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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen wenigstens einer Schraubverbindung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zum Überprüfen wenigstens einer Schraubverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen zum Übertragen von elektrischer Energie, insbesondere eines Energiespeichersystems, ist beispielsweise bereits aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die Bauteile werden beispielsweise mittels wenigstens eines Schraubelements, insbesondere einer Schraube, miteinander verbunden und sollen dabei derart miteinander verbunden werden, dass elektrische Energie, insbesondere elektrischer Strom beziehungsweise elektrische Spannung, mittels der Bauteile, das heißt von einem der Bauteile auf das andere Bauteil sicher übertragen werden kann.
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Die Überprüfung der Schraubverbindung von solchen Bauteilen zum Übertragen von elektrischer Energie erfolgt üblicherweise durch eine Drehmoment- und/oder Drehwinkelsteuerung und eine Drehmoment- und/oder Drehwinkelüberwachung. Dies bedeutet, dass das Schraubelement mittels eines Schraubwerkzeugs, welches sich um eine Drehachse dreht, an- und festgezogen wird. Im Rahmen der Drehwinkel- und Drehmomentüberwachung werden die Drehung des Schraubwerkzeugs und das Drehmoment, mit dem das Schraubelement mittels des Schraubwerkzeugs festgezogen wird, überwacht. Hierbei wird beispielsweise ein Ist-Wert des Drehmoments erfasst und mit einem Soll-Wert verglichen. Entspricht der Ist-Wert dem Soll-Wert, so sind die Bauteile auf gewünschte Weise miteinander verbunden. Entspricht der Ist-Wert jedoch nicht dem Soll-Wert, so ist die Schraubverbindung fehlerhaft und muss gegebenenfalls gelöst und erneut hergestellt werden.
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Insbesondere bei Systemen wie beispielsweise Energiespeichersystemen, bei welchen über die Bauteile hohe elektrische Ströme übertragen werden, ist eine solche Schraubverbindung eine sicherheitsrelevante Schraubverbindung, so dass eine durch das Schraubelement bewirkte gegenseitige Anpressung der Bauteile besonders wichtig ist. Mit anderen Worten dient das Schraubelement beziehungsweise die Schraubverbindung dazu, die Bauteile gegeneinander zu drücken beziehungsweise zu pressen, so dass eine sichere Energieübertragung möglich ist. Es hat sich gezeigt, dass die üblichen Überprüfungsmethoden wie die Drehmoment- und Drehwinkelüberwachung gegebenenfalls nicht ausreichen, um eine hinreichende Anpressung von jeweiligen Kontaktflächen der Bauteile zu gewährleisten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine Schraubverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen zum Übertragen von elektrischer Energie besonders präzise und sicher überprüft werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Schraubverbindung zwischen den Bauteilen zum Übertragen von elektrischer Energie besonders präzise und sicher überprüft werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schraubverbindung mittels Ultraschall überprüft wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Energiespeicher, insbesondere Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, weite Verbreitung beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen finden. Auch bei anderen Anwendungen, beispielsweise bei stationären Batteriesystemen, welche beispielsweise in Photovoltaik-Anlagen vermehrt Einzug halten, sind üblicherweise Schraubverbindungen zwischen Bauteilen vorgesehen, welche durch die Schraubverbindung miteinander verbunden sind und zum Führen beziehungsweise Übertragen von hohen elektrischen Strömen genutzt werden. Auch in Elektroantriebssträngen kommen solche Schraubverbindungen zum Einsatz. Da über die Bauteile üblicherweise hohe elektrische Ströme übertragen werden, handelt es sich bei der jeweiligen Schraubverbindung üblicherweise um eine sicherheitsrelevante Schraubverbindung, da es beispielsweise bei einem unerwünschten Lösen der Schraubverbindung zu unerwünschten Effekten kommen kann.
