DE102016209857A1

DE102016209857A1 - Zellverbinder für ein Batteriemodul

Info

Publication number: DE102016209857A1
Application number: DE102016209857.8A
Authority: DE
Inventors: Paul Hund; Sarah Sitz; Christoph Bantel; Dominik Koch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2017-12-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zellverbinder (10) für ein Batteriemodul (100) umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen (110) mit zumindest einem Zellterminal (120) zum Übertragen von elektrischer Energie der Batteriezelle (110), wobei über den Zellverbinder (10) Zellterminals (120) elektrisch leitfähig miteinander verbindbar sind, wobei der Zellverbinder (10) als ein Halbzeug ausgebildet und stoffschlüssig mit dem Zellterminal (120) verbindbar ist, wobei der Zellverbinder (10) mehrschichtig ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellverbinder für ein Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie ein Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff des zweiten unabhängigen Anspruchs und ein Verfahren zum elektrischen Verbinden einer Mehrzahl an Batteriezellen eines Batteriemoduls gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
Stand der Technik
Zellverbinder zum Verbinden von elektrischen Energiespeichern zu einer Batterie sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei die Zellterminals der Batteriezellen durch Stanzteile miteinander verbunden werden. Aus der DE 10 2012 218 500 A1 ist ein gattungsgemäßer Zellverbinder zum Verbinden von elektrischen Energiespeichern zu einer Batterie bekannt, bei dem ein aufwendig hergestelltes Stanzteil die Zellterminals untereinander verbindet, indem Verbindungsstege des Stanzteils mit den Zellterminals gefügt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Leistungsfähigkeit einer Batterie ist maßgeblich von der Temperatur abhängig, insbesondere bei Mitteltemperatur-Batteriesystemen (z. B. LiS). Bei starker Ladung oder Entladung ist die Batterie starken Temperaturschwankungen ausgesetzt. Aus diesem Grund müssen Batteriemodule, wie bspw. Mitteltemperatur-Module, oberhalb der Raumtemperatur innerhalb enger Temperaturgrenzen betrieben werden.
Erfindungsgemäß wird ein Zellverbinder für ein Batteriemodul vorgeschlagen, wobei das Batteriemodul eine Mehrzahl an Batteriezellen mit zumindest einem Zellterminal zum Übertragen von elektrischer Energie der Batteriezelle aufweist. Im Rahmen der Erfindung kann unter einem Batteriemodul ein Zusammenschalten mehrerer elektrischer Energiespeicher, insbesondere elektrochemischer Energiespeicher und/oder elektrostatischer Energiespeicher verstanden werden.
Der erfindungsgemäße Zellverbinder ermöglicht eine elektrisch leitfähige Verbindung der Zellterminals der jeweiligen Batteriezellen miteinander, wobei der Zellverbinder als ein Halbzeug ausgebildet und stoffschlüssig mit dem Zellterminal verbindbar ist. Dabei ist der Zellverbinder mehrschichtig, insbesondere mit voneinander unterschiedlichen Werkstoffschichten, ausgebildet. Mehrschichtig kann im Rahmen der Erfindung bedeuten, dass der Zellverbinder zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei sich voneinander unterscheidende bzw. separat ausgebildete Werkstoffschichten aufweist. Vorzugsweise weist zumindest eine der Schichten Aluminium und/oder Kupfer auf. Diese metallischen Werkstoffe weisen eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit auf, wobei die Fertigung des Zellverbinders als ein Halbzeug dabei kostengünstig und mit geringem Aufwand erzielbar ist. Darüber hinaus eignen sich metallische Werkstoffe besonders für das Fügen von elektrisch leitfähigen Verbindungen. Kupfer ist gut formbar und zäh, wobei gleichzeitig hervorragende Wärme- und elektrisch leitfähige Verbindungen herstellbar sind, sodass durch die Verwendung von Kupfer hervorragende physikalische Eigenschaften, insbesondere die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie ein einfaches Fügen erzielbar ist. Das Zellterminal einer Batteriezelle weist üblicherweise Aluminium oder Kupfer auf, sodass es vorteilhaft ist, wenn der Zellverbinder ebenfalls Aluminium oder Kupfer aufweist, sodass ein Materialmix der beiden Fügepartner optimal