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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung sowie ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung.
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Bei einer Verbindungsanordnung der in Rede stehenden Art handelt es sich insbesondere um eine elektrisch leitende Verbindung, beispielsweise von zwei Stromschienen. Eine Herausforderung bei derartigen Verbindungsanordnungen besteht unter anderem darin, zum einen eine Verbindung bereitzustellen, welche einen über die Betriebsdauer hinweg robusten und geringen elektrischen Übergangswiderstand aufweist und zum anderen hohen mechanischen Belastungen standhält. Daneben muss die Verbindung gut zu fertigen sein und hohe Anforderungen an die technische Sauberkeit erfüllen. Die
DE 10 2017 217 688 A1 schlägt in diesem Zusammenhang eine Verbindungsanordnung, umfassend eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einer ersten Stromschiene und einer zweiten Stromschiene, vor, wobei die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene jeweils eine Öffnung aufweisen, in welcher ein Hülsenelement angeordnet ist, welches im Zusammenwirken mit einem Pin-Element eine Kontaktierung ermöglicht. Bau- sowie Montageaufwand sind bei einer derartigen Lösung allerdings hoch. Zudem ist der elektrische Widerstand bei dieser rein mechanischen Lösung nicht ausreichend robust.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsanordnung, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung anzugeben, welche sehr gute mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen und dabei kostengünstig zu realisieren sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung gemäß Anspruch 1, durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Verbindungsanordnung ein, oder zumindest ein, erstes Kontaktelement und ein zweites Kontaktelement, welche in einer Fügezone stoffschlüssig verbunden sind, und wobei die Verbindungsanordnung einen daneben angeordneten Haltebereich aufweist bzw. umfasst, über welchen die Kontaktelemente in der Fügezone zumindest beim Erzeugen des Stoffschlusses aneinandergedrückt sind. Zweckmäßigerweise sind die Kontaktelemente in der Fügezone stoffschlüssig, insbesondere mittels Löten, insbesondere mittels Laserlöten, verbunden. Eine derartige Verbindungsanordnung stellt mit Vorteil einen sehr geringen elektrischen Übergangswiderstand bereit. Um die Kontaktelemente in der Fügezone während des Erzeugens des Stoffschlusses zu kontaktieren, ist mit Vorteil der Haltebereich vorgesehen, welcher bevorzugt unmittelbar neben der Fügezone angeordnet ist. Der Haltebereich definiert eine Halteebene. Die Fügezone ist gemäß einer Ausführungsform in der Halteebene neben dem Haltebereich angeordnet. Zweckmäßigerweise wirkt beim Erzeugen des Stoffschlusses zumindest temporär oder auch dauerhaft eine Kraft, insbesondere eine Klemmkraft, auf den Haltebereich, über welche die Kontaktelemente in der Fügezone aneinandergedrückt oder aneinandergepresst bzw. kontaktiert werden. Die Krafteinleitung erfolgt also mittelbar über den Haltebereich.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Verbindungsanordnung eine Wärmeeintragszone, über welche der Wärmeeintrag zum Erzeugen des Stoffschlusses erfolgt oder eingebracht wird, und wobei die Wärmeeintragszone durch zumindest eines der Kontaktelemente gebildet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Wärmeeintragszone versetzt oder senkrecht zur Fügezone angeordnet oder ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Wärmeeintrag zum Erzeugen des Stoffschlusses über zumindest eine Wärmeeintragszone aufgebracht, welche entlang der Richtung des Wärmeeintrags versetzt zur Fügezone angeordnet oder ausgebildet ist. Der Wärmeeintrag erfolgt zweckmäßigerweise mittelbar über die Wärmeeintragszone, welche entlang der Richtung des Wärmeeintrags versetzt zur Fügezone ausgebildet ist. Dies ermöglicht einen kurzen Wärmeleitungspfad. Zweckmäßigerweise ist die Wärmeeintragszone direkt an der jeweiligen Oberfläche des Kontaktelements ausgebildet, welche der Fügezone gegenüberliegt. Der Wärmeeintrag erfolgt zweckmäßigerweise im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf die Fügezone. Erfolgt aus zwei Richtungen ein Wärmeeintrag, sind zweckmäßigerweise an beiden Kontaktelementen Wärmeeintragszonen vorgesehen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Wärmeeintragszone senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Fügezone ausgebildet oder angeordnet. Der Wärmeeintrag erfolgt dabei insbesondere seitlich auf die Fügezone. Die Richtung des Wärmeeintrags ist parallel oder im Wesentlichen parallel zur Fügezone gerichtet. Die Wärmeeintragszone wird bei dieser Ausführungsform zweckmäßigerweise durch beide Kontaktelemente gebildet.
