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Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindungsanordnung, wobei die Verbindungsanordnung wenigstens zwei miteinander verschweißte Leiter aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verschweißen wenigstens zweier Leiter. Schließlich betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, die eine derartige elektrische Verbindungsanordnung aufweist.
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Beim Verschweißen von Flachbandkabeln mit Batteriekontakten in Elektrofahrzeugen ist es wichtig, die miteinander verschweißten Leiter gegen elektrochemische Korrosion zu schützen. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Schweißstelle eine Zugentlastung aufweist.
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Die Erfindung setzt sich folglich zum Ziel, eine derartige Verbindung zweier Leiter bereitzustellen, die neben Korrosionsschutz und Zugentlastung auch eine einfache Verfahrensführung ermöglicht und geringe Kosten verursacht.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß für die eingangs genannte elektrische Verbindungsanordnung dadurch, dass sich in wenigstens einem Bereich zwischen den Leitern wenigstens eine Schicht Cyanacrylat-Klebstoff befindet.
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Für das eingangs genannte Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem zumindest ein Leiter in wenigstens einem Abschnitt des zu verschweißenden Bereichs mit einem Cyanacrylat-Klebstoff beschichtet wird und nach dem Beschichten die wenigstens zwei Leiter miteinander verschweißt werden.
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Die elektrische Verbindungsanordnung kann Teil einer Leistungselektronik für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug sein, wobei einer der Leiter mit einer Batterie verbunden und einer der Leiter ein Flachbandkabel sein kann.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist einfach herzustellen und kostengünstig. Cyanacrylat-Klebstoffe sind Haushaltskleber, die gut verfügbar, einfach zu handhaben und kostengünstig einzukaufen sind. Sie dienen erfindungsgemäß gleichzeitig als Korrosionsschutz und als Zugentlastung.
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Im Folgenden sind weiterbildende Merkmale der Erfindung mit ihrem jeweils zugeordneten technischen Effekt beschrieben. Die einzelnen Merkmale sind jeweils für sich vorteilhaft und können beliebig miteinander kombiniert werden.
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So ist es von besonderem Vorteil, wenn die Dicke der wenigstens einen Schicht zumindest abschnittsweise in dem wenigstens einen mit Cyanacrylat-Klebstoff beschichteten Bereich höchstens der doppelten Oberflächenrauheit der Oberfläche entspricht. Bevorzugt entspricht die Dicke der wenigstens einen Schicht der Oberflächenrauheit, wobei Abweichungen von ± einem Drittel noch als ein Entsprechen anzusehen sind. Idealerweise füllt die wenigstens eine Schicht Cyanacrylat-Klebstoff die Oberflächenrauigkeiten lediglich aus, ohne die Spitzen der Oberflächenrauigkeit abzudecken. An den Spitzen der Oberflächenrauigkeit kann folglich die Dicke der Schicht gegen Null gehen. Eine derartig dünne Schichtdicke führt dazu, dass die beiden Leiter trotz der dazwischen angeordneten Klebstoffschicht miteinander verschweißt werden können.
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Die Oberflächenrauheit bestimmt sich bevorzugt nach ISO 25178 und/oder DIN 4760. Die Oberflächenrauigkeit kann die mittlere Rauheit, die quadratische Rauheit, die gemittelte Rautiefe oder die maximale Rautiefe in dem Bereich sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der mit Cyanacrylat-Klebstoff versehene Bereich zumindest abschnittsweise eine andere Oberflächenrauheit auf als ein nicht mit Cyanacrylat-Klebstoff beschichteter Bereich. Die Oberflächenrauheit des mit Cyanacrylat-Klebstoff beschichteten Bereichs kann großer oder kleiner als die Oberflächenrauheit des zumindest einen Teils des nicht beschichteten Bereichs sein. Um eine unterschiedliche Oberflächenrauheit zu erhalten, kann die Oberfläche insbesondere im mit Cyanacrylat-Klebstoff beschichteten Bereich nachbearbeitet, beispielsweise aufgeraut oder poliert bzw. geschlichtet sein.
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Um eine vorbestimmte Oberflächenrauheit und somit reproduzierbare Ergebnisse aufgrund innerhalb enger Toleranzen liegender, gleichbleibender Schichtdicken zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn zumindesten eine der aufeinander zuweisenden Flächen der Leiter in dem wenigstens einem Bereich zumindest abschnittsweise aufgeraut oder poliert oder geschlichtet ist. Bevorzugt ist der aufgeraute oder polierte Bereich wenigstens abschnittsweise mit der Schicht Cyanacrylat-Klebstoff versehen.
