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EINLEITUNG
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Elektrochemische Batterie-Packs werden verwendet, um Elektromotoren in verschiedenen Systemen mit Energie zu versorgen. So kann beispielsweise das Abtriebsdrehmoment einer Rotorwelle eines Traktionsmotors oder einer Motor-/Generatoreneinheit auf ein drehbares Element, z. B. eine Welle oder ein Getriebeelement eines Planetengetriebes, übertragen werden. Der Elektromotor bezieht bei Bedarf elektrische Energie aus oder liefert elektrische Energie an einzelne Batteriezellen des Batterie-Packs. Im Gegenzug kann das Batterie-Pack über einen Ladestrom aufgeladen werden, der von einer externen Energieversorgung oder einer fahrzeugseitigen Energieerzeugung geliefert wird. Die Lade- und Entladeströme sowie die einzelnen Zellspannungen, werden durch eine Batteriesteuerung eng überwacht und reguliert, um die Gesamtleistung des Batterie-Packs und der Systemleistung zu optimieren.
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Ein Batterie-Pack kann aus mehreren ähnlich gebauten Batteriemodulen konstruiert sein. In einigen Konfigurationen kann der Betrieb der verschiedenen Batteriemodule durch eine residente Master-Steuerung geregelt werden, die im Allgemeinen als Batteriemanagementsystem (BMS) bezeichnet wird. Jedes Batteriemodul kann eine Spannungsabtastschaltung aus flexiblem Leiterplattenmaterial beinhalten, die eine integrierte Spannungsabtastung aufweist. Die Abtastleitungen der flexiblen Schaltung werden konfiguriert, um die einzelnen Zellenspannungen zu messen und dem BMS als Teil einer Gesamtstrategie zur Batteriesteuerung zu melden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Batteriemodul des hierin beschriebenen Typs weist mehrere Batteriezellen, leitfähige Sammelschienen und eine mehrschichtige flexible Zellenabtastschaltung mit mehreren Abtastlaschen auf, die jeweils einen Abschnitt einer Abtastleitung für eine entsprechende Batteriezelle enthalten. Ebenfalls beschrieben ist ein Verfahren zum Verbinden der Abtastlaschen mit den Sammelschienen unter Verwendung eines Widerstandsbuckelschweißprozesses. Das Verfahren in seinen verschiedenen Ausführungsformen kann zur Herstellung von Schweißverbindungen oder Schweißpunkten zwischen den Laschen der flexiblen Schaltung und den einzelnen Sammelschienen verwendet werden.
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Eine exemplarische Ausführungsform des Batteriemoduls beinhaltet eine Batteriezelle, eine Sammelschiene, die mit den Batteriezellen verbunden ist und mindestens eine Oberflächenprojektion sowie eine flexible Zellenabtastschaltung aufweist. Die flexible Schaltung, die konfiguriert ist, um eine Zellenspannung der Batteriezelle zu messen oder anderweitig zu bestimmen, weist eine leitfähige Abtastleitung zwischen zwei Substraten auf und weist zudem eine Abtastlasche auf, die intern mit der Abtastleitung gekoppelt ist. Die Sammelschienen weisen mindestens einen Vorsprung auf und sind an die Abtastlasche angeschweißt, sodass der mindestens eine Vorsprung mindestens bis zur darin enthaltenen Abtastleitung in die Abtastlasche eindringt.
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Geometrische Abweichungen der Vorsprünge können eine Kontaktfläche zwischen der Abtastlasche und der Sammelschiene bereitstellen, z. B. mit variabler Höhe und/oder Breite und damit mit unterschiedlichen möglichen Schweißnahtqualitäten. Die Sammelschiene kann mit der Lasche widerstandsbuckelgeschweißt sein, sodass die Vorsprünge in unterschiedlichen Relativtiefen in die Lasche eindringen, wobei jede mindestens bis zur Abtastleitung vordringt, um einen guten elektrischen Kontakt mit der Abtastleitung innerhalb der Lasche herzustellen. Je nach Ausführungsform können einige Vorsprünge tiefer in die Lasche eindringen als andere Vorsprünge, möglicherweise einschließlich einiger Vorsprünge, die vollständig durch die Lasche hindurchgehen. Bei mehrfachen Oberflächenvorsprüngen können die räumlichen Ausrichtungen der verschiedenen Oberflächenvorsprünge zwischen benachbarten Sammelschienen beliebig variiert werden, z. B. um 180 Grad gedreht, und/oder die Höhe einiger der Vorsprünge kann zwischen den benachbarten Sammelschienen variieren, d. h. eine Identität eines längsten Vorsprungs der Vielzahl der Vorsprünge ist zwischen den benachbarten Paaren unterschiedlich.
