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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten Kontaktstift aus einem ersten Material und einem zweiten Kontaktstift aus einem zweiten Material, bei dem ein elektrisch leitfähiger Verbinder vorgesehen wird, der eine erste Fügestelle, die mit dem ersten Kontaktstift stoffschlüssig verbunden wird, und eine zweite Fügestelle, die mit dem zweiten Kontaktstift stoffschlüssig verbunden wird, aufweist. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Batterie mit mindestens zwei Batteriezellen, wobei eine der Batteriezellen einen ersten Kontaktstift aus einem ersten Material aufweist und die andere der Batteriezellen einen zweiten Kontaktstift aus einem zweiten Material aufweist, und wobei der erste und der zweite Kontaktstift mittels einer elektrischen Verbindung, die mit einem solchen Verfahren hergestellt wurde, miteinander verbunden sind. Auch betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem mit einer solchen Batterie.
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Stand der Technik
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Im Bereich der Kontaktstellen von Batteriezellen, beispielsweise in Lithium-Ionen-Batterien, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, müssen hohe Ströme übertragen werden. Dies erfordert zum einen die Verwendung von Leitungsträgern mit hohen Querschnitten und zum anderen, insbesondere hinsichtlich des Einsatzes in Fahrzeugen, die Realisierung einer dauerstabilen Verbindungstechnik, die eine hohe Zuverlässigkeit und mechanische Festigkeit bietet. Bei der Kontaktierung der Batteriezellen zu einem Batteriemodul (Stack) müssen die Anoden und die Kathoden der einzelnen Batteriezellen untereinander verbunden werden. Dabei ist bei einer Lithium-Ionen-Batterie typischerweise einer der Anschlussstifte oder Kontaktstifte aus einem Aluminiumwerkstoff und der jeweilige andere Anschlussstift beziehungsweise Kontaktstift aus einem Kupferwerkstoff ausgebildet. Die Batteriezellen werden über sogenannte Verbinder, die typischerweise als Aluminium- oder Kupferblechstreifen ausgebildet sind, miteinander kontaktiert und zu einem Batteriemodul verbunden. Um möglichst gute Übergangswiderstände an den Kontaktstellen zwischen den Kontaktstiften und dem Verbinder zu erreichen, werden stoffschlüssige Verbindungstechniken beziehungsweise stoffschlüssige Fügetechniken bevorzugt.
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In der 1 sind mehrere Batteriezellen 10 dargestellt, die zu einem Batteriemodul 20 zusammengeschlossen sind. Jede Batteriezelle 10 umfasst einen Anschluss- beziehungsweise Kontaktstift 30. Die Kontaktstifte 30 unterschiedlicher Batteriezellen 10 sind jeweils mittels einer als Verbinder dienenden Lasche 41 miteinander verschraubt. Die Verschraubung erfolgt mittels Muttern 50, die auf die Außengewinde der Kontaktstifte 30 der einzelnen Batteriezellen 10 aufgeschraubt werden.
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Wie aus der in 2 dargestellten Explosionsansicht ersichtlich, liegt die Mutter 50 und eine Scheibe 60 auf der als Verbinder dienenden Lasche 41 auf, wobei auf dem Kontaktstift 30 zunächst ein Schuh 70 aufgebracht wird, der wiederrum die als Verbinder dienende Lasche 41 abstützt. Auf der Oberseite der Lasche 41 liegt einen Kragen 80 auf, der die Scheibe 60 umfängt, die mittels der Mutter 50 verschraubt wird.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Verschraubung weist jedoch verschiedene Nachteile auf. Zum einen ist diese Verbindungstechnik nicht hinreichend dauerstabil, das heißt, aufgrund der im Betrieb auftretenden Erschütterungen können sich die Schrauben lösen, selbst wenn sie fest gegeneinander angezogen sind. Ein weiterer Nachteil dieser Verschraubungstechnik ist, dass sich an den Kontaktstellen zwischen den Kontaktstiften 30 und dem Verbinder 40 hohe elektrische Übergangswiderstände einstellen können, was zu Verlusten und/oder zu unerwünschten Erwärmungen im Bereich der Kontaktstellen führen kann. Die verwendeten Materialien beziehungsweise Werkstoffe, insbesondere Kupfer, relaxieren mit der Zeit. Dies bedeutet, dass die Vorspannkraft einer Schraube mit der Zeit abnimmt, wodurch sich der entsprechende Übergangswiderstand erheblich verschlechtert.
