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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden der elektrischen Pole wenigstens zweier Batteriezellen einer Batterie miteinander über ein Zellverbinderblech mittels Ultraschallbonden oder Ultraschallschweißen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens zwei Batteriezellen.
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Ein elektrisch leitendes Verbinden von Batteriezellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, bei welchem die Pole der Batteriezellen über Drähte mittels eines Bonding-Verfahrens mit Kontaktplatten verdrahtet sind, ist etwa in der
DE 10 2011 015 622 A1 beschrieben.
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Des Weiteren werden von dem Hersteller Tesla batterieelektrische Fahrzeuge mit Hochvolt-Batterien hergestellt, bei welchen Batteriezellen des Typs 18650 zum Einsatz kommen, wie sie auch in Laptops Verwendung finden. Beim Hersteller Tesla kommt hierbei eine sogenannte Brick-Anordnung zum Einsatz, wobei als Brick ein Block bezeichnet wird, in welchem eine bestimmte Anzahl von Batteriezellen elektrisch parallel geschaltet vorliegen. Die Einzelzellen sind hierbei als Rundzellen ausgebildet, und sie werden je nach Stromanforderung an die Batterie parallel verschaltet, indem die Einzelzellen über je eine Bonddrahtverbindung mit einem Zellverbinderblech aus Aluminium elektrisch leitend verbunden werden. Die Stromanforderung der Batterie kann so parallel auf die Einzelzellen verteilt werden. Bei großen Hochvoltzellen, welche als Hardcase-Zellen oder Pouch-Zellen ausgebildet sein können, mit aktuell bis zu 60 Ah Kapazität stehen primär serielle Zellverschaltungen im Raum. Ebenso werden hier jedoch auch zum Erreichen maximaler Batterieleistungen Parallelschaltungen vorgeschlagen, etwa indem jeweils zwei Batteriezellen, drei Batteriezellen oder vier Batteriezellen parallel geschaltet werden (sogenannte 2p, 3p, 4p-Verschaltungen).
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Bei Batterien, wie sie vom Hersteller Tesla eingesetzt werden, werden die als elektrische Kontaktierungselemente dienenden Drähte an den Rundzellen auf dem Pluspol angebracht, welcher an der Oberseite der Rundzelle angeordnet ist, und am Minuspol, welcher unter anderem an der Unterseite der Batteriezelle angeordnet ist. Dadurch wird der Bauraum um die jeweilige Batteriezelle herum, nämlich in dem Bereich der oberen und unteren Stirnflächen eingeschränkt. Zudem muss eine Zellenkühlung dann mangels Alternativen zwischen den Mänteln der Batteriezellen positioniert werden. Dies führt zu einem Platzverlust beziehungsweise Bauraumverlust und zu einer geringeren gravimetrischen beziehungsweise volumetrischen Energiedichte der Batterie.
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Über die metallischen Zellverbinderbleche werden bei den Batterien des Herstellers Tesla die Zell-Bricks auch seriell verschaltet. Bezogen auf eine Längsachse der Rundzellen wird hier jeweils ein Brick relativ zum nächsten Brick um 180 Grad gedreht. Entsprechend liegen dann die Minuspole von parallel geschalteten Rundzellen eines ersten Bricks auf der Höhe der beziehungsweise in einer Ebene mit den parallel geschalteten Rundzellen eines benachbarten Bricks. Die flachen Zellverbinderbleche bilden dabei die „Brücke“ von den Minuspolen des einen Bricks zu den Pluspolen des zweiten, folgenden Bricks. Es ergibt sich somit eine Brick-zu-Brick-Verschaltung.
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Die serielle Verschaltung der Bricks beziehungsweise Blöcke von Einzelzellen erfolgt also mithilfe von an das Fügeverfahren des Ultraschallbondens angepassten Zellverbinderblechen und Bonddrähten.
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Bei der Kontaktierung der elektrischen Pole der Einzelzellen durch konventionelles Ultraschallbonden werden die einzelnen Batteriezellen mit dem Zellverbinderblech beziehungsweise der Zellverbindertafel durch Press-Schweißen durch Bewegung von Masse stoffschlüssig verbunden. Beispielsweise wird der Werkstoff eines Zellgehäuses der Batteriezelle, durch welchen einer der elektrischen Pole der Batteriezelle gebildet ist, mit einem Aluminiumdraht durch Ultraschallbonden gefügt. Als Zellgehäusewerkstoff kann hierbei ein mit Nickel beschichteter Stahl zum Einsatz kommen, welcher unter dem Namen Hilumin® erhältlich ist. Der nickelplattierte oder (chemisch/galvanisch) nickelbeschichtete Stahl kann hierbei eine Dicke von 0,3 Millimeter bis 0,4 Millimeter (Minuspol) und etwa 0,8 Millimeter (Pluspol) aufweisen.
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Das andere Ende des Aluminiumdrahts wird mit dem Zellverbinderblech durch Ultraschallbonden stoffschlüssig verbunden beziehungsweise gefügt. Hierbei kommt beim Hersteller Tesla ein Aluminiumblech mit einem Gehalt von 99,5 Prozent Aluminium und einer Dicke im Bereich von 0,90 Millimeter bis 1,35 Millimeter zum Einsatz. Vom Hersteller Tesla werden sowohl mit Nickel beschichtete Zellverbinderbleche aus Aluminium aber auch unvernickelte Zellverbinderbleche, also Bleche aus unbeschichtetem Aluminium eingesetzt.
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Durch das Ultraschallbonden oder Press-Schweißen kommen also stoffschlüssige Mischverbindungen zustande, beispielsweise zwischen der Nickelschicht des Stahls, aus welchem das Zellgehäuse der Batteriezelle gebildet ist, und dem Aluminiumdraht einerseits und andererseits zwischen dem Aluminiumdraht und der Nickelschicht auf dem Zellverbinderblech beziehungsweise zwischen dem Aluminiumdraht und dem unbeschichteten Zellverbinderblech. Hierbei kann eine Mischverbindung von Aluminium mit Stahl beziehungsweise von Aluminium mit Eisen durch das Vernickeln des Werkstoffs des Zellgehäuses oder Zellbechers zum Zwecke der Korrosionsvermeidung und zur Vermeidung der Phasenbildung AlxFey unterbunden werden, etwa durch Verwendung von Hilumin® für das Zellgehäuse. Denn bei dem Werkstoff Hilumin® handelt es sich um einen mit Nickel beschichteten beziehungsweise plattierten Stahl.
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Das konventionelle Fügeverfahren des Ultraschallbondens bringt jedoch eine Reihe von Nachteilen mit sich. Denn es wird ein Zusatzwerkstoff benötigt, nämlich in Form des Aluminiumdrahts beziehungsweise Kupferdrahts oder eines solchen Bändchens. Dieser Zusatzwerkstoff muss aufwändig an die Fügestelle transportiert werden. Hierfür ist üblicherweise eine Drahtzuführungskomponente vorgesehen, also ein Verschleißteil. Des Weiteren ist eine motorisierte Drahtvorschubeinheit bereitzustellen.
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Darüber hinaus ist das Abschneiden des Zusatzwerkstoffs, also beispielsweise des Aluminiumdrahts oder Kupferdrahts, nach dem Fügevorgang mittels eines vorzuschiebenden Messers aufwändig. Auch das Messer ist zudem von Verschleiß betroffen.
