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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontaktieren von Batteriezellen zur Herstellung einer Hochvoltbatterie, bei dem Elektroden der Batteriezellen mit wenigstens einer Stromschiene verbunden werden, die an die Größe und Form der Elektroden angepasste Ausnehmungen aufweist, wobei die Elektroden und die Ausnehmungen der Stromschiene eine Presspassung bilden und die Elektroden und/oder die Ausnehmungen temperiert und miteinander verbunden werden.
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Ein derartiges Verfahren ist aus der
WO 2008/039632 A2 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, dass Energiezellen, die als Batterien oder Kondensatoren ausgebildet sein können, durch Stromschienen miteinander verbunden werden können. Eine Stromschiene verbindet dabei zwei oder mehr Elektroden verschiedener Batteriezellen, um diese in Reihe oder parallel miteinander zu verschalten. Eine Stromschiene weist kreisförmige Ausnehmungen auf, die formschlüssig mit Elektroden der Batteriezellen verbunden werden können. Optional können die Stromschienen erwärmt werden, um die Ausnehmungen zu vergrößern, nach dem Positionieren auf den Elektroden der Batteriezellen kühlt die Stromschiene ab, so dass sich eine Presspassung ergibt.
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DE 10 2009 053 344 A1 beschreibt Batteriezellenverbinder, wobei die Batteriezellenverbinder durch Anschlussteile mit zumindest einer Öffnung zur Aufnahme eines Batteriepols gebildet werden. Die Toleranzen des Batteriepols und der Öffnung können derart gewählt werden, dass der Batteriepol mit der Öffnung durch eine Presspassung zusammenfügbar ist.
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DE 697 10 430 T2 beschreibt eine Möglichkeit zur Herstellung von Blei-Säure- Akkubatterien. Beschrieben wird ein Gerät zum Schmelzschweißen von Batteriezellenverbindern, die an einander gegenüberliegenden Enden von Batteriezellen-Polklemmen Öffnungen haben, sowie eine Methode zum Schmelzschweißen von Zwischenzellenverbindern mit Öffnungen an einander gegenüberliegenden Enden von Batteriezellen-Polklemmen.
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In der
DE 10 2012 003 540 A1 wird eine Batterie vorgeschlagen, bei der eine als Metallstift ausgebildete Elektrode durch eine Pressverbindung mit anderen Komponenten der Batterie verbunden wird.
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Daneben werden auch andere Fügeverfahren eingesetzt, um Batteriezellen zu kontaktieren, wodurch eine Hochvoltbatterie entsteht. Zu diesen herkömmlichen Fügeverfahren zählen Schrauben, Schweißen, Kleben oder Stecken. Bei allen Fügeverfahren muss sichergestellt sein, dass ein guter Übergangswiderstand erreicht wird, zusätzlich ist auf eine möglichst geringe thermische und mechanische Belastung der Zelle und der Stromschiene zu achten. Darüber hinaus spielen aus wirtschaftlichen Gründen die Taktzeit und die Herstellungskosten eine große Rolle.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, dass einerseits eine rationelle Fertigung ermöglicht und andererseits die erwärmten Komponenten möglichst wenig thermisch beansprucht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Stromschienen vor dem Fügen induktiv erwärmt werden. Das erfindungsgemäß vorgesehene induktive Erwärmen weist den Vorteil auf, dass lediglich die Fügestellen erwärmt werden, wohingegen die übrigen Bereiche nicht thermisch beaufschlagt werden, so dass thermische Spannungen oder eine Verschlechterung der Materialeigenschaften oder eine Verringerung der Lebensdauer vermieden werden.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass die Elektroden und/oder die Batteriezellen vor dem Fügen abgekühlt werden. Auf diese Weise verringert sich der Durchmesser der Elektroden der Batteriezellen temporär, so dass das Verbinden der Stromschiene mit den Elektroden einfacher durchgeführt werden kann.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass ein Träger mit einem Controller und gegebenenfalls weiteren elektronischen Baueinheiten bestückt wird, wobei die Stromschienen so an dem Träger befestigt werden, dass sie flexibel gehalten sind. Die flexible Befestigung der Stromschienen an dem Träger gewährleistet, dass die Stromschienen im erwärmten Zustand auf die Elektroden aufgesetzt werden können, ohne dass der Träger, der einen Controller, einen Modulcontroller und gegebenenfalls weitere elektronische Bauelemente aufweist, beeinträchtigt wird.
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Um das Aufsetzen der wenigstens einen Stromschiene zu erleichtern, kann es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass sich konisch verjüngende Elektroden verwendet werden. Bei dieser Ausgestaltung sind die Elektroden somit kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei sich der Durchmesser der Elektrode zumindest geringfügig zum freien Ende hin verringert.