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In der
3 ist ein aus dem Dokument
DE 10 2009 047 490 A1 bekannter Verschaltungsaufbau von einzelnen Batteriezellen
10 zu einem Batteriemodul (Stack)
20 dargestellt. Bei diesem Verschaltungsaufbau werden ein erster Kontaktstift
31 einer Batteriezelle
10 und ein zweiter Kontaktstift
32 einer anderen Batteriezelle
10 mittels eines elektrisch leitfähigen Verbinders
40 miteinander verbunden. Dabei ist der erste Kontaktstift
31 aus einem ersten Material beziehungsweise Werkstoff, wie beispielsweise Aluminium, ausgebildet. Ferner ist der zweite Kontaktstift
32 aus einem zweiten Material, wie beispielsweise Kupfer, ausgebildet. Das Material, aus dem der Verbinder
40 ausgebildet ist, kann im Prinzip frei gewählt werden. Da hier hohe elektrische Leitfähigkeiten gefordert sind, kann der Verbinder
40 insbesondere aus Aluminium oder Kupfer geformt sein. In der
3 sind auch die Kontaktstellen
91,
92 zwischen den Kontaktstiften
31,
32 und dem Verbinder
40 bezeichnet. Dabei wird der Verbinder
40 mit den Kontaktstiften
31,
32 mittels Laserschweißens stoffschlüssig verbunden. Aus dem Dokument
DE 10 2009 047 490 A1 sind mehrere Vorschläge zur Ausgestaltung der Fügeverbindungen zwischen den Kontaktstiften
31,
32 und dem Verbinder
40 und zur Materialauswahl bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten Kontaktstift aus einem ersten Material und einem zweiten Kontaktstift aus einem zweiten Material bereitgestellt. Bei dem Verfahren ist ein elektrisch leitfähiger Verbinder vorgesehen, der eine erste Fügestelle, die mit dem ersten Kontaktstift stoffschlüssig verbunden wird, und eine zweite Fügestelle, die mit dem zweiten Kontaktstift stoffschlüssig verbunden wird, aufweist. Dabei werden die Fügegeometrie der aus dem ersten Material ausgebildeten ersten Fügestelle und der Querschnitt des ersten Kontaktstiftes derartig abhängig von der elektrischen Leifähigkeit des ersten Materials dimensioniert und die Fügegeometrie der aus dem zweiten Material ausgebildeten zweiten Fügestelle und der Querschnitt des zweiten Kontaktstiftes derartig abhängig von der elektrischen Leifähigkeit des zweiten Materials dimensioniert, dass an den Kontaktstellen der Kontaktstifte mit dem stoffschlüssig verbundenen Fügstellen jeweils ein gewünschter oder derselbe gewünschte Übergangswiderstand vorliegt.
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Vorzugsweise werden der erste Kontaktstift und die erste Fügestelle aus Aluminium und der zweite Kontaktstift und die zweite Fügestelle aus Kupfer gebildet.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass an den Kontaktstellen zwischen den Kontaktstiften (Pins) und dem Verbinder lediglich artgleiche Verbindungen, wie beispielsweise eine Aluminium-Aluminium-Verbindung oder Kupfer-Kupfer-Verbindung, hergestellt werden müssen. Diese artgleichen Verbindungen können dann mittels bekannter Verfahren, wie beispielsweise mittels Laserschweißens oder Widerstandsschweißens, hergestellt werden.
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Mit anderen Worten, es wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Verbinder eingesetzt, der an seinen beiden Fügestellen das passende Material beziehungsweise den passenden Fügewerkstoff bereitstellt. Ein solcher Verbinder kann durch einen Verbundwerkstoff Aluminium-Kupfer realisiert werden.
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Um den Verbinder und die Verbindungen zwischen dem Verbinder und den Kontaktstiften elektrisch optimiert und gewichtsoptimiert auszulegen, wird dabei beachtet, dass aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten der verwendeten Materialien beziehungsweise Fügewerkstoffe, wie beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten von Aluminium und Kupfer, die beim stoffschlüssigen Verbinden erzeugten Verbindungsflächen beziehungsweise Anbindungsquerschnitte an den Fügestellen sowie die notwendigen Querschnitte der zu verbindenden Bauteile, das heißt die notwendigen Querschnitte der Kontaktstifte und des Verbinders an den Fügestellen, unterschiedlich ausgelegt werden müssen.