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Des Weiteren bilden die Bonddrähte charakteristisch geformte Bögen oder sogenannte Loops. Diese beanspruchen je nach Fügestellenauslegung beziehungsweise geometrischen Zwängen Bauraum im Millimeterbereich, nämlich zumindest in der Größenordnung des Bonddrahtdurchmessers (0,3 Millimeter bis 0,5 Millimeter) und von bis zu 3 Millimeter, an den Stirnflächen der Batteriezellen. Dies führt wiederum zu Bauraumverlusten. Dadurch verringert sich aufgrund der relativ großen Abmessungen in Länge und Breite der Batterien für BEV (BEV = Battery Electric Vehicle, Batterieelektrisches Fahrzeug) bei einem gegebenen Bauraum die gravimetrische und volumetrische Energiedichte des Zellmoduls beziehungsweise der Batterie. Bei Einsatz der Batterie in einem Kraftfahrzeug führt dies zu einer verringerten Reichweite des Kraftfahrzeugs.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein besonders aufwandsarmes Verfahren der eingangs genannten Art und eine aufwandsarm hergestellte Batterie zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden der elektrischen Pole wenigstens zweier Batteriezellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug miteinander über ein Zellverbinderblech mittels Ultraschallbonden oder Ultraschallschweißen werden mittels eines Werkzeugs der jeweilige elektrische Pol und der jeweilige Steg miteinander in Anlage gebracht. In das Werkzeug werden Ultraschallschwingungen eingebracht. Der jeweilige Steg ist durch Heraustrennen von an den Steg angrenzenden Bereichen aus dem Zellverbinderblech gebildet. Mittels des Werkzeugs wird der jeweilige Steg in Schwingung versetzt. Infolge des Schwingens wird der jeweilige Steg stoffschlüssig mit dem jeweiligen elektrischen Pol verbunden. Durch das Bereitstellen der dünnen Stege in dem Zellverbinderblech können diese unter Einwirkung des Ultraschalls in Schwingung versetzt und durch das Ultraschallbonden/Ultraschallschweißen beziehungsweise Press-Schweißen mit bewegter Masse mit den Polen der Batteriezellen elektrisch leitend verbunden beziehungsweise verschweißt werden.
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Mit dem Bereitstellen der Stege in dem Zellverbinderblech wird also im Vergleich zu dem vom Hersteller Tesla eingesetzten Verfahren des Ultraschallbondens eine abgeänderte Fügestellengeometrie verwendet. Es kann folglich auf das Bereitstellen eines Zusatzwerkstoffs etwa in Form des Aluminiumdrahts und auf ein Messer zum Trennen des Aluminiumdrahts verzichtet werden. Trotz der hierdurch realisierten Vereinfachung des Verfahrens des Ultraschallbondens sind hinreichende stoffschlüssige Kontaktierungen zwischen den dünnen Zellverbinderblechen einerseits und den elektrischen Leitern in Form der elektrischen Pole der Batteriezellen erreichbar.
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Es werden insbesondere die im Hinblick auf das konventionelle Ultraschallbonden beschriebenen Probleme vermieden. Dies führt dazu, dass das Ultraschallbonden bei Verwendung von Zellverbinderblechen, in welchen die Stege ausgebildet sind, hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und auch im Hinblick auf die Güte der Fügestellen zum konkurrierenden Verfahren des Laserschweißens aufschließen kann.
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Insbesondere entfällt der Aufwand zum Bereitstellen des Zusatzwerkstoffs in Form des Aluminiumdrahts oder Kupferdrahts beziehungsweise eines solchen Bändchens. Es entfallen folglich auch die damit einhergehenden Kosten für den Zusatzwerkstoff. Des Weiteren entfällt das aufwändige Zuführen des Zusatzwerkstoffs beziehungsweise Aluminiumdrahts oder Kupferdrahts zur jeweiligen Fügestelle. Damit entfallen auch der Aufwand und die Kosten sowohl für eine Drahtzuführungskomponente (und somit für ein Verschleißteil) als auch für eine motorisierte Drahtvorschubeinheit. Darüber hinaus entfällt das aufwändige Abschneiden des Zusatzwerkstoffs nach dem Fügen. Zudem entfallen die Kosten für das ansonsten zum Abschneiden des Zusatzwerkstoffs einzusetzende Messer, bei welchem es sich ebenfalls um ein Verschleißteil handelt, und auch für einen motorisierten Vorschub des Messers.
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Aufgrund dieser Vorteile kann besonders rasch gefügt werden, und die Prozessgeschwindigkeit steigt rapide an im Vergleich zum konventionellen Ultraschallbonden, bei welchem ein Bonddraht eingesetzt wird. Dadurch wird auch eine entsprechende Maschine zum Ultraschallbonden deutlich einfacher im Aufbau und einfacher in der Prozesssteuerung. Entsprechend lässt sich die Maschine auch besonders günstig herstellen.
