenn der berechnete erste Schweißstapelwiderstand unter dem vorbestimmten minimalen Stapelwiderstand liegt. Zu der mangelbehafteten Schweißnaht kommt es, wenn der berechnete erste Schweißstapelwiderstand über dem vorbestimmten maximalen Stapelwiderstand liegt. Zu der akzeptablen Schweißnaht kommt es, wenn der berechnete erste Schweißstapelwiderstand über dem vorbestimmten minimalen Stapelwiderstand und unter dem vorbestimmten maximalen Stapelwiderstand liegt.
In 4A und 4B, auf welche nun nebst weiterer Bezugnahme auf 1 - 3 Bezug genommen wird, sind zwei Ansichten von Bauteilen gezeigt, die durch Verbindungen miteinander verbunden sind. 4A zeigt eine Seitenansicht eines zusammengefügten Bauteils 210, das durch ein Befestigungselement gebildet ist. 4B zeigt eine Querschnittsansicht eines zusammengefügten Bauteils 260, das durch Verformung gebildet ist. 4A und 4B veranschaulichen zusätzliche Verbindungsarten, die zusammen mit den hier beschriebenen Verfahren oder Prozessen verwendet werden können. Merkmale und Bauteile, welche in anderen Figuren gezeigt sind, können in die in 4A und 4B gezeigten integriert sein und zusammen mit diesen verwendet werden.
4A zeigt das zusammengefügte Bauteil mit einem ersten Element 212 und einem zweiten Element 220. Das erste und das zweite Element 212 und 220 sind an entgegengesetzten Seiten einer mechanischen Verbindung 224 definiert. Im Gegensatz zu den in 1, 2A und 2B gezeigten Verbindungen ist bei der mechanischen Verbindung 224 das erste Element 212 und das zweite Element 220 mithilfe eines mechanischen Befestigungselements 230 zusammengefügt, bei dem es sich, als Beispiel ohne einschränkenden Charakter, um eine Schraube oder einen Niet handeln kann. Der hier verwendete Begriff ‚mechanische Verbindung‘ bezieht sich auf Verbindungen, bei denen keine Schweißung und kein metallurgischer Verbund gebildet sind.
Das erste Element 212 weist ein erstes Ende 236 und ein zweites Ende 237 auf, die an entgegengesetzten Seiten des ersten Elements 212 in Bezug auf die mechanische Verbindung 224 angeordnet sind. Ein erstes Ende 238 und ein zweites Ende 239 sind an entgegengesetzten Seiten des zweiten Elements 220 in Bezug auf die mechanische Verbindung 224 angeordnet.
Die Qualität oder Festigkeit der mechanischen Verbindung 224 kann mit deren Widerstand in Beziehung gesetzt werden. Zum Messen des Widerstands der mechanischen Verbindung 224 steht eine Stromquelle 242 mit dem ersten Ende 236 des ersten Elements 212 und dem ersten Ende 238 des zweiten Elements 220 in elektrischer Verbindung. Die Stromquelle 242 schickt einen bekannten (oder messbaren) elektrischen Strom durch die mechanische Verbindung 224. Die Stromquelle 242 kann eine Spannungsquelle und einen Präzisionswiderstand umfassen.
Ein Voltmesser 244 misst eine Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Ende 237 des ersten Elements 212 und dem zweiten Ende 239 des zweiten Elements 220. Aus dem bereitgestellten Strom und der gemessenen Spannung ist es möglich, den Widerstand der mechanischen Verbindung 224 zu berechnen. Der berechnete Widerstand kann über die Qualität der durch das mechanische Befestigungselement 230 gebildeten mechanischen Verbindung 224 Aufschluss geben.
Wenn beispielsweise die mechanische Verbindung 224 keinen ausreichenden Kontakt zwischen dem zweiten Element 220 und dem ersten Element 212 bereitstellt, kann der Fluss des Stroms von dem zweiten Element 220 zu dem ersten Element 212 erschwert sein, was bewirkt, dass sich der berechnete Widerstand erhöht. Ist darüber hinaus das mechanische Befestigungselement 230 gebrochen oder weist es eine merkliche Rissbildung auf, so kann sich auch der berechnete Widerstand in großem Ausmaß erhöhen.
4B zeigt das zusammengefügte Bauteil mit einem ersten Element 262 und einem zweiten Element 270. Das erste und das zweite Element 262 und 270 sind an entgegengesetzten Seiten einer mechanischen Verbindung 274 definiert. Im Gegensatz zu den in 1, 2A und 2B gezeigten Verbindungen ist bei der mechanischen Verbindung 274 das erste Element 262 und das zweite Element 270 mithilfe eines Clinchbereichs 280 zusammengefügt. Alternativ dazu kann der Clinchbereich 280 auch, als Beispiele ohne einschränkenden Charakter, durch einen eingefassten Bereich oder durch andere mechanische Verbindungen ersetzt sein.