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Beispielsweise erfordert eine Batterie mit Lithium-Ionen-Zellen prinzipiell eine unter Sicherheitsaspekten entwickelte Konstruktion sowie Prozesssicherheit in ihrer Produktion, da sie eine hohe Energiedichte, insbesondere spezifische Energiedichten, sowie gegebenenfalls einen brennbaren Elektrolyten aufweist. Ferner weisen Energiespeicher wie beispielsweise Batterien üblicherweise eine hohe Anzahl an Einzelzellen auf. Bei sogenannten Hochvolt-Batterien (HV-Batterien), welche beispielsweise in Fahrzeugen als Traktionsbatterien zum Einsatz kommen, sind üblicherweise circa 100 große Batteriezellen vorgesehen, welche beispielsweise in Reihe geschaltet sind. Ferner sind Energiespeicher bekannt, welche mehrere tausend Zellen, insbesondere kleine Zellen, umfassen. Üblicherweise steigt die Fehler- und Ausfallwahrscheinlichkeit über lange Einsatzzeiten mit steigender Anzahl an Batteriezellen. Bei solchen Energiespeichern sind mögliche Zündquellen beispielsweise bei einem internen Kurzschluss oder bei einer Beschädigung zu vermeiden, was insbesondere durch korrektes Herstellen der jeweiligen Schraubverbindung sichergestellt werden kann.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Schraubverbindung nun besonders präzise und sicher überprüft werden, so dass die Gefahr, dass sich die Schraubverbindung unerwünschterweise selbständig löst, besonders gering gehalten werden kann. Mit anderen Worten ist für einen sicheren Betrieb beispielsweise bei verschraubten Zellverbindern in einem Strompfad eine sichere und dauerhafte Schraubverbindung vorteilhaft. Bei einer festen und sicheren Schraubverbindung sind jeweilige Kontaktflächen der Bauteile fest aneinander gepresst, so dass elektrische Energie besonders gut über die Bauteile übertragen beziehungsweise geführt werden kann.
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Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass eine lose oder unzureichende Anpressung der Kontaktflächen zu hohen Übergangswiderständen und damit zu Erhitzung und/oder gegebenenfalls zu weiteren Schäden bis hin zu Systemausfall führen kann. Durch das Überprüfen der Schraubverbindung mittels Ultraschall ist es nun möglich, falsch beziehungsweise fehlerhaft hergestellte Schraubverbindungen zu identifizieren, so dass diese fehlerhaft hergestellten Schraubverbindungen beispielsweise wieder gelöst und neu hergestellt werden können. Dadurch kann eine besonders hohe Betriebssicherheit beispielsweise von Energiesystemen gewährleistet werden. Die Gefahr von Schadensfällen, Personengefährdung und Schäden, insbesondere an Fahrzeugen, Anlagen, Gebäuden etc. durch Fehlerfälle kann besonders gering gehalten werden.
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Als im Rahmen der Erfindung mitumfasst sind nicht nur Anwendungen bei Fahrzeugen, sondern auch bei stationären Anwendungen zu betrachten, bei denen Bauteile zum Übertragen von elektrischer Energie durch wenigstens eine Schraubverbindung miteinander verbunden sind. Bei einem der Bauteile handelt es sich beispielsweise um ein Kontaktelement einer Batteriezelle, wobei das andere Bauteil beispielsweise als weiteres Kontaktelement, insbesondere als sogenannter Busbar, ausgebildet ist. Dabei sind die Bauteile, insbesondere jeweilige Kontaktflächen der Bauteile, mittels der Schraubverbindung aneinander gedrückt beziehungsweise aneinander gepresst, was mittels Ultraschall besonders gut überprüft werden kann.
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Die Schraubverbindung umfasst beispielsweise wenigstens ein Schraubelement, insbesondere eine Schraube, mittels welchem die Bauteile gegeneinander gepresst und miteinander verspannt sind. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass ein Schraubelement beziehungsweise die gesamte Schraubverbindung unter mechanischer Spannung beziehungsweise Dehnung, das heißt wenn die Schraubverbindung korrekt hergestellt wurde, ein anderes, aus dem Überprüfen mittels Ultraschall resultierendes Ergebnis zeigt als eine lose beziehungsweise fehlerhaft durchgeführte Schraubverbindung. Aufgrund dieser unterschiedlichen Ergebnisse, die sich anhand der Überprüfung durch Ultraschall ermitteln lassen, kann eine Unterscheidung in korrekt und fehlerhaft durchgeführte Schraubverbindungen erfolgen. Unter einer korrekten Schraubverbindung ist eine solche Schraubverbindung zu verstehen, welche wenigstens ein vorgebbares Kriterium, insbesondere hinsichtlich des Aneinanderpressens der Kontaktflächen der Bauteile, erfüllt, wobei eine fehlerhaft durchgeführte Schraubverbindung dieses Kriterium nicht erfüllt.
