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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit zumindest einem Kontaktelement, wobei das Batteriesystem Zellen mit Zellpolen umfasst, wobei die elektrische Spannung der Zellen an den Zellpolen oder an mit den Zellpolen elektrisch leitend verbundenen Zellverbindern mittels des Kontaktelements abgreifbar ist, wobei das Kontaktelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei das Kontaktelement eine hohe mechanische Stabilität aufweist.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2010 030 809 A1 ist ein Verbinder bekannt der zumindest aus zwei Verbindungsabschnitten aus jeweils unterschiedlichen Materialien besteht die durch beispielsweise Kaltwalzplattieren miteinander an den aneinander liegenden Oberflächen durchmischt werden. Die Anbringung bzw. Befestigung einer Messleitung mit einem der Verbindungsabschnitte wird nicht beschrieben.
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Nachteilig ist, dass eine Messleitung zum Abgriff der jeweiligen Zellspannungen in einem aufwendigen und teuren Arbeitsgang mit einem Abschnitt des Verbinders verbunden werden muss.
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Aus der
DE 10 2010 045 037 A1 ist eine Batterieanordnung bekannt umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, die positive und negative Elektrodenanschlüsse aufweisen, die verschiedenartige Metalle sind; und Metallplatten, die positive und negative Elektrodenanschlüsse der Batteriezellen verbinden, wobei jede Metallplatte plattiertes Material ist mit einem Übergang zwischen Verbindungsgebieten des positiven und des negativen Elektrodenanschlusses, aus einer ersten Metallplatte, die mit einem Elektrodenanschluss einer Batteriezelle verbunden ist, und einer zweiten Metallplatte, die mit einem anderen Elektrodenanschluss verbunden ist.
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In der
US 2012/0015550 A1 wird ein Verbinder beschrieben, wobei ein Crimp-Kontakt einstückig mit einem Verbinder ausgeführt ist. Der Crimp-Kontakt weist im wesentlichen eine Bodenplatte und zwei Seitenwänden mit zumindest einem Paar Eindrück-Verbindungsplättchen auf, welche durch die Isolierung eines elektrischen Drahtes schneiden, wenn der elektrische Draht in den Crimp-Kontakt eingedrückt wird. Zwei Crimp-Stücke werden umgebogen, um den elektrischen Draht im Crimp-Abschnitt zu fixieren.
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Nachteilig an diese Lösung ist, dass der mit dem Verbinder einstückig ausgeführte Crimp-Abschnitt nur über einen kleinen Querschnittsbereich mit dem Verbinder verbunden ist. Bei Vibrationen wie sie im Betrieb in einem Kraftfahrzeug auftreten kann der Verbinder an dieser Übergangsstelle brechen. Auch bei der Handhabung in der Montage muss darauf geachtet werden, dass bei der Befestigung des elektrischen Drahtes der Verbinder nicht vorgeschädigt wird.
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Die im Stand der Technik genannten Nachteile sollen durch die nachfolgende Lösung beseitigt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Batteriesystem, Zellen und Zellpole umfassend, vorzusehen, wobei die elektrische Spannung der Zellen an den Zellpolen oder an mit den Zellpolen elektrisch leitend verbundenen Zellverbindern mittels des Kontaktelements abgreifbar ist, wobei das Kontaktelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei das Kontaktelement eine hohe mechanische Stabilität aufweist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Batteriesystem mit zumindest einem Kontaktelement, wobei das Batteriesystem Zellen mit Zellpolen umfasst, wobei die elektrische Spannung der Zellen an den Zellpolen oder an mit den Zellpolen elektrisch leitend verbundenen Zellverbindern mittels des Kontaktelements abgreifbar ist, wobei das Kontaktelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt aus dem Material des Zellverbinders oder des Zellpols besteht und der zweite Abschnitt aus einem zweiten Material besteht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt mittels Walzplattierung, Ultraschallschweißen oder Widerstandsschweißen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei der erste Abschnitt mit einem der Zellpole, oder mit einem der Zellverbinder elektrisch leitend und stoffschlüssig verbunden ist, und dass der zweite Abschnitt zumindest einen Anschlag aufweist, welcher zumindest abschnittsweise an einer Stirnseite des ersten Abschnitts anliegt und in zumindest eine Versteifungsrippe einstückig in Richtung eines Crimp-Abschnitts übergeht.
