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Die Erfindung betrifft eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, aufweisend ein Batteriemodul mit einer Stromschiene und mit einer Anzahl von daran kontaktierten Batteriezellen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batterie.
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Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.
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Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Batterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Batterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Batterien typischerweise mindestens ein Batteriezellmodul auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind.
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In einem Batteriezellmodul werden die einzelnen Batteriezellen beispielsweise über eine Stromschiene (Stromsammelschiene, Busbar) elektrisch miteinander verbunden. Die Batteriezellen weisen hierbei jeweils Ableiter für eine Kathode und für eine Anode auf, welche elektrisch an die Stromschiene gekoppelt werden. Die Ableiter einer Batteriezelle sind in der Regel aus unterschiedlichen Materialien, meist Aluminium (AI)-Ableiter auf der Kathodenseite und Kupfer (Cu)-Ableiter auf der Anodenseite, ausgeführt. Die Stromschiene ist hierbei häufig aus Kupfer oder einem Kupfermaterial hergestellt.
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Bei einem Fügen eines Ableiters der Batteriezellen mit der Stromschiene besteht hierbei die Gefahr, dass durch die zwei unterschiedlichen Materialpaarungen (Kupfer/Aluminium) ungewollte intermetallische (Al-Cu-)Verbindungen entstehen. Diese intermetallischen (Al-Cu-)Verbindungen, können die elektrische und thermische Leitfähigkeit, sowie die statische-und dynamische Festigkeit der Fügeverbindung zwischen den Ableiter und der Stromschiene herabsetzen. Dadurch entstehen in der Fügeverbindung höhere Übergangswiderstände, welche zu erhöhten elektrischen Verlustleistungen und Wärmeverlusten führen. Weiterhin wird durch den negativen Einfluss auf die Festigkeit die Lebensdauer der Fügeverbindung herabgesetzt, und somit die Lebensdauer des gesamten Batteriezellmoduls reduziert.
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Für das Fügen der Ableiter und der Stromschiene sind beispielsweise mechanische Fügeverfahren denkbar, bei welchen ein Form- und/oder Kraftschluss zwischen den Komponenten realisiert wird.
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Unter einem „Formschluss“ oder einer „formschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass der Zusammenhalt der miteinander verbundenen Teile zumindest in einer Richtung durch ein unmittelbares Ineinandergreifen von Konturen der Teile selbst oder durch ein mittelbares Ineinandergreifen über ein zusätzliches Verbindungsteil erfolgt. Das „Sperren“ einer gegenseitigen Bewegung in dieser Richtung erfolgt also formbedingt.
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Unter „Kraftschluss“ oder einer „kraftschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile aufgrund einer zwischen ihnen wirkenden Reibkraft gegen ein Abgleiten aneinander gehindert sind. Fehlt eine diese Reibkraft hervorrufende „Verbindungskraft“ (dies bedeutet diejenige Kraft, welche die Teile gegeneinander drückt, beispielsweise eine Schraubenkraft oder die Gewichtskraft selbst), kann die kraftschlüssige Verbindung nicht aufrecht erhalten und somit gelöst werden.
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Derartige form- und/oder kraftschlüssige mechanische Verbindungen oder Klemmkontaktierungen, beispielsweise mittels Nieten oder Schrauben oder einem auf die Stromschiene befestigten Gewindebolzen mit einer Kontermutter, besitzen jedoch den Nachteil, dass die Ableiter und die Stromschiene sowie die mechanischen Verbindungsmittel in der Regel unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und aufgrund von Wechseltemperaturbeanspruchung im Betrieb der Batterie, wird die mechanische Fügeverbindung über die Lebensdauer der Batterie reduziert oder gelöst, wodurch der Übergangswiderstand zwischen den Komponenten erhöht wird. Insbesondere wird beispielsweise die Klemmwirkung zwischen den Fügepartnern und dem Niet bzw. der Schraube reduziert. Somit ist die Festigkeit der Fügeverbindung über die Lebensdauer der Batterie für solche mechanischen Verbindungen oder Klemmkontaktierungen nicht gewährleistet. Insbesondere bei im Betrieb des Kraftfahrzeugs auftretenden Vibrationen kann es somit zu einem ungewünschten Lösen der mechanischen Verbindung kommen.
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Zur Verbesserung der Festigkeit und Lebensdauer ist es bei mechanischen Fügeverbindungen beispielsweise möglich, eine zusätzliche Schraubensicherung (Lock tight) auf ein Schraubengewinde aufzubringen. Dadurch werden jedoch zusätzliche Bauteile und Handhabungsschritte im Zuge der Montage nötig, wodurch sowohl der benötigte Bauraum als auch der Herstellungsaufwand der Batterie nachteilig beeinflusst werden.