vorzugsweise vermieden werden kann. Weist der Zellverbinder bspw. Aluminium auf, so müssen lediglich Aluminiummaterialien miteinander stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere gefügt, werden, sodass beim Fügeprozess eine einzige Fertigungsanlage zur Fügung des Zellterminals mit dem Zellverbinder verwendet werden kann. Dadurch kann zum einen die Taktzeit bei der Herstellung verringert und die Prozesse automatisiert werden. Darüber hinaus kann ein Materialmix anfällig für bspw. Korrosion und intermetallische Phasen sein. Weitere Kosteneinsparungen ergeben sich durch die Fertigung des Zellverbinders als ein Halbzeug, sodass der Zellverbinder als ein vorgefertigtes Werkstück in den Herstellungsprozess/ Fügeprozess eingeführt und auf einfache Weise verarbeitet werden kann. Vorteilhafterweise können die Zellverbinder durch einen vorangehenden Umformungsprozess an das gegebene Batteriemodul- bzw. die Batteriemodulgeometrie angepasst werden. Bei der elektrischen Leitschicht kann es sich vorzugsweise um ein Blech handeln.
Dementsprechend können die Zellverbinder an eine Batteriemodulgröße leicht angepasst werden. Neben der elektrischen Anbindung der Batteriezellen über die Zellverbinder eines Batteriemoduls kann somit auch eine gute thermische Verbindung erzielt werden, wodurch eine verbesserte Temperierung der Batteriezellen eines Batteriemoduls erreichbar ist. Dementsprechend kann durch den erfindungsgemäßen Zellverbinder die Temperatur der Batteriezellen des Batteriemoduls durch die geeignete Anbindung über den erfindungsgemäßen Zellverbinder weitgehend konstant gehalten werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Zellverbinder mehrschichtig und metallurgisch mit den Zellterminals verbunden, insbesondere gefügt werden. Somit entsteht eine hohe Festigkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit und ein lediglich partieller Wärmeeintrag in die Batteriezelle.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Zellverbinder beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul und/oder dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie einer erfindungsgemäßen Batterie und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungsgegenstände möglich.
Der Zellverbinder kann vorteilhafterweise zumindest eine elektrische Leitschicht und zumindest eine Isolationsschicht aufweisen, wobei durch die Isolationsschicht die elektrische Leitschicht des Zellverbinders nach außen elektrisch isoliert ist, wobei insbesondere die Isolationsschicht Aluminiumoxid aufweisen kann. Die elektrische Leitschicht ist dabei vorzugsweise jene Schicht des Zellverbinders, welche mit dem Zellterminal stoffschlüssig verbunden werden kann. Eine weitere Schicht des Zellverbinders ist die Isolationsschicht, welche mit der elektrischen Leitschicht verbunden bzw. auf die elektrische Leitschicht aufgetragen wird, sodass über die Isolationsschicht die elektrische Leitschicht des Zellverbinders nach außen elektrisch isoliert ist. Dabei kann der Zellverbinder, insbesondere die elektrische Leitschicht vollflächig oder tlw. mit der Isolationsschicht umgeben bzw. beschichtet sein, wobei insbesondere zumindest die Teile der elektrischen Leitschicht ausgenommen sind, welche mit dem Zellterminal verbunden werden. Vorzugsweise weist die Isolationsschicht Aluminiumoxid (Al₂O₃) auf, was insbesondere durch thermisches Spritzen dünn auf die elektrische Leitschicht aufgebracht wird. Vorzugsweise weist die Isolationsschicht eine Dicke von ungefähr 5 μm bis ungefähr 500 μm, bevorzugt zwischen ungefähr 20 μm und ungefähr 200 μm, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 40 μm und ungefähr 100 μm auf. Die Isolationsschicht kann vorteilhafterweise eine Keramik aufweisen, wodurch eine elektrische Isolation der elektrischen Leitschicht herstellbar ist. Weiterhin ist es denkbar, dass die Isolationsschicht auf die elektrische Leitschicht gelötet ggf. mit Ultraschallunterstützung auf die elektrische Leitschicht aufgetragen wird. Die Isolationsschicht hat dabei den Vorteil, dass diese elektrisch isolierend und gleichzeitig lötbar bzw. fügbar ist, wenn sie zuvor z.B. mittels Thermischen Spritzen mit z.B. einer dünnen Kupferschicht versehen wird.