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Klebematerial kann auf eine Schweißverbindung oder einen Schweißpunkt aufgetragen werden, die durch Verbinden der Abtastlasche mit den Oberflächenvorsprüngen der Sammelschiene gebildet werden, insbesondere wenn die Oberflächenvorsprünge die Abtastlasche vollständig durchdringen, um einen Teil des Materials der Sammelschiene freizulegen. Das Klebematerial, z. B. ein Sprüh- oder Heißschmelzkleber, kann zwischen der Sammelschiene und der Abtastlasche und/oder auf einer Oberfläche der flexiblen Schaltung und/oder der Abtastlasche in verschiedenen Ausführungsformen aufgetragen oder aufgebracht werden, einschließlich der Beschichtung von freigelegten Abschnitten der Sammelschiene, welche die Abtastlasche vollständig durchdringen.
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Die Sammelschiene kann optional als länglicher Kanal mit einem im Allgemeinen U-förmigen Querschnitt ausgeführt werden, wobei jede Sammelschiene einen länglichen Boden aufweist, der von zwei orthogonal angeordneten Seitenwänden flankiert wird. Die variable Geometrie der flexiblen Zellenabtastschaltung kann als Oberflächenvorsprünge des Bodens der Sammelschiene gebildet sein, die sich zur Lasche hin erstrecken, d. h. orthogonal nach außen/weg von der Längsachse eines derartigen Bodens.
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In einigen Ausführungsformen kann die Abtastleitung ein Mittelloch definieren. Das Klebematerial kann das Mittelloch und einen freiliegenden Abschnitt der Sammelschiene neben dem Mittelloch abdecken.
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Die Abtastlasche kann optional ein Paar seitliche Kerben neben dem Mittelloch definieren, wobei in diesem Fall das Haftmaterial einen Bereich des Mittellochs und die seitlichen Kerben abdecken kann.
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Die Sammelschienen können ein geprägtes oder gekröpftes Muster definieren, das die Vorsprünge mit einem derart geprägten oder gekröpften Muster bereitstellt, das konfiguriert ist, um einen Kontaktbereich zwischen den Sammelschienen und der flexiblen Zellenabtastschaltung zu begrenzen.
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Weiterhin wird hierin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Batteriemoduls beschrieben. Das Verfahren kann das Bilden eines Satzes von Oberflächenvorsprüngen in der Sammelschiene und das anschließende Positionieren einer entsprechenden Abtastlasche der flexiblen Schaltung benachbart zur Sammelschienenvorsprünge beinhalten. Zusätzlich kann das Verfahren auch das Verbinden der Abtastlasche mit der Sammelschiene durch einen Widerstandsbuckelschweißprozess beinhalten, sodass die Oberflächenvorsprünge mindestens bis zur darin enthaltenen leitfähigen Abtastleitung in die Lasche eindringen.
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Ein benachbartes Paar der Sammelschienen kann parallele Längsachse aufweisen, d. h. eine Längsachse einer Sammelschiene ist parallel zu einer Längsachse einer benachbarten Sammelschiene. Das Verfahren in einem derartigen Beispiel kann das Ändern eines Musters der Verteilung der Vorsprünge des benachbarten Paares beinhalten, beispielsweise durch Drehen des Musters um 180 Grad zwischen dem benachbarten Paar. Alternativ kann der Vorsprung oder die Vorsprünge mit einer längeren Länge zwischen benachbarten Sammelschienen variieren. Auf diese Weise kann sich die Identität oder die Position der längsten Vorsprünge innerhalb eines gegebenen Musters von Vorsprüngen zwischen den benachbarten Paaren unterscheiden.
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Die vorstehend beschriebene Zusammenfassung soll nicht jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr soll die vorstehende Zusammenfassung einige der hierin offenbarten neuartigen Aspekte und Merkmale exemplarisch veranschaulichen. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines exemplarischen Batteriemoduls mit leitfähigen Sammelschienen und einer flexiblen Zellenabtastschaltung, die in der hierin beschriebenen Art und Weise an die Sammelschienen angeschweißt ist.
- 1A ist eine schematische teilweise Querschnittsansicht einer Abtastleiste der flexiblen Zellenabtastschaltung und der Oberflächenvorsprünge der Sammelschiene.
- Die FIGS. 2A-2C sind schematische Seitenansichtsdarstellungen, die einen Fügeprozess einer Sammelschiene und einer Abtastlasche abbilden, wobei die Sammelschiene eine variable Höhe aufweist.