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Aufgrund der Erhöhung des zweiten Abschnitts durch den ausgebildeten Anschlag und der zumindest einen übergehenden Versteifungsrippe wird eine erhöhte Biege- und Torsionssteifigkeit erreicht. Dies führt zu einer geringeren Anfälligkeit einer möglichen Beschädigung des gesamten Bauteils bei mechanischer Beanspruchung.
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Das Kontaktelement weist zwei Abschnitte auf und wird beispielsweise mit dem Zellverbinder elektrisch leitend verbunden, wobei die Verbindung des Kontaktelements durch einen ersten Abschnitt mit dem Zellverbinder mittels Schweißen erfolgt, und wobei der erste Abschnitt das gleiche Material wie der Zellverbinder aufweist.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung besteht der zweite Abschnitt des Kontaktelements aus einem zum Material des ersten Abschnitts unterschiedlichen Material, und wird mittels Walzplattieren mit dem ersten Abschnitt des Kontaktelements dauerhaft elektrisch leitend verbunden. In dieser ersten Ausführungsform besteht der erste Abschnitt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, und der zweite Abschnitt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Alternativ zum Walzplattieren kann auch Ultraschall-Schweißen oder Widerstandsschweißen zum Verbinden der beiden Abschnitte des Kontaktelements angewendet werden. Wenn der erste Abschnitt bzw. zweite Abschnitt des Kontaktelements den gleichen oder ähnlichen Werkstoff wie die mit den jeweiligen Abschnitten zu verbindende Elemente aufweist, wird aufgrund des gleichen Standardpotentials in der elektrochemische Spannungsreihe, eine Korrosion, und damit eine Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit, zwischen diesen Bauteilen verhindert.
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Beim Walzplattieren wird ein Blech unter Druck und Wärme auf das Grundmaterial aufgewalzt. Es entsteht dabei eine unlösbare Verbindung durch Diffusion und Pressschweißung. Somit wird eine Korrosion zwischen den beiden Oberflächen verhindert und damit die Lebensdauer des Kontaktelements sowie der Übergangswiderstand, insbesondere bei einem bereits über einen langen Zeitraum in Verwendung befindlichen Kontaktelement, wesentlich verringert und die Funktionssicherheit über einen längeren Zeitraum gewährleistet.
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Für das Walzplattieren können insbesondere folgende Verfahren angewendet werden:
- – Overlaybeschichtung: hier erhält ein Trägerband vollflächige Belege,
- – Inlaybeschichtung: hierbei werden streifenförmige Einlageplattierungen aus Unedel- oder Edelmetallen im Trägerwerkstoff eingebettet,
- – Onlaybeschichtung: hier werden dünne streifenförmige Kontaktwerkstoffe direkt aufplattiert.
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In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht der zweite Abschnitt des Kontaktelements aus dem gleichen Material wie der erste Abschnitt. In dieser zweiten Ausführungsform bestehen die Abschnitte des Kontaktelements bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung. Die Verbindung der beiden Abschnitte erfolgt in diesem Fall bevorzugt durch Widerstandsschweißen.
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Da der zweite Abschnitt des Kontaktelements als ein dünnes Blech, bevorzugt mit einer Dicke von wenigen Zehntel Millimeter ausgeführt werden kann, welches mit dem ersten Abschnitt des Kontaktelements walzplattiert oder durch Ultraschall- oder Widerstandsschweißen verbunden wird, ist in einer erfindungsgemäßen Ausführung ein Crimp-Abschnitt vorgesehen, welcher einstückig mit der zumindest einen Versteifungsrippe und dem Anschlag als ein Fortsatz des zweiten Abschnitts des Kontaktelements verbunden ist. Der Crimp-Abschnitt ist als Abschluss des Fortsatzes des zweiten Abschnitts nach den Versteifungsrippen ausgebildet. Da der Crimp-Kontakt einstückig mit den zweiten Abschnitt ausgebildet ist, kann auf einen zusätzlichen Fügevorgang verzichtet werden und somit Aufwand und Kosten gespart werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen Ausgestaltung ist der Crimp-Abschnitt aus dem gleichen Material wie der zweite Abschnitt hergestellt.
