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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum elektrischen Verbinden von zwei Batteriezellen oder Batteriemodulen, wobei das Verbindungselement zwei Laschen, die jeweils in einem Befestigungsbereich an einer Batteriezelle oder einem Batteriemodul befestigbar sind, und einen zwischen den zwei Laschen angeordneten flexiblen Bereich umfasst, der ein wellenförmiges Profil aufweist und sich in der Längsrichtung des Verbindungselementes erstreckt. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Verbindungselements zum elektrischen Verbinden von zwei Batteriezellen oder Batteriemodulen. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit mehreren Batteriezellen und/oder mehreren Batteriemodulen, die jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen, wobei mindestens zwei Batteriezellen und/oder mindestens zwei Batteriemodule mittels eines Verbindungselementes miteinander verbunden sind.
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Stand der Technik
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Um das Spannungsniveau oder die Stromstärke von Lithium-Ionen-Akkumulatoren beziehungsweise wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen, werden einzelne Akkumulatorzellen beziehungsweise Batteriezellen in Reihe oder parallel miteinander zu Batteriemodulen verbunden. Diese Batteriemodule können dann wiederum untereinander verbunden werden. Die Verbindung wird typischerweise mit Hilfe von Zell- beziehungsweise Modulverbindern, die im Folgenden als Verbinder oder Verbindungselemente bezeichnet werden, bewerkstelligt.
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In der 1 ist ein solcher, aus dem Stand der Technik bekannter Verbinder 10 dargestellt. Dabei kann der Verbinder 10 jeweils als Doppellasche mit einem in Form einer Doppelwelle ausgebildeten flexiblen Bereich 40 ausgeführt sein. Die Doppellasche umfasst eine erste Lasche 20 und eine zweite Lasche 30, und der flexible Bereich 40 erstreckt sich entlang der Längsrichtung des Verbinders 10 zwischen der ersten Lasche 20 und der zweiten Lasche 30. Die Laschen 20, 30 werden auf den Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen jeweils in einem Befestigungsbereich 21, 31 mittels einer Schnittstelle (nicht dargestellt) beispielsweise durch Schauben oder durch Schweißen befestigt. Die Länge l der Laschen ist abhängig von der Einbauposition. Der Querschnitt des Verbinders 10 ist gewöhnlich in der Regel über seine gesamte Länge, die sich in der 1 entlang der x-Richtung erstreckt, gleich. Die Breite des Verbinders 10 erstreckt sich in der 1 entlang der y-Richtung. Der Vollständigkeit halber wird in der 1 auch die z-Richtung eingezeichnet.
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Ferner ist aus dem Dokument
DE 10 2010 043 885 A ein Akkupack bekannt, dessen Zellen mittels mehrerer Zellverbindungsflachleiter verbunden sind. Die Zellverbindungsflachleiter werden vorzugsweise in Form eines Stanzgitters aus einem Nickelblech oder einem Metall- oder Legierungsblech mit Nickelüberzug, beispielsweise einem Stahlblech mit Nickelüberzug, realisiert. Die Zellenverbindungsflachleiter sind flach beziehungsweise eben ausgeführt und werden an den Zellen entsprechend ebenmäßig angeordnet.
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Der herkömmliche Akkupack umfasst auch mehrere Zuleitungsflachleiter. Diese sind vorzugsweise als flexible Leiterplatten ausgebildet. Die Zuleitungsflachleiter sind ferner an ihrem Kontaktabschnitt durch Schraub- oder Schweißverbindungen mit den Zellterminals verbunden und dienen als Senseleitungen. Dabei können die Zuleitungsflachleiter dicker als die Zellverbindungsflachleiter sein, beispielsweise um mindestens den Faktor 2 bis 3, und ermöglichen, dass der Strom des Akkupacks ohne wesentliche Verluste geleitet werden kann. Nachteilig dabei ist, dass die Zuleitungsflachleiter infolge ihrer großen Blechdicke, die aber eine hohe Leitfähigkeit garantiert, eine nur geringe Flexibilität aufweisen und dadurch die mechanischen Zellenverschiebungen nur begrenzt ausgleichen können. Dadurch ist auch die mechanische Belastbarkeit des Akkupacks bei von außen wirkenden mechanischen Belastungen begrenzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verbindungselement zum elektrischen Verbinden von zwei Batteriezellen oder Batteriemodulen bereitgestellt. Das Verbindungselement umfasst zwei Laschen, die jeweils in einem Befestigungsbereich an einer Batteriezelle oder einem Batteriemodul befestigbar sind, und einen zwischen den zwei Laschen angeordneten flexiblen Bereich, der ein wellenförmiges Profil aufweist und sich in der Längsrichtung des Verbindungselementes erstreckt. Dabei weist der flexible Bereich des Verbindungselementes eine gegenüber der Materialdicke der Laschen geringere beziehungsweise dünnere Materialdicke auf.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen eines Verbindungselementes zum elektrischen Verbinden von zwei Batteriezellen oder Batteriemodulen bereitgestellt. Dabei umfasst das Verbindungselement zwei Laschen, die jeweils in einem Befestigungsbereich an einer Batteriezelle oder einem Batteriemodul befestigbar sind, und einen zwischen den zwei Laschen angeordneten flexiblen Bereich, der ein wellenförmiges Profil aufweist und sich in der Längsrichtung des Verbindungselementes erstreckt. Dabei wird ein Verbindungselement mit einem flexiblen Bereich mit einer gegenüber der Materialdicke der Laschen geringeren Materialdicke vorgesehen, wobei die geringere Materialdicke des flexiblen Bereichs mittels eines spanabhebenden oder spanlosen ein- oder beidseitigen Materialabtrages erreicht wird.