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Bei der Verwendung der Werkstoffkombination mit Aluminium auf einer Seite des Verbinders und Kupfer auf der anderen Seite des Verbinders müssen folglich auf der Aluminiumseite deutlich größere Querschnitte als auf der Kupferseite gefügt werden. Wenn auf der Kupferseite des Verbinders deutlich kleinere Querschnitte als auf der Aluminiumseite des Verbinders gefügt werden, wird bei den verwendeten Bauteilen, das heißt bei dem Verbinder und den Kontaktstiften, Gewicht eingespart.
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Ein bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeter Verbinder kann auf sehr vorteilhafte Weise überall dort eingesetzt werden, wo zwei artungleiche Materialien beziehungsweise Werkstoffe, wie hier die zwei Kontaktstifte aus unterschiedlichen Materialien, miteinander verbunden werden müssen, die über konventionelle Schweißverfahren nicht oder nur mit großem Risiko verschweißt werden können. Durch die Verwendung eines solchen Zweistoffverbinders kann eine elektrische Verbindung zwischen artungleichen Materialien durch zwei artgleiche Schweißverbindungen realisiert werden. Dabei werden die Fügegeometrie an den Fügestellen des Verbinders und die Querschnitte der Kontaktstifte an die elektrischen Anforderungen angepasst.
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Um eine zufriedenstellende Qualität der Verbindung zwischen den beiden Kontaktstiften und dem Verbinder zu erreichen, sind hohe Anforderungen an die Positionierungstoleranzen und an die Fertigungstoleranzen der verwendeten Bauteile, das heißt an die Fertigungstoleranzen der Kontaktstifte und des Verbinders an den Fügestellen, zu stellen. Um die Toleranzanforderungen gering halten zu können, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt eine angepasste Fügegeometrie mit einer entsprechenden Auslegung verwendet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der erste oder der zweite Kontaktstift mit der ersten oder der zweiten Fügestelle mittels einer Stumpfstoßverbindung verbunden, bei der der erste oder der zweite Kontaktstift in eine in der ersten oder in der zweiten Fügestelle entsprechend ausgebildeten Öffnung eingesteckt werden. Ferner wird der zweite oder der erste Kontaktstift mit der zweiten oder der ersten Fügestelle mittels einer Überlappverbindung, bei der die äußere Querschnittfläche des zweiten oder des ersten Kontaktstiftes von einer Außenfläche der zweiten oder der ersten Fügestelle überlappt wird, verbunden. Vorzugsweise wird zunächst der mit der entsprechenden Fügestelle mittels einer Stumpfstoßverbindung zu verbindende Kontaktstift mit der entsprechenden Fügestelle stoffschlüssig verbunden und danach der mit der entsprechenden Fügestelle mittels einer Überlappverbindung zu verbindende Kontaktstift mit der entsprechenden Fügestelle stoffschlüssig verbunden.
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Bevorzugt werden für die Kontaktstifte kreisförmige Querschnitte gewählt. Ferner wird bei Vorliegen einer Stumpfstoßverbindung zwischen einer der Fügestellen und dem entsprechenden Kontaktstift die Öffnung der Fügestelle bevorzugt kreisförmig ausgebildet und geeignet zum Einstecken des entsprechenden Kontaktstiftes dimensioniert.
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Durch die Verwendung der Fügeverbindungen mit den vorhin beschriebenen konstruktiven Ausgestaltungen, das heißt durch die Verwendung einer Stumpfstoßverbindung auf einer Seite des Verbinders und einer Überlappverbindung auf der anderen Seite des Verbinders, wird es ermöglicht, dass die verwendeten Bauteile, das heißt die Kontaktstifte und der Verbinder an den Fügestellen, geringere Toleranzanforderungen erfüllen müssen als in einem Fall, bei dem auf beiden Seiten des Verbinders Stumpfstoßverbindungen verwendet werden.