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Weiter alternativ ist die Wärmeeintragszone versetzt neben der Fügezone angeordnet. Dies kann aus Gründen der Zugänglichkeit vorteilhaft sein.
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Bei den Kontaktelementen handelt es sich gemäß einer Ausführungsform um metallische Flachleiter bzw. bandförmige Leiterelemente, mit einem eckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt. Zweckmäßigerweise liegen die Kontaktelemente im Haltebereich und in der Fügezone flach aufeinander. Typische Werkstoffe für die Kontaktelemente sind beispielsweise Stahl, Kupfer oder Kupferlegierungen bzw. Aluminium und dessen Legierungen. Die Werkstoffauswahl ist allerdings nicht auf die vorliegenden Beispiele beschränkt.
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Die Verbindungsanordnung ist dabei ausdrücklich nicht auf die Verbindung von genau zwei Kontaktelementen beschränkt, sondern kann ggf. mehr als zwei Kontaktelemente umfassen.
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Die Ausgestaltung der Kontaktelemente ist nicht auf einen bestimmten Typ beschränkt. Das erste/zweite Kontaktelement kann auch ein Gehäuse/Bauteil oder ein Abschnitt eines Gehäuses/Bauteils sein. Zumindest eines der Kontaktelemente kann durch ein Kabel gebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Kontaktelement als Kabelschuh ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Kontaktelement ein Sammelschiene, oder Busbar, an welcher ein zweites Kontaktelement, ausgebildet als Kabel, befestigt ist.
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Zweckmäßigerweise erfolgt der zum Erzeugen des Stoffschlusses notwendige Wärmeeintrag indirekt bzw. mittelbar über die zumindest eine Wärmeeintragszone. Bei der Wärmeeintragszone handelt es sich um einen Bereich auf dem ersten und/oder zweiten Kontaktelement, welcher, gemäß einer Ausführungsform, gegenüberliegend der Fügezone angeordnet ist. Die Wärmeeintragszone kann, wie erwähnt, auch durch beide Kontaktelemente gebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Kontaktelemente im Haltebereich dauerhaft form- und/oder kraftschlüssig verbunden. Alternativ können die Kontaktelemente während des Erzeugens des Stoffschlusses auch nur temporär fixiert bzw. gehalten werden, beispielsweise durch Anordnen geeigneter Klammern, Klemmelemente etc.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kontaktelemente im Haltebereich miteinander verschraubt. Alternative Befestigungsmittel wie Nieten oder dergleichen sind ebenfalls verwendbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stoffschluss mittels Löten erzeugt, wobei für den Wärmeeintrag bevorzugt ein Laser verwendet wird. Mit Vorteil wird die Lötprozesstemperatur mittels Laserstrahlung indirekt über die Wärmeeintragszone aufgebracht. Die Wärmeenergie gelangt durch einen kurzen Weg zur Fügezone, wodurch lokal der Stoffschluss erzeugt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eines Kontaktelemente zumindest in der Fügezone verzinnt. Die Wärmeenergie, welche bevorzugt mittels des Lasers, ein oder beidseitig, eingebracht wird, