DE102018212335A1

DE102018212335A1 - Elektrisches Verbindungselement, Leistungselektronik, Batteriemodul und Verfahren zur elektrischen Verbindung

Info

Publication number: DE102018212335A1
Application number: DE102018212335.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Leimser; Tobias Gerhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2020-01-30

Abstract

Elektrisches Verbindungselement, umfassend mindestens zwei gerade Kontaktelemente, und ein elektrisch leitfähiges Material, insbesondere Kupfer, wobei das Verbindungselement einen Federbereich aufweist, welcher zwischen den zwei Kontaktelementen angeordnet ist, wobei der Federbereich die folgenden Komponenten aufweist: zwei Federelemente und einen Kraftaufnahmebereich, welcher zwischen den zwei Federelementen angeordnet ist, wobei das Verbindungselement dazu eingerichtet ist, nach einer Positionierung des Verbindungselementes an zwei elektrischen Kontaktstellen durch eine Anpresskraft in dem Kraftaufnahmebereich mittels der Kontaktelemente jeweils einen Anpressdruck auf jede der Kontaktstellen zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Verbindungselement mit einem Federbereich, insbesondere für eine Leistungselektronik und/oder ein Batteriemodul. Die Erfindung betrifft auch eine Leistungselektronik mit dem mindestens einem elektrischen Verbindungselement und ein Batteriemodul mit dem mindestens einem elektrischen Verbindungselement. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur elektrischen Verbindung mittels diesem elektrischen Verbindungselement.
Stand der Technik
Das Dokument JP 2006302543 A offenbart ein Schweißverfahren zur Verbindung von Leiterbahnenden mittels eines Lasers.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Verbindungselement und ein Verfahren zur elektrischen Verbindung zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehende Aufgabe wird gemäß der unabhängigen Ansprüche 1, 7, 8 und 9 gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Verbindungselement, insbesondere für eine Leistungselektronik und/oder ein Batteriemodul. Das elektrische Verbindungselement ist insbesondere einstückig ausgeführt. Das elektrische Verbindungselement umfasst zwei Kontaktelemente beziehungsweise Kontaktbereiche und weist ein elektrisch leitfähiges Material auf, insbesondere eine Kupferlegierung. Ferner sind die Kontaktelemente insbesondere an den Enden des elektrischen Verbindungselements angeordnet. Ein Federbereich des elektrischen Verbindungselements ist zwischen den zwei Kontaktelementen angeordnet und verbindet diese. Der Federbereich umfasst zwei Federelemente und einen Kraftaufnahmebereich, welcher zwischen den zwei Federelementen angeordnet ist. Das Verbindungselement ist dazu eingerichtet, nach einer Positionierung des Verbindungselements an zwei elektrischen Kontaktstellen mindestens eines Werkstückes durch eine Anpresskraft in dem Kraftaufnahmebereich mit jedem Kontaktelement jeweils unmittelbar einen mechanischen Anschlag der jeweiligen Kontaktstelle zu kontaktieren. Der Kontakt zwischen dem mechanischen Anschlag der jeweiligen Kontaktstelle und dem Kontaktelement ist vorteilhafterweise spaltfrei. Das Werkstück ist insbesondere die Leistungselektronik und/oder das Batteriemodul. Durch das elektrische Verbindungselement wird vorteilhafterweise eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung der Kontaktstellen mit dem jeweiligen Kontaktelement mittels beispielsweise eines Laserstrahlschweißprozesses erzeugt.
Vorzugsweise ist das elektrische Verbindungselement nach der Positionierung des Verbindungselements dazu eingerichtet, auf jeden der mechanischen Anschläge eine Kontaktkraft mit dem gleichen Betrag zu erzeugen. Dadurch kann mittels des elektrischen Verbindungselements eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung reproduzierbar erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Federelemente wellenförmig oder Omega-förmig ausgeführt, wobei die Wellenform oder Omega-Form der Federelemente insbesondere in einer Ebene eines Verlaufs einer Mittelachse des Verbindungselements liegt. Durch diese Ausgestaltung werden die Federelemente vorteilhafterweise einfach und zuverlässig erzeugt.