- Die FIGS. 3A-C sind schematische Seitenansichtsdarstellungen, die einen Fügeprozess der Sammelschiene und Abtastlasche abbilden, wobei die Sammelschiene eine variable Breite aufweist.
- 4A-C sind schematische Seitenansichtsdarstellungen, die einen Fügeprozess von Sammelschiene und Abtastlasche unter Verwendung eines exemplarischen Widerstandsbuckelschweißprozesses darstellen, wobei die Sammelschiene eine optional geprägte/gekröpfte Oberfläche aufweist, die Lasche eine Mittelöffnung definiert und ein Klebematerial, das die Mittelöffnung bedeckt.
- Die FIGS. 5A und 5B sind schematische Draufsichtdarstellungen, welche die Lasche mit optionalen Ausschnitten unterschiedlicher Geometrien darstellen.
- Die FIGS. 6A-C sind schematische Seitenansichtsdarstellungen, die einen Fügeprozess von Sammelschiene und Lasche darstellen, wobei die Sammelschiene eine variable Oberflächengeometrie und Klebematerial zwischen Sammelschiene und flexibler Schaltung aufweist.
- 7 ist eine schematische Draufsichtdarstellung der wechselnden Ausrichtungen der Vorsprünge in Bezug auf benachbarte parallele Sammelschienen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin gleiche Referenznummern zur Identifizierung von ähnlichen oder identischen Komponenten in den verschiedenen Ansichten verwendet werden, wird in 1 schematisch ein exemplarisches Batteriemodul 10 veranschaulicht. Das Batteriemodul 10 enthält eine Vielzahl von Batteriezellen 12, z. B. eine polymerbeschichtete Metallfolien-Taschentyp-Batteriezelle des in 1 dargestellten Typs. Jede Batteriezelle 12 weist positive (+) und negative (-) Elektrodenverlängerungen 11 auf, die als tabellarische Erweiterungen der Batteriezelle 12 dargestellt sind. Eine vorbestimmte Anzahl der Batteriezellen 12 sind innerhalb eines äußeren Käfigs 24 benachbart zueinander angeordnet und über ein Paar Endplatten 26 so gesichert, dass die Elektrodenverlängerungen 11 der verschiedenen Batteriezellen 12 seriell angeordnet oder anderweitig in einer gewünschten Ausrichtung ausgerichtet sind.
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Das Batteriemodul 10 kann als Teil eines wiederaufladbaren Energiespeichersystems mit mehreren gleichartig konstruierten Batteriemodulen 10 zu einem größeren Batterie-Pack angeordnet sein (nicht dargestellt). Das Batteriemodul 10 kann eine relative Hochspannungs-Energiespeichervorrichtung mit einer Anzahl an Batteriemodulen 10 und Batteriezellen 12 sein, die von der erforderlichen elektrischen Leistung abhängig ist. So können beispielsweise in einer exemplarischen Ausführungsform 192 oder mehr einzelne Lithiumionen-Batteriezellen 12 verwendet werden, wobei die Batteriezellen 12 je nach Konfiguration gemeinsam fähig sind, mindestens 18-60 kWh Energie abzugeben. Ein derartiges Batteriemodul 10 kann zur Energieversorgung in einem Fahrzeug, einem Kraftwerk oder einem anderen elektrizitätserzeugenden oder verbrauchenden System verwendet werden.
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Ein Batteriemanagementsystem (BMS) 14 kann als elektronische Steuerung in Verbindung mit dem Batteriemodul 10 verwendet werden. Das BMS 14 kann ein oder mehrere Computergeräte beinhalten, die jeweils einen Prozessor (P) und ausreichend Speicher (M) z. B. Nur-Lese-Speicher, Direktzugriffsspeicher und elektrisch löschbarer Nur-Lese-Speicher. Das BMS 14 kann mit einer mehrschichtigen flexiblen Zellenabtastschaltung 18 verbunden sein, z. B. über einen mehrpoligen Stecker 21 und/oder eine drahtlose Verbindung, wobei im Folgenden ein Beispiel mit Bezug auf 1A beschrieben wird. Das BMS 14 ist programmiert oder anderweitig konfiguriert, um von der flexiblen Zellenabtastschaltung 18 Zellenspannungssignale (Pfeil Vc) zu empfangen. Obwohl in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen, werden derartige Zellenspannungssignale (Pfeil Vc) innerhalb der flexiblen Schaltung 18 entlang einer entsprechenden Leiterbahn oder Spannungsabtastleitung 64 (siehe 1A) übertragen, die über eine Verbindung mit einer gegebenen Sammelschiene 16 zu einer entsprechenden Batteriezelle 12 führt. Das BMS 14 kann auch konfiguriert sein, um verschiedene Softwareprogramme in der Gesamtsteuerung des Batteriemoduls 10 zu starten/auszuführen, um eine Steuerungsaktion in Bezug auf das Batteriemodul 10 unter Verwendung derartiger gemessenen Zellenspannungen auszuführen (Pfeil Vc). Ein Beispiel für eine Steuerungsaktion kann die Steuerung des gesamten Betriebs des Batteriemoduls 10 sein, zum Beispiel im Prozess der Zellenspannung oder des Ladungsausgleichs, der Leistungsflusssteuerung und/oder der thermischen Regelung.