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Ebenso denkbar ist beispielsweise ein stoffschlüssiges Fügen der Ableiter und der Stromschiene. Unter „Stoffschluss“ oder einer „stoffschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile an Ihren Kontaktflächen durch stoffliche Vereinigung oder Vernetzung (beispielsweise aufgrund von atomaren oder molekularen Bindungskräften) gegebenenfalls unter Wirkung eines Zusatzstoffs zusammenhalten werden.
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Beispielsweise sind die Ableiter und die Stromschiene mittels eines Ultraschallschweißprozesses stoffschlüssig miteinander gefügt. Während des Ultraschallschweißprozesses wird kein Material aufgeschmolzen, sondern lediglich in der Fügeebene plastifiziert. Durch dieses Verhaken der Oberflächen zwischen den Ableitern und der Stromschiene können aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten jedoch große mechanische Spannungen entstehen, welche die Fügeverbindung lösen oder aufbrechen.
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Ebenso denkbar ist beispielsweise das stoffschlüssige Fügen mittels eines Laserschweißprozesses. Nachteilig bei solchen Schmelzschweißverfahren ist, dass es bei der Schmelzverbindung von Aluminium und Kupfer in der Regel zu einer Ausbildung von sogenannten Sprödphasen kommt. Derartige Sprödphasen reduzieren die elektrische und thermische Leitfähigkeit, sowie die statische und dynamische (mechanische) Festigkeit der Fügeverbindung. Dadurch entstehen in der Fügeverbindung höhere Übergangswiderstände, welche erhöhte elektrische Verlustleistungen durch Wärmeverluste bewirken.
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Hierbei ist es beispielsweise möglich, sogenannte „Vermittlungsflächen“ zwischen den Ableitern und der Stromschiene anzuordnen. Solche Vermittlungsflächen werden zum Beispiel durch ein Aufplatieren einer dünnen Aluminium-Schicht auf den Kupfergrundwerkstoff der Stromschiene realisiert. Diese Vermittlungsfläche ermöglicht eine sortenreine, und somit sprödphasenfreie, Fügeverbindung. Dadurch werden jedoch nachteiligerweise zusätzliche Verfahrensschritte zum Aufbringen der Vermittlungsflächen notwendig. Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise möglich, geringe Einschweißtiefen beim Laser- oder Schmelzschweißprozess zu verwenden, um den Einfluss von Sprödphasen weitestgehend zu minimieren, dies führt jedoch zu einer reduzierten mechanischen Festigkeit der Fügeverbindung.
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Des Weiteren sind beispielsweise Rührreibschweißprozesse oder Klebeverbindungen mit Leitpartikeln denkbar, welche jedoch ebenfalls keine hinreichende Festigkeit der Fügeverbindung über die Lebensdauer der Batterie gewährleisten.
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Somit ist die Festigkeit für solche stoffschlüssigen Fügeverbindungen über die Lebensdauer der Batterie nicht gewährleistet, so dass unerwünschte Erhöhungen des Übergangswiderstands möglich sind. Des Weiteren ist in der Regel eine aufwendige Parameteranpassung bei einer Änderung des Grundmaterials der Stromschiene oder der Verschaltungsstrategie notwendig.
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Aus der
DE 10 2014 214 932 A1 ist ein Schweißbolzen zum Hubzündungsschweißen, beispielsweise im Bereich der Batterie- oder Akkumulatortechnik, bekannt. Der Schweißbolzen ist hierbei insbesondere einstückig aus einer Aluminiumlegierung gefertigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Batterie eines Kraftfahrzeugs anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst langlebige und aufwandsreduzierte Fügeverbindung zwischen den Ableitern einer Batteriezelle und einer Stromschiene realisiert sein. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterie anzugeben.
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Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf die Batterie angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren übertragbar und umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Batterie ist für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug, beispielsweise für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, geeignet und eingerichtet. Die Batterie ist hierbei insbesondere als eine elektrochemische Sekundärbatterie ausgeführt.
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Die Batterie weist mindestens ein Batteriezellmodul mit einer ersten Stromschiene als Stromsammelschiene oder Busbar auf, an welche eine Anzahl von Batteriezellen kontaktiert ist. Die beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildeten Batteriezellen weisen hierbei jeweils einen Kathodenableiter und einen Anodenableiter auf.
