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In der Praxis werden die einzelnen Zellen von Akkupacks, z. B. für Pedelecs, mittels Nickelbänder bzw. Hiluminbänder miteinander verbunden, wobei Nickelbänder gegenüber Hiluminbändern eine bessere Leitfähigkeit besitzen. Hilumin ist ein vernickelter Bandstahl. Die Verbindung erfolgt dann durch Löten oder Elektropunktschweißen.
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In der
DE 10 2008 040 343 A1 wird ein Verbindungselement zur elektrisch leitenden Verbindung von mindestens zwei in einem Akkumulatorgehäuse angeordneten Akkumulatorzellen eines Akkumulators beschrieben, wobei an dem Verbindungselement zumindest eine Klebefläche vorgesehen ist, an der das Verbindungselement über einen elektrisch leitfähigen Klebstoff mit zumindest einer der Akkumulatorzellen verbunden ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zellenverbinder zu schaffen, der eine bessere Leitfähigkeit gegenüber Nickelbändern oder Hiluminbändern besitzt und ein günstiges Verbindungsverfahren zwischen einzelner Zelle und dem Zellenverbinder sowie weiter zum Balancerstecker zu schaffen.
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Die Lösung der Aufgabe wird durch den Einsatz von ein- oder beidseitig kupferkaschierten Polymerplatten, auch kupferkaschierte Platine genannt, erreicht, wobei die kupferkaschierte Platine Durchgangslöcher besitzen, welche konzentrisch zur jeweiligen Oberseite oder Unterseite der Lithium-Ionen-Zellen, vereinfacht auch als Zellen bezeichnet, angeordnet sind und zusätzlich noch auf der Platine Leiterbahnen zwischen Kupferschicht im Zellenkontaktbereich zum Balancerstecker angeordnet sind. Mit diesen Leiterbahnen werden mehrere Vorteile erreicht. Es sind keine zusätzlichen Balancerkabel nötig, damit entfallen umfangreichere Montageschritte. Es wird eine Minimierung von Fehlern durch vorgefertigte Teile erreicht. Durch den Stromfluss durch Kupfer an Stelle von Hilumin ist ein deutlich geringerer Innenwiderstand erzielbar. Das so gefertigte Zellenpaket ist als „steckfertiges“ Modul lieferbar. Aufwendiges Verkabeln ist somit nicht oder nur im geringem Umfang notwendig.
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Mit diesen erfindungsgemäßen Zellenverbindern ist ein direkter Kontakt zur Lithium-Ionen-Zelle möglich und für das Verbindungsverfahren können Impulsschweißgeräte eingesetzt werden. Weitere Vorteile dieser Lösung sind neben dem bereits erwähnten geringeren Widerstand des Kupfers gegenüber Nickelbändern oder Hiluminbändern, gute Wärmeableitung und damit Vermeidung von thermischen Problemen im Akkupack, eine gute Stabilität und trotzdem eine gewisse Flexibilität der Zellenverbinder.
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Bekannt ist, dass Nickel mit einem spezifischen Widerstand von 6,93*10-2 Ωmm2/m einen etwa viermal so großen spezifischen Widerstand wie Kupfer (0,69*10-2 bis 1,75*10-2 Ωmm2/m) und etwa zweieinhalbmal bis dreimal so großen spezifischen Widerstand wie Aluminium (2,65*10-2 Ωmm2/m) besitzt. Bei Stahl ist dieser sogar noch größer (1*10-1 bis 2*10-1 Ωmm2/m).
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Messungen haben ergeben, dass bei einem Strom von 40 A ein Hilumin-Schweißband sich so stark erhitzt, dass die Zellen geschädigt werden. Das Hiluminband erreicht bei diesem Strom wegen des höheren Innenwiderstandes Temperaturen von über 100 Grad Celsius. Durch den geringeren Innenwiderstand des Kupfers erwärmt sich das System deutlich geringer. Die erfindungsgemäßen Zellenverbinder leiten durch das Kupfer die entstehende Wärme deutlich besser ab. Die Zelle wird dadurch nicht übermäßig erhitzt.