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Dadurch, dass der Bonddraht entfällt, wird zudem Bauraum im Millimeterbereich an den Stirnflächen der Batteriezellen frei. Denn es sind keine Drähte beziehungsweise Bändchen mehr vorhanden, welche die Bögen oder Loops bilden. Es steht also kein Draht über, und ein Maßaufbau der elektrisch leitend miteinander verbundenen Batteriezellen in Hochrichtung (z-Richtung) ist minimal. Dies ist im Hinblick auf den Rohbau eines Kraftfahrzeugs wichtig, in welchem die Batterie zum Einsatz kommen soll, beispielsweise also für den Einsatz der Batterie in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug.
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Des Weiteren ist so ein besonders kompakter Modulaufbau ermöglicht, und zwar sowohl wenn die Batteriezellen stehend oder liegend angeordnet sind. Dies bringt eine Steigerung der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte des Zellmoduls oder Zellpakets beziehungsweise der Batterie bei einem für die Batterie vorgesehenen Bauraum mit sich. Dies führt zu einer gesteigerten Reichweite des mit der Batterie ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
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Trotz der Vereinfachung des aufwandsarmen Verfahrens sind hinreichende stoffschlüssige Kontaktierungen zwischen dem dünnen Zellverbinderblech einerseits und in Bezug auf den Werkstoff des Zellverbinderblechs artgleichen oder geeigneten artfremden elektrischen Leitern andererseits erreichbar.
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Aufgrund der durch das Ultraschallbonden hergestellten stoffschlüssigen Verbindung des jeweiligen elektrischen Pols der Batteriezellen mit den Stegen des Zellverbinderblechs ergibt sich zudem ein sehr geringer Energieeintrag. Das Risiko im Hinblick auf eine Schädigung der Batteriezellen beim Fügen ist somit besonders weitgehend reduziert. Des Weiteren besteht weitestgehend nicht die Gefahr eines Durchschweißens, wie sie etwa beim Laserschweißen auftreten kann. Darüber hinaus ist es beim Laserschweißen zum Fügen eines Zellverbinderblechs mit einem elektrischen Pol einer Batteriezelle nachteilig, wenn zwischen den beiden Fügepartnern ein Luftspalt vorhanden ist. Denn dann kommt zwischen den Fügepartnern keine Verbindung zustande. Beim Laserschweißen werden daher häufig individualisierte beziehungsweise an die jeweilige Anordnung der Fügepartner angepasste Spannvorrichtungen eingesetzt, um eine Anlage der Fügepartner aneinander sicherzustellen. Auf derartige Spannvorrichtungen kann vorliegend verzichtet werden. Dies liegt daran, dass mittels des Werkzeugs, in welches die Ultraschallschwingungen eingebracht werden, der Steg mit dem elektrischen Pol durch eine vorangehende Vorschubbewegung in Anlage gebracht wird.
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Die derzeitig am Markt verfügbare Prozesstechnik des Ultraschallbondens hat zudem einen hohen Reifegrad. Darüber hinaus lassen sich langzeitstabile und relativ duktile stoffschlüssige Verbindungen des Zellverbinderblechs mit den elektrischen Polen im Bereich der Stege realisieren. Dies liegt an dem Prinzip des Pressschweißens/Reibschweißens, also des unter dem von dem Werkzeug aufgebrachten Druck stattfindenden Reibschweißens in Form des Ultraschallbondens/Ultraschallschweißens. Es bilden sich dementsprechend nur gering ausgeprägte Diffusionszonen beziehungsweise Bereiche mit intermetallischen Phasen an den stoffschlüssigen Verbindungsstellen. Demgegenüber ist beispielsweise die Erzeugung von Mischverbindungen etwa aus Aluminium und vernickeltem Stahl durch Schmelzschweißen, etwa durch Laserstrahlschweißen, vergleichsweise schwierig. Es besteht nämlich die Gefahr einer Versprödung des Schweißguts, etwa durch große Gefügeanteile mit intermetallischen Phasen der Zusammensetzung AlxFey.
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Zwar sind aufgrund des Bereitstellens der Stege durch das Zellverbinderblech Toleranzen beziehungsweise Spalte oder Versatzstrecken in drei Raumrichtungen zu überbrücken. Dies lässt sich jedoch durch eine entsprechend präzise Fertigung und Bemaßung der Stege und durch die plastische Verformung des (weichen) Stegs unter Einwirkung der Normalkraft/Vorschubbewegung des Werkzeugs beziehungsweise Schweißwerkzeugs erreichen. Das Bereitstellen der Stege, für welches insbesondere Laserschneiden und/oder Wasserstrahlschneiden zum Einsatz kommen kann, macht das vorliegend beschriebene Verfahren dem konventionellen Ultraschallbonden überlegen, bei welchem die stoffschlüssige Verbindung mit dem Bonddraht hergestellt wird.