Es ist des Weiteren denkbar, dass zumindest eine thermische Leitschicht vorgesehen ist, wodurch die thermische Leitfähigkeit des Zellverbinders verbessert ist. Die thermische Leitschicht ist von der elektrischen Leitschicht durch die Isolationsschicht voneinander, zumindest elektrisch, isoliert bzw. getrennt. Bei der thermischen Leitschicht kann es sich vorzugsweise um ein Blech handeln, insbesondere können die thermische Leitschicht und die elektrische Leitschicht metallurgisch im Wesentlichen gleich aufgebaut sein. Dabei kann die thermische Leitschicht vorteilhafterweise Aluminium und/oder Kupfer aufweisen. Die thermische Leitschicht dient dabei dazu, die Temperierung der Batteriezellen und somit der Batteriemodule zu verbessern, wobei die thermische Energie der Batteriezellen über die thermische Leitschicht abgegeben oder zugefügt werden kann. Hierdurch ist die Temperierung der Batteriezellen eines Batteriemoduls, unabhängig von der Zellchemie, mittels des mehrschichtigen Aufbaus des Zellverbinders, insbesondere durch die thermische Leitschicht ermöglicht. Die thermische Leitschicht kann dabei bspw. auf die Isolationsschicht gelötet oder aufgespritzt werden.
Zwischen der Isolationsschicht und der thermischen Leitschicht kann vorteilhaft eine Fügeschicht angeordnet sein, wodurch die Isolationsschicht und die thermische Leitschicht stoffschlüssig fügbar sind, wobei insbesondere zusätzlich ein Fügemittel auf der Isolationsschicht angeordnet ist.
Die Fügeschicht kann dabei die stoffschlüssige Verbindung der Isolationsschicht und der thermischen Leitschicht verbessern, sodass die thermische Leitfähigkeit von der Isolationsschicht auf die thermische Leitschicht erhöht werden kann. Die Fügeschicht ermöglicht somit eine verbesserte Anbindung der thermischen Leitschicht zur Isolationsschicht, wobei die Fügeschicht vorzugsweise eine dünne Schicht ist, welche vorzugsweise Aluminium und/oder Kupfer aufweist. Die Fügeschicht kann dabei bspw. durch thermisches Spritzen, Löten und/oder Leitkleben auf die Isolationsschicht aufgebracht werden. Eine verbesserte Verbindung der thermischen Leitschicht zur Fügeschicht und der Fügeschicht zur Isolationsschicht kann dadurch erzielt werden, dass zusätzlich ein Fügemittel auf der Fügeschicht und/oder die Isolationsschicht angeordnet ist. Dabei kann es sich vorzugsweise um ein Lot in Form von Paste, Lötdraht oder vergleichbare metallische lötfähige Materialien handeln, welche auf die Fügeschicht aufgetragen werden können. Hierdurch wird die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Isolationsschicht und der thermischen Leitschicht weiter verbessert, da durch Einbringen einer Fügeschicht und/oder eines Fügemittels höhere Temperaturen zum Fügen des Zellverbinders genutzt werden können. Folglich weist der Zellverbinder in dieser Ausführungsform eine erste elektrische Leitschicht auf, welche mit dem Zellterminal verbunden ist. Auf die elektrische Leitschicht wird zumindest auf der dem Zellterminal abgewandten Seite des Zellverbinders und somit der elektrischen Leitschicht, eine Isolationsschicht angeordnet, insbesondere gespritzt, wodurch die elektrische Leitschicht zumindest elektrisch nach außen isoliert ist. Auf der Isolationsschicht kann nunmehr eine Fügeschicht angeordnet werden und auf die Fügeschicht und/oder die Isolationsschicht vorzugsweise ein Fügemittel aufgebracht sein. Auf die Fügeschicht und/oder auf dem Fügemittel kann die thermische Leitschicht angeordnet insbesondere mit der Fügeschicht, besonders bevorzugt über ein Fügemittel, verbunden sein. Dementsprechend ergibt sich ein Zellverbinder bestehend aus zumindest 5 unterschiedlichen Schichten, welche derart ausgestaltet sind, dass die thermische Leitfähigkeit gegeben und gleichzeitig ein Kurzschluss durch die Isolationsschicht verhindert ist.
Vorteilhafterweise kann der Zellverbinder zumindest abschnittsweise eine Ausnehmung aufweisen, wodurch thermische Energie von außen in den Zellverbinder einbringbar ist. Die Ausnehmung ist notwendig, um den mehrschichtig ausgebildeten Zellverbinder mit dem Zellterminal stoffschlüssig zu verbinden, ohne dass zu viel thermische Energie auf den Zellverbinder und somit auf das Zellterminal und in die Batteriezelle eingebracht werden muss, wodurch die Batteriezelle zerstört oder in seiner Funktionalität zumindest eingeschränkt werden könnte. Hierfür kann der Zellverbinder eine Ausnehmung in Form einer insbesondere zylindrischen Bohrung aufweisen, sodass durch die Bohrung thermische Energie zum Schweißen des Zellverbinders mit dem Zellterminal eingebracht werden kann. Vorzugsweise ist die Ausnehmung derart ausgestaltet, dass lediglich die elektrische Leitschicht mit dem Zellterminal gefügt bzw. geschweißt werden kann. Dementsprechend kann die Ausnehmung im Bereich des Zellterminals angeordnet bzw. ausgestaltet sein, sodass zumindest die Isolationsschicht, die Fügeschicht und/oder das Fügemittel sowie die thermische Leitschicht in diesem Bereich entfernt sind. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Ausnehmung den geometrischen Dimensionen des Zellterminals entspricht. Ein Zellterminal weist üblicherweise einen Durchmesser von 7 mm auf, sodass die Ausnehmung zumindest an einer Seite im Wesentlich gleich groß dimensioniert sein kann. Dementsprechend weist der Zellverbinder im Bereich des Zellterminals lediglich die elektrische Leitschicht auf. Die darauf folgenden Schichten können dabei durch Bohren oder Fräsen entfernt worden sein. Gleichzeitig kann die Ausnehmung dazu dienen, dass ein Kurzschluss verhindert bzw. vermieden werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen und zumindest einem Zellterminal mit einem erfindungsgemäßen Zellverbinder beansprucht. Dementsprechend ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul sämtliche Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Zellverbinder aufgeführt worden sind. Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst eine Mehrzahl an Batteriezellen mit zumindest einem Zellterminal zum Übertragen von elektrischer Energie der Batteriezelle. Zumindest ein Zellverbinder verbindet zumindest zwei Terminals elektrisch und/oder thermisch miteinander, wobei der Zellverbinder mehrschichtig ausgebildet und stoffschlüssig mit dem Zellterminal verbunden ist. Bei dem Batteriemodul kann es sich um eine Mehrzahl von Pouchzellen und/oder prismatischen Zellen handeln.
Vorteilhafterweise sind das Zellterminal und der Zellverbinder geschweißt, insbesondere lasergeschweißt miteinander verbunden. Hierfür weist der Zellverbinder vorzugsweise eine Ausnehmung auf, wodurch die thermische Energie zum Schweißen, insbesondere zum Laserschweißen, auf die elektrisch leitfähige Schicht und das Zellterminal aufgebracht werden können. Das Laserstrahlschweißen ermöglicht ein Verschweißen des Zellverbinders mit dem Zellterminal, insbesondere der elektrisch leitfähigen Schicht mit dem Zellterminal mit einer hohen Schweißgeschwindigkeit, wobei gleichzeitig eine schmale und schlanke Schweißnahtform mit geringem thermischem Verzug hergestellt werden kann. Darüber hinaus benötigt das Laserschweißen i. d. R. keinen Zusatzwerkstoff zur Herstellung einer Schweißverbindung. Ein weiterer Vorteil von Laserschweißverfahren ergibt sich durch den im Vergleich zu anderen Schweißverfahren geringen, konzentrierten Energieeintrag in das Werkstück. Die Folge ist u. a. ein geringer thermisch bedingter Verzug. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die große Arbeitsentfernung und die freie Wahl der Umgebungsatmosphäre. Vorzugsweise wird die Energie zum Schweißen bzw. der Laserstrahl von oben, d. h. dem Zellterminal entgegengesetzt, auf die elektrische Leitschicht aufgebracht/eingebracht.