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Die Ableiter (Ableiterfahnen) sind hierbei jeweils mit mindestens einer freiendseitigen ersten Durchführöffnung ausgeführt. Dies bedeutet, dass an dem der Batteriezelle abgewandten (Frei-)Ende des jeweiligen Ableiters eine Durchführöffnung, also eine Aussparung, vorgesehen ist.
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Die Kathodenableiter und/oder die Anodenableiter von benachbarten Batteriezellen sind hierbei auf der ersten Stromschiene entlang einer Stapelrichtung übereinander angeordnet. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können. In dem Ableiterstapel können somit lediglich Kathodenableiter oder lediglich Anodenableiter oder sowohl Kathodenableiter als auch Anodenableiter angeordnet sein. Die (Stapel-)Anordnung der Ableiter ist hierbei von einem jeweiligen Verschaltungsschema oder einer jeweiligen Verschaltungsstrategie des Batteriezellmoduls abhängig. Insbesondere entspricht die Anzahl der gestapelten Ableiter im Wesentlichen der Anzahl der parallel geschalteten Batteriezellen.
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Die Stapelrichtung ist im Wesentlichen senkrecht zu der Auflagefläche der ersten Stromschiene orientiert. Die Ableiter liegen hierbei derart aufeinander, dass deren erste Durchführöffnungen fluchtend ineinander übergehen, also entlang der Stapelrichtung ineinander münden.
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Die ersten Durchführöffnungen bilden somit im Stapelzustand einen etwa zylindrischen Kanal. In diesen Kanal ist ein Fügebolzen eingesetzt, welcher die ersten Durchführöffnungen somit entlang der Stapelrichtung durchgreift. Die gestapelten Ableiter sind mittels des Fügebolzens durch einen Hubzündungsbolzenschweißprozess elektrisch leitfähig an die erste Stromschiene klemmkontaktiert. Die Ableiter werden somit mittelbar über den Fügebolzen mit der Stromschiene kontaktiert, so dass keine Gefahr einer Sprödphasen-Bildung zwischen der Stromschiene und den Ableitern besteht. Dadurch ist eine besonders geeignete Batterie für ein Kraftfahrzeug realisiert.
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Durch den stoffschlüssig gefügten Fügebolzen ist eine dauerhafte Klemmkontaktierung der Ableiter realisiert, deren Klemmwirkung über die Lebensdauer der Batterie im Wesentlichen konstant ist.
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Unter einem Hubzündungsbolzenschweißprozess ist ein Lichtbogenbolzenschweißverfahren, insbesondere ein Lichtbogenpressschweißverfahren, zu verstehen, bei welchem eine dauerhafte stoffschlüssige Fügeverbindung von dem zylindrischen oder bolzenförmigen Fügebolzen (Hubzündbolzen) und der Stromschiene hergestellt wird. Hierbei wird zwischen einer Stirnfläche des Fügebolzens und der Stromschiene ein Lichtbogen durch Anheben des Fügebolzens von der Stromschiene unter Stromfluss gezündet, welcher beide Teile lokal an- oder aufschmilzt. Anschließend wird der Fügebolzen mittels eines Anpressdrucks in das somit gebildete Schweißbad der Stromschiene gepresst, so dass nach einem Erstarren der Schmelzen eine stoffschlüssige Schweiß- oder Fügeverbindung gebildet ist.
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Der Fügebolzen weist einen Bolzenkopf auf, welcher im Fügezustand eine formschlüssige Klemmkontaktierung der Ableiter realisiert. Der Bolzenkopf wird somit mittels des definierten Anpressdrucks auf die Oberfläche der gestapelten Ableiter gedrückt. Der Bolzenkopf ist hierbei geeigneterweise an der den Ableitern zugewandten Unterseite mit einer Fase oder einer tangentialen Aussparung versehen, so dass die Kerbwirkung des Fügebolzens reduziert wird.