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Um eine fehlerhafte Montage zu verringern, kann es vorgesehen sein, dass für Anode und Kathode einer Batteriezelle unterschiedlich geformte Elektroden und/oder Elektroden mit unterschiedlichem Durchmesser verwendet werden. Auf diese Weise kann einem Pluspol und einem Minuspol einer Batteriezelle jeweils eine speziell geformte Elektrode zugeordnet werden, wodurch Fehlmontagen ausgeschlossen werden.
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Die Montage der wenigstens einen Stromschiene erfolgt, indem diese auf die Elektroden der Batteriezellen gesetzt wird. Vorzugsweise wird ein Träger verwendet, an dem mehrere Stromschienen angebracht sind, so dass lediglich ein einziges Bauteil, nämlich der mit den Stromschienen verbundene Träger, montiert wird, wodurch die Stromschienen mit den Elektroden kontaktiert werden. Es ist auch denkbar, dass der Träger und/oder die Stromschienen in oder an einem Deckel angebracht sind, so dass lediglich durch Aufsetzen des Deckels auf die die Elektroden aufweisenden Batteriezellen die benötigte Kontaktierung zwischen Stromschienen und Elektroden erfolgt, wobei der Deckel selbst nicht in Kontakt mit den Elektroden (Terminals) kommt. Ein derartiger Herstellungsprozess ist sehr effizient, da lediglich ein einziger Montageschritt erforderlich ist, um sämtliche Kontaktierungen gleichzeitig herzustellen. Bei herkömmlichen Verfahren erfolgt hingegen zumeist ein sequentielles Kontaktieren der Komponenten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere dazu, die Stromschienen und die Elektroden mittels einer automatischen Anlage zu montieren, vorzugsweise mit einem Roboterarm oder durch eine CNC-Fertigungszelle. Dementsprechend kann der Montagevorgang vollständig automatisiert werden.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass nach dem Fügevorgang auf die Stromschiene und/oder wenigstens eine Teilfläche der Elektroden ein elektrisch isolierender Formkörper aufgesetzt wird, der vorzugsweise vorgekühlt ist oder aktiv gekühlt wird. Dieser Formkörper weist eine negative Form bezüglich der Elektroden und der Stromschienen auf und zeichnet sich durch eine gute Wärmeaufnahmefähigkeit aus, so dass eine gute Abkühlung erzielt werden kann. Beim Abkühlen der Stromschiene entsteht dann die gewünschte kraft- und formschlüssige Presspassung.
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Daneben wird eine Hochvoltbatterie beschrieben, mit Batteriezellen, deren Elektroden mittels wenigstens einer Stromschiene miteinander verbunden sind. Batteriezellen können dabei zunächst zu Batteriemodulen zusammengesetzt werden, mehrere Batteriemodule bilden die Hochvoltbatterie.
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Die Hochvoltbatterie zeichnet sich dadurch aus, dass sie nach einem Verfahren der beschriebenen Art hergestellt ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 einen weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 3 angeordnete Batteriezellen vor dem Kontaktieren;
- 4 einen mit Stromschienen verbundenen Träger vor dem Kontaktieren;
- 5 das Kontaktieren der Stromschiene mit den Batteriezellen; und
- 6 eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Hochvoltbatterie.
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1 ist eine Draufsicht und zeigt mehrere nebeneinander angeordnete Batteriezellen 1, von denen jede einen Pluspol 2 und einen Minuspol 3 aufweist. Die Batteriezellen sind so angeordnet, dass jeder Pluspol 2 einem Minuspol 3 benachbart ist. Um aus den einzelnen Batteriezellen 1 eine Hochvoltbatterie zu bilden, ist es erforderlich, eine Vielzahl von Batteriezellen 1 in Reihe zu verschalten, so dass sich die Spannungen der einzelnen Batteriezellen 1 summieren, wodurch die Hochvoltbatterie mit der gewünschten Spannung, die in einer Größenordnung von mehreren 100 Volt liegen kann, gebildet wird.
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In 1 ist schematisch ein Träger 4 gezeigt, der mehrere Stromschienen 5 aufweist. In 1 erkennt man, dass jede Stromschiene 5 zwei kreisförmige Ausnehmungen 6 aufweist. Die Größe der Ausnehmungen 6 ist so gewählt, dass eine Stromschiene 5 auf zwei benachbarte Elektroden, das heißt einen Pluspol 2 und einen Minuspol 3 zweier verschiedener Batteriezellen 1 gesetzt werden kann, wodurch die beiden benachbarten Batteriezellen 1 elektrisch miteinander verbunden werden. Vor dem Kontaktieren werden zunächst die Stromschienen 5 an dem Träger 4 befestigt. Der Träger 4 kann - wie in 1 gezeigt ist - als Deckel ausgebildet sein, es sind jedoch auch andere Ausführungen möglich, bei denen der Träger z. B. als Rahmen ausgebildet sein kann. In 1 erkennt man, dass zwei Ausnehmungen 6 an gegenüberliegenden Seiten des Trägers 4 über dessen Rand hervorstehen, dadurch wird eine elektrische Verbindung der Batteriezellen 1 des Trägers 4 mit einem weiteren Batteriezellenmodul ermöglicht.