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Im Vergleich zu einem Fall, bei dem auf beiden Seiten des Verbinders Überlappverbindungen verwendet werden, hat die Verwendung einer Stumpfstoßverbindung auf einer Seite des Verbinders und einer Überlappverbindung auf der anderen Seite des Verbinders den Vorteil, dass eine Vorpositionierung beziehungsweise eine Vorfixierung des Verbinders durch die Realisierung der Stumpfstoßverbindung auf der entsprechenden Seite des Verbinders gegeben ist. Um im Fertigungsprozess beziehungsweise bei der seriellen Fertigung eine geeignete Vorfixierung des Verbinders zu bekommen, ist es vorteilhaft, die Stumpfstoßverbindung zwischen dem Verbinder und dem entsprechenden Kontaktstift mittels einer Übergangs- oder Presspassung zu realisieren. Vorzugsweise wird die Stumpfstoßverbindung im Fertigungsprozess als Erstes geschweißt. Der Toleranzausgleich erfolgt dann über die Überlappverbindung.
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Des Weiteren kann der Verbinder an die geometrischen Gegebenheiten weiter angepasst werden. Vorteilhafterweise wird eine Überlappverbindung auf derjenigen Seite des Verbinders realisiert, auf der ein geringerer Anbindungsquerschnitt beziehungsweise eine kleinere Anbindungsfläche notwendig ist, und eine Überlappverbindung wird auf derjenigen Seite des Verbinders realisiert, auf der ein größerer Anbindungsquerschnitt beziehungsweise eine größere Anbindungsfläche notwendig ist.
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Bevorzugt wird die Aluminium-Aluminium-Verbindung als Stumpfstoßverbindung realisiert, weil dadurch eine große Verbindungsfläche beziehungsweise ein größerer Anbindungsquerschnitt auf einfachere Weise realisiert werden kann. Bei der Aluminium-Aluminium-Verbindung wird der größere Anbindungsquerschnitt aufgrund der schlechteren elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium in Vergleich zu Kupfer auch eher benötigt. Die Kupfer-Kupfer-Verbindung kann dann als Überlappverbindung realisiert werden.
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Kupfer zeigt üblicherweise größere Prozessstreuungen insbesondere im Bereich der Einschweißtiefe. Diese werden durch eine massive Kontaktstiftgeometrie weitgehend abgefangen, sodass durch die Verwendung einer Stumpfstoßverbindung auch die Kupfer-Kupfer-Verbindung als sehr stabile Verbindung realisierbar ist. Der Anbindungsquerschnitt auf der Kupferseite des Verbinders kann durch Abfahren beziehungsweise Anbringen von Schweißnähten mit einer beliebigen Nahtgeometrie insbesondere von Schweißnähten, die jeweils eine Kreiskontur aufweisen, entsprechend vergrößert werden. Aufgrund der höheren Leitfähigkeit von Kupfer kann die Materialdicke auf der Kupferseite des Verbinders geringer gewählt werden. Ferner wird das Fügeverfahren beziehungsweise der Fügeprozess weiter optimiert bevorzugt durch das Einbringen mindestens einer Vertiefung, insbesondere mindestens einer Prägung und/oder Sicke, zum Aufnehmen mindestens einer Fügeverbindung, insbesondere mindestens einer Schweißnaht.
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Zur Realisierung von an die unterschiedlichen Leitfähigkeiten der zwei verwendeten Materialien angepassten Verbindungsflächen zwischen den Kontaktstiften und den entsprechend stoffschlüssig verbundenen Fügestellen wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der aus dem Material mit der kleineren elektrischen Leitfähigkeit ausgebildete Kontaktstift mit einer gegenüber dem Querschnitt des anderen Kontaktstiftes entsprechend größeren Querschnitt gebildet. Aus dem gleichen Grund wird bevorzugt auch die aus dem Material mit der kleineren elektrischen Leitfähigkeit ausgebildete Fügestelle mit einer gegenüber der Materialdicke der anderen Fügestelle entsprechend größeren Materialdicke und/oder mit einer gegenüber der sich quer zu der Verbindungsrichtung des Verbinders erstreckenden Materialbreite der anderen Fügestelle entsprechend größeren sich quer zu der Verbindungsrichtung des Verbinders erstreckenden Materialbreite vorgesehen.
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Erfindungsgemäß werden unter anderem Ausgestaltungen der Fügegeometrien der zwei Fügestellen und der Kontaktstifte bereitgestellt, mittels denen Fertigungs- und Positionstoleranzen auf eine sehr einfache Weise ausgeglichen werden können. Dabei kann bei den verwendeten Bauteilen, das heißt bei dem Verbinder und den Kontaktstiften, Gewicht eingespart werden, wenn die Querschnitte der Kontaktstifte und/oder die Materialdicken und/oder die Materialbreiten des Verbinders an den Fügestellen aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten der verwendeten Materialien, insbesondere von Aluminium und Kupfer, optimiert werden.