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Das Aufrauen kann beispielsweise durch Sandstrahlen, Spanen, Schleifen, Laserstrukturieren und/oder Prägen erfolgen. Der Cyanacrylat-Klebstoff kann natürlich auch nicht nur an einer sondern an den beiden sich gegenüberliegenden Flächen der miteinander verschweißten Leiter angeordnet sein.
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Um die Fertigungskosten gering zu halten, kann zumindest einer der beiden Leiter zumindest in dem wenigstens einen Bereich aus einem Blechmaterial gefertigt sein. Die Leiter können zumindest in dem Bereich alternativ oder kumulativ scheiben- oder plattenförmig ausgestaltet sein.
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In der elektrischen Verbindungsanordnung liegen sie in dem wenigstens einen Bereich bevorzugt großflächig aufeinander, so dass niedrige Übergangswiderstände vorhanden sind und die Übertragung großer Ströme keine übermäßige Erwärmung erzeugt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann wenigstens einer der Leiter, bevorzugt beide Leiter, zumindest in dem wenigstens einem Bereich aus einem aluminiumhaltigen Werkstoff, einschließlich Aluminium selbst, gefertigt sein. Aufgrund der niedrigen Widerstandswerte von Aluminium können bei einer derartigen Werkstoffauswahl große Ströme mit geringen Verlusten geleitet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass sich zumindest in einem Teilabschnitt des Bereichs ein die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmender oder verhindernder Werkstoff befindet. Es ist bekannt, dass Cyanacrylat-Klebstoff nicht oder langsamer aushärtet, wenn er nicht Feuchtigkeit ausgesetzt ist bzw. sich in einer sauren Umgebung befindet. Ein die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmender oder verhindernder Werkstoff ist also beispielsweise ein feuchtigkeitsabsorbierender Werkstoff, feuchtigkeitsabweisender und/oder ein saures Material. Eine hydrophile bzw. hydrophobe Schicht kann beispielsweise durch ein Pyrosil-Verfahren hergestellt werden. Die Härtungsinhibierung kann beispielsweise durch die Verwendung einer Säure mit einem Lösungsmittel, wie Ameisensäure und Aceton, durchgeführt werden. Der die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmende oder verhindernde Werkstoff kann in Form einer Schicht vorhanden sein. Die Schicht kann sich zwischen einer Schicht Cyanacrylat-Klebstoff und dem Leiter und/oder zwischen zwei Schichten Cyanacrylat-Klebstoff befinden.
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Alternativ dazu kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eine Säure, insbesondere eine organische Säure, in dem Material einer Isolierung eines Leiters dispergiert sein. Die dispergierte Säure kann ein Aushärten des Cyanacrylat-Klebstoffes verhindern. In diesem Fall kann eine spätere Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes erreicht werden, in dem der Cyanacrylat-Klebstoff einen Aktivator, beispielsweise einer basischen Umgebung, ausgesetzt wird.
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Insbesondere befindet sich der wenigstens eine Teilbereich bzw. der die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmende oder verhindernde Werkstoff benachbart zu wenigstens einer Schweißstelle, an der die wenigstens zwei Leiter miteinander verschweißt sind. Insbesondere kann die Schweißstelle von dem Bereich und/oder Teilabschnitt, in dem der die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmende oder verhindernde Werkstoff sich befindet, zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, umgeben sein.
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Der die Cyanacrylat-Aushärtung verhindernde oder hemmende Werkstoff kann vor dem Verschweißen an der späteren Schweißstelle angeordnet, beispielsweise aufgetragen, werden. Nach dem Verschweißen befindet sich dort die Schweißstelle. Reste des die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmenden oder verhindernden Werkstoffes können sich jedoch noch in der Umgebung insbesondere der unmittelbaren Umgebung der Schweißstelle befinden.
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Der die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffs hemmende oder verhindernde Werkstoff kann vor oder nach dem Auftragen des Cyanacrylat-Klebstoffs aufgetragen werden. Der Werkstoff kann sich auf demselben Leiter wie der Cyanacrylat-Klebstoff oder auf dem der Schicht Cyanacrylat-Klebstoff gegenüberliegenden Leiter befinden bzw. aufgetragen werden.