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Das Batteriemodul 10 von 1 beinhaltet eine Vielzahl von Sammelschienen 16, die optional, wie dargestellt, in parallelen Reihen angeordnet sind und gemeinsam eine elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenverlängerungen 11 der Batteriezellen 12 herstellen. Die Sammelschienen 16 können in einer exemplarischen Ausführungsform als verlängerte U-förmige Kanäle konfiguriert sein, die jeweils einen Boden 17 flankiert durch und verbunden mit einem Paar Seitenwände 19 aufweisen. Die Seitenwände 19 in einer derartigen Ausführungsform können orthogonal zum Boden 17 angeordnet sein. Die Sammelschienen 16 können aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material hergestellt sein. Die Elektrodenverlängerungen 11 der einzelnen Batteriezellen 12 können so angeordnet sein. dass sie aus dem Inneren des Batteriemoduls 10 durch eine Deckplatte 22 ragen und mit den Seitenwänden 19 einer entsprechenden Sammelschiene 16 ultraschallverschweißt sind.
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Die vorstehend erwähnte flexible Zellenabtastschaltung 18 weist eine Vielzahl von im Allgemeinen flachen Abtastlaschen 20 auf, die in direktem physikalischen und elektrischen Kontakt mit einer der jeweiligen Sammelschienen 16 stehen, z. B. mit dem Boden 17, wie dargestellt. Die flexible Schaltung 18 kann als ein relativ dünnes, flexibles Stück mehrschichtiges Leiterplattenmaterial mit einer Vielzahl von Laschen 20, die parallel zu einer Ebene (P1) der flexiblen Schaltung 18 ausgerichtet sind, ausgeführt werden. Die Laschen 20 können abwechselnd als halbkreisförmiges, dreieckiges oder rechteckiges Leiterplattenmaterial ausgeführt werden. Jede Lasche 20 kann, wie hierin dargelegt, mit den Sammelschienen 16 durch Widerstandsbuckelschweißen verbunden werden, um eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Sammelschienen 16 und den Abtastleitungen 64 der flexiblen Schaltung 18 herzustellen, wobei eine derartige elektrische Verbindung zum Messen einer entsprechenden von einer der Zellenspannungen (Vc) der Batteriezellen 12 ausreicht.
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Mit kurzem Bezug auf 1A kann jede Abtastlasche 20, wie auch der Rest der flexiblen Schaltung 18 aus 1, als dünner mehrschichtiger Stapel verschiedener Leiterplattenmaterialien ausgeführt werden. In einer exemplarischen Ausführungsform kann eine Abtastlasche 20 ein Paar Substratschichten 60, Klebematerial 40 und eine Vielzahl von Abtastleitungen 64 beinhalten, von denen aus Gründen der Vereinfachung nur eine in 1A dargestellt ist. Die Substratschichten 60, die zusammen die einzelnen Abtastleitungen 64 umschließen und schützen, können aus einem geeigneten dielektrischen Polymermaterial, z. B. Polyimid oder Polyethylennapthalat (PEN), konstruiert sein. Obwohl in 1A zur einfacheren Veranschaulichung nicht dargestellt, kann das Material der Substratschichten 60 und des Klebstoffes zum Schweißen lokal entfernt werden, entweder durch Präge- oder Laserverfahren, sodass beide Seiten der Abtastleitungen 64 für den Schweißprozess freigelegt werden.