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Ein Reinigungszyklus und Tauschzyklus zum Ersetzen des Schweißwerkzeugs, in welches die Ultraschallschwingungen eingebracht werden, ist unter anderem von der Beschaffenheit der Zellverbinderbleche abhängig und dementsprechend zu bestimmen.
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Um sicherzustellen, dass im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung ein großer Verbindungsquerschnitt bereitgestellt ist, können im Bereich des Pols auch mehrere Schweißpunkte beziehungsweise Bondpunkte vorgesehen sein, welche insbesondere eine Größe von weniger als 1 mm2 pro Punkt haben können.
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Bevorzugt werden die Batteriezellen durch das stoffschlüssige Verbinden der jeweiligen Pole mit den jeweiligen Stegen elektrisch parallel geschaltet. Denn bei einer gewünschten Leistung der Batterie treten dann im Bereich der Stege im Betrieb derselben geringere Ströme auf, als wenn leistungsfähigere Batteriezellen in Reihe geschaltet werden. Dadurch lassen sich die Stege besonders dünn und schmal beziehungsweise filigran ausbilden. Die Stege können so besonders leicht durch die in das Werkzeug eingebrachten Ultraschallschwingungen selber in Schwingung geraten und so mit den Polen stoffschlüssig verbunden werden. Die dünnen Stege können zudem zugleich als Schmelzsicherung ausgelegt werden und als solche wirken.
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Die erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens zwei Batteriezellen. Die elektrischen Pole der Batteriezellen sind mittels Ultraschallbonden über ein Zellverbinderblech elektrisch leitend miteinander verbunden. Hierbei ist der jeweilige elektrische Pol mit einem jeweiligen Steg in Anlage gebracht und stoffschlüssig verbunden. Der Steg ist durch Heraustrennen von an den Steg angrenzenden Bereichen aus dem Zellverbinderblech gebildet. Die stoffschlüssige Verbindung des jeweiligen Stegs mit dem jeweiligen elektrischen Pol ist mittels eines Werkzeugs hergestellt, welches dazu ausgebildet ist, den jeweiligen Steg in Schwingung zu versetzen, indem in das Werkzeug Ultraschallschwingungen eingebracht werden. Dementsprechend ist die Batterie besonders aufwandsarm hergestellt.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Batterie und umgekehrt.
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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 den Figuren 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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Dabei zeigen:
- 1 in einer schematischen Draufsicht Batteriezellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die elektrischen Pluspole der einzelnen Batteriezellen durch Ultraschallbonden mit Stegen stoffschlüssig verbunden sind, welche durch ein Zellverbinderblech bereitgestellt sind;
- 2 eine Schnittansicht entlang einer Linie II-II in 1;
- 3 eine einzelne der Batteriezellen gemäß 1 im Bereich des Stegs in einer vergrößerten Detailansicht; und
- 4 ein alternativ verwendbares Zellverbinderblech, bei welchem durch Heraustrennen von Bereichen aus dem Blech schmale Stege gebildet sind.
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Von einer Batterie 10 für ein Kraftfahrzeug, welche beispielsweise als Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs ausgebildet sein kann, sind in 1 eine Mehrzahl von Batteriezellen 12 in einer Draufsicht gezeigt, wobei nur einige der Batteriezellen 12 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Die Batteriezellen 12 sind vorliegend als zylindrische Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet. Ein Minuspol 14 der jeweiligen Batteriezelle 12, also ein elektrischer Pol einer ersten Polarität, ist vorliegend durch ein Gehäuse der Batteriezelle 12 gebildet (vergleiche 2). Ein Pluspol 16, also ein elektrischer Pol einer zweiten Polarität, ist vorliegend in einem Kopfbereich, also an einer in 1 und 2 oberen Stirnseite der zylindrischen Batteriezellen 12 ausgebildet. Die beiden Pole sind zellintern durch ein Isolationselement 42 voneinander elektrisch isoliert (vergleiche 2).