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Durch den definierten Anpressdruck im Zuge des Hubzündungsbolzenschweißprozesses ist geeigneterweise ein Toleranzausgleich entlang der Dicken- oder Stapelrichtung der Ableiter realisiert oder realisierbar. Des Weiteren ist eine vereinfachte Herstellung der Batterie ermöglicht, da beispielsweise keine aufwendigen Laserschutz-Umhausungen in einer Herstellungsanlage notwendig sind. Weiterhin ist durch den Hubzündungsbolzenschweißprozess ein besonders effizienter Energieeinsatz ermöglicht, wodurch die Herstellungskosten der Batterie vorteilhaft reduziert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung sind die ersten Durchführöffnungen dreiseitig oder allseitig, also vollumfänglich, geschlossen. Unter einer dreiseitig geschlossenen Durchführöffnung ist insbesondere eine etwa U-förmige Aussparung oder Stanzung im Randbereich oder Umfangsbereich des jeweiligen Ableiters zu verstehen. Unter einer allseitig geschlossenen Durchführöffnung ist hierbei insbesondere eine Bohrung oder lochartige Aussparung des Ableiters zu verstehen, welche vollumfänglich von dem Material des Ableiters eingefasst ist. Dadurch ist eine besonders einfache und zweckmäßige erste Durchführöffnung realisiert.
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In einer besonders stabilen und betriebssicheren Ausbildung weisen die Kathodenableiter und die Anodenableiter jeweils eine Anzahl von ersten Durchführöffnungen auf, welche entlang einer Ableiterquerrichtung verteilt angeordnet sind. Geeigneterweise ist in jede der ersten Durchführöffnungen ein Fügebolzen eingesetzt und mittels des Hubzündungsbolzenschweißprozesses an der Stromschiene befestigt. Dadurch ist der Ableiterstapel mittels mehreren Fügebolzen an die Stromschiene angebunden.
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In einer geeigneten Weiterbildung sind die ersten Durchführöffnungen als Langlöcher ausgeführt, welche sich entlang einer jeweiligen Ableiterlängsrichtung erstrecken. Dadurch ist in einfacher Art und Weise ein Toleranzausgleich entlang der Ableiterlängsrichtung ermöglicht, wodurch die Herstellung der Batterie weiter vereinfacht wird.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind der Fügebolzen und die erste Stromschiene aus dem gleichen Material, insbesondere aus einem Kupfermaterial, hergestellt. Dadurch wird sichergestellt, dass im Zuge des Hubzündungsbolzenschweißprozesses keine ungewünschten Sprödphasen entstehen. Dadurch ist eine dauerhafte, mechanisch stabile Fügeverbindung gewährleistet, deren Übergangswiderstand über die Lebensdauer der Batterie im Wesentlichen konstant ist.
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Eine zusätzliche oder weitere Ausführung der Erfindung sieht eine zweite Stromschiene vor, welche im Bereich der Kathodenableiter und/oder Anodenableiter mindestens eine zweite Durchführöffnung aufweist. Die zweiten Durchführöffnungen sind insbesondere komplementär zu den ersten Durchführöffnungen der Ableiter ausgestaltet. Die im Hinblick auf die ersten Durchführöffnungen angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die zweiten Durchführöffnungen übertragbar und umgekehrt.
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Die zweite Stromschiene ist entlang der Stapelrichtung mit den Ableitern angeordnet, wobei der Fügebolzen auch in die zweite Durchführöffnung eingesetzt ist. Dadurch ist in einfacher Art und Weise eine Verschaltung mehrerer Stromschienen möglich, wodurch ein vereinfachter Aufbau des Batteriezellmoduls oder der Batterie realisiert ist. Insbesondere ist hinsichtlich der zweiten Stromschiene ebenfalls ein Toleranzausgleich entlang der Stapelrichtung und/oder der Längsrichtung der zweiten Stromschiene ermöglicht. Dies überträgt sich in der Folge vorteilhaft auf die Herstellung der Batterie.
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In einer denkbaren Ausbildung sind die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene mittels des Fügebolzens elektrisch in Reihe geschaltet. Dadurch ist ein vereinfachter modularer Aufbau des Batteriezellmoduls ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die gestapelten Ableiter zwischen der ersten Stromschiene und der zweiten Stromschiene angeordnet. Mit anderen Worten ist der Ableiterstapel an den entlang der Stapelrichtung orientierten Stirnseiten jeweils von einer Stromschiene flankiert oder eingefasst. Die Stromschienen sind im Vergleich zu den Ableitern mechanisch stabiler, so dass durch diese Anordnung eine besonders stabile Fügeverbindung und Kontaktierung realisiert ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung einer vorstehend beschriebenen (Fahrzeug-)Batterie geeignet und ausgestaltet.
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Die Kathodenableiter und die Anodenableiter der Batteriezellen werden hierbei freiendseitig jeweils mit mindestens einer Durchführöffnung ausgeführt. Die Ableiter benachbarter Batteriezellen werden anschließend derart umgebogen und auf der ersten Stromschiene entlang einer Stapelrichtung übereinander gestapelt, dass die ersten Durchführöffnungen fluchtend zueinander angeordnet sind.