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Die Dicke der Lasche 20 ist abhängig von der Hersteller- und Materialspezifikation. Als ein nicht einschränkendes Beispiel für eine Ausführungsform, können beispielsweise die Substratschichten 64 jeweils etwa 50 Mikrometer dick sein, das Klebematerial 40 innerhalb der Lasche 20 etwa 25-50 Mikrometer dick und die Abtastleitung 64 etwa 18-70 Mikrometer dick. Die Abtastleitungen 64 bilden zusammen mit der Sammelschiene 16 (ein Boden 17 ist in 1A dargestellt) die Leiterbahnen innerhalb der flexiblen Schaltung 18 und können aus einer dünnen Schicht Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrischen Leiter konstruiert sein. Eine Oberfläche 28 der Lasche 20, die nicht an den Boden 17 angrenzt, kann in einigen Ausführungsformen von einem oder mehreren Oberflächenvorsprüngen 30 des Bodens 17 durchdrungen werden, wobei alle eindringenden Abschnitte des Oberflächenvorsprungs 30 benachbart zur Oberfläche 28 anschließend mit Klebematerial 40 beschichtet werden, wie nachfolgend in Bezug auf die FIGS. 2C, 3C, 4C und 6C erläutert.
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Wie nachfolgend in Bezug auf die verbleibenden Figuren näher erläutert, können die Sammelschienen 16 mit einer variablen Geometrie, z. B. in Form einer variablen Höhe und/oder einer variablen Breite in Bezug auf eine entsprechende Höhe und Breite der flexiblen Schaltung 18, oder einer anderen geeigneten variablen Geometrie versehen werden, sodass das Material von einer oder mehreren der Sammelschienen 16 in die flexible Schaltung 18 zumindest bis zu den Abschnitten der Abtastleitungen 64 eindringt, die innerhalb der Laschen 20 angeordnet sind. Die variable Geometrie der flexiblen Schaltung 18 kann als Teil des Bodens 17 der Sammelschienen 16, beispielsweise als Oberflächenvorsprünge derselben, gebildet sein. Die Verwendung einer derartigen variablen Geometrie soll Bereiche mit unterschiedlichen Eindringtiefen und damit unterschiedlichen Kontaktflächen in allen gebildeten Schweißpunkten oder -verbindungen ermöglichen. Die Oberflächenvorsprünge 30 können jedoch in anderen Ausführungsformen von gleicher Höhe und Breite sein.
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Die FIGS. 2A-6C veranschaulichen gemeinsam mögliche Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung des Batteriemoduls 10 von 1. In einem Beispielansatz beinhaltet das Verfahren das Bilden der Oberflächenvorsprünge 30 auf dem Boden 17 der Sammelschiene 16 (siehe 1), d. h. Vorsprünge, Oberflächenvorsprünge oder andere Merkmale, die sich vom Boden 17 nach außen und in Richtung der Lasche 20 erstrecken. So kann zum Beispiel der Boden 17 mit derartigen Vorsprüngen 30 in einer Form gegossen oder geformt werden. Die Oberflächenvorsprünge 30 können eine variable Höhe und/oder Breite aufweisen, wobei das Verfahren das Positionieren einer Lasche 20 der flexiblen Zellenabtastschaltung 18 von 1 benachbart an derartige Oberflächenvorsprünge 30 und das Widerstandsbuckelschweißen der Lasche 20 an die Vorsprünge 30 beinhaltet. Die Oberflächenvorsprünge 30 der Sammelschiene 16 durchdringen zumindest teilweise die flexible Schaltung 18 bis zu den Abtastleitungen 64 (siehe 1A). Dadurch ist ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Sammelschienen 16 und einer entsprechenden Abtastleitung 64 gewährleistet.
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FIGS. 2A, 2B und 2C stellen insbesondere schematisch eine optionale Ausführungsform eines derartigen Verfahrens dar. In dieser exemplarischen Ausführungsform ist die variable Geometrie der Sammelschiene 16 die einer variablen Höhe einer Vielzahl der Oberflächenvorsprünge 30 des Bodens 17. Mindestens einer der Oberflächenvorsprünge 30 kann eine Höhe H1 aufweisen, die größer als eine Höhe H2 eines oder mehrerer der verbleibenden Vorsprünge ist, z. B. um etwa 5 bis 10 Mikron. Die Unterschiede in der Höhe zwischen verschiedenen Oberflächenvorsprüngen 30 oder zwischen einem Flächenvorsprung 30 und dem Rest des Bodens 17, wenn nur ein Flächenvorsprung 30 verwendet wird, dienen dazu, Schweißnähte für verschiedene Arbeitsbereiche und damit eine möglicherweise unterschiedliche Schweißnahtqualität bereitzustellen. Ähnlich kann das Verbinden einer Abtastlasche 20 mit der Sammelschiene 16 unter Verwendung von Oberflächenvorsprüngen 30 mit größerer Höhe gewährleisten, dass einige oder alle der Vorsprünge 30 mit größerer Höhe vollständig durch die Abtastlasche 20 eindringen.