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Crimpen wird bevorzugt in der Elektrotechnik zum Verbinden eines Leiters mit einem Verbindungselement verwendet, da diese Verbindung eine hohe elektrische und mechanische Sicherheit gewährleistet, und daher einer Löt- oder Schweißverbindung vorgezogen wird. Beim Crimpen wird die Verbindung durch plastisches Verformen von beispielsweise zwei Komponenten erreicht. Eine elektrisch isolierte Messleitung wird in den Crimp-Abschnitt eingelegt, wobei beim Crimpen die elektrische Isolierung beim Eindrücken der Messleitung in den Crimp-Abschnitt von, im Crimp-Abschnitt vorgesehenen, Mitteln durchschnitten wird und so die elektrische Verbindung hergestellt. Es kann jedoch alternativ eine im Bereich des Crimp-Abschnitts abisolierte Messleitung vorgesehen sein. In diesem Fall weist der Crimp-Abschnitt nur Mittel zum plastischen Verformen von beispielsweise zwei Komponenten zum Halten der Messleitung auf.
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Der Anschlag ist in einer bevorzugten Ausführungsform links und rechts des Fortsatzes des zweiten Abschnitts ausgebildet, wobei sich der Fortsatz von der Fügezone des ersten und zweiten Abschnitts des Kontaktelements weg erstreckt, und wobei der Anschlag zumindest links oder rechts in eine Versteifungsrippe des Fortsatzes übergeht, bevorzugt links und rechts des Anschlags. Unter links und rechts des Fortsatzes des zweiten Abschnitts wird eine Anordnung des Anschlags beidseitig des Fortsatzes verstanden.
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Der Anschlag des zweiten Abschnitts ist nur so hoch, dass er die Oberkante des ersten Abschnitts nicht überragt. Dadurch ist eine sichere Klemmung des Kontaktelements mit beispielsweiser einer Platte, wobei auf der Platte zumindest ein Clip für jeweils ein Kontaktelement vorgesehen ist, in welchem das Kontaktelement zur genauen Positionierung mit einem jeweiligen Zellpol oder Zellverbinder des erfindungsgemäßen Batteriesystems klemmbar ist, gewährleistet.
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Der zweite Abschnitt weist erfindungsgemäß zumindest einen Anschlag im Bereich der Fügezone auf, wobei der Anschlag zumindest bereichsweise an einer Stirnfläche des ersten Abschnitts anliegt.
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Der Anschlag des zweiten Abschnitts ermöglicht dadurch eine definierte Positionierung für den ersten Abschnitt in einer zweiten Ebene, wodurch das Verbinden des ersten Abschnitts mit dem zweiten Abschnitt, mit einer verbesserten Toleranzgenauigkeit ermöglicht wird. Die erste Ebene wird durch die Fügezone des ersten und zweiten Abschnitts definiert und ist im wesentlichen Normal zur zweiten Ebene.
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In einer weiteren Ausführungsform kann ein zusätzlicher Anschlag am zweiten Abschnitt vorgesehen werden, welcher parallel zu einer zweiten Stirnseite des ersten Abschnitts zum Anschlag angeordnet ist, so dass der zweite Abschnitt des Kontaktelements auch an einer zweiten Stirnseite des ersten Abschnitts durch den zusätzlichen Anschlag begrenzt ist. Da der zweite Abschnitt nun in x-, y- und z-Ebene am zweiten Abschnitt anliegt ist seine Position festgelegt.
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Die Messleitung ist mit dem Crimp-Abschnitt dauerhaft elektrisch leitend verbindbar. Die Messleitung ist mit einer Elektronikeinheit verbunden, welche das vom Kontaktelement abgegriffene Spannungspotential auswertet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einem Kontaktelement.
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2 zeigt eine Verbindungsanordnung aus 1.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kontaktelements.
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4 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kontaktelements gemäß 3.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In 1 wird schematisch ein Batteriesystem 6 mit mehreren Zellen 1 dargestellt, wobei die Zellen 1 im wesentlichen eine Bodenfläche, eine Deckfläche und vier Seitenflächen aufweisen, wobei aus der Deckfläche Zellpole 2 ragen, welche durch Zellverbinder 3 miteinander in Reihe geschalten sind. Die Zellverbinder 3 verbinden jeweils einen Pluspol einer Zelle 1 mit einem Negativpol einer anderen Zelle 1, bevorzugt benachbarter Zellen 1. Auf den Zellverbindern 3 sind Kontaktelemente 7 angeordnet die einen Spannungsabgriff ermöglichen. Die Kontaktelemente 7 sind mit Messleitungen 4 verbunden, welche wiederum mit einer Elektronikeinheit 5 verbunden sind. Die Messleitungen 4 übertragen die an den Kontaktelementen 7 anliegende Spannung der Zellen 1 an die Elektronikeinheit 5, welche die Daten entsprechend auswertet. Die Messleitungen 4 sind mit den Kontaktelementen 7 über Crimp-Abschnitte 11, welche einstückig mit den Kontaktelementen 7 ausgebildet sind, elektrisch verbunden.