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Bei einer anderen sehr bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mittels einer Stumpfstoßverbindung mit dem entsprechenden Kontaktstift verbundene Fügestelle mittels einer entlang des Randes der in der Fügestelle vorhandenen Öffnung angebrachten und als Schweißnaht, insbesondere als kreisförmige Schweißnaht, realisierten stoffschlüssigen Verbindung mit dem entsprechenden Kontaktstift verbunden. Ferner wird bevorzugt die mittels einer Überlappverbindung mit dem entsprechenden Kontaktstift verbundene Fügestelle mittels mindestens einer an ihrer dem Kontaktstift abgewandten Außenfläche angebrachten und als mindestens eine Schweißnaht mit beliebiger Geometrie, insbesondere als kreisförmige Schweißnaht oder als eine Mehrzahl von kreisförmigen und konzentrisch angeordneten Schweißnähten, ausgebildete stoffschlüssige Verbindung mit dem entsprechenden Kontaktstift verbunden.
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Vorzugsweise wird die mittels einer Überlappverbindung mit dem entsprechenden Kontaktstift verbundene Fügestelle an ihrer dem Kontaktstift abgewandten Außenfläche mit mindestens einer Vertiefung zum Aufnehmen der mindestens einen stoffschlüssigen Verbindung ausgestattet.
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Mit anderen Worten, es werden sowohl die mittels einer Stumpfstoßverbindung mit dem entsprechenden Kontaktstift verbundene Fügestelle als auch die mittels einer Überlappverbindung mit dem entsprechenden Kontaktstift verbundene Fügestelle mittels stoffschlüssiger Verbindungen mit den Kontaktstiften stoffschlüssig verbunden. Die Verbindungsfläche beziehungsweise der Anbindungsquerschnitt an der Fügestelle mit der Überlappverbindung kann bevorzugt durch Anbringen beziehungsweise Abfahren von Schweißnähten mit einer beliebigen Geometrie, insbesondere durch Abfahren von Schweißnähten mit Kreiskontur, entsprechend vergrößert werden.
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Vorzugsweise wird in der Fügestelle mit der insbesondere mit der größeren Materialdicke vorgesehen Überlappverbindung mindestens eine Vertiefung, die beispielsweise als Prägung oder Sicke ausgebildet ist, eingebracht, um den entsprechenden Anbindungsquerschnitt mit geringerem Energieeintrag in die entsprechenden Bauteile, das heißt in die entsprechende Fügestelle und den entsprechenden Kontaktstift, realisieren zu können. Dies hat fertigungstechnische Vorteile, beispielsweise weil durch das Vorhandensein der mindestens einen Vertiefung lediglich eine geringere Einschweißtiefe notwendig ist, die zu einem geringeren Energieeintrag in die entsprechenden Bauteile führt. Ferner ist die dabei entstehende thermische Belastung geringer. Auch können beim Einsatz vom Laserschweißen günstigere Laserstrahlquellen verwendet werden. Weiterhin entstehen dabei weniger Schweißspritzer.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie mit mindestens zwei Batteriezellen, wobei eine der Batteriezellen einen ersten Kontaktstift aus einem ersten Material aufweist und die andere der Batteriezellen einen zweiten Kontaktstift aus einem zweiten Material aufweist und der erste Kontaktstift und der zweite Kontaktstift mittels einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten elektrischen Verbindung miteinander verbunden sind.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie.
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Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren für die Batteriezellkontaktierung in Lithium-Ionen-Batterien beziehungsweise in Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt werden, bei denen bevorzugt wird, Verbindungen mit Aluminium und Kupfer herzustellen. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch im Bereich elektrischer Steuergeräte für Hochstromanwendungen eingesetzt werden, deren Kontaktierungen mit dieser Technologie herstellbar sind.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem mit einer erfindungsgemäßen Batterie.