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Indem das Basismaterial anpassungsfähig oder flexibel ist, lässt es an die jeweiligen Gegebenheiten der Akkupacks und der Lithium-Ionen-Zellen anpassen. Auch werden mechanische Spannungen besser kompensiert.
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Mit dem Basismaterial mit einer Dicke von 0,5 bis 2,5 mm lassen sich unterschiedlich mechanisch anspruchsvolle Akkupacks und Lithium-Ionen-Zellen verarbeiten und konfektionieren.
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Durch die Kupferkaschierung mit einer Dicke von 20 bis 400 µm lassen sich die Zellenverbinder je nach elektrischen Anforderungen entsprechen konfigurieren, wobei dabei die gegebenenfalls zum Nachteil erwachsenden Vorteile der Temperaturabführung zu berücksichtigen sind.
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Indem die Durchgangslöcher der Zellenverbinder einen Durchmesser von mindestens 1 mm bis 80% des Zelldurchmesser besitzen, lassen sich unterschiedlich große Lithium-Ionen-Zellen und Verarbeitungswerkzeuge einsetzen. Die Durchgangslöcher können je nach Zelle auch einen Durchmesser von zwischen 1 mm bis 5 mm, zwischen 2 mm bis 8 mm, zwischen 8 mm und 10 mm und zwischen 11 mm und 30 mm aufweisen. Vorteilhaft ist der Durchmesser der Durchgangslöcher jedoch so klein als möglich zu wählen, damit die zur Verfügung stehende Kupferfläche elektrisch und thermisch umfassend genutzt werden kann. Weiterhin richtet sich der Durchmesser der Durchgangslöcher am jeweils eingesetzten Verbindungsverfahren, somit beispielsweise nach dem eingesetzten Schweißgerät und/oder Schweißverfahren. Somit ist ein Durchmesser von nur 1 mm jedoch nicht ausgeschlossen.
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Die vorteilhaft abgerundeten Enden der Zellenverbinder erlauben eine platzoptimierte Konfiguration der Zellenverbinder.
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Vorteilhaft ist auf der kupferkaschierten Platine ein Verschaltungslayout vorhanden, wodurch die Verschaltung der Lithium-Ionen-Zellen schon vorgesehen ist und somit eine Vereinfachung und Verkürzung der Konfiguration und der Herstellung der Akkupacks möglich ist.
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Vorteilhaft werden beim Verfahren zur Herstellung einer Zellenverbindung mittels Zellenverbinder auf die Durchgangslöcher der kupferkaschierten Platine als Zellenverbinder so große Nickelblechtäfelchen oder Hilumintäfelchen aufgelegt und mit der kupferkaschierten Platine verschweißt, dass der negative Einfluss des Nickelblechs und/oder des Hilumins auf ein notwendiges aber sehr geringes Maß reduziert werden. Diese erfindungsgemäßen Zellenverbinder besitzen einen direkten Kontakt zur Zelle und können mit dieser mittels Punktschweißung verbunden werden. Weitere Vorteile dieser Lösung sind der geringere Widerstand gegenüber Nickelbänder oder Hiluminbänder, gute Wärmeableitung und damit Vermeidung von thermischen Problemen im Akkupack, eine gute Stabilität und trotzdem eine gewisse Flexibilität der Zellenverbinder.
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Die vorteilhaft gleichmäßig in Umfangsrichtung um die Durchgangslöcher versetzt erfolgten Impulsverschweißungen ermöglichen eine gleichmäßige elektrische und thermische Kopplung zur Vermeidung von zu hohen Stromdichten oder von lokalen Überhitzungen.
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Durch den Einsatz des Impulsschweißens lassen sich Hilumin und Kupfer auf einfache Weise verbinden, was mittels Laserschweißen nur sehr aufwändig möglich ist, da die beim Laserschweißen eingesetzten Schweißgeräte und Vorrichtungen sehr teuer sind und zudem der Schweißvorgang nur sehr aufwendig umzusetzen ist.
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Indem die kupferkaschierten Platinen als Zellenverbinder mit seinen Durchgangslöchern auf die Oberseiten bzw. Unterseiten der Lithium-Ionen-Zellen verschweißt werden, ist ein einfaches Verfahren gegeben, welches schnell und einfach durchführbar ist.
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Weiterhin sind durch die kupferkaschierten Platinen und den darauf verlaufenden Leiterbahnen eine Anpassung der Leiterbahnwiderstände in Richtung Balancerstecker möglich, indem z. B. lange Leiterbahnen gegenüber kürzeren Leiterbahnen eine breitere Leiterbahn oder einen größeren Leiterquerschnitt besitzen und somit der Leiterbahnwiderstand trotz der Länge gering und/oder jeweils zumindest nahezu gleich ist.
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Ebenso lassen sich durch ein entsprechendes Platinenlayout die Längen der Leiterbahnen jeweils vereinheitlichen, so dass diese jeweils gleich lang sind. Vorzugsweise sind die Leiterbahnen dafür auf der von den Zellen abgewandten bzw. äußeren Oberfläche der jeweiligen Platine vorhanden, da auf dieser Oberfläche hinreichend Platz ist.
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Vorteilhaft bilden zwei oder mehr Zellen eine Gruppe, wobei die jeweils gruppierten Zellen parallel geschaltet sind und jeweils eine Gruppe an oder mit einem jeweils gemeinsamen Zellenkontaktbereich mit einem gemeinsamen aufgeschweißten Hiluminplättchen oder Nickelbandabschnitt angeordnet sind. Bei zumindest zwei in Reihe geschalteten Gruppen sind jeweils zwei Gruppen jeweils an einem gemeinsamen Zellenkontaktbereich mit einem gemeinsamen aufgeschweißten Hiluminplättchen oder Nickelbandabschnitt angeordnet, so dass die Reihenschaltung zwischen den Gruppen der Zellen erreicht wird.
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Vorteilhaft verlaufen die jeweiligen Leiterbahnen in Richtung Balancerstecker auf den jeweiligen den Zellen oder den jeweiligen den Kupferschichten als Zellenkontaktbereiche gegenüberliegenden bzw. auf den außenliegenden Oberflächen der in diesem Fall beidseitig kupferkaschierten Platine, so dass damit Platzprobleme auf der Platine, insbesondere auf den jeweiligen den Zellen zugwandten bzw. innenliegenden Oberflächen der Platine umgangen werden und somit eine dichtere oder individuellere Packung und Anordnung der Zellen begünstigt wird.
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Vorzugsweise sind die jeweiligen Leiterbahnen an oder in zumindest eines der Durchgangslöcher an oder zu den jeweiligen Kupferschichten als Zellenkontaktbereiche geführt sind
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Vorzugsweise sind die Innenwände der Durchgangslöcher beispielsweise mit Kupfer kaschiert bzw. beschichtet oder mit Zinn oder durch andere, an sich bekannte aus der Leiterplattenherstellung üblichen Methoden durchgehend kontaktiert, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Oberflächen der jeweiligen Platine zu schaffen.
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An zumindest einem der Durchgangslöcher von einer Anordnung von gruppierten Zellen, beispielsweise bei vier gruppierten Zellen an zumindest einem dieser vier Durchgangslöcher wird diese elektrische leitende Verbindung bzw. durchgehende Kontaktierung zwischen den beiden Oberflächen der jeweils beidseitig kupferkaschierten Platine geschaffen bzw. ist sie vorhanden.