Vorzugsweise weist der Kraftaufnahmebereich eine Bogenform auf. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Vorspannung des elektrischen Verbindungselements erreicht. Verzugsweise ist die Bogenform proportional zum Abstand zwischen den Kontaktstellen.
In einer Weiterführung kann es vorgesehen sein, dass das Verbindungselement mindestens zwei voneinander getrennte Federbereiche aufweist, wobei die Federbereiche parallel zueinander angeordnet und an den zwei Kontaktelementen miteinander verbunden sind. Durch diese Weiterführung weist das elektrische Verbindungselement in den Federbereichen eine hohe Elastizität auf. Außerdem ist das elektrische Verbindungselement somit dazu eingerichtet, eine Verkippung beziehungsweise Winkel- und Drehfehler bei der Positionierung des Verbindungselements an den zwei Kontaktstellen auszugleichen, wodurch die Zuverlässigkeit einer stoffschlüssigen Verbindung der Kontaktstellen mit dem jeweiligen Kontaktelement erhöht wird.
In einer Ausführung weist das Verbindungselement entlang des gesamten Verlaufs beziehungsweise der Ausdehnungsrichtung des Verbindungselements einen Querschnitt größer als 1 mm² auf, insbesondere ist der Querschnitt des Verbindungselements größer als 10 mm², besonders bevorzugt größer 100 mm². Dadurch entsteht der Vorteil, dass das elektrisches Verbindungselement einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist und somit die Anforderungen von Hochstromanwendungen, beispielsweise in der Leistungselektronik und/oder in der Batterietechnik, erfüllt. Vorzugsweise ist der Querschnitt des elektrischen Verbindungselements rechteckig.
Die Erfindung betrifft auch eine Leistungselektronik mit dem mindestens einem elektrischen Verbindungselement und ein Batteriemodul mit dem mindestens einem elektrischen Verbindungselement.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur elektrischen Verbindung. Zunächst erfolgt eine Bereitstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungselements. Anschließend wird das Verbindungselement zwischen wenigstens zwei elektrischen Kontaktstellen mindestens eines Werkstücks positioniert, wobei die Kontaktstellen jeweils einen mechanischen Anschlag aufweisen und das Verbindungselement jede Kontaktstelle mit einem der Kontaktelemente des Verbindungselements unmittelbar kontaktiert. Als Werkstück wird insbesondere eine Leistungselektronik und/oder ein Batteriemodul verwendet. Anschließend wird mindestens eine Anpresskraft in einem Kraftaufnahmebereich des Verbindungselements erzeugt, wodurch die Kontaktelemente des elektrischen Verbindungselements jeweils unmittelbar den mechanischen Anschlag der jeweiligen Kontaktstelle kontaktieren. Gleichzeitig zur erzeugten Anpresskraft wird eine stoffschlüssige Verbindung beziehungsweise eine Schweißverbindung zwischen dem mechanischen Anschlag der Kontaktstelle und dem dort positionierten jeweiligen Kontaktelement des Verbindungselements mittels eines Laserstrahls erzeugt.
Alternativ oder zusätzlich kann die stoffschlüssige Verbindung mittels Ultraschall und/oder mittels eines Elektronenstrahls erzeugt werden. Durch das Verfahren wird vorteilhafterweise eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung erzeugt. Durch das Verfahren entsteht ferner der Vorteil, dass eine Größe eines Schweißbereichs beziehungsweise einer Schweißnaht zwischen der Kontaktstelle des Werkstücks und dem jeweiligen geraden Kontaktelement des elektrischen Verbindungselements reduziert wird, wodurch ferner eine Energieeinbringung in die Fügepartner sowie eine Spritzerbildung während eines Schweißprozesses reduziert werden. Die Reduktion der Spritzerbildung während des Schweißprozesses resultiert vorteilhafterweise in einem reduzierten Risiko von Kurzschlüssen des Werkstücks beziehungsweise der Leistungselektronik und/oder des Batteriemoduls.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Erzeugung der Schweißverbindung mittels des Laserstrahls mit einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 600 nm, insbesondere liegt die Wellenlänge des Laserstrahls zwischen 500 nm und 550 nm. Aufgrund einer höheren Absorption dieser Wellenlängen von beispielsweise Kupfer, resultiert dadurch beispielsweise ein effizienteres Verfahren als beispielsweise mit Laserstrahlen im Infrarotbereich von ca. 1030 nm bis 1070 nm.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren.

1: elektrisches Verbindungselement mit Omega-förmigem Federelementen
2: elektrisches Verbindungselement mit wellenförmigen Federelementen
3: elektrisches Verbindungselement mit mehreren Federbereichen
4: Positionierung eines elektrischen Verbindungselements an Kontaktstelle
5: Erzeugung einer Anpresskraft
6: Erzeugung einer Schweißverbindung
7: Ablaufdiagramm des Verfahrens zur elektrischen Verbindung

Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein elektrisches Verbindungselement 100 mit zwei Kontaktelementen 120 in einem Längsschnitt dargestellt. Das elektrisches Verbindungselement 100 umfasst eine Kupferlegierung und einen Querschnitt größer beispielsweise 10 mm², so dass ein elektrischer Widerstand des Verbindungselementes 100 niedrig ist. Das elektrische Verbindungselement 100 ist dazu eingerichtet, eine erste Kontaktstelle 310 und eine zweite Kontaktstelle 320 elektrisch leitfähig miteinander zu verbinden und somit zwischen diesen Kontaktstellen 310, 320 einen hohen elektrischen Strom mit niedrigen elektrischen Verlusten zu übertragen. Zwischen den Kontaktelementen 120 ist ein Federbereich 150 angeordnet. Der Federbereich 150 weist zwei Omegaförmige Federelemente 110 auf, wobei zwischen den zwei Federelementen 110 ein bogenförmiger Kraftaufnahmebereich 130 angeordnet ist. Die Bogenform ist zur Verdeutlichung des Prinzips in 1 übertrieben dargestellt. Das elektrische Verbindungselement 100 ist dazu eingerichtet, eine Anpresskraft F im Kraftaufnahmebereich 130 aufzunehmen, wodurch das elektrische Verbindungselement 100 im Kraftaufnahmebereich 130 und die zwei Federelemente 110 elastisch verformt werden. In 1 ist beispielhaft eine mögliche Aufnahme der Anpresskraft F entlang einer Mittelachse 190 durch einen Pfeil 180, welcher die Anpresskraft F repräsentiert, visualisiert. Das elektrische Verbindungselement 100 weist in diesem Beispiel eine bevorzugte Spiegelsymmetrie bezüglich der Mittelachse 190 beziehungsweise eine Spiegelsymmetrie zu einer Ebene auf, welche senkrecht zum in 1 dargestellten Längsschnitt beziehungsweise senkrecht zum Querschnitt des Verbindungselements 100 verläuft und die Mittelachse 190 enthält. Des Weiteren ist ein Verlauf einer Mittelachse 140 des Verbindungselements 100 dargestellt.
In 2 ist ein elektrisches Verbindungselement 100 mit alternativen wellenförmigen Federelementen 110 im Längsschnitt dargestellt. Die wellenförmigen Federelemente 110 sind leichter und kostengünstiger herzustellen als die Omega-förmigen Federelemente 110 aus 1.
In 3 ist ein elektrisches Verbindungselement 100 mit sechs Federbereichen 150 zwischen den Kontaktelementen 120 dargestellt, wobei die Federbereiche 150 mit jeweils zwei Federelementen 110 und einem Kraftaufnahmebereich 130 parallel zueinander angeordnet sind. Das elektrisches Verbindungselement 100 ist dazu eingerichtet, an einer ersten Kontaktstelle 310 und an einer zweiten Kontaktstelle 320 angeordnet beziehungsweise positioniert zu werden, wobei die erste Kontaktstelle 310 mindestens einen ersten mechanischen Anschlag 311 und die zweite Kontaktstelle 320 mindestens einen mechanischen Anschlag 312 aufweist. Durch die Mehrzahl an Federbereichen 150 wird beispielsweise eine Verkippung ausgeglichen. Des Weiteren wird durch diesen Aufbau mit der Mehrzahl an Federbereichen 150 eine Elastizität des Verbindungselementes 100 im Bereich des Federbereichs 150 beziehungsweise der Federbereiche 150 erhöht.
In 4 ist eine Detailansicht zur Positionierung eines elektrischen Verbindungselements 100 an einer ersten beziehungsweise zweiten Kontaktstelle 310, 320 dargestellt. Das Verbindungselement 100 umfasst ein Kontaktelement 120, welches zur Positionierung des Verbindungselement 100 an der ersten beziehungsweise zweiten Kontaktstelle 310,320 zunächst in einem Kontaktierungsbereich 400 angeordnet wird. Das Verbindungselement 100 ist dazu eingerichtet, durch eine Anpresskraft in dem Kraftaufnahmebereich 130 im Federbereich 150 elastisch verformt zu sein, wodurch das Kontaktelement 120 beziehungsweise ein Ende des elektrischen Verbindungselements 100 spaltfrei und unmittelbar den ersten beziehungsweise zweiten mechanischen Anschlag 311, 321 kontaktiert.