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Anschließend wird ein Fügebolzen in die ersten Durchführöffnungen eingesetzt, so dass ein Berührungskontakt mit der ersten Stromschiene bewirkt wird. Der Fügebolzen wird an eine elektrische Spannungsquelle gekoppelt, so dass ein geschlossener Stromkreis über den Fügebolzen und die erste Stromschiene gebildet ist. Der Fügebolzen wird anschließend entlang der Stapelrichtung linear angehoben, also von der ersten Stromschiene weg bewegt, bis sich ein Lichtbogen ausbildet. Der Lichtbogen erzeugt die notwendige Wärme, welche sowohl das Freiende des Fügebolzens als auch die Oberfläche der ersten Stromschiene lokal zumindest teilweise aufschmilzt. Der Fügebolzen wird anschließend mit einem definierten Anpressdruck auf die Oberfläche der Ableiter und auf die erste Stromschiene gedrückt. Dadurch werden die gestapelten Kathodenableiter und/oder Anodenableiter mittels des Fügebolzens in einem Hubzündungsbolzenschweißprozess elektrisch leitfähig an die erste Stromschiene klemmkontaktiert. Dadurch ist ein besonders geeignetes Herstellungsverfahren für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs realisiert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird vor oder während des Hubzündungsbolzenschweißprozesses ein Toleranzausgleich der Kathodenableiter und/oder Anodenableiter entlang deren Ableiterlängsrichtung durchgeführt. Vorzugsweise weisen die ersten Durchführöffnungen bezüglich des Fügebolzens ein gewisses (radiales) Übermaß auf, so dass eine relative Verschiebung der Ableiter zueinander entlang der Ableiterlängsrichtung (und/oder der Ableiterquerrichtung) möglich ist. In einer geeigneten Ausgestaltungsform wird zusätzlich ein Toleranzausgleich entlang der Ableiterhöhenrichtung (Dickenrichtung/Stapelrichtung) mittels des Anpressdrucks realisiert. Dadurch wird ein besonders geeignetes Herstellungsverfahren gewährleistet.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachten und schematischen Darstellungen:
- 1 eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einer Anzahl von Batteriezellmodulen,
- 2a bis 2h in Seitenansicht ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie eines Kraftfahrzeugs,
- 3a in Draufsicht eine erste Stromschiene der Batterie mit einem Ableiterstapel,
- 3b in Draufsicht die erste Stromschiene mit dem Ableiterstapel und mit zwei Fügebolzen,
- 4a bis 4b in Draufsicht unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Ableiter,
- 5a bis 5c in Draufsicht unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer zweiten Stromschiene,
- 6a, 6b in Seitenansicht ausschnittsweise ein Batteriezellmodul mit der ersten Stromschiene und zwei parallel verschalteten Batteriezellen
- 7 in Seitenansicht ausschnittsweise das Batteriezellmodul mit der ersten Stromschiene und vier parallel verschalteten Batteriezellen, und
- 8 in Seitenansicht ausschnittsweise das Batteriezellmodul mit der ersten und drei parallel verschalteten Batteriezellen sowie einer in Reihe geschalteten zweiten Stromschiene.
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Die 1 zeigt ausschnittsweise eine (Fahrzeug-)Batterie 2 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Batterie 2 ist insbesondere als eine elektrochemische Sekundärbatterie ausgeführt, wobei das Kraftfahrzeug insbesondere ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, ist. Die Batterie 2 weist eine Anzahl von Batteriezellmodulen 4 auf, welche beispielsweise als Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgeführt sind. Beispielhaft sind in der 1 lediglich drei parallel geschaltete Batteriezellmodule 4 gezeigt, welche jeweils an einen Pluspfad 6 einerseits und an einen Minuspfad 8 andererseits angeschlossen sind. Die Pfade 6, 8 sind jeweils an einen korrespondierenden Anschluss 10, 12 der Batterie 2 geführt.
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In der 1 sind die Batteriezellmodule 4 beispielhaft jeweils mit sechs einzelnen Batteriezellen 14 gezeigt. Die Batteriezellen 14 sind benachbart zueinander in dem Batteriezellmodul 4 angeordnet, und weisen jeweils einen Anodenableiter 16 und einen Kathodenableiter 18 auf, welche über mindestens eine Stromschiene (Stromsammelschiene, Busbar) 20 zu dem Batteriezellmodul 4 verschaltet sind. Die Batteriezellen 14 sind in der 1 lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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Nachfolgend ist anhand der 2a bis 2h ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der Batterie 2 näher erläutert.