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Durch die Verkleinerung der Materialdicke im flexiblen Bereich des erfindungsgemäßen Verbindungselementes beziehungsweise Verbinders wird die Nachgiebigkeit des erfindungsgemäßen Verbindungselementes beziehungsweise Verbinders in alle Richtungen erhöht. Dabei wird die Nachgiebigkeit des erfindungsgemäßen Verbinders insbesondere in seiner Längsrichtung (in der Darstellung aus der 1 in der x-Richtung) erhöht. Sehr vorteilhaft ist, dass die erforderliche Festigkeit des erfindungsgemäßen Verbinders im Befestigungsbereich trotzdem erhalten bleibt. Dies ist nach dem derzeitig bekannten Stand der Technik nicht möglich.
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Aufgrund der geringeren Materialdicke (Materialstärke) des erfindungsgemäßen Verbinders in seinem Befestigungsbereich können kleinere Biegeradien realisiert werden. Dadurch verringert sich auch der für einen erfindungsgemäßen Verbinder notwendige Einbauraum.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass die in einem Batteriesystem auftretenden mechanischen Zell- bzw. Modulverschiebungen mittels der Verbindungselemente beziehungsweise Verbinder mit einer jeweils erhöhten Nachgiebigkeit besser ausgeglichen werden können. Dadurch wird auch die mechanische Belastbarkeit des Batteriesystems, z. B. durch von außen auf das System einwirkende Belastungen, signifikant erhöht.
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Insbesondere ist der flexible Bereich des Verbindungselementes als Doppelwelle ausgebildet.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der flexible Bereich des erfindungsgemäßen Verbindungselementes derartig breiter als die Laschen ausgebildet, dass ein durch das Verbindungselement fließender Strom in dem flexiblen Bereich und in den Laschen jeweils die gleiche Stromdichte aufweist.
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Anders ausgedrückt, der erfindungsgemäße Verbinder wird in seinem flexiblen Bereich, insbesondere in seinem als Doppelwelle ausgeformten flexiblen Bereich, in seiner Dicke verringert. Damit die gleiche Stromdichte in dem flexiblen Bereich wie an den Enden erreicht werden kann, muss in dem flexiblen Bereich die Breite des Verbinders entsprechend erhöht werden. Falls dies nicht notwendig ist, kann die Breite des Verbinders auch über dessen gesamte Länge konstant gehalten werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Verbindungselement mit einem derartigen Querschnittverlauf vorgesehen, dass die Stromdichte eines durch das Verbindungselement fließenden Stromes einen vorbestimmten beziehungsweise einen gewünschten Verlauf annimmt.
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Mit anderen Worten, der minimale Querschnitt des erfindungsgemäßen Verbinders ist abhängig von dem bei einer Anwendung vorkommenden Stromfluss. Dadurch kann vor allem vermieden werden, dass die Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Verbinders aufgrund eines zu geringen Querschnittes in unerwünschter Weise begrenzt wird.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Teilbereich des flexiblen Bereichs des erfindungsgemäßen Verbindungselements aus einem derartigen Material ausgebildet und weist eine derartige Materialdicke auf, dass der kleinste erreichbare Biegeradius oder der Biegeradius des Teilbereichs des flexiblen Bereichs einen ersten vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Vorzugsweise wird der flexible Bereich des Verbindungselementes zumindest in einem Teilbereich derartig gebogen, dass der Biegeradius des Teilbereichs einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
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Somit ergeben sich die minimalen Biegeradien des erfindungsgemäßen Verbinders in Abhängigkeit von dem verwendeten Material beziehungsweise dem verwendeten Werkstoff und der Materialdicke des Verbinders, insbesondere der Blechdicke eines zum Ausbilden des Verbinders eingesetzten Bleches. Aufgrund der geringeren Materialdicke des erfindungsgemäßen Verbinders in dem flexiblen Bereich sind bei den erfindungsgemäßen Verbindern kleinere Biegeradien als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verbindern möglich. Dadurch benötigen die erfindungsgemäßen Verbinder auch nur einen vergleichsweise kleinen Einbauraum.