In 5 ist eine Detailansicht der ersten Kontaktstelle 310 mit dem ersten mechanischen Anschlag 311 nach der Positionierung des Kontaktelementes 120 des Verbindungselementes 100 an der ersten Kontaktstelle 310 visualisiert. Im Kraftaufnahmebereich 130 wird die Anpresskraft F erzeugt. Durch die Anpresskraft F werden die zwei Federelemente 110 und der Kraftaufnahmebereich 130 elastisch verformt, wodurch ein unmittelbarer und spaltfreier Kontakt zwischen dem Kontaktelement 120 des Verbindungselementes 100 und dem ersten mechanischen Anschlag 311 der ersten Kontaktstellen 310 resultiert. Analog wird gleichzeitig durch die Anpresskraft F ein unmittelbarer und spaltfreier Kontakt zwischen dem Kontaktelement 120 des Verbindungselementes 120 und dem zweiten mechanischen Anschlag 321 der zweiten Kontaktstellen 320 erzeugt (in 5 nicht dargestellt). Zwischen dem ersten mechanischen Anschlag 311 und dem zweiten mechanischen Anschlag 321 resultiert vorteilhafterweise jeweils eine Kontaktkraft K.
In 6 ist eine Erzeugung einer Schweißverbindung beziehungsweise einer stoffschlüssigen Verbindung 610 zwischen dem Verbindungselement 100 und der ersten Kontaktstelle 310 mittels eines Laserstrahls 600 dargestellt, wobei gleichzeitig die Anpresskraft F an dem Kraftaufnahmebereich 130 erzeugt wird, so dass eine elastische Verformung der Federelemente 110 und des Kraftaufnahmebereichs 130 resultiert und jeweils eine Kontaktkraft K zwischen dem Kontaktelement 120 und dem ersten und zweiten mechanischen Anschlag 311, 321 erzeugt werden. Dadurch kontaktieren die Kontaktelemente 120 unmittelbar und spaltfrei die mechanischen Anschläge 311 und 321. Der Laserstrahl 600 weist vorteilhafterweise eine Wellenlänge zwischen 500 und 550 nm auf. Mittels des Laserstrahls 600 werden gleichzeitig zur Erzeugung der Anpresskraft F zwischen dem Kontaktelement 120 des elektrischen Verbindungselementes 100 und der ersten Kontaktstelle 310 im Bereich des ersten mechanischen Anschlags 311 und zwischen dem Kontaktelement 120 des elektrischen Verbindungselementes 100 und der zweiten Kontaktstelle 320 im Bereich des zweiten mechanischen Anschlags 321 jeweils stoffschlüssige Verbindungen 610 erzeugt.
In 7 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur elektrischen Verbindung als Blockschaltbild dargestellt. Das Verfahren beginnt mit einer Bereitstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungselements. Anschließend wird das Verbindungselements zwischen einer ersten elektrischen Kontaktstelle 310 und einer zweiten elektrischen Kontaktstelle 320 angeordnet, insbesondere in einem Kontaktierungsbereich 400. Die erste Kontaktstelle 310 weist einen ersten mechanischen Anschlag 311 und die zweite Kontaktstelle weist einen zweiten mechanischen Anschlag 321 auf. Das Verbindungselement 100 kontaktiert die erste und zweite Kontaktstelle 310, 320 mit jeweils einem Kontaktelement 120 unmittelbar. Anschließend wird im Schritt 730 mindestens eine Anpresskraft F im Kraftaufnahmebereich 130 des Verbindungselements 100 erzeugt. Dadurch kontaktiert jedes Kontaktelement 120 des Verbindungselements 100 unmittelbar den jeweiligen mechanischen Anschlag 311, 321 der jeweiligen ersten oder zweiten Kontaktstelle 310, 320. Gleichzeitig zur Erzeugung 730 der Anpresskraft F wird im Schritt 740 einer stoffschlüssigen Verbindung 610 zwischen dem jeweiligen mechanischen Anschlag 311, 321 der Kontaktstelle 310, 320 und dem dort positionierten jeweiligen Kontaktelement 120 des Verbindungselements 100 mittels eines Laserstrahls 600 und/oder Ultraschall erzeugt. Der Laserstrahl 600 weist vorteilhafterweise eine Wellenlänge zwischen 500 nm und 550 nm auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2006302543 A [0002]