Vorteilhafterweise kann zumindest ein Wärmetauscher vorgesehen sein, wobei insbesondere der Wärmetauscher stoffschlüssig zumindest abschnittsweise mit dem Zellverbinder verbunden ist. Der Wärmetauscher kann dabei bspw. als ein offener Wärmetauscher ausgebildet sein, sodass das Einbringen thermischer Energie bzw. eines Laserstrahls zum Fügen bzw. Schweißen des Wärmetauschers auf den Zellverbinder ermöglicht ist. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann dabei eine Temperierung der Batteriezelle und somit des Batteriemoduls verbessern, wobei die Temperatur der Batteriezellen eines Batteriemoduls durch die geeignete Anbindung des Zellverbinders und des Wärmetauschers weitgehend konstant gehalten werden kann. Darüber hinaus ist es denkbar, dass der Wärmetauscher über ein Kühlmedium betrieben wird, wobei das Kühlmedium vorzugsweise durch den Wärmetauscher geführt ist und/oder zirkuliert. Hierfür kann der Wärmetauscher vorzugsweise Materialausnehmungen bzw. Hohlräume aufweisen, in denen ein geeignetes Kühlmedium, bspw. Wasser oder Öl, angeordnet ist. Der Wärmetauscher kann vorzugsweise einen metallischen Werkstoff, insbesondere Aluminium und/oder Kupfer aufweisen. Der Wärmetauscher kann hierbei vorzugsweise ein Körper sein, der Wärme überwiegend durch Wärmestrahlung abgibt, wobei der Wärmetauscher eine möglichst große Oberfläche mit hohem Emissionsgrad aufweist. Ein entsprechender Wärmetauscher kann dabei von einem Fluid durchströmt und/oder umströmt werden, sodass eine Konvektion die Wärmeabgabe erhöht bzw. die für eine bestimmte Wärmeleistung erforderliche Temperaturdifferenz senkt. Die Konvektionsleistung des Wärmetauschers kann dadurch erhöht werden, dass bspw. Kühlsterne und/oder Kühlfahnen an dem Wärmetauscher angeordnet sind.
Es ist des Weiteren denkbar, dass der Wärmetauscher einen Deckel aufweist, wobei insbesondere der Wärmetauscher und/oder der Deckel lasergeschweißt sein können. Ein Deckel für den Wärmetauscher ermöglicht eine variablere Gestaltung der Geometrie des Wärmetauschers, wobei zuerst der Wärmetauscher und der Zellverbinder gefügt bzw. geschweißt werden kann und der Wärmetauscher eine nach oben, d. h. von der Batteriezelle weg, offen gestaltete Geometrie aufweist, sodass eine vergrößerte Fläche für die Konvektion der Wärmeenergie vorhanden ist. Nachdem der Wärmetauscher an den Zellverbinder gefügt bzw. geschweißt ist, kann in den Wärmetauscher ein Fluid zur besseren Wärmekonvektion eingeführt werden und nachträglich der Deckel auf den Wärmetauscher angeordnet, insbesondere gefügt oder geschweißt werden. Durch den Deckel wird das Fluid in dem Wärmetauscher eingeschlossen und gleichzeitig vergrößert sich die Konvektionsfläche des Wärmetauschers.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum elektrischen Verbinder einer Mehrzahl an Batteriezellen eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls beansprucht. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf:

a) Verbinden einer elektrischen Leitschicht mit einer Isolationsschicht,
b) Aufbringen einer Fügeschicht auf die Isolationsschicht,
c) Verbinden der Fügeschicht mit einer thermischen Leitschicht,
d) Fügen des Zellverbinders mit dem Zellterminal.