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Verfahrensgemäß weisen die Ableiter 16, 18 der Batteriezellen 14 jeweils eine freiendseitige (erste) Durchführöffnung 22 auf. Die Ableiter 16, 18 der benachbarten Batteriezellen 14 werden in einem in 2a und in 2b gezeigten Verfahrensschritt zumindest abschnittsweise gebogen oder abgewinkelt, so dass die Ableiter 16, 18 zumindest an ihrem jeweiligen Freiende auf der Stromschiene 20 entlang einer Stapelrichtung S übereinander gestapelt angeordnet werden.
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Die Stapelrichtung S ist im Wesentlichen senkrecht zu einer Auflagefläche 26 der Stromschiene 20 orientiert. Wie in 2b ersichtlich ist, sind die Ableiter 16, 18 hierbei derart aufeinander gestapelt, dass deren Durchführöffnungen 22 fluchtend ineinander übergehen, also ineinander münden. Die Durchführöffnungen 22 bilden somit im Stapelzustand einen etwa zylindrischen Kanal.
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In diesen Kanal wird in einem in 2c dargestellten Verfahrensschritt ist ein Fügebolzen (Hubzündbolzen) 26 eingesetzt, welcher die Durchführöffnungen 22 der gestapelten Ableiter 16, 18 somit entlang der Stapelrichtung S durchgreift. Der Fügebolzen 26 weist einen Bolzenschaft 26a und einen Bolzenkopf 26b auf. Der Bolzenkopf 26b ist beispielsweise an einer den Ableitern zugewandten Unterseite mit einer nicht näher gezeigten Fase zur Reduzierung der Kerbwirkung versehen. Der Fügebolzen 26 wird hierbei derart in die ersten Durchführöffnungen eingesetzt, dass ein Berührungskontakt zwischen der freiendseitigen Stirnseite des Bolzenschafts 26a und der Auflagefläche 24 der Stromschiene 20 realisiert ist (2d).
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In dem in 2d gezeigten Verfahrensschritt wird der Fügebolzen 26 anschließend an eine elektrische Spannungsquelle 28 gekoppelt. Die Spannungsquelle 28 ist Teil eines lediglich schematisch gezeigten Stromkreises 30, welcher die Spannungsquelle 28 mit dem Fügebolzen 26 und der Stromschiene 20 elektrisch verbindet. Beim Einsetzen des Fügebolzens 26 in die Durchführöffnungen 22 ist der Stromkreis 30 mittels eines Schalters 32 geöffnet.
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Wie in den schematischen Seitendarstellungen der 2a bis 2h vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weisen die Durchführöffnungen 22 hinsichtlich des eingreifenden Bolzenschafts 26a ein gewisses (radiales) Übermaß auf. Mit anderen Worten ist der Innendurchmesser der Durchführöffnungen 22 größer dimensioniert als der Außendurchmesser des Bolzenschafts 26a. Während des in 2d gezeigten Verfahrensschritts wird vorzugsweise ein Toleranzausgleich der Ableiter 16, 18 und des Fügebolzens 26 zumindest entlang einer Ableiterlängsrichtung L ausgeführt.
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Die 2e zeigt einen darauffolgenden Verfahrensschritt, bei welchem der Stromkreis 30 durch den Schalter 32 geschlossen wird, so dass ein elektrischer Strom durch den Fügebolzen 26 und die Stromschiene 20 fließt. Der Fügebolzen 26 wird im geschlossenen Zustand des Stromkreises 30 entlang der Stapelrichtung S linear von der Auflagefläche 24 der Stromschiene 20 angehoben, also von der ersten Stromschiene 20 weg bewegt, bis sich ein Lichtbogen 34 ausbildet (2f). Der Lichtbogen 34 bewirkt eine hohe lokale Wärmeentwicklung, welche sowohl das Freiende des Bolzenschafts 26a, als auch die Auflagefläche 24 lokal zumindest teilweise aufschmilzt.
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Der Fügebolzen 26 wird anschließend in dem in 2g gezeigten Verfahrensschritt mit einem definierten Anpressdruck 34 linear entlang der Stapelrichtung S auf die Oberfläche der Ableiter 16, 18 und auf die aufgeschmolzene Auflagefläche 24 der Stromschiene 20 (Schweißbad) gepresst. Vorzugsweise wird hierbei ein Toleranzausgleich entlang der Stapelrichtung S, also entlang der Ableiterhöhenrichtung oder Dickenrichtung, durchgeführt.