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2A stellt einen Widerstandsbuckelschweißprozess dar, bei dem ein Paar Elektroden E1 und E2 eines Schweißsystems mit einer kalibrierten Klemmkraft (Pfeil Fc) auf die Lasche 20 und den Boden 17 klemmt. Während die Elektroden E1 und E2 zur einfacheren Veranschaulichung als Rechteck dargestellt werden, können andere Elektrodenformen, z. B. abgerundet oder mit einer komplexen Oberfläche, vorgesehen werden. Die vorstehende Schweißverbindung bildet sich durch Leiten eines elektrischen Stroms (Pfeil Ic) durch den Stapel der Sensortafel 20 und des Bodens 17 mit dem geleiteten Strom (Pfeil Ic), um schließlich die Lasche 20 und den Boden 17 zu erwärmen und zu schmelzen. Die abgekühlten Metalle werden so anstelle von Ansätzen, wie beispielsweise Nietverbindungen, zu einer Schweißverbindung oder einem Schweißpunkt zusammengefügt. Aufgrund der kalibrierten Veränderung in den Höhen H1 und H2 der Oberflächenvorsprünge 30 dringt die Sammelschiene 16 zumindest teilweise in eine Dicke (D) der flexiblen Zellenabtastschaltung 18 an der Stelle der Lasche 20 ein, wie in 2B dargestellt. Wie vorstehend erwähnt, ist „zumindest teilweise“ mindestens bis zur Abtastleitung 64, die sich innerhalb der Lasche 20 befindet.
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Optional kann der Widerstandsbuckelschweißprozess zu 2C übergehen, wobei ein Punkt oder eine Schicht eines geeigneten Klebematerials 40, wie beispielsweise Acryl, Polycarbonat, Polyethylen oder anderer Thermoplaste, benachbart zur Abtastlasche 20 aufgebracht oder abgeschieden wird. In diesem Fall wird das Klebematerial 40 auf die Schweißverbindung oder den Schweißpunkt auf einer Oberfläche 28 der Lasche 20 gegenüber der Sammelschiene 16 aufgebracht, d. h. oberhalb der Lasche 20 in Bezug auf eine typische senkrechte Ausrichtung des Batteriemoduls 10 (siehe 1). Sprühkleber oder Schmelzklebstoffe sind zwei exemplarische Anwendungsmöglichkeiten des Klebstoffmaterials 40.
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Die Vorsprünge 30 der Höhe H1 können tiefer in die Dicke (D) der Lasche 20 der flexiblen Schaltung 18 eindringen und in einigen Fällen kann die flexible Schaltung 18 vollständig eindringen, wie in 2C dargestellt. Diese Situation ist bezeichnend für einen „übergeschweißten“ Zustand, wobei die Oberflächenvorsprünge 30 einer kürzeren Höhe H2 noch immer idealerweise einen guten elektrischen Kontakt mit einer entsprechenden Abtastleitung 64 herstellen und eine nominal „gute“ Schweißverbindung bilden. An übergeschweißten Stellen, an denen die größeren Oberflächenvorsprünge 30 die Lasche 20 vollständig durchdringen, kann das optionale Klebematerial 40 auf freiliegende Oberflächen der Vorsprünge 30 benachbart zur Oberfläche 28 aufgebracht werden, um die flexible Schaltung 18 an der Sammelschiene 16 zu sichern. Das Klebematerial 40 erhöht auch die Verbindungsfestigkeit und dämpft gleichzeitig die Ultraschallenergie, die beim anschließenden Schweißen der Elektrodenverlängerungen 11 der Batteriezellen 12 von 1 an die Seitenwände 19 entsteht. Als ein zusätzlicher Vorteil kann das Klebematerial 40 dazu beitragen, die Korrosion von freiliegenden Abschnitten der Oberflächenvorsprünge 30 benachbart zur Oberfläche zu hemmen oder zu reduzieren 28.