Dementsprechend ergeben sich für das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Zellverbinder und im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul beschrieben worden sind.
Die Verfahrensschritte können dabei zumindest teilweise gleichzeitig oder zeitlich nacheinander ablaufen, wobei die Reihenfolge der Verfahrensschritte nicht auf die durch die Nummerierung definierte Reihenfolge begrenzt ist, sodass einzelne Schritte in unterschiedlicher Reihenfolge durchführbar sind.
Im Schritt a) können eine elektrische leitfähige Schicht und eine elektrisch isolierende Schicht miteinander verbunden werden. Hierfür kann ein elektrisch leitfähiges Blech bspw. aus Kupfer (CU) oder Aluminium (AL) mit einer elektrisch isolierenden Schicht verbunden werden, vorzugsweise wird dafür eine dünne AL₂O₃-Schicht durch thermisches Spritzen auf die elektrische Leitschicht aufgetragen. Damit die elektrisch isolierende Isolationsschicht mit weiteren Schichten metallurgisch verbunden werden kann, kann in einem Schritt b) eine Fügeschicht aufgebracht werden. Die Fügeschicht kann dabei bspw. ebenfalls Aluminium oder Kupfer aufweisen und durch thermisches Spritzen aufgebracht werden. Im Schritt c) kann die Fügeschicht dann mit einer thermischen Leitschicht, bspw. einem Aluminium oder Kupfer aufweisenden Blech verbunden werden. Dabei kann die thermische Leitschicht bspw. auf die Fügeschicht gelötet oder mittels Leitkleber miteinander verbunden werden. Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass ein Lot oder ein Leitkleber aufgetragen wird, sodass die thermische Leitschicht mit der eine elektrisch isolierende Schicht aufweisenden elektrischen Leitschicht gefügt, insbesondere lasergeschweißt werden kann. Somit kann ein thermisch leitfähiger Zellverbinder hergestellt werden, welcher zumindest eine elektrisch isolierende Schicht aufweist, sodass ein Kurzschluss vermieden werden kann.
Vorteilhafterweise wird in einem weiteren Schritt eine Aussparung bspw. eine Bohrung in dem Zellverbinder ausgestaltet, sodass die thermische Energie bspw. ein Laserstrahl zum thermischen Fügen des Zellverbinders mit einem Zellterminal einer Batterie gemäß Schritt d) eingebracht werden kann.
Vorteilhafterweise kann in einem Schritt e) ein Wärmetauscher mit dem Zellverbinder stoffschlüssig gefügt, insbesondere lasergeschweißt, werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Batterie mit zumindest einem erfindungsgemäßen Batteriemodul beansprucht. Dementsprechend ergeben sich die gleichen Vorteile für die beanspruchte Batterie wie sie zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul aufgeführt worden sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsform beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale oder Merkmale der Ausführungsform, soweit technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Es zeigen:
1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Zellverbinders und
2 eine erfindungsgemäße Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul und mit einem erfindungsgemäßen Zellverbinder.