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Bevorzugt berühren sich die beiden Leiter außerhalb der Schweißstelle zumindest punktuell. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Schicht Cyanacrylat-Klebstoffes so dünn ist, dass die Spitzen der Oberflächenrauheiten der beiden Leiter noch miteinander in elektrischen Kontakt treten können.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Der Einfachheit halber sind in den Zeichnungen Elemente, die einander hinsichtlich Funktion und/oder Aufbau entsprechen, dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die bei dem Ausführungsbeispiel dargestellte und beschriebene Merkmalskombination dient lediglich als Beispiel. Sie kann nach Maßgabe der obigen Ausführungsformen geändert werden. Beispielsweise kann ein Merkmal, auf dessen technischen Effektes bei einer bestimmten Anwendung nicht ankommt, weggelassen werden. Umgekehrt kann ein Merkmal, das in der dargestellten Merkmalskombination des Ausführungsbeispiels nicht vorhanden ist, hinzugefügt werden, wenn der mit diesem Merkmal verknüpfte technische Effekt für eine bestimmte Anwendung erforderlich oder von Vorteil ist.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Teils einer Leistungselektronik, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer elektrischen Verbindungsanordnung;
- 2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Verbindungsanordnung;
- 3 eine schematische Darstellung des Details III der 2;
- 4 eine schematische Darstellung des Details IV der 2;
- 5 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsanordnung.
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1 zeigt einen Teil einer hier lediglich schematisch dargestellten Leistungselektronik 1, wie sie beispielsweise in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug zum Einsatz kommt. Die Leistungselektronik weist eine elektrische Verbindungsanordnung 2 auf. Die elektrische Verbindungsanordnung 2 umfasst wenigstens zwei miteinander verschweißte Leiter 4, 6. Die elektrische Verbindungsanordnung 2 kann zudem weitere Leiter 4a, 6a aufweisen, die in 1 durch Strichlinien lediglich angedeutet sind. Einer der Leiter, hier der Leiter 4, kann Teil eines Flachbandkabels 8 sein. Der andere Leiter, hier der Leiter 6, kann mit einer Batterie 10 verbunden sein.
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Wenigstens einer der Leiter 4, 6 kann aus einem aluminiumhaltigen Werkstoff bestehen, um die elektrischen Widerstände klein zu halten. Wenigstens einer der Leiter 4, 6 kann aus einem Blechmaterial gefertigt sein und insbesondere scheiben- oder plattenförmig ausgestaltet sein.
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Die beiden Leiter 4, 6 liegen möglichst flächig aufeinander. Zwischen ihnen befindet sich wenigstens eine Schicht 12 aus oder enthaltend einen Cyanacrylat-Klebstoff 14. Der Bereich 16, in dem sich der Cyanacrylat-Klebstoff 14 befindet, umgibt zumindest abschnittsweise eine Schweißstelle 18, an der die wenigstens zwei Leiter 4, 6 miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
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2 zeigt eine elektrische Verbindungsanordnung 2 in größerer Darstellung. Wie zu erkennen ist, kann nahe bzw. benachbart zur Schweißstelle 18 wenigstens eine Schicht 20 mit oder bestehend aus einem die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes 14 hemmenden oder verhindernden Werkstoffes vorhanden sein. Der die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmende oder verhindernde Werkstoff 22 kann beispielsweise ein feuchtigkeitsabsorbierender Werkstoff und/oder ein saures Material sein. Die Schicht 20 aus oder mit dem Werkstoff 22 kann zwischen der Schicht 12 des Cyanacrylat-Klebstoffes 14 und einem Leiter 4, 6 oder zwischen zwei sich gegenüberliegenden Schichten 12 Cyanacrylat-Klebstoff 14 angeordnet sein. Eine Schicht 20 aus dem die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes 14 hemmenden oder verhindernden Werkstoffes 22 kann sich an einem der Leiter 4, 6 oder an beiden sich gegenüberliegenden Leitern 4, 6 vorhanden sein. Der Werkstoff 22 kann in eine elektrische Isolierung eines Leiters 4, 6, beispielsweise eines Flachbandkabels, integriert sein, die beim Verschweißen den Werkstoff freigibt.