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Die Batteriezellen 12 sind vorliegend mittels eines Zellverbinderblechs 18 elektrisch parallel geschaltet. Hierfür sind die Pluspole 16 mit dem Zellverbinderblech 18 stoffschlüssig verbunden. Dies geschieht vorliegend durch Ultraschallbonden auf die nachfolgend näher beschriebene Art und Weise.
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Die Pluspole 16 der Batteriezellen 12 sind nämlich mit Stegen 20 durch Ultraschallbonden stoffschlüssig verbunden, welche durch Heraustrennen von an die Stege 20 seitlich angrenzenden Bereichen aus dem Zellverbinderblech 18 hergestellt sind. Bei der in 1 gezeigten Variante sind, etwa durch Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden, zu beiden Seiten des jeweiligen Stegs 20 Bereiche aus dem Zellverbinderblech 18 herausgetrennt, welche im Wesentlichen der Kontur der jeweiligen Batteriezelle 12 in der Draufsicht sowie einer die jeweilige Batteriezelle 12 einfassenden Halterung 22 folgen. Die Halterung 22 kann durch eine ausgehärtete Vergussmasse gebildet sein.
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Aufgrund ihrer geringen Masse lassen sich die Stege 20 beim Ultraschallbonden einfach in Schwingung versetzen. Hierfür wird ein entsprechendes Werkzeug 24 mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt, welches in 2 stark schematisiert gezeigt ist. Es werden also Ultraschallschwingungen in das Werkzeug 24 eingebracht. Das schwingende Werkzeug 24 wird im Bereich des Pluspols 16 auf den Steg 20 aufgesetzt. Durch eine Druckbeaufschlagung des Werkzeugs 24 wird dann der Steg 20 im Bereich des jeweiligen Pluspols 16 mit dem Pluspol 16 in Anlage gebracht. Die anschließenden (kraftgetriggerten) und zeitlich definierten Ultraschallschwingungen, welche das Werkzeug 24 zum Vibrieren bringen, führen daraufhin zu einer stoffschlüssigen Verbindung des Stegs 20 mit dem Pluspol 16 nach Art eines Press-Reibschweißens.
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Um die Stege 20 leicht in Schwingung versetzen zu können, ist vorliegend vorgesehen, dass das Zellverbinderblech 18 eine Dicke von weniger als 1 Millimeter, insbesondere eine Dicke von etwa 0,3 Millimeter bis etwa 0,5 Millimeter, aufweist. Das Zellverbinderblech 18 kann aus vorzugsweise weichem Aluminium oder aus vorzugsweise weichem Kupfer gebildet sein. Das Gehäuse beziehungsweise der Zellbecher der Batteriezelle 12, durch welches beziehungsweise durch welchen vorliegend der Minuspol 14 gebildet ist, kann insbesondere aus mit Nickel beschichtetem Stahl gebildet sein. Bei artfremden elektrischen Leitern, also etwa wenn das Gehäuse der Batteriezelle 12 durch das Ultraschallbonden mit einem unbeschichteten Aluminiumblech oder Kupferblech als Zellverbinderblech 34 (vergleiche 2) stoffschlüssig verbunden wird, lässt sich eine langzeitstabile stoffschlüssige Verbindung erreichen. In den Figuren ist ein Verbindungsbereich 26, in welchem die Pluspole 16 mit den Stegen 20 stoffschlüssig verbunden beziehungsweise durch das Ultraschallbonden/Ultraschallschweißen verschweißt sind, durch einen jeweiligen Punkt veranschaulicht.
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Insbesondere aus 2 ist ersichtlich, dass vor dem stoffschlüssigen Verbinden des Pluspols 16 mit dem Zellverbinderblech 18 im Bereich des Stegs 20 ein Spalt 28 zwischen einer Oberseite des Pluspols 16 und einer Unterseite des Stegs 20 ausgebildet sein kann. Durch das Ultraschallbonden wird jedoch dieser Spalt 28 geschlossen. Denn das Werkzeug 24 drückt in dem Verbindungsbereich 26 den Steg 20 ein Stück weit nach unten. Die beim Ultraschallbonden infolge der Ultraschallschwingungen auftretende Reibung zwischen dem Steg 20 und dem Pluspol 16 führt dann zum Ausbilden der stoffschlüssigen Verbindung.