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Die FIGS. 3A, 3B und 3C stellen eine Ausführungsform dar, die ähnlich der Ausführungsform von FIGS. 2A-C ist, jedoch mit der variablen Geometrie der Oberflächenvorsprünge 30 in Form einer variablen Breite. Das heißt, in 3A ist die Veränderung in den Breiten W1 und W2 der Oberflächenvorsprünge 30, wobei die Sammelschiene 16 teilweise in die Tiefe oder Dicke (D) der flexiblen Zellenabtastschaltung 18 an der Stelle der Abtastlasche 20, wie in den FIGS. 2B und 2C dargestellt, vorspringt. Wie in den FIGS. 2B und 2C dargestellt, kann das optionale Klebematerial 40 von 3C auf die Oberfläche 28 der Schweißverbindung oberhalb der Lasche 20 der flexiblen Schaltung 18 aufgebracht werden, um eine zusätzliche Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, die Schweißverbindung zu verstärken und die nachfolgende Vibrationsenergie zu dämpfen, wenn das Batteriemodul 10 von 1 schließlich aneinander geschweißt wird, was von Vorteil sein kann, wenn der Oberflächenvorsprung 30 vollständig in die Lasche 20 eindringt und an der Oberfläche 28 freigelegt ist.
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Die geometrische Variation kann auf verschiedene andere Arten erreicht werden. So stellen beispielsweise die FIGS. 4A-C eine Ausführungsform dar, in welcher der Boden 17 der Sammelschiene 16 geprägt oder mit einem Noppenmuster bereitgestellt ist, das die Oberflächenvorsprünge 30 aufweist. Aus Gründen einer einfachen Veranschaulichung sind die Oberflächenvorsprünge 30 in gleicher Höhe dargestellt und können, wie bei anderen Ausführungsformen, unterschiedliche Höhen und/oder Breiten aufweisen. Diese besondere Ausführungsform ist vorgesehen, um den Kontaktbereich zwischen den Abtastlaschen 20 und dem Boden 17 zu begrenzen. 4B wird entlang der Schnittlinie 4B von 4A genommen und zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Bodens 17 und der Laschen 20. Die flexible Zellenabtastschaltung 18 kann eine kreisförmige Wand 42W aufweisen, die ein Mittelloch 42 mit einem Durchmesser D1 definiert. 4C, die entlang der Schnittlinie 4C von 4A genommen wird, stellt einige der Oberflächenvorsprünge 30 dar, die in Richtung des Lochs 42 vorstehen und darin freiliegen. Daher kann eine optionale Schicht des Klebematerials 40 aufgebracht werden, um das Loch 42 und freiliegende Abschnitte der Sammelschiene 16 benachbart an das Loch 42 unterhalb der Lasche 20 abzudecken. Durch die Verwendung der geprägten Oberfläche und eines ausreichend großen Lochs 42 im Material der flexiblen Schaltung 18 kann eine größere Grenzfläche mit dem Klebematerial 40 mit den vorstehend genannten Vorteilen der zugehörigen Verstärkung, Dämpfung und des Korrosionsschutzes ermöglicht werden.
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FIGS. 5A und 5B stellen eine alternative Ausführungsform zu der in den FIGS. 4A-C dar. Ein Außendurchmesser (DE) der Elektroden E1 und E2 der FIGS. 2A und 3A ist als räumliche Referenz dargestellt. In dieser Ausführungsform können Ausschnitte verschiedener Geometrien in den Laschen 20 der flexiblen Schaltung 18 von 1 ausgeführt werden, um die Haftung der Laschen 20 an die Sammelschiene 16 zu erleichtern. 5A ist ähnlich zu derjenigen der FIGS. 4A-C, in welcher das Mittelloch 42 in der Lasche 20 ausgebildet ist. In diesem Fall dringen die Oberflächenvorsprünge 30 in das Material der flexiblen Schaltung 18 in einem kalibrierten Abstand zum Umfang des Mittellochs 42 ein. Das Klebematerial 40 kann auf die flexible Schaltung 18 aufgebracht werden, um den größten Teil, z. B. mindestens 75 Prozent der Fläche der Oberflächenvorsprünge 30, abzudecken.
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In der alternativen Konfiguration von 5B definiert die flexible Zellenabtastschaltung 18 ein Paar seitliche Kerben 25 in einer rechteckigen Lasche 120. Die Schicht des Klebematerials 40 wird aufgebracht, um das Paar der seitlichen Kerben 25 und die Oberflächenvorsprünge 30 abzudecken. Somit haftet das Klebematerial 40 an drei Stellen an der Sammelschiene 16: dem Mittelloch 42 und jeder der beiden seitlichen Kerben 25.