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Um eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen den Elektroden der Batteriezellen 1 und den Stromschienen 5 zu ermöglichen, werden diese mittels einer Presspassung kontaktiert. Der Außendurchmesser der Elektroden der Batteriezellen 1 und der Innendurchmesser der Ausnehmungen 6 ist dabei so gewählt, dass im montierten Zustand eine Übermaßpassung entsteht. Um die Montage zu vereinfachen und die Montagekräfte zu verringern und die Gefahr von Beschädigungen zu minimieren, werden die Stromschienen 5 temperiert, so dass sie sich zumindest geringfügig ausdehnen. Die Zufuhr von Wärme 7 erfolgt dabei induktiv. Die Stromschiene 5 dient als elektrischer Leiter, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht sie aus Kupfer, das sich wie alle Metalle unter dem Einfluss der induktiven Erwärmung ausdehnt. Bei anderen Ausführungen kann die Stromschiene auch aus Aluminium, Stahl oder einem anderem Metall bestehen. Die Stromschiene kann auch einen Überzug, insbesondere einen galvanisch aufgebrachten Überzug aus einem Material mit guter Leitfähigkeit aufweisen, beispielsweise aus Gold oder Silber.
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In diesem Zustand, nach dem Erwärmen der Stromschienen 5, wird der Träger 4 mit den Stromschienen 5 auf die Batteriezellen 1 gesetzt, so dass sich das in 2 gezeigte Batteriemodul ergibt. Eine Hochvoltbatterie umfasst eine große Anzahl derartiger Batteriemodule. In diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Kühlung 8 der Batteriezellen 1 vorgesehen, wobei allerdings auch eine Kühlung der Elektroden (Terminals) ausreichend wäre. Durch die Abkühlung der Batteriezellen 1 verringert sich der Außendurchmesser der Pluspole 2 und der Minuspole 3, so dass die Stromschienen 5 mit geringerer Kraft aufgepresst werden können. Beim Abkühlen schrumpfen die Ausnehmungen 6 der Stromschienen 5 geringfügig, umgekehrt dehnen sich die Elektroden der Batteriezellen 1 geringfügig aus, wodurch die form- und kraftschlüssige Presspassung entsteht.
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3 zeigt eine Mehrzahl von Batteriezellen 1, die über nicht näher dargestellte Verbindungsmittel mechanisch zu einem Batteriemodul 9 verbunden sind. Die Elektroden (Terminals) 10 sind flexibel ausgebildet und/oder flexibel gelagert, so dass Positionstoleranzen innerhalb bestimmter Grenzen ausgeglichen werden. Diese Flexibilität wird in diesem Ausführungsbeispiel durch einen auf die Elektroden 10 geklebten Bolzen erzeugt, wobei der Klebstoff im ausgehärteten Zustand eine gewisse Elastizität aufweist.
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Die Kontaktierung zwischen den Elektroden 10 und den Stromschienen 5 erfolgt allein über die Mantelflächen der Elektroden 10 oder der aufgeklebten Bolzen. Die Oberseite der Elektroden 10 dient hingegen nicht als Kontaktfläche.
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Um den Fügeprozess zu vereinfachen können die Batteriezellen 1 vorher gekühlt werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 10 leicht konisch ausgebildet, das heißt der Durchmesser der Elektroden 10 nimmt zum freien Ende hin ab, wodurch das Aufsetzen und „Einfädeln“ der Stromschienen 5 erleichtert wird.
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4 zeigt einen Träger 11, der mit einem Controller 12 bestückt ist. Jedes Batteriemodul 9 kann einen derartigen Controller 12 aufweisen, der die Steuerung der einzelnen Batteriezellen 1 übernimmt. Der Controller 12 kann beispielsweise einen Ladungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen 1 auslösen, daneben regelt er die Lade- und Entladevorgänge. In 4 erkennt man, dass an dem Träger 10 mehrere Stromschienen 13 angebracht sind. Die Stromschienen 13 sind an oder in dem Träger 11 flexibel oder bewegbar gehalten, so dass auch bei einer Erwärmung der Stromschienen 13 keine Spannungen oder Zwangskräfte zwischen den Stromschienen 13 und dem Träger 11 auftreten. Der Träger 11 wird auch als „bus bar carrier“ bezeichnet, der Controller (Modulcontroller) 12 kann auch weitere elektronische Bauelemente aufweisen.