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In einem Bereich, in welchem der Steg 20 mit dem Pluspol 16 stoffschlüssig verbunden wird, sorgen vorliegend zwei elektrische Isolationselemente 30 für eine elektrische Isolation gegenüber dem Gehäuse der jeweiligen Batteriezelle 12, also gegenüber dem Minuspol 14 (vergleiche insbesondere 2). Eine solche Isolation kann bereits durch den Hersteller der Batteriezellen 12 in Form eines Schrumpfschlauchs bereitgestellt werden.
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Aus 2 ist des Weiteren ersichtlich, dass die parallel geschalteten Batteriezellen 12 im Bereich ihres jeweiligen Bodens 32 ebenfalls mit einem weiteren Zellverbinderblech 34 elektrisch leitend verbunden sind. Der Boden 32 ist Teil des Gehäuses der jeweiligen Batteriezelle 12, durch welches der Minuspol 14 der jeweiligen Batteriezelle 12 bereitgestellt ist. Auch dieses elektrisch leitende Verbinden des jeweiligen Minuspols 14 im Bereich des Bodens 32 mit dem weiteren Zellverbinderblech 34 geschieht vorliegend durch Ultraschallbonden/Ultraschallschweißen und zwar in analoger Art und Weise, wie sie vorstehend für das Verbinden des ersten Zellverbinderblechs 18 mit den Pluspolen 16 beschrieben ist. Dementsprechend sind auch zwischen dem weiteren Zellverbinderblech 34 und den Minuspolen 14 jeweilige stoffschlüssige Verbindungsbereiche 36 durch Ultraschallbonden ausgebildet. Auch hier sind daher dem jeweiligen Verbindungsbereich 36 zugeordnete Stege in dem weiteren Zellverbinderblech 34 ausgebildet, welche mittels eines (vorliegend nicht gezeigten) Werkzeugs in Schwingung versetzt und so stoffschlüssig mit den Minuspolen 14 verbunden werden.
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Eine Breite 38 des Stegs 20 kann beispielsweise bei etwa 0,3 Millimeter bis etwa 3 Millimeter liegen (vergleiche 3). Aus 3 geht zudem die durch die Isolationselemente 30 bewirkte elektrische Isolierung des jeweiligen Stegs 20 gegenüber dem Minuspol 14 der jeweiligen Batteriezelle 12 gut hervor.
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In 4 ist eine Variante des Zellverbinderblechs 18 gezeigt. Hierbei sind beiderseits der Stege 20 sehr schmale Bereiche in Form von streifenförmigen Durchbrüchen 40 aus dem Zellverbinderblechs18 herausgetrennt. Die Durchbrüche 40 können hierbei insbesondere eine geringere Breite aufweisen als der jeweilige Steg 20. Der jeweilige Durchbruch 40 ist vorliegend nach Art eines langgezogenen, schmalen Rechtecks ausgebildet. Dies macht das Herstellen der Durchbrüche 40, also das Heraustrennen von entsprechenden, an den Steg 20 angrenzenden Bereichen aus dem Zellverbinderblech 18 besonders einfach.
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Durch das vorliegend beschriebene vereinfachte Ultraschallbonden ist quasi ein Mikro-Ultraschall-Schweißprozess bereitgestellt, bei welchem kein Amboss erforderlich ist. Die aus den jeweiligen Zellverbinderblechen 18, 34 freigelegten Stege 20 können insbesondere zum parallelen Verschalten der Batteriezellen 12, jedoch auch bei einer Reihenschaltung der Batteriezellen 12, durch das Ultraschallbonden mit den jeweiligen elektrischen Polen der Batteriezellen 12, also mit dem Minuspol 14 beziehungsweise mit dem Pluspol 16, stoffschlüssig verbunden werden.
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Es somit ein vereinfachtes Verfahren des Ultraschallbondens zur stoffschlüssigen Herstellung von Aluminium-Mischverbindungen oder Kupfer-Mischverbindungen insbesondere mit artfremden Fügepartnern bereitgestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011015622 A1 [0002]