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Bevorzugt sind die Innenwände der Durchgangslöcher am jeweiligen Minuspol der Zellen durchgehend kontaktiert.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf einen Zellenverbinder mit einer Reihe von Durchgangslöchern, eine Seite mit einem abgerundeten Ende,
- 2 eine Draufsicht auf einen Zellenverbinder mit einer Doppelreihe von Durchgangslöchern,
- 3 eine Schnittdarstellung durch eine Oberseitenplatine und eine Unterseitenplatine mit jeweils drei Durchgangslöchern und einer aufgetragenen Kupferschicht auf den Platinen mit zwei dazwischenliegenden Zellen und daran angeschweißten Nickelbandabschnitten,
- 4 die Ansicht jeweils einer Platine für die Oberseite und für die Unterseite eines Akkupacks mit den Kupferschichten im Zellenkontaktbereich und mit den Durchgangslöchern und den Leiterbahnen /Balancerkabel zwischen diesen Zellenkontaktbereichen und dem Balancerstecker pro Platine,
- 5 eine Ansicht wie 4 jedoch mit aufgelegten Hiluminplatten über den Durchgangslöchern und den angedeuteten Schweißpunkten und
- 6 eine Ansicht wie 5 mit einer 10s4p-Anordnung mit Rundzellen und auf den Hiluminplatten angedeuteten Schweißpunktenn und darunterliegenden Durchgangslöchern. Die Zellenverbinder 1 umfassen jeweils eine ein- oder beidseitig kupferkaschierte Platine 1 und sowie vorzugsweise ein flexibles Basismaterial, z. B. aus einer Polymerplatte 1 oder aus GFK mit 0,8 mm bis 1 mm Dicke. Als Kaschierungsdicke wird vorzugsweise eine Dicke von 35 µm gewählt. Es sind jedoch auch andere Kaschierungsdicken möglich, z. B. weniger als 35 µm oder auch bis 0,5 mm sowie andere an sich bekannte Basismaterialien für Platinen,
- 7 die Ansicht jeweils einer Platine für die Oberseite und für die Unterseite eines Akkupacks mit den Leiterbahnen als Ersatz für separate Balancerkabel zwischen den jeweiligen Kontaktbereichen als Zellenkontaktbereiche und dem Balancerstecker auf den jeweiligen den Kupferschichten als Zellenkontaktbereiche gegenüberliegenden Oberflächen der Platinen,
- 8 die Ansicht jeweils einer Platine für die Oberseite und für die Unterseite eines Akkupacks mit den Leiterbahnen als Ersatz für separate Balancerkabel zwischen den jeweiligen Kontaktbereichen als Zellenkontaktbereiche und dem Balancerstecker auf den jeweiligen den Kupferschichten als Zellenkontaktbereiche gegenüberliegenden Oberflächen der Platinen und mit den zu den Zellen weisenden Kontaktbereichen als Zellenkontaktbereiche auf der jeweils gegenüberliegenden Oberfläche einer Platine und
- 9 eine Schnittdarstellung durch eine Oberseitenplatine und eine Unterseitenplatine mit jeweils drei Durchgangslöchern und einer beidseitig aufgetragenen Kupferschicht auf den Platinen mit zwei dazwischenliegenden Zellen und daran angeschweißten Nickelbandabschnitten, wobei die Leitbahnen zum Balancerstecker auf der jeweils außenliegenden Oberfläche der Platinen vorhanden sind und jeweils eines der Durchgangslöcher durchgängig kontaktiert ist.
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Die Zellenverbinder 1 besitzen im Abstand von einem Durchmesser der verwendeten Zellen 4 Durchgangslöcher 2, wobei bei Auflage der Zellenverbinder 1 auf die Oberseite bzw. Unterseite der Zellen 4 diese Durchgangslöcher 2 mit dem Mittelpunkt bzw. Mittelpunkten der Oberseite/Oberseiten bzw. Unterseite/Unterseiten vorzugsweise übereinstimmen. Dabei werden die jeweiligen Zellen 4 zur thermischen Entkopplung zueinander beabstandet angeordnet. Bevorzugt wird ein Abstand zwischen den Zellen 4 von 1 mm.
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Die Durchgangslöcher 2 der Zellenverbinder 1 besitzen einen Durchmesser zwischen 1 mm bis 80% des Zelldurchmesser mm. Beispielsweise ist der Durchmesser der Durchgangslöcher 2 5 mm oder 8 mm oder 10 mm. Die Größe der Durchgangslöcher richtet sich jedoch nach dem Verbindungsverfahren und kann dazu größere Werte oder kleinere Werte aufweisen. Er ist vorzugsweise so klein als möglich zu wählen. Größere Durchgangslöcher 2 werden für das Punktschweißverfahren benötigt.