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Beispielsweise wird mittels Ultraschall wenigstens ein Ultraschallbild der Schraubverbindung erfasst, welche anhand des Ultraschallbilds überprüft wird. Ein solches Ultraschallbild kann das zuvor genannte Ergebnis der Überprüfung durch Ultraschall sein. Mit anderen Worten unterscheidet sich das Ultraschallbild einer korrekten Schraubverbindung vom Ultraschallbild einer fehlerhaft durchgeführten Schraubverbindung, so dass dadurch fehlerhafte und korrekte Schraubverbindungen besonders gut sowie auf einfache Weise voneinander unterschieden werden können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Schraubverbindung zwischen zwei Bauteilen zum Übertragen von elektrischer Energie, wobei die Schraubverbindung im Rahmen eines Verfahrens zum Überprüfen der Schraubverbindung mittels Ultraschall überprüft wird.
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Die Fig. zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Schraubverbindung 10 zwischen zwei Bauteilen 12 und 14, mittels welchen elektrische Energie, insbesondere elektrischer Strom, übertragen wird. Mit anderen Worten dienen die Bauteile 12 und 14 dazu, hohe elektrische Ströme beispielsweise im Bereich von 100 bis 1000 Ampere zu übertragen. Die Bauteile 12 und 14 kommen beispielsweise in einem Energiesystem, insbesondere in einem Energiespeichersystem, eines Fahrzeugs zum Einsatz, welches als Elektrofahrzeug oder Hybrid-Fahrzeug ausgebildet ist. Die vorigen und folgenden Ausführungen können jedoch auch auf andere Anwendungen, insbesondere stationäre Energieanwendungen, übertragen werden, bei denen Bauteile zur Stromführung beziehungsweise Stromleitung, das heißt Bauteile zum Übertragen von elektrischer Energie mittels wenigstens einer Schraubverbindung miteinander verbunden sind.
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Das Fahrzeug umfasst wenigstens einen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie, wobei der Energiespeicher beispielsweise eine Batterie ist. Ferner umfasst das Fahrzeug wenigstens einen Elektromotor, welcher mit in dem Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie versorgbar ist. Dadurch kann das Fahrzeug mittels des Elektromotors elektrisch angetrieben werden.
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Die Bauteile 12 und 14 befinden sich dabei in einem Strompfad zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor. Mit anderen Worten wird elektrische Energie, insbesondere elektrischer Strom, von dem Energiespeicher zum dem Elektromotor über die Bauteile 12 und 14 übertragen, um dadurch den Elektromotor mit in dem Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie zu versorgen.
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Aus der Fig. ist erkennbar, dass die Bauteile 12 und 14 zumindest in jeweiligen Überlappungsbereichen in gegenseitiger Überlappung angeordnet sind und dabei jeweilige Kontaktflächen 16 und 18 aufweisen, welche aneinander anliegen. Ferner weisen die Bauteile 12 und 14 jeweilige Durchgangsöffnungen 20 und 22 auf, durch welche ein Schaft 24 einer Schraube 26 der Schraubverbindung 10 hindurch gesteckt ist. Der Schaft 24 ist mit einem Schraubenkopf 28 der Schraube 26 verbunden, insbesondere einstückig ausgebildet, wobei sich der Schraubenkopf 28 auf einer dem Bauteil 14 abgewandten Seite 30 des Bauteils 12 abstützt. Auf einer dem Bauteil 12 abgewandten Seite 32 ragt der Schaft 24 aus der Durchgangsöffnung 22 des Bauteils 14 heraus, wobei der Schaft 24 ein Außengewinde 34 aufweist.
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Die Schraubverbindung 10 umfasst darüber hinaus ein weiteres Schraubelement in Form einer Mutter 36, welche ein in der Fig. nicht erkennbares und mit dem Außengewinde 34 korrespondierendes Innengewinde aufweist. Dabei ist die Mutter 36 über Innengewinde auf das Außengewinde 34 aufgeschraubt, so dass die Mutter 36 mit der Schraube 26 verschraubt ist. Mittels der Schraube 26 und der Mutter 36 sind die Bauteile 12 und 14 miteinander verspannt, so dass die Kontaktflächen 16 und 18 gegeneinander gepresst sind und flächig aneinander anliegen.
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Die Schraubverbindung 10 gemäß der Fig. ist korrekt hergestellt beziehungsweise erfüllt ein vorgebbares Kriterium, so dass die Schraubverbindung 10 beziehungsweise die Bauteile 12 und 14 eine sichere Übertragung von elektrischer Energie gewährleisten können. Beispielsweise ist eines der Bauteile 12 und 14 eine Batteriezelle, insbesondere ein Kontaktelement einer Batteriezelle, des Energiespeichers, wobei das andere der Bauteile 12 und 14 ein weiteres Kontaktelement insbesondere in Form eines Busbars sein kann.
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Im Rahmen der Produktion von Energiespeichern, insbesondere Batterien, existieren diverse Einflüsse, die eine sichere Anpressung der Kontaktflächen 16 und 18 sowie bei weiteren Schraubverbindungen den Strompfad gefährden können. Der Strompfad wird dabei auch als Hochvolt-Pfad (HV-Pfad) bezeichnet, da über ihn sehr hohe Ströme und Spannungen übertragen werden können. Diese diversen Einflüsse können je nach angewandter Qualitätskontrolle unauffällig bleiben. Bei diesen Einflüssen handelt es sich beispielsweise um falsche, das heißt fehlerhaft genutzte oder beschädigte Schraubelemente beispielsweise in Form von Stehbolzen, Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben oder Schraubensicherungsringen. Ferner kann es sich bei den Einflüssen um Verschmutzungen am jeweiligen Gewinde, Fremdkörper in einem Schraubloch, falsche Längen, unterschiedliche Qualität von Schraubelementen hinsichtlich Material und Oberflächenrauigkeit, unsaubere oder beschädigte Kontaktflächen, gegebenenfalls falsche Schraubensicherungsmittel hinsichtlich der Menge oder Art sowie andere Einflüsse handeln. Diese Einflüsse sind nicht vollständig auszuschließen, so dass eine präzise und sichere Überprüfung der Schraubverbindung 10 wünschenswert und vorteilhaft ist, um diese Einflüsse beziehungsweise ihren negativen Effekt auf die Schraubverbindung 10 identifizieren zu können.
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Um nun die Schraubverbindung 10 besonders sicher und präzise überprüfen zu können, wird die Schraubverbindung 10 im Rahmen eines Verfahrens überprüft, bei welchem die Schraubverbindung 10 mittels Ultraschall überprüft wird. Hierbei kommt beispielsweise ein Ultraschallkopf 38 zum Einsatz, mittels welchem Ultraschall beziehungsweise in der Fig. schematisch gezeigte Ultraschallwellen 40 ausgesendet werden. Die Ultraschallwellen 40 werden von der Schraubverbindung 10 reflektiert, wobei die reflektierten Ultraschallwellen mittels des Ultraschallkopfes 38 erfasst werden. Anhand der erfassten Ultraschallwellen wird wenigstens ein Ultraschallbild der Schraubverbindung 10 erfasst. Anhand des Ultraschallbilds wird dann die Schraubverbindung 10 überprüft.