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Nach einem Abkühlen oder Erstarren des Schweißbades ist eine stoffschlüssige Schweiß- oder Fügeverbindung 36 zwischen dem Fügebolzen 26 und der Stromschiene 20 realisiert (2h).
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Verfahrensgemäß werden die gestapelten Kathodenableiter und/oder Anodenableiter 16, 18 somit mittels des Fügebolzens 26 in einem Hubzündungsbolzenschweißprozess elektrisch leitfähig an die Stromschiene 20 klemmkontaktiert.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind der Fügebolzen 26 und die Stromschiene 20 aus dem gleichen Material, insbesondere aus einem Kupfermaterial, beispielsweise aus Kupfer oder Messing, oder aus einem Aluminiummaterial, hergestellt. Dadurch wird sichergestellt, dass Im Zuge des Hubzündungsbolzenschweißprozesses keine ungewünschten Sprödphasen in der Fügeverbindung 36 entstehen. Dadurch ist eine dauerhafte, mechanisch stabile Fügeverbindung 36 gewährleistet, deren Übergangswiderstand über die Lebensdauer der Batterie 2 im Wesentlichen konstant ist.
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Die 3a und 3b zeigen die Stromschiene 20 und den Stapel der Ableiter (Ableiterstapel) 16, 18 in Draufsicht. Wie insbesondere in der Draufsicht der 3a ersichtlich ist, weisen die Ableiter 16, 18 vorzugsweise mehrere Durchführöffnungen 22 auf, wobei 3a und 3b beispielhaft drei Durchführöffnungen 22 je Ableiter 16, 18 zeigt. Die Durchführöffnungen 22 sind in dieser Ausführungsform als kreisrunde Aussparungen oder Löcher beziehungsweise Bohrungen ausgeführt, welche entlang einer Ableiterquerrichtung Q verteilt am Freiende der Ableiter 16, 18 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Ableiter 16, 18 mittels einer der Anzahl der Durchführöffnungen 22 entsprechenden Anzahl von Fügebolzen 26 an der Stromschiene 22 formschlüssig befestigt oder klemmkontaktiert. In der 3b sind beispielhaft lediglich zwei Fügebolzen 26 in die Durchführöffnungen 22 eingesetzt.
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Anhand der 4a bis 4b sind drei Ausführungsbeispiele für die Durchführöffnungen 22 der Ableiter 16, 18 näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel der 4a entspricht im Wesentlichen dem in 3a, 3b gezeigten Ausführungsform mit drei kreisrunden, allseitig geschlossenen Aussparungen. Die Durchführöffnungen 22 weisen hierbei jeweils ein Übermaß hinsichtlich des Bolzenschaft 26a auf, so dass im Zuge des Herstellungsverfahrens ein Toleranzausgleich entlang der Ableiterlängsrichtung L sowie entlang der Ableiterquerrichtung Q möglich ist.
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In dem Ausführungsbeispiel der 4b sind die Durchführöffnungen 22' als allseitig geschlossene Langlöcher ausgebildet, welche sich jeweils entlang der Ableiterlängsrichtung L erstrecken. Dadurch ist ein besonders vorteilhafter Toleranzausgleich entlang der Ableiterlängsrichtung L realisiert.
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In der in 4c gezeigten Ausführungsform sind zwei Durchführöffnung 22" gezeigt, welche als dreiseitig geschlossene Aussparungen ausgeführt sind. Die Durchführöffnungen 22" sind hierbei als rechteckige, etwa U-Förmige Aussparungen in den freiendseitigen Rand der Ableiter 16, 18 eingebracht. Die Durchführöffnungen 22" ermöglichen ein besonders einfaches Einsetzen des Fügebolzens 26.
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In den 5a bis 5c sind drei Ausführungsbeispiele einer (zweiten) Stromschiene 20' gezeigt. Die Stromschiene 20' ist aus dem gleichen Material wie die Stromschiene 20 gefertigt. Die Stromschiene 20' weist eine Auflagefläche 24' zur Klemmkontaktierung mit den Ableitern 16, 18 und eine Befestigungsfläche 38 mit (zweiten) Durchführöffnungen 40, 40', 40" auf. Die Auflagefläche 24' und die Befestigungsfläche 38 sind etwa horizontal orientiert, und sind mittels eines schrägen oder gewinkelten Absatz 42 stufenartig entlang einer Vertikalrichtung gegeneinander versetzt angeordnet.