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Als Platinen 1 werden vorzugsweise normale Leiterplatten mit kaschiertem Kupferbereichen 5 und Leiterbahnen 6 verwendet. Die Kupferbereiche 5 und die Verläufe der Leiterbahnen 6 richten sich nach den Aufbau des Akkupacks. Diese Platinen 1 besitzen in den Kupferbereichen 5 Durchgangslöcher 2 entsprechend des Aufbaus des Akkupacks. In der 4 ist z. B. eine 10s4p-Anordnung mit den entsprechenden Kupferbereichen 5 und mit den Durchgangslöchern 2 und den Leitungsführungen 6 für eine Oberseitenplatine 1.1 und eine Unterseitenplatine 1.2 dargestellt. In 5 ist dargestellt, jeweils als Oberseitenplatine 1.1 und Unterseitenplatine 1.2, dass auf den Kupferbereichen 5 Hiluminplatten 3 aufgelegt sind. Diese Hiluminplatten 3 werden mit den Kupferbereichen 5 verschweißt. Die dargestellten Schweißpunkte 8 sind um die Durchgangslöcher 2 (nicht dargestellt) angeordnet und in 6 ebenfalls mit Oberseitenplatine 1.1. und Unterseitenplatine 1.2 sind die Kupferbereiche 5 mit den Durchgangslöchern 2, den angeschweißten Hiluminplatten 3 mit den Schweißpunkten 8 und mit den Ziffern 21 bis 30 die 10s4p-Anordnung mit Rundzellen und die Leitungsführungen 6 zwischen den Kupferbereichen 5 und dem Balancerstecker 7 dargestellt. Die Hiluminplatten 3 bilden im Bereich der Durchgangsbohrungen 2 den Zellenkontakt 9 mit den Zellen 4. Dies ist in 3 und 6 dargestellt. Die Leitungsführungen 6 können unterschiedliche Breite und/oder Dicke besitzen. Dadurch kann Einfluss auf den Widerstand der Leitungsführungen 6 genommen werden.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Zellenverbindung mittels Zellenverbinder 1 aus kupferkaschierten Platinen oder z. B. Polymerplatten in Li-Ionen-Akkupacks benutzt das Elektropunktschweißen. Hierzu werden auf den Bereichen der Kupferschichten 5 mit den Durchgangslöchern 2 der Zellenverbinder 1 bzw. Platinen 1 so große Nickelblechtäfelchen 3 oder Hilumintäfelchen 3 bzw. Abschnitte von Nickelbändern 3 aufgelegt, dass um das Durchgangsloch 2 herum vorzugsweise eine 4-fache Punktverschweißung, jeweils um 90 Grad versetzt, erfolgen kann. Durch den Polymeruntergrund ist eine starke Wärmeableitung des Kupfers unterbrochen und damit kann ein handelsübliches Impulsschweißgerät verwendet werden. Anschließend werden diese Zellenverbinder 1 mit der Seite der aufgeschweißten Nickelblechtäfelchen 3 oder Hilumintäfelchen 3 zentral auf die Oberseite bzw. Unterseite der Zellen 4 entsprechend der gewünschten elektrischen Schaltung im Akkupack aufgelegt. Durch die Durchgangslöcher 2 im Zellenverbinder 1 hindurch erfolgt nun eine Verschweißung mittels eines Impulsschweißgerätes der Nickelblechtäfelchen 3 oder Hilumintäfelchen 3 mit der gewünschten Zelle 4. Es ist klar, dass sich die Größe der Durchgangslöcher 2 nach den verwendeten Elektroden beim Punktschweißen richtet. Durch die bereits auf der Platine 1 aufgetragenen Leiterbahnen 6 als Ersatz für die sonst externen Balancerkabel wird durch die Verschweißung der Hiluminplättchen mit der Platine 1 und der anschließenden Verschweißung mit den Zellen 4 ein „steckfertiges“ Zellpaket geschaffen. Der Leistungsanschluss 10 mit dem Plus- und Minuspol und dem Balancerstecker garantiert eine sichere Verbindung des Akkupacks zu den externen Anschlüssen. Durch die vorgefertigten Teile am Akkupack werden mögliche Fehler bei der Fertigung minimiert. Außerdem wird ein deutlich geringerer Innenwiderstand durch das Kupfer gegenüber Hilumin erreicht.