Das erste Element 262 weist ein erstes Ende 286 und ein zweites Ende 287 auf, die an entgegengesetzten Seiten des ersten Elements 262 in Bezug auf die mechanische Verbindung 274 angeordnet sind. Ein erstes Ende 288 und ein zweites Ende 289 sind an entgegengesetzten Seiten des zweiten Elements 270 in Bezug auf die mechanische Verbindung 274 angeordnet.
Die Qualität oder Festigkeit der mechanischen Verbindung 274 kann mit deren Widerstand in Beziehung gesetzt werden. Zum Messen des Widerstands der mechanischen Verbindung 274 steht eine Stromquelle 292 mit dem ersten Ende 286 des ersten Elements 262 und dem ersten Ende 288 des zweiten Elements 270 in elektrischer Verbindung. Die Stromquelle 292 schickt einen bekannten (oder messbaren) elektrischen Strom durch die mechanische Verbindung 274. Die Stromquelle 292 kann eine Spannungsquelle und einen Präzisionswiderstand umfassen.
Ein Voltmesser 294 misst eine Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Ende 287 des ersten Elements 262 und dem zweiten Ende 289 des zweiten Elements 270. Aus dem bereitgestellten Strom und der gemessenen Spannung ist es möglich, den Widerstand der mechanischen Verbindung 274 und des Clinchbereichs 280 zu berechnen. Der berechnete Widerstand kann auf die Qualität der durch den Clinchbereich 280 gebildeten mechanischen Verbindung 274 schließen lassen.
Wenn beispielsweise der Clinchbereich 280 keinen ausreichenden Kontakt zwischen dem zweiten Element 270 und dem ersten Element 262 bereitstellt, kann der Fluss des Stroms von dem zweiten Element 270 zu dem ersten Element 262 erschwert sein, was bewirkt, dass sich der berechnete Widerstand erhöht. Ist darüber hinaus der Clinchbereich 280 gebrochen, weist er eine merkliche Rissbildung auf oder weist er merkliche Abstände oder Spalte auf, so kann sich auch der berechnete Widerstand in großem Ausmaß erhöhen.

Claims

Verfahren zum Messen des elektrischen Widerstands einer Verbindung (24, 224, 274), welches umfasst, dass: ein erster elektrischer Strom zwischen einem ersten Ende (36, 236, 286) eines ersten Elements (12, 212, 262) der Verbindung (24, 224, 274) und einem ersten Ende (38, 238, 288) eines zweiten Elements (20, 220, 270) der Verbindung (24, 224, 274) bereitgestellt wird; eine erste elektrische Spannung zwischen einem zweiten Ende (37, 237, 287) des ersten Elements (12, 212, 262) und einem zweiten Ende (39, 239, 289) des zweiten Elements (20, 220, 270) gemessen wird; wobei das erste Ende (36, 236, 286) und das zweite Ende (37, 237, 287) des ersten Elements (12, 212, 262) an entgegengesetzten Seiten der Verbindung (24, 224, 274) gelegen sind und das erste Ende (38, 238, 288) und das zweite Ende (39, 239, 289) des zweiten Elements (20, 220, 270) an entgegengesetzten Seiten der Verbindung (24, 224, 274) gelegen sind; und aus dem bereitgestellten ersten Strom und der gemessenen ersten Spannung ein erster Verbindungswiderstand der Verbindung (24, 224, 274) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin umfasst, dass: der berechnete erste Verbindungswiderstand mit einem vorbestimmten minimalen Verbindungswiderstand verglichen wird; der berechnete erste Verbindungswiderstand mit einem vorbestimmten maximalen Verbindungswiderstand verglichen wird, wobei der vorbestimmte maximale Verbindungswiderstand größer als der vorbestimmte minimale Verbindungswiderstand ist; und ein Ergebnis des Vergleichs an einen Empfänger ausgegeben wird, wobei das Ergebnis umfasst: einen Messfehler, wenn der berechnete erste Verbindungswiderstand unter dem vorbestimmten minimalen Verbindungswiderstand liegt, eine mangelbehaftete Verbindung (24, 224, 274), wenn der berechnete erste Verbindungswiderstand über dem vorbestimmten maximalen Verbindungswiderstand liegt, und eine akzeptable Verbindung (24, 224, 274), wenn der berechnete erste Verbindungswiderstand über dem vorbestimmten minimalen Verbindungswiderstand und unter dem vorbestimmten maximalen Verbindungswiderstand liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Verbindung (24) eine erste Schweißlinse (30, 31) aufweist und der berechnete erste Verbindungswiderstand dem Widerstand der ersten Schweißlinse (30) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erste Element (12, 212, 