Claims

Elektrisches Verbindungselement (100), umfassend mindestens die folgenden Komponenten: • zwei Kontaktelemente (120), und • ein elektrisch leitfähiges Material, insbesondere Kupfer, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) • einen Federbereich (150) aufweist, welcher zwischen den zwei Kontaktelementen (120) angeordnet ist, wobei der Federbereich (150) die folgenden Komponenten aufweist i.zwei Federelemente (110), ii.einen Kraftaufnahmebereich (130), welcher zwischen den zwei Federelementen (110) angeordnet ist, wobei • das Verbindungselement (100) dazu eingerichtet ist, nach einer Positionierung des Verbindungselementes (100) an zwei elektrischen Kontaktstellen (310, 320) durch eine Anpresskraft (F) in dem Kraftaufnahmebereich (130) mit den Kontaktelementen (310, 320) jeweils unmittelbar einen mechanischen Anschlag (311, 321) der jeweiligen Kontaktstelle (310, 320) zu kontaktieren.
Verbindungselement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) dazu eingerichtet ist, auf jeden der mechanischen Anschläge (311, 321) eine Kontaktkraft in Abhängigkeit der Anpresskraft (F) zu erzeugen.
Verbindungselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (110) wellenförmig oder Omega-förmig sind, wobei die Wellenform oder Omega-Form insbesondere in einer Ebene eines Verlaufs einer Mittelachse (140) des Verbindungselements (100) liegt.
Verbindungselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnahmebereich (130) eine Bogenform aufweist.
Verbindungselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) mindestens zwei voneinander getrennte Federbereiche (150) aufweist, wobei die Federbereiche (150) parallel zueinander angeordnet und an den zwei Kontaktelementen (120) miteinander verbunden sind.
Verbindungselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) entlang der gesamten Ausdehnungsrichtung einen Querschnitt größer als 1 mm², insbesondere größer als 100 mm², aufweist.
Leistungselektronik mit mindestens einem elektrischen Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Batteriemodul mit mindestens einem elektrischen Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur elektrischen Verbindung, umfassend die folgenden Schritte • Bereitstellung (710) eines elektrischen Verbindungselements (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, • Positionierung (720) des Verbindungselements (100) zwischen wenigstens zwei elektrischen Kontaktstellen (310, 320), wobei jede Kontaktstelle (310, 320) einen mechanischen Anschlag (311, 321) aufweist und das Verbindungselement (100) jede Kontaktstelle (310, 320) mit jeweils einem Kontaktelement (120) des Verbindungselements (100) unmittelbar kontaktiert, • Erzeugung (730) mindestens einer Anpresskraft (F) in einem Kraftaufnahmebereich (130) des Verbindungselements (100), so dass jedes Kontaktelement (120) des Verbindungselements (100) unmittelbar den jeweiligen mechanischen Anschlag (311, 321) der Kontaktstelle (310, 320) kontaktiert, und • Erzeugung (740) einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem mechanischen Anschlag (311, 321) der Kontaktstelle (310, 320) und dem dort positionierten jeweiligen Kontaktelement (120) des Verbindungselements (100) mittels eines Laserstrahls (600) und/oder Ultraschall.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung (740) der stoffschlüssigen Verbindung mittels des Laserstrahls (600) mit einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 600 nm erfolgt, insbesondere liegt die Wellenlänge des Laserstrahls (600) zwischen 500 nm und 550 nm.