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Ursprünglich war die Schicht 12 und/oder die Schicht 20 zumindest teilweise auch an der Stelle vorhanden, an der sich nach dem Verschweißen der Leiter 4, 6 die Schweißstelle 18 befindet. Die Schweißstelle 18 kann die (ehemalige) Schicht 20 vollständig ersetzt haben, so dass keine Reste dieser ursprünglichen Schicht 20 mehr vorhanden sind. Allerdings können sich noch Reste dieser Schicht 20, wie in 2 schematisch dargestellt, außerhalb der Schweißstelle 18 zwischen den Leitern 4, 6 befinden.
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In dem Bereich 16 des jeweiligen Leiters 4, 6, der mit dem Cyanacrylat-Klebstoff 14 beschichtet ist, kann die Oberfläche 4 wenigstens abschnittsweise aufgeraut sein, also eine höhere Rauheit R aufweisen als die Abschnitte der übrigen, nicht aufgerauten Oberfläche. Die Aufrauung ist in 2 durch das Bezugszeichen 24 gekennzeichnet. Das Aufrauen kann beispielsweise durch Prägen, Schleifen, Spanen oder Sandstrahlen erfolgen. Als Ergebnis der Aufrauung 24 erhält man eine vorbestimmte Oberflächenrauheit R, die sich über eine Vielzahl unterschiedlicher Leiter 4, 6 nur geringfügig ändert. Die Oberflächenrauheit bemisst sich dabei bevorzugt nach ISO 25178 und/oder DIN 4760. Bei der Oberflächenrauheit kann es sich um die mittlere Rauheit, die quadratische Rauheit, die gemittelte Rautiefe oder die maximale Rautiefe im Bereich 16 oder einem Teilbereich hiervon handeln. Der aufgeraute Bereich kann eine höhere Oberflächenrauheit aufweisen als der ihn zumindest abschnittsweise umgebende nicht aufgeraute Bereich. Falls das Grundmaterial des Leiters 4 oder 6 bereits eine sehr hohe Oberflächenrauheit R aufweist, kann im Bereich 16 die Oberfläche 4 auch mit einer geringeren Oberflächenrauheit R versehen sein, beispielsweise durch Polieren bzw. Schlichten. Anstelle der Aufrauung 24 ist dann entsprechend ein polierter bzw. geschlichteter Bereich vorhanden.
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In 2 ist lediglich eine Oberfläche 28 des einen Leiters 4 mit einer Aufrauung 24 versehen. Selbstverständlich können auch die beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen 26, 28 der Leiter 4, 6 aufgeraut sein.
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3 zeigt das Detail III der 2. Hierbei ist lediglich zu Beispielzwecken nur der Leiter 6 dargestellt. Die Beschreibung kann sich gleichermaßen auf den Leiter 4 beziehen.
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Die Oberfläche 28 des Leiters 6 weist eine Oberflächenrauheit R auf. Auf der Oberfläche 28 befindet sich die Schicht 12 des Cyanacrylat-Klebstoffes 14, die eine Schichtdicke 30 aufweist. Die Schichtdicke 30 entspricht höchstens der doppelten Oberflächenrauheit R und bevorzugt wenigstens der einfachen Oberflächenrauheit R innerhalb einer Toleranz von ± 30%.
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Bevorzugt entspricht die Schichtdicke 30 zumindest in etwa gerade der Oberflächenrauheit R, so dass sie die Spitzen der Oberflächenrauheit R gerade noch abdeckt oder gerade freigibt. An den Spitzen der Oberflächenrauheit R beträgt die Schichtdicke also nahezu Null in der bevorzugten Ausführung. Die Schicht 12 kann auch ohne Aufrauung 24 (2) aufgetragen werden. Dann allerdings ist die Schichtdicke aufgrund einer variierenden Oberflächenrauheit unter Umständen größeren Schwankungen unterworfen und die Eigenschaften der Verbindungsanordnung 2 sind weniger reproduzierbar.
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4 zeigt das Detail IV aus einem Teilabschnitt 34 (2), in dem sich die Schicht 20 aus dem die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes 14 hemmenden oder verhindernden Werkstoffes 11 befindet. Der Teilabschnitt 34 befindet sich bevorzugt vollständig innerhalb des Bereiches 16. Die Schicht 20 aus oder mit dem Werkstoff 22 kann sich unmittelbar auf dem Leiter 6 befinden. Sie kann sich jedoch auch, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, auf der Schicht 14 bzw. auf dem Leiter 4 befinden.