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FIGS. 6A-C stellen eine Ausführungsform des offenbarten Verfahrens dar, in welchem in 6A eine Schicht des Klebematerials 140 zwischen der flexiblen Zellenabtastschaltung 18 und der Sammelschiene 16 aufgebracht wird, anstatt wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf der flexiblen Schaltung 18. Das vorherige Auftragen der Klebematerialien 140 an dieser Stelle ist vorgesehen, um nach dem Widerstandsschweißen eine Fusionsschweißung im Elektrodenmittelbereich zu bewirken. Das heißt, die Klemmkraft (Fc), die in 6A dargestellt ist, wird dazu neigen, einen Teil des Klebematerials 140 vor dem Widerstandsschweißen auszupressen, wodurch die Oberflächenvorsprünge 30 und die Unterseite der Lasche 20, wie in der Verteilungszone 45 in 6C angezeigt, beschichtet werden. Letztendlich umgibt bei 6C das ausgehärtete Klebematerial 140 den Schweißbereich und stellt die vorstehend genannten Vorteile dar.
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Eine optionale Haftschicht 40 kann auf die Abtastlasche 20 der flexiblen Schaltung 18 aufgebracht werden wie in den vorangegangenen Ausführungsformen. Das heißt, das Aufbringen des Klebematerials 40 kann das Aufbringen einer ersten Schicht des Klebematerials 140, das sich zwischen der flexiblen Zellenabtastschaltung 18 und jeder der Sammelschienen 16 befindet, und das Aufbringen einer zweiten Schicht des Klebematerials 40 auf eine Seite 28 der flexiblen Schaltung 18, die gegenüber der Sammelschiene 16 angeordnet ist, umfassen, wie es am besten in 6C dargestellt ist.
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Die Ausführungsform der FIGS. 6A-C kann verschiedene Arten von Klebematerial 140 verwenden, als das Klebematerial 40, das auf die Abtastlasche 20 aufgebracht wird. Zum Beispiel kann, da das Klebematerial 140 der FIGS. 6A-C effektiv an der angegebenen Stelle eine Schweißverbindung bildet, geeignete Materialien für das Klebematerial 140 das Verwenden von Glasperlen oder anderen Materialien beinhalten, um die Dicke des Klebematerials 140 genau zu steuern.
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7 zeigt eine mögliche Ausführungsform, in welcher abwechselnde Projektionsmuster verwendet werden, um eine gleichmäßigere Abnutzung der Elektroden E1 und E2 der FIGS. 2A, 3A, 6A und 6B zu erreichen. Die Sammelschienen 16 können in mehreren parallelen Reihen angeordnet sein, was ebenfalls in 1 dargestellt ist, sodass ein benachbartes Paar der Sammelschienen 16 einer gegebenen Reihe parallele Längsachsen 50 aufweist. Die Verteilungsmuster oder Ausrichtungen der einzelnen Oberflächenvorsprünge 30 der benachbarten Sammelschienen 16 können zwischen den benachbarten Paaren unterschiedlich sein. So kann beispielsweise das Verteilungsmuster in Bezug auf eine Längsachse 50 der Sammelschienen 16 um 180 Grad gedreht werden. Während drei Oberflächenvorsprünge 30 dargestellt sind, können bei bestimmten Ausführungsformen oder Anwendungen bis zu zwei der Oberflächenvorsprünge 30 oder mehr als drei Oberflächenvorsprünge 30 verwendet werden. Bei einer alternativen Ausführungsform können die Vorsprünge 30 mit längeren relativen Längen zwischen benachbarten Sammelschienen 16 variieren. So können beispielsweise die Vorsprünge 30, die in 7 durch schwarze Kreise angezeigt werden, länger sein als andere Vorsprünge 30. Eine derartige Konfiguration kann unabhängig davon verwendet werden, ob die Oberflächenvorsprünge 30 benachbarter Sammelschienen 16 gleiche oder unterschiedliche Muster aufweisen.
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Unter Verwendung der vorstehend dargelegten Ansätze kann das Widerstandsbuckelschweißen als Fügeprozess eingesetzt werden, um die Robustheit des Batteriemoduls 10 zu erhöhen. Die Verwendung derartiger Buckelschweißungen kann Schweißverbindungen erzeugen, die den Kräften des Ultraschallschweißens und den Feldvibrationen besser standhalten, z. B. Straßenvibrationen, wenn das Batteriemodul 10 als Teil eines Fahrzeugantriebsstrangs verwendet wird. Die Verwendung von Klebemitteln kann die Konstruktion durch eine verbesserte Dämpfung, Verstärkung und Korrosionsschutz weiter optimieren.
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Während die besten Arten zur Ausführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich diese Offenbarung bezieht, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, die innerhalb des Schutzumfangs der hinzugefügten Ansprüche liegen. Es ist beabsichtigt, dass die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen und/oder in den zugehörigen Zeichnungen gezeigten Gegenstände als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu interpretieren sind.