262) ein Buselement (12) ist und das zweite Element (20, 220, 270) eine erste Fahne (21) einer Batterie ist, und welches weiterhin umfasst, dass: ein zweiter Strom zwischen dem ersten Ende (36) des Buselements (12) und einem ersten Ende (38) einer zweiten Fahne (22) bereitgestellt wird, die zweite Fahne (22) in Bezug auf eine zweite Schweißlinse (32) dem Buselement (12) entgegengesetzt ist; eine zweite Spannung zwischen dem zweiten Ende (37) des Buselements (12) und einem zweiten Ende (39) der zweiten Fahne (22) gemessen wird, wobei das erste Ende (36) des Buselements (12) und das erste Ende (38) der zweiten Fahne (22) in Bezug auf die zweite Schweißlinse (32) entgegengesetzt zu dem zweiten Ende (37) des Buselements (12) und dem zweiten Ende (39) der zweiten Fahne (22) ausgerichtet sind; aus dem bereitgestellten zweiten Strom und der gemessenen zweiten Spannung ein zweiter Linsenwiderstand der zweiten Schweißlinse (32) berechnet wird; ein dritter Strom zwischen dem ersten Ende (36) des Buselements (12) und einem ersten Ende (38) einer dritten Fahne (23) bereitgestellt wird, wobei die dritte Fahne (23) in Bezug auf eine dritte Schweißlinse (33) dem Buselement (12) entgegengesetzt ist; eine dritte Spannung zwischen dem zweiten Ende (37) des Buselements (12) und einem zweiten Ende (39) der dritten Fahne (23) gemessen wird, wobei das erste Ende (36) des Buselements (12) und das erste Ende (38) der dritten Fahne (23) in Bezug auf die dritte Schweißlinse (33) entgegengesetzt zu dem zweiten Ende (37) des Buselements (12) und dem zweiten Ende (39) der dritten Fahne (22) ausgerichtet sind; aus dem bereitgestellten dritten Strom und der gemessenen dritten Spannung ein dritter Linsenwiderstand der dritten Schweißlinse (33) berechnet wird; wobei die zweite Linse (32) im Wesentlichen zwischen der ersten Linse (31) und dem Buselement (12) angeordnet ist und wobei die dritte (33) Linse im Wesentlichen zwischen der zweiten Linse (32) und dem Buselement (12) angeordnet ist, so dass die erste Linse (31), die zweite Linse (32) und die dritte Linse (33) einen ersten Schweißstapel bilden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste Strom, der zweite Strom und der dritte Strom im Wesentlichen gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 5, welches weiterhin umfasst, dass: der erste Strom, der zweite Strom und der dritte Strom aus einem Stapel-Gesamtstrom bereitgestellt wird, so dass die Summe aus dem ersten Strom, dem zweiten Strom und dem dritten Strom dem Stapel-Gesamtstrom entspricht; ein erster Schweißstapelwiderstand aus dem bereitgestellten Stapel-Gesamtstrom und der gemessenen ersten Spannung berechnet wird, wobei der erste Schweißstapelwiderstand dem Wirkwiderstand der ersten bis dritten Fahne (21, 22, 23), der ersten bis dritten Schweißlinse (31, 32, 33) und des Buselements
Verfahren nach Anspruch 6, welches weiterhin umfasst, dass: der berechnete erste Schweißstapelwiderstand mit einem vorbestimmten minimalen Stapelwiderstand verglichen wird; der berechnete erste Schweißstapelwiderstand mit einem vorbestimmten maximalen Stapelwiderstand verglichen wird, wobei der vorbestimmte maximale Stapelwiderstand größer als der vorbestimmte minimale Stapelwiderstand ist; und ein Ergebnis des Vergleichs an den Empfänger ausgegeben wird, wobei das Ergebnis umfasst: einen Messfehler, wenn der berechnete erste Schweißstapelwiderstand unter dem vorbestimmten minimalen Stapelwiderstand liegt, eine mangelbehaftete Schweißnaht, wenn der berechnete erste Schweißstapelwiderstand über dem vorbestimmten maximalen Stapelwiderstand liegt, und eine akzeptable Schweißnaht, wenn der berechnete erste Schweißstapelwiderstand über dem vorbestimmten minimalen Stapelwiderstand und unter dem vorbestimmten maximalen Stapelwiderstand liegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Berechnen des ersten Schweißstapelwiderstands umfasst, dass die gemessene erste Spannung durch den bereitgestellten Stapel-Gesamtstrom dividiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Stapel-Gesamtstrom während des Aufladens der Batteriezelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei es sich bei der Verbindung (24, 224, 274) um eine mechanische Verbindung (224, 274) handelt.