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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 eine perspektivische Teilansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriemoduls, bei dem die Kontaktstifte von jeweils zwei Batteriezellen mittels einer als Verbinder dienenden Lasche miteinander verschraubt sind,
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2 eine Explosionsansicht, in der die Komponenten einer Verschraubungsverbindung eines Kontaktstiftes einer Batteriezelle des Batteriemoduls aus der 1 und dem entsprechenden Verbinder, dargestellt sind,
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3 eine Prinzipskizze eines weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Batteriemoduls, bei dem die Kontaktstifte von jeweils zwei Batteriezellen mit einem Verbinder stoffschlüssig miteinander verbunden sind,
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4 eine Schnittansicht eines Verschaltungsaufbaus, bei dem zwei Kontaktstifte mittels einer elektrischen Verbindung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung miteinander verbunden sind,
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5 eine Draufsicht eines Verschaltungsaufbaus, bei dem zwei Kontaktstifte mittels einer elektrischen Verbindung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung miteinander verbunden sind,
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6 eine Teilschnittansicht eines Verschaltungsaufbaus, bei dem zwei Kontaktstifte mittels einer elektrischen Verbindung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung miteinander verbunden sind,
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7 eine Schnittansicht eines Verschaltungsaufbaus, bei dem zwei Kontaktstifte mittels einer elektrischen Verbindung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung miteinander verbunden sind, und
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8 eine Teildraufsicht des Verschaltungsaufbaus aus der 7.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 4 zeigt eine Schnittansicht eines Verschaltungsaufbaus, gemäß dem ein erster Kontaktstift 31 mit einem zweiten Kontaktstift 32 mittels einer elektrischen Verbindung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung verbunden wird. Dabei werden der erste Kontaktstift 31 und der zweite Kontaktstift 32 mittels eines speziellen Verbinders 40 elektrisch miteinander verbunden.
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Der erste Kontaktstift 31 ist aus Aluminium (Al) gebildet und mittels einer Überlappverbindung mit einer aus Aluminium ausgebildeten ersten Fügestelle 110 des Verbinders 40 stoffschlüssig verbunden. Ferner ist der zweite Kontaktstift 32 aus Kupfer (Cu) gebildet und mittels einer Stumpfstoßverbindung mit einer aus Kupfer ausgebildeten zweiten Fügestelle 120 des Verbinders 40 stoffschlüssig verbunden.
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Vorzugsweise wird die Stumpfstoßverbindung bei dem Herstellungsverfahren beziehungsweise Fertigungsprozess als Erstes realisiert und somit zunächst der zweite Kontaktstift 32 mit der zweiten Fügestelle 120 stoffschlüssig verbunden. Der Ausgleich der Fertigungs- und Positionierungstoleranzen erfolgt dann über die Überlappverbindung.
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Bei der zwischen dem ersten Kontaktstift 31 und dem zweiten Kontaktstift 32 hergestellten elektrischen Verbindung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung wurden die Verbindungsflächen beziehungsweise Anbindungsquerschnitte in den Fügestellen 110, 120 und entsprechend die Querschnitte der Kontaktstifte 31, 32 aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten von Aluminium und Kupfer unterschiedlich ausgelegt. Dabei wurde beachtet, dass aufgrund der geringeren Leitfähigkeit des Aluminiums im Vergleich zu der Leitfähigkeit von Kupfer auf der Aluminiumseite des Verbinders 40 (viel) größere Querschnitte als auf der Kupferseite des Verbinders 40 gefügt werden müssen. Folglich wurde der erste, aus Aluminium ausgebildete Kontaktstift 31 mit einem deutlich größeren Querschnitt versehen als der zweite, aus Kupfer ausgebildete Kontaktstift 32. Aus demselben Grund wurde ferner auch die aus Aluminium ausgebildete erste Fügestelle 110 mit einer gegenüber der Materialdicke 121 der aus Kupfer ausgebildeten zweiten Fügestelle 120 größeren Materialdicke 111 versehen.
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Im Bereich der ersten Fügestelle 110 mit der größeren Materialdicke 111 wurde eine beispielsweise als Prägung oder Sicke ausgebildete Vertiefung 130 zum Aufnehmen einer stoffschlüssigen Verbindung, mittels der der erste Kontaktstift 31 mit der ersten Fügestelle 110 stoffschlüssig verbunden wird, eingebracht. Durch das Vorhandensein dieser Vertiefung 130 kann der mittels der stoffschlüssigen Verbindung erzeugte Anbindungsquerschnitt beziehungsweise die Verbindungsfläche mit einem geringeren Energieeintrag in die erste Fügestelle 110 und in den ersten Kontaktstift 31 realisiert werden.