1 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Zellverbinders 10, wobei der Zellverbinder 10 mit dem Zellterminal 120 der Batteriezelle 110 verbunden ist. Der Zellverbinder 10 ist dabei mehrschichtig (10.1–10.5) ausgebildet, wobei der Zellverbinder als ein Halbzeug ausgebildet und stoffschlüssig mit dem Zellterminal 120 verbunden ist. In 1 weist der Zellverbinder eine elektrische Leitschicht 10.1 und zumindest eine Isolationsschicht 10.2 auf, wobei die elektrische Leitschicht 10.1 in Kontakt mit dem Zellterminal 120 der Batteriezelle 110 ist, sodass elektrische und thermische Energie von der Batteriezelle 110 über das Zellterminal 120 an den Zellverbinder 10 übertragen werden kann. Das Zellterminal 120 steht in direktem Kontakt mit der elektrischen Leitschicht 10.1 und ist vorzugsweise mit dieser lasergeschweißt und somit stoffschlüssig verbunden. In der Ansicht der 1 ist die Isolationsschicht 10.2 auf der elektrischen Leitschicht 10.2 angeordnet, sodass eine elektrische Isolation zu den darauf folgenden Schichten 10.2–10.5 und somit zum Wärmetauscher 200 ermöglicht ist. Auf die Isolationsschicht 10.2 ist eine Fügeschicht 10.5 angeordnet, wodurch die Isolationsschicht 10.2 und die thermische Leitschicht 10.3 stoffschlüssig fügbar, vorzugsweise lasergeschweißt, werden kann. Dafür befindet sich ein Fügemittel 10.4 auf der Isolationsschicht 10.2, sodass die thermische Leitschicht 10.3 stoffschlüssig, vorzugsweise lasergeschweißt oder gelötet mit den restlichen Schichten 10.1, 10.2 und 10.5 verbunden werden kann. Der Zellverbinder 10, bestehend aus den Schichten 10.1 bis 10.5, weist eine Ausnahme 11 im Bereich des Zellterminals 120 auf, welche zylindrisch ausgebildet ist, sodass in die Ausnehmung thermische Energie, vorzugsweise ein Laserstrahl, zum Fügen bzw. Schweißen der insbesondere elektrischen Leitschicht 10.1 an das Zellterminal 120 einführbar ist. Auf der thermischen Leitschicht 10.3 ist in 1 der Wärmetauscher 200 angeordnet und stoffschlüssig mit dem Zellverbinder 10, insbesondere mit der thermischen Leitschicht 10.3 gefügt, vorzugsweise lasergeschweißt. Damit ein möglichst fehlerfreier Fügevorgang, insbesondere Laserschweißvorgang realisierbar ist, wird die thermische Energie bzw. der Laserstrahl zum Fügen des Zellverbinders 10 mit dem Zellterminal 120 und zum Fügen des Wärmetauschers 200 mit dem Zellverbinder 10, von oben, d. h. aus Richtung des Wärmetauschers 200, eingeleitet. Die thermische Energie zum Fügen des Zellverbinders 10 mit dem Zellterminal 120 wird an dem Fügepunkt 300 eingebracht. Der Fügepunkt 300 für das Zellterminal 120 ist über die Ausnahme 11 des Zellverbinders 10 erreichbar, sodass bspw. ein Laserstrahl zum Laserschweißen am Fügepunkt 300 eingebracht werden kann. Zum Verbinden des Zellverbinders 10 mit dem Wärmetauscher 200 weist dieser weitere Fügepunkte 300 auf, wobei die Energie zum Fügen auf den Wärmetauscher 200 aufgebracht und von dort auf den Zellverbinder 10, insbesondere die thermische Leitschicht 10.3 übertragen werden kann. Hierfür sind in 1 zwei Fügepunkte 300 an dem Wärmetauscher 200 vorgesehen.