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In 4 wird die induktive Erwärmung der einzelnen Stromschienen 13 durch die Pfeile 14 dargestellt. Auf diese Weise werden sämtliche Stromschienen 13, die an dem Träger 11 angebracht sind, gleichzeitig und gleichmäßig induktiv erwärmt. Andererseits erfolgt die induktive Erwärmung so präzise, dass der zwischen den Stromschienen 13 angeordnete Träger 11 und der Controller 12 nicht oder zumindest möglichst wenig erwärmt werden. Der Träger 11 wird in einen entsprechend angepassten Werkstückhalter einer automatischen Fertigungsanlage eingelegt. Die induktive Erwärmung ist so ausgelegt, dass die Erwärmung lediglich an den Fügestellen, das heißt an den Elektroden 10 erfolgt, wodurch der Wärmeeintrag gleichzeitig minimal gehalten wird. In 4 zeigt ein weiterer Pfeil 15 an, dass an einer thermisch empfindlichen Stelle, in diesem Fall am Controller 12 gekühlt wird. Die Kühlleistung kann durch Auflegen eines entsprechend gekühlten Bauteils erfolgen, ebenso kann ein Kühlluftstrom in Pfeilrichtung vorgesehen werden, um den Controller 12 oder andere empfindliche Bauteile vor unzulässiger Erwärmung zu schützen.
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5 zeigt das Batteriemodul 9 und den Träger 11 zum Zeitpunkt des Kontaktierens. Dazu wird der vorbereitete, temperierte Träger 11 durch einen Roboterarm (nicht gezeigt) automatisch auf die Elektroden 10 der Batteriezellen 1 gesetzt. Dieser Vorgang des Kontaktierens erfolgt sehr schnell, um eine Auskühlung der erwärmten Stromschienen 13 zu vermeiden. Durch das gleichzeitig erfolgende Abkühlen, das in 5 durch die Pfeile 16 dargestellt wird, werden die Batteriezellen 1 leicht gekühlt, so dass Alterungseffekte der Batteriezellen verhindert werden. Durch das Kontaktieren oder Fügen des vorbereiteten Trägers 11, der mehrere Stromschienen 13 aufweist, wird durch einen einzigen Vorgang eine große Anzahl von Batteriezellen elektrisch kontaktiert, so dass sich Zeitvorteile im Vergleich zu einer herkömmlichen Befestigung durch Verschrauben, Kleben oder Stecken ergeben.
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6 zeigt das Batteriemodul 9 unmittelbar nach dem in 5 gezeigten Kontaktieren. Unmittelbar nach dem Fügen wird ein elektrisch isolierender Formkörper 17, der eine gegengleich zu den Stromschienen 13 geformte Kontur aufweist, zur Kühlung auf die Stromschienen 13 aufgebracht, wodurch die Stromschienen 13 abgekühlt werden, so dass sich die gewünschte Presspassung einstellt. Bei diesem Verfahrensschritt kann der elektrisch isolierte Formkörper 17 auch aktiv gekühlt werden oder vorgekühlt sein. Auf diese Weise entsteht das Batteriemodul 9, mehrere Batteriemodule bilden eine Hochvoltbatterie.
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Das beschriebene Verfahren zum Kontaktieren von Batteriefällen weist den Vorteil auf, dass der Fügevorgang vergleichsweise einfach in einem einzigen Takt erfolgt. Dabei werden alle Kontaktierungen gleichzeitig erzeugt. Unterschiedliche Elektrodenmaterialien, z. B. unterschiedliche Anoden- und Kathodenmaterialien wie z. B. die Werkstoffpaarung Kupfer/Aluminium, verursachen keine Probleme. Bei anderen Verfahren, z. B. beim Laserschweißen, muss dazu beispielsweise eine aus zwei Werkstoffen bestehende Stromschiene verwendet werden. Im Vergleich zu einem Schweißverfahren erfolgt erfindungsgemäß ein deutlich geringerer Wärmeeintrag. Da die Zylinderfläche des Bolzens die Kontaktfläche bildet, wird diese von einer einfachen horizontalen Kontaktfläche auf der Oberseite einer Elektrode vergrößert, eine größere Kontaktfläche ist vorteilhaft. Eine Elektrode oder ein mit der Elektrode verbundener Bolzen kann eine Oberflächenstruktur oder eine bestimmte Form aufweisen, z. B. einen Ring, wodurch eine verbesserte Einpressung und ein besserer Halt erzielt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl hinsichtlich der Kosten der Produktionsanlagen als auch hinsichtlich der Fertigungskosten als vergleichsweise sehr günstig zu bewerten.