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2 zeigt eine Verbindungsanordnung benachbarter Zellpole 2 aus 1. Das Kontaktelement 7 weist einen ersten Abschnitt 8 und einen zweiten Abschnitt 9 auf. Ein Crimp-Abschnitt 11 ist einstückig mit dem zweiten Abschnitt 9 des Kontaktelements 7 verbunden. Das Kontaktelement 7 ist über den ersten Abschnitt 8 mit einem Zellverbinder 3, durch den ein Zellpol 2 einer Zelle 1 mit einem weiteren Zellpol 2 einer angrenzenden Zelle 1 verbunden ist, elektrisch leitend verbunden. Die Verbindung kann stoffschlüssig, vorzugsweise mittels Schweißen, erfolgen, wobei der Zellverbinder 3 und der erste Abschnitt 8 des Kontaktelements 7 aus einem ersten Material, vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, oder auch aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Der zweite Abschnitt 9 und die Messleitung 4 sind aus einem zweiten Material, vorzugsweise Kupfer, hergestellt. Der erste Abschnitt 8 und der zweite Abschnitt 9 sind stoffschlüssig, beispielsweise durch Walzplattieren, Ultraschallschweißen oder Widerstandsschweißen, elektrisch leitend miteinander verbunden. Der zweite Abschnitt 9 des Kontaktelements 7 weist einen Fortsatz auf, welcher, sich vom Anschlag 12 weg erstreckend, Versteifungsrippen 10 und einen Crimp-Abschnitt 11 umfasst, der einstückig mit dem zweiten Abschnitt 9 des Kontaktelements 7 ausgebildet ist. Die Messleitung 4 kann eine elektrische Isolationsschicht aufweisen, welche den Kupferdraht überzieht, wobei die elektrische Isolationsschicht von einem Mittel des Crimp-Abschnitts 11, beispielsweise scharfe Plättchen, beim Verbinden der Messleitung 4 mit dem Kontaktelement 7 durchdrungen wird. Dadurch wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Messleitung 4 und Kontaktelement 7 hergestellt.
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3 zeigt das Kontaktelement 7 in einer perspektivischen Ansicht und umfasst den ersten Abschnitt 8 und den zweiten Abschnitt 9. Der zweite Abschnitt 9 ist mit dem ersten Abschnitt 8 durch Walzplattieren, Ultraschallschweißen oder Widerstandsschweißen dauerhaft verbunden. Der in 3 und in 4 dargestellte Crimp-Abschnitt ist für die Befestigung einer im Bereich des Crimp-Abschnitts abisolierten Messleitung 4 ausgebildet und weist keine Mittel zum Durchdringen einer Isolierung auf. In 4 ist eine Seitenansicht des Kontaktelements 7 gemäß 3 dargestellt. Der zweite Abschnitt umfasst zumindest einen Anschlag 12, wobei der Anschlag nur so hoch ist, dass er die Oberkante einer Stirnseite des ersten Abschnitts 8 nicht überragt. Der Anschlag 12 bildet Versteifungsrippen 10 in Richtung des Crimp-Abschnitts 11 aus. Der Anschlag 12 und die Versteifungsrippen 10 dienen zur Versteifung des zweiten Abschnitts 9 wodurch die Biege- und Torsionssteifigkeit des zweiten Abschnitts 9 wesentlich erhöht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zelle
- 2
- Zellpol
- 3
- Zellverbinder
- 4
- Messleitung
- 5
- Elektronikeinheit
- 6
- Batteriesystem
- 7
- Kontaktelement
- 8
- erster Abschnitt
- 9
- zweiter Abschnitt
- 10
- Versteifungsrippe
- 11
- Crimp-Abschnitt
- 12
- Anschlag