Die 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 100 mit zwei Batteriezellen 110, wobei jede Batteriezelle 110 jeweils ein Zellterminal 120 aufweist. Der Zellverbinder 10 ist in 2 derart mit den Zellterminals 120 der Batteriezellen 110 gefügt, vorzugsweise lasergeschweißt, sodass elektrische Energie von der Batteriezelle 110 über den Zellverbinder 10 übertragen werden kann. Der Zellverbinder 10 weist hierbei im Bereich der Zellterminals 120 eine im Wesentlichen zylindrische Ausnehmung 11 auf. Auf dem mehrschichtig ausgebildeten Zellverbinder 10 ist der Wärmetauscher 200 angeordnet, welcher stoffschlüssig mit dem Zellverbinder 10 gefügt, insbesondere lasergeschweißt ist. Auf dem Wärmetauscher 200 ist ein Deckel 210 des Wärmetauschers 200 angeordnet, welcher vorzugsweise ebenfalls lasergeschweißt mit dem Wärmetauscher 200 verbunden ist. In 2 weist der Zellverbinder 10 jeweils zwei Fügepunkte 300 auf, wobei die Fügepunkte 300 im Bereich der Ausnahmen 11 des Zellverbinders 10 angeordnet sind, sodass die thermische Energie zum Fügen des Zellverbinders 10 mit dem Zellterminal 120 dort eingebracht werden kann. Weiterhin weist der Wärmetauscher 200 insgesamt drei Fügepunkte 300 auf, an welchen der Zellverbinder 10 mit dem Wärmetauscher 200 gefügt, insbesondere lasergeschweißt werden kann. Der Deckel 210 des Wärmetauschers 200 wird über weitere Fügepunkte 300 mit dem Wärmetauscher 200 gefügt. Vorzugsweise wird zuerst der Zellverbinder 10 mit dem Zellterminal 120 gefügt. Danach wird der Wärmetauscher 200 mit dem Zellverbinder 10 und im Anschluss der Deckel 210 mit dem Wärmetauscher 200 gefügt, insbesondere lasergeschweißt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012218500 A1 [0002]

Claims

Zellverbinder (10) für ein Batteriemodul (100) umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen (110) mit zumindest einem Zellterminal (120) zum Übertragen von elektrischer Energie der Batteriezelle (110), wobei über den Zellverbinder (10) Zellterminals (120) elektrisch leitfähig miteinander verbindbar sind, wobei der Zellverbinder (10) als ein Halbzeug ausgebildet und stoffschlüssig mit dem Zellterminal (120) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbinder (10) mehrschichtig ausgebildet ist.
Zellverbinder (10) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine elektrische Leitschicht (10.1) und zumindest eine Isolationsschicht (10.2) vorgesehen ist, wobei durch die Isolationsschicht (10.2) die elektrische Leitschicht (10.1) des Zellverbinders (10) nach außen elektrisch isoliert ist, insbesondere dass die Isolationsschicht (10.2) Aluminiumoxid aufweist.
Zellverbinder (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine thermische Leitschicht (10.3) vorgesehen ist, wodurch die thermische Leitfähigkeit verbessert ist.
Zellverbinder (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Isolationsschicht (10.2) und der thermischen Leitschicht (10.3) eine Fügeschicht (10.5) angeordnet ist, wodurch die Isolationsschicht (10.2) und die thermische Leitschicht (10.3) stoffschlüssig fügbar sind, wobei insbesondere zusätzlich ein Fügemittel (10.4) auf der Isolationsschicht (10.2) angeordnet ist.
Zellverbinder (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise eine Ausnehmung (11) vorgesehen ist, wodurch thermische Energie von außen in den Zellverbinder (10) einbringbar ist.
Batteriemodul (100) umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen (110) mit zumindest einem Zellterminal (120) zum Übertragen von elektrischer Energie der Batteriezelle (110), zumindest einen Zellverbinder (10), wobei der Zellverbinder (10) zumindest zwei Zellterminals (120) miteinander verbindet dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbinder (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zellterminal (120) und Zellverbinder (10) geschweißt, insbesondere lasergeschweißt miteinander verbunden sind.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wärmetauscher (200) vorgesehen ist, wobei insbesondere der Wärmetauscher (200) stoffschlüssig zumindest abschnittsweise mit dem Zellverbinder (10) verbunden ist.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (200) einen Deckel (210) aufweist, wobei insbesondere der Wärmetauscher (200) und/oder der Deckel (210) lasergeschweißt sind.
Verfahren zum elektrischen Verbinden einer Mehrzahl an Batteriezellen eines Batteriemoduls, insbesondere nach einem der Ansprüche 6 bis 9, aufweisend zumindest folgende Schritte: a) Verbinden einer elektrischen Leitschicht (10.1) mit einer Isolationsschicht (10.2), b) Aufbringen einer Fügeschicht (10.3) auf die Isolationsschicht (10.2), c) Verbinden der Fügeschicht (10.3) mit einer thermischen Leitschicht (10.4), d) Fügen des Zellverbinders (10) mit dem Zellterminal (120).
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt e) ein Wärmetauscher (200) mit dem Zellverbinder (10) stoffschlüssig gefügt, insbesondere lasergeschweißt wird.