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5 zeigt eine Draufsicht eines Verschaltungsaufbaus, bei dem ein erster Kontaktstift 31 und ein zweiter Kontaktstift 32 mittels einer elektrischen Verbindung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung miteinander verbunden sind. Im Unterschied zu dem in der 4 dargestellten Verschaltungsaufbau wird bei dem in der 5 dargestellten Verschaltungsaufbau ein Verbinder 40 eingesetzt, der dieselbe Materialdicke wie die zwei Fügestellen 110, 120 aufweist. Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten des Aluminiums und des Kupfers wurden hier die Verbindungsflächen beziehungsweise Anbindungsquerschnitte an den Fügestellen 110, 120 und entsprechend die Querschnitte der Kontaktstifte 31, 32 auch unterschiedlich ausgelegt. Hier wurde auch beachtet, dass aufgrund der schlechteren Leitfähigkeit des Aluminiums in Vergleich zum Kupfer auf der Aluminiumseite des Verbinders 40 viel größere Querschnitte als auf der Kupferseite des Verbinders 40 gefügt werden müssen. Folglich wurde auch hier der aus Aluminium ausgebildete erste Kontaktstift 31 mit einem deutlich größeren Querschnitt als der aus Kupfer ausgebildete zweite Kontaktstift 32 vorgesehen. Anders als bei dem in der 4 dargestellten Verschaltungsaufbau wurde hier die mit Aluminium gebildete erste Fügestelle 110 mit einer gegenüber der Materialbreite 122 der mit Kupfer gebildeten zweiten Fügestelle 120 größeren Materialbreite 112 versehen.
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Aus der 5 ist auch ersichtlich, dass die Verbindungsfläche des ersten aus Aluminium ausgebildeten Kontaktstiftes 31 mit der ersten aus Aluminium ausgebildeten Fügestelle 110 durch Anbringen von zwei kreisförmigen und konzentrisch angeordneten Schweißnähten 140 entsprechend vergrößert wurde.
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Aus der 5 ist auch ersichtlich, dass der aus Kupfer ausgebildete zweite Kontaktstift 32 durch Anbringen einer kreisförmigen Schweißnaht am Rand der äußeren Querschnittsfläche des zweiten Kontaktstiftes 32 mit der aus Kupfer ausgebildeten zweiten Fügestelle 120 stoffschlüssig verbunden wurde.
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6 zeigt eine Teilschnittansicht eines Verschaltungsaufbaus, bei dem ein erster Kontaktstift 31 mit einem zweiten Kontaktstift 32 mittels einer elektrischen Verbindung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung verbunden ist. Dabei sind der erste Kontaktstift 31 und der zweite Kontaktstift 32 mittels eines Verbinders 40 elektrisch miteinander verbunden. In der in der 6 dargestellten Teilschnittansicht sind nur der erste Kontaktstift 31 und die erste Fügestelle 110 des Verbinders 40 dargestellt. Im Unterschied zu dem in der 4 dargestellten Verschaltungsaufbau wird bei dem in der 6 dargestellten Verschaltungsaufbau ein Verbinder 40 eingesetzt, der eine erste Fügestelle 110 mit zwei beispielsweise als Prägungen oder Sicken ausgebildeten Vertiefungen 130 zum Aufnehmen von stoffschlüssigen Verbindungen aufweist. Die stoffschlüssigen Verbindungen werden mittels Schweißnähten oder Schweißpunkten realisiert. In der 6 sind auch die entsprechenden Schweißstellen 150 eingezeichnet, an denen sich die eingebrachten Schweißnähte oder Schweißpunkte befinden.
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7 zeigt eine Schnittansicht eines Verschaltungsaufbaus, bei dem ein erster Kontaktstift 31 und ein zweiter Kontaktstift mittels einer elektrischen Verbindung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung miteinander verbunden sind.
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Dabei werden der erste Kontaktstift 31 und der zweite Kontaktstift 32 mittels eines Verbinders 40 elektrisch miteinander verbunden.
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Der erste Kontaktstift 31 ist aus Aluminium ausgebildet und mittels einer Stumpfstoßverbindung mit einer aus Aluminium ausgebildeten ersten Fügestelle 110 des Verbinders 40 stoffschlüssig verbunden. Ferner ist der zweite Kontaktstift 32 aus Kupfer ausgebildet und mittels einer Stumpfstoßverbindung mit einer aus Kupfer ausgebildeten zweiten Fügestelle 120 des Verbinders 40 stoffschlüssig verbunden.