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Anhand des Ultraschallbilds ist es auf besonders einfache Weise möglich, zu überprüfen, ob die Schraubverbindung 10 korrekt oder fehlerhaft ist. Dieses Überprüfen von Schraubverbindungen kann dabei bei jeder Verschraubung im Strompfad, also bei allen Zellverbindern sowie Verbindern zwischen Modulen zur Sicherung, Schützen, Steckverbindern etc. durchgeführt werden. Das Ultraschallbild, welches auch als Echobild bezeichnet wird, ist ein Ergebnis beziehungsweise ein Resultat des Aussendens der Ultraschallwellen 40, wobei anhand des Ergebnisses die Schraubverbindung 10 besonders präzise überprüft werden kann.
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Beispielsweise wird dem Ultraschallbild wenigstens ein eine Position der Schraubverbindung 10 charakterisierender Wert zugeordnet. Beispielsweise charakterisiert der Wert eine räumliche Lage der Schraubverbindung 10, so dass die Schraubverbindung 10 beispielsweise am Fahrzeug geortet und somit wieder aufgefunden werden kann. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Ultraschallbild mit dem Wert in einer Speichereinrichtung gespeichert wird. Damit ist gegebenenfalls eine gezielte Lokalisierung sowie Nacharbeit der Schraubverbindung 10 möglich.
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Wird beispielsweise anhand es Ultraschallbilds erfasst, dass die Schraubverbindung 10 fehlerhaft, das heißt nicht korrekt ist, so kann die Schraubverbindung 10 gegebenenfalls nochmals gelöst und wieder hergestellt werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu dem Ultraschallbild ist es möglich, durch Ultraschall weitere, andere Daten zu gewinnen, anhand derer die Schraubverbindung 10 überprüft werden kann. Das Ultraschallbild beziehungsweise die anderen Daten geben Aufschluss über eine hinreichende Anpressung der Kontaktflächen 16 und 18.
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Wird beispielsweise durch die Ultraschallprüfung ermittelt, dass die Schraubverbindung 10 korrekt ist und dabei beispielsweise ein vorgebbares Kriterium erfüllt, so wird die Schraubverbindung 10 beispielsweise mit wenigstens einer optischen Markierung, insbesondere mit wenigstens einer vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Markierung wie beispielsweise einer Farbmarkierung, versehen und dadurch gekennzeichnet. Durch diese Markierung ist es möglich, zu signalisieren, dass die Schraubverbindung 10 bereits überprüft und als korrekt bewertet wurde. Insbesondere ist es möglich, bei der Herstellung des Strompfades eine bestmögliche Anpressung der Kontaktflächen 16 und 18 zu realisieren sowie die Gefahr von losen Verbindungen verbunden mit der Gefahr von daraus resultierenden Effekten wie beispielsweise Lichtbögen, zu minimieren.
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Das Überprüfen der Schraubverbindung 10 kann auch auf andere, sicherheitsrelevante Schraubverbindungen übertragen werden und insbesondere im Bereich der Refabrikation beziehungsweise des Remanufacturings sowie bei der Kontrolle von Systemen vor dem Second-Life-Einsatz, das heißt vor der Wiederverwendung Verwendung finden.
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Ferner ist es möglich, in einer Serienfertigung über die Statistik der erzeugten Daten ein genaues, zulässiges Toleranzfeld für jede Verschraubungsart und Position zu definieren, sei es über bildgebende Verfahren oder durch Vergleich charakteristischer Daten aus der Ultraschallvermessung. Ein weiterer Vorteil ist, dass Geräte wie der Ultraschallkopf 38 zur Durchführung der Überprüfung zumindest teilweise am Markt verfügbar sind und gegebenenfalls nur leicht angepasst und in einer Fertigungsanlage zum Herstellen des Fahrzeugs entsprechend verkettet werden.
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Durch die Überprüfung der Schraubverbindung 10 mittels Ultraschall können eine besonders hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit von Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, und elektrischen Antriebssystemen realisiert werden. Ferner ist eine frühzeitige Nachbearbeitung und Qualitätssteigerung darstellbar, so dass Kosten reduziert und/oder kompensiert werden können. Ferner können Ausfallraten im Feld sowie Folgekosten von Schäden von Energiespeichern verringert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005003066 A1 [0005]
- DE 10948501 A1 [0005]