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Zur Herstellung der in den 1 bis 4 dargestellten elektrischen Verbindungsanordnung 2 werden die in 5 schematisch dargestellten Verfahrensschritte durchgeführt.
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In einem ersten, optionalen Verfahrensschritt 40 wird wenigstens einer der Leiter 4, 6 aufgeraut, um eine vorbestimmte Oberflächenrauheit R zu erzeugen.
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In einem Schritt 42 wird wenigstens einer der Leiter 4, 6 mit Cyanacrylat-Klebstoff 14 beschichtet. Dabei beträgt die Schichtdicke 30, wie oben beschrieben, höchstens das Doppelte der Oberflächenrauheit R. Ist vorher der Leiter 4, 6, auf dem der Cyanacrylat-Klebstoff 14 aufgetragen wird, aufgeraut worden, so wird der Cyanacrylat-Klebstoff 14 auf den aufgerauten Bereich aufgetragen.
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Ein weiterer optionaler Schritt 44 des Verfahrens betrifft das Aufbringen einer Schicht 20 aus dem die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmenden oder verhindernden Werkstoffes 22. Der Schritt 44 kann vor oder nach dem Schritt 42 erfolgen. Der die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmende oder verhindernde Werkstoff 22 kann unmittelbar auf einen Leiter 4, 6 oder auf die Schicht 12 erfolgen. Der Werkstoff 22 kann dabei auch auf einen Leiter 4, 6 aufgetragen werden, der nicht mit Cyanacrylat-Klebstoff 14 beschichtet wird, sofern sich auf dem gegenüberliegenden Leiter 4, 6 die Schicht 12 befindet. Bei dieser Ausgestaltung sollten die beiden Leiter jedoch unmittelbar nach dem Beschichten zusammengeführt werden, um das Aushärten des Cyanacrylat-Klebstoffes 16 in dem Teilabschnitt 34 zu hemmen oder zu hindern.
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In einem Schritt 46 werden anschließend an wenigstens einer Schweißstelle 18 die Leiter 4, 6 miteinander verschweißt. Bevorzugt erfolgt die Verschweißung durch insbesondere ultrakurze Laser-Pulse. Die Schweißstelle befindet sich dabei in einem Bereich, in dem sich die Schicht 12 befindet, also im Bereich 16. Bevorzugt befindet sich die Schweißstelle 18 zudem dort, wo sich auch die Schicht 20 befindet, also im Teilabschnitt 34 des Bereiches 16.
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In der fertig hergestellten elektrischen Verbindungsanordnung 2 sind die Leiter 4, 6 durch die Schweißstelle 18 elektrisch miteinander verbunden. Die Schicht 12 aus Cyanacrylat-Klebstoff 14 stellt eine zusätzliche mechanisch belastbare Verbindung dar, die die Schweißstelle 18 zugentlastet. Aufgrund der dünnen Schichtdicke 30 kann der Klebstoff vor dem Verschweißen 18 aufgetragen werden. Die Schicht 12 schließt bevorzugt die Schweißstelle 18 hermetisch ein und schützt sie so vor elektrochemischer Korrosion. Außerhalb der Schweißstelle 18 können sich die beiden Leiter 4, 6 an Spitzen der Oberflächenrauhigkeit R direkt berühren, was den Übergangswiderstand zwischen den Leitern 4, 6 weiter verringert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leistungselektronik
- 2
- elektrische Verbindungsanordnung
- 4, 4a
- Leiter
- 6, 6a
- Leiter
- 8
- Flachbandkabel
- 10
- Batterie
- 12
- Schicht aus oder mit Cyanacrylat-Klebstoff
- 14
- Cyanacrylat-Klebstoff
- 16
- Bereich mit der Schicht 12
- 18
- Schweißstelle
- 20
- Schicht aus oder mit einem die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmenden oder verhindernden Werkstoff
- 22
- die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffes hemmenden oder verhindernden Werkstoffes
- 24
- Aufrauung
- 26
- Oberfläche des einen Leiters
- 28
- Oberfläche des anderen Leiters
- 30
- Schichtdicke der Schicht aus oder mit Cyanacrylat-Klebstoff
- 32
- doppelte Oberflächenrauheit R
- 34
- die Schicht 20 aufweisender Teilabschnitt
- R
- Oberflächenrauheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 25178 [0010, 0031]
- DIN 4760 [0010, 0031]