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Vorzugsweise wird die Stumpfstoßverbindung bei dem Fertigungsprozess zuerst realisiert und der erste Kontaktstift 31 entsprechend auch als Erstes mit der ersten Fügestelle 110 stoffschlüssig verbunden. Der Ausgleich der Fertigungs- und Positionierungstoleranzen erfolgt dann über die Überlappverbindung zwischen dem zweiten Kontaktstift 32 und der zweiten Fügestelle 120. Mit x und y ist ein kartesisches Koordinatensystem gekennzeichnet, das die Ebene definiert, in der der Toleranzausgleich mittels der Überlappverbindung erfolgt.
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Auch bei der zwischen dem ersten Kontaktstift 31 und dem zweiten Kontaktstift 32 hergestellten elektrischen Verbindung nach der vierten Ausführungsform der Erfindung wurden die Verbindungsflächen beziehungsweise Anbindungsquerschnitte in den Fügestellen 110, 120 und entsprechend die Querschnitte der Kontaktstifte 31, 32 aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten des Aluminiums und des Kupfers unterschiedlich ausgelegt. Dabei wurde auch beachtet, dass aufgrund der schlechteren Leitfähigkeit des Aluminiums in Vergleich zu Kupfer auf der Aluminiumseite des Verbinders 40 entsprechend größere Querschnitte als auf der Kupferseite des Verbinders 40 gefügt werden müssen. Folglich wurde der aus Aluminium ausgebildete erste Kontaktstift 31 mit einem deutlich größeren Querschnitt als der aus Kupfer ausgebildete zweite Kontaktstift 32 gewählt. Aus demselben Grund wurde ferner auch die mit Aluminium gebildete erste Fügestelle 110 mit einer gegenüber der Materialdicke 121 der mit Kupfer gebildeten zweiten Fügestelle 120 größeren Materialdicke 111 gebildet.
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Ferner kann hinsichtlich der höheren Leitfähigkeit von Kupfer gegenüber Aluminium der Anbindungsquerschnitt auf der Kupferseite des Verbinders 40 weiter angepasst werden, indem in die zweite aus Kupfer ausgebildete Fügestelle 120 mindestens eine als Prägung oder Sicke ausgebildete Vertiefung zum Aufnehmen einer stoffschlüssigen Verbindung, mittels der der zweite Kontaktstift 32 mit der zweiten Fügestelle 120 stoffschlüssig verbunden wird, eingebracht wird.
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Die Kontaktstifte 31, 32 können jeweils mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, die als Schweißnaht oder mittels Schweißpunkten realisiert wird, mit der ersten Fügestelle 110 und mit der zweiten Fügestelle 120 stoffschlüssig verbunden werden. In der 7 sind auch die entsprechenden Schweißstellen 150 ersichtlich.
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8 zeigt eine Teildraufsicht des in der 7 dargestellten Verschaltungsaufbaus, bei dem der erste Kontaktstift 31 und der zweite Kontaktstift 32 mittels einer elektrischen Verbindung nach der vierten Ausführungsform der Erfindung miteinander verbunden sind. In der Teildraufsicht aus der 8 ist nur eine Hälfe der Fügestellen 110, 120 und der entsprechenden Schweißnähte 140 eingezeichnet.
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Aus der 8 ist ersichtlich, dass der erste aus Aluminium ausgebildete Kontaktstift 31 mittels einer Schweißnaht 140, die eine Kreiskontur aufweist und am Rand des äußeren Querschnittes des ersten Kontaktstiftes 31 verläuft, mit der ersten aus Aluminium ausgebildeten Fügestelle 110 stoffschlüssig verbunden ist.
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Der Anbindungsquerschnitt auf der Kupferseite des Verbinders 40 kann grundsätzlich durch Anbringen von mehreren Schweißnähten mit beliebiger Geometrie entsprechend vergrößert werden. Die Schweißnähte können jeweils eine Kreiskontur aufweisen.
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Der 8 ist ferner zu entnehmen, dass der zweite, aus Kupfer ausgebildete Kontaktstift 32 mittels einer Schweißnaht 140, die eine Kreiskontur aufweist, mit der zweiten, aus Kupfer ausgebildeten Fügestelle 120 stoffschlüssig verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009047490 A1 [0006, 0006]