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Die Durchführöffnungen 40, 40', 40" sind hierbei vorzugsweise komplementär zu den jeweiligen Durchführöffnungen 22, 22', 22" der Ableiter 16, 18 ausgeführt. Die in 5a gezeigten Durchführöffnungen 40 sind entsprechend als drei kreisrunde, lochartige Aussparungen ausgeführt. Das Ausführungsbeispiel der 5b zeigt drei als Langlöcher ausgestaltete Durchführöffnungen 40'. In der 5c ist ein Ausführungsbeispiel der Durchführöffnungen 40" als dreiseitig geschlossene Aussparungen dargestellt.
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Durch die Stromschiene 20' sind mehrere Stromschienen 20, 20' elektrisch in Reihe geschaltet oder schaltbar. Insbesondere sind im Wesentlichen beliebig viele Stromschienen 20' hintereinander in Reihe schaltbar. Dadurch ist ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau der Batteriezellmodule 4 und der Batterie 2 gewährleistet.
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In der 6a bis 8 sind unterschiedliche Verschaltungskonzepte der Batteriezellen 14 eines Batteriemoduls 4 schematisch dargestellt.
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Die 6a und die 6b zeigen eine Parallelschaltung von zwei benachbarten Batteriezellen 14. In dem Ausführungsbeispiel der 6a sind die zwei Anodenableiter 16 und die zwei Kathodenableiter 18 jeweils übereinandergestapelt angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel der 6b sind die Anodenableiter 16 und die Kathodenableiter 18 abwechselnd oder alternierend im Ableiterstapel angeordnet.
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Die 7 zeigt eine Parallelschaltung von vier benachbarten Batteriezellen 14. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Ableiterstapel gebildet, ein Stapel für die Kathodenableiter 18 und ein Stapel für die Anodenableiter 16. Die Kathodenableiter 18 und die Anodenableiter 16 sind jeweils mittels mindestens einem Fügebolzen 16 an der Stromschiene 20 klemmkontaktiert.
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In der 8 ist eine Reihenschaltung der Stromschienen 20, 20' (Busbarverbindung) mit drei parallel geschalteten Batteriezellen 14 gezeigt. Die Anodenableiter 16 der Batteriezellen 14 sind zu einem Anodenableiterstapel gestapelt und die Kathodenableiter 18 sind zu einem entsprechenden Kathodenableiterstapel angeordnet. Die Kathodenableiter 18 sind hierbei mittels des Hubzündungsbolzenschweißprozesses an der Auflagefläche 24' der Stromschiene 20' klemmkontaktiert.
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Die Befestigungsfläche 38 der Stromschiene 20' ist hierbei entlang der Stapelrichtung S auf der Stirnseite des Stapels der Anodenableiter 16 angeordnet, so dass der Anodenableiterstapel zwischen den Stromschienen 20, 20' eingefasst ist. Die Anodenableiter 16 und die Kathodenableiter 18 sind hierbei bezüglich des Absatzes 42 der Stromschiene 20' wechselseitig angeordnet, dies bedeutet, dass die Anodenableiter 16 und die Kathodenableiter 18 auf gegenüberliegenden Seiten der Stromschiene 20' angeordnet sind. Die Anodenableiter 16 sind in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft auf einer oberseitigen Auflagefläche 24' angeordnet, wobei die Kathodenableiter 18 entsprechend an einer unterseitigen Befestigungsfläche 38 angeordnet sind. Die Stromschiene 20' ist mit dem Kathodenableiterstapel mittels des Fügebolzens 26 an die Stromschiene 20 kontaktiert.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Batterie
- 4
- Batteriezellmodul
- 6
- Pluspfad
- 8
- Minuspfad
- 10, 12
- Anschluss
- 14
- Batteriezelle
- 16
- Anodenableiter
- 18
- Kathodenableiter
- 20,20'
- Stromschiene
- 22, 22', 22"
- Durchführöffnung
- 24, 24'
- Auflagefläche
- 26
- Fügebolzen
- 26a
- Bolzenschaft
- 26b
- Bolzenkopf
- 28
- Spannungsquelle
- 30
- Stromkreis
- 32
- Schalter
- 34
- Anpressdruck
- 36
- Fügeverbindung
- 38
- Befestigungsfläche
- 40, 40', 40"
- Durchführöffnungen
- 42
- Absatz
- L
- Ableiterlängsrichtung
- Q
- Ableiterquerrichtung
- S
- Stapelrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014214932 A1 [0018]