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Ferner sollten aber möglichst große Biegeradien für den flexiblen Bereich des erfindungsgemäßen Verbinders gewählt werden, weil dadurch eine größere Flexibilität des Verbinders erzielt wird. Die Knicklinie, welche beim Verdrehen einer Lasche entsteht, liegt somit näher an der Rotationsachse der Verdrehung. Je näher die beiden Linien aufeinander liegen, umso mehr nähert man sich einem geraden Blech an, welches festigkeitstechnisch betrachtet den geringsten Verdrehungswiderstand hat.
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Ferner ist das erfindungsgemäße Verbindungselement vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem Blech oder einer Aluminium- und/oder Kupferlegierung, ausgebildet. Auch kann das erfindungsgemäße Verbindungselement zumindest in dem flexiblen Bereich aus einem derartigen Material ausgebildet sein, dass der flexible Bereich mittels eines spanabhebenden oder spanlosen ein- oder beidseitigen Materialabtragens umformbar ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Materialdicke des flexiblen Bereichs mittels des Materialabtragens derartig verringert, dass der flexible Bereich überall eine vorbestimmte oder gewünschte Biegsamkeit aufweist.
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Somit kann die Verringerung der Materialdicke beziehungsweise der Materialstärke des Verbinders in dem flexiblen Bereich spanend oder spanlos erfolgen. Es muss dabei aber darauf geachtet werden, dass es zu keiner wesentlichen Verfestigung des Materials kommt. Vorzugsweise werden die erfindungsgemäßen Verbinder aus einem gut elektrisch leitenden und gut umformbaren Material, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung, gefertigt.
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Ferner wird erfindungsgemäß eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und/oder mehreren Batteriemodulen, die jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen, zur Verfügung gestellt. Dabei sind mindestens zwei Batteriezellen und/oder mindestens zwei Batteriemodule mittels des erfindungsgemäßen Verbindungselementes elektrisch miteinander verbunden.
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Die erfindungsgemäße Batterie ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie.
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Auch wird erfindungsgemäß ein Fahrzeug mit einer Batterie bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verbindungselement zum elektrischen Verbinden von Batteriezellen oder Batteriemodulen, und
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2 ein Verbindungselement zum elektrischen Verbinden von Batteriezellen oder Batteriemodulen nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verbindungselement (Verbinder) 10 zum elektrischen Verbinden von Batteriezellen oder Batteriemodulen nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Das in der 2 dargestellte Verbindungselement umfasst eine erste Lasche 20, eine zweite Lasche 30 und einen flexiblen Bereich 40, der ein wellenförmiges Profil aufweist und sich entlang der Längsrichtung des Verbindungselementes 10 zwischen der ersten Lasche 20 und der zweiten Lasche 30 ausdehnt. Die Laschen 20, 30 werden auf den Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen (nicht dargestellt) jeweils in einem Befestigungsbereich 21, 31 mittels einer Schnittstelle (nicht dargestellt) beispielsweise durch Schauben oder Schweißen befestigt. Die Länge l der Laschen 20, 30 ist abhängig von der gewünschten Einbauposition des erfindungsgemäßen Verbindungselementes 10. Das erfindungsgemäße Verbindungselement 10 weist in dem flexiblen Bereich 40 eine geringere Materialdicke als sonst auf. Das exakte Aussehen des Verbindungselementes, insbesondere des wellenförmigen Profils des Verbindungselementes 10 in dem flexiblen Bereich 40, ergibt sich aus den für eine Anwendung geeigneten Bedingungen und/oder aus der Einbausituation.
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Aus der 2 ist ersichtlich, dass sehr kleine Biegeradien in den Teilbereichen 41 und 42 des flexiblen Bereichs 40 des erfindungsgemäßen Verbindungselementes 10 möglich sind. Dadurch ist der notwendige Einbauraum für erfindungsgemäße Verbindungselemente 10 deutlich kleiner als für herkömmliche Verbindungselemente.
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Der Querschnitt des in der 2 dargestellten erfindungsgemäßen Verbindungselementes 10 ist über seine gesamte Länge gleich. Die Länge des erfindungsgemäßen Verbindungselementes 10 erstreckt sich in der Darstellung aus der 2 entlang der x-Richtung. Die Breite des Verbindungselementes 10 erstreckt sich in der Darstellung aus der 2 entlang der y-Richtung. Der Vollständigkeit halber wird in der 2 auch die z-Richtung eingezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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