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Wie bereits oben beschrieben, können Platinen 1 mit unterschiedlichster Kupferkaschierungsdicke verwendet werden. Bei einer Dicke über 0,5 mm wirkt sich jedoch die starke Wärmeableitung in der Kupferschicht negativ auf den Punktschweißvorgang aus. Aber bei der Leiterführung 6 kann dies genutzt werden, um den Leitungswiderstand zu minimieren.
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Wie in den 7 bis 9 dargestellt, verlaufen die jeweiligen Leiterbahnen 6 von den Kupferschichten 5 in Richtung Balancerstecker 7 auf den jeweiligen den Zellen 4 oder den jeweiligen den Kupferschichten als Zellenkontaktbereiche gegenüberliegenden bzw. auf den außenliegenden Oberflächen der in diesem Fall beidseitig kupferkaschierten Platine 1. Die jeweiligen Leiterbahnen 6 sind an eines der Durchgangslöcher 2 an bzw. zu den jeweiligen Kupferschichten 5 als Zellenkontaktbereiche 2 geführt. Hierfür sind die Innenwände der jeweiligen Durchgangslöcher 2 beispielsweise mit Kupfer durchgehend kontaktiert, welches mit an sich bekannten aus der Leiterplattenherstellung üblichen Methoden auf die Innenwände der jeweiligen Durchgangslöcher 2 aufgebracht wurde. Damit wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Oberflächen, insbesondere der Kupferschichten 5 und der jeweiligen Leiterbahn 6 der jeweiligen Platine 1 geschaffen.
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In 8 sind zudem die auf der jeweils anderen Oberfläche der jeweiligen Platine 1 angeordneten Kupferschichten 5 als verdeckte Flächen dargestellt. So verläuft jeweils eine Leiterbahn 6 auf der von den Kupferschichten 5 jeweils anderen Oberfläche der jeweiligen Platine 1 vom Balancerstecker zu den Durchgangslöchern 2 einer der Kupferschichten 5 und ist über die durchgehend kontaktierten Durchgangslöcher 2 mit der jeweiligen Kupferschicht 5 verbunden.
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In 9 ist ergänzend zu 3 die Leiterbahn 6 auf der jeweils außenliegenden Oberfläche der Platinen 1 dargestellt. Die jeweiligen Leiterbahnen 6 sind jeweils an ein durchgehend kontaktiertes bzw. durchkontaktiertes Durchgangsloch 2 in den Platinen 1 geführt. Das durchgehend kontaktierte bzw. durchkontaktierte Durchgangsloch 2 ist jeweils mit den Kupferschichten 5 verbunden.
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Wie in den 4 bis 8 dargestellt, bilden jeweils vier Zellen 4 eine Gruppe, wobei die gruppierten Zellen 4 parallel geschaltet sind. Die Anzahl je Gruppe kann variieren und richtet sich nach den jeweiligen Anforderungen und Möglichkeiten.
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Jeweils eine Gruppe an Zellen ist an oder mit einem jeweils gemeinsamen Zellenkontaktbereich 5 mit einem gemeinsamen aufgeschweißten Hiluminplättchen oder Nickelbandabschnitt angeordnet. Bei den in Reihe geschalteten Gruppen sind jeweils zwei Gruppen an jeweils einem gemeinsamen Zellenkontaktbereich 5 mit einem gemeinsamen aufgeschweißten Hiluminplättchen 3 oder Nickelbandabschnitt 3 angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Zellenverbinder, kupferkaschierte Platine, kupferkaschierte Polymerplatte
- 1.1
- - Oberseitenplatine
- 1.2
- - Unterseitenplatine
- 2 -
- Durchgangsloch, Zellenkontaktbereich
- 3 -
- Nickelblechtäfelchen, Hilumintäfelchen, Hiluminplatten, Nickelbandabschnitt
- 4 -
- Zelle
- 5 -
- Kupferschicht, Kupferbereich
- 6 -
- Leiterbahn, Leiterführung, Balancerkabel
- 7 -
- Balancerstecker
- 8 -
- Schweißpunkt
- 9 -
- Zellenkontakt
- 10 -
- Leistungsanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008040343 A1 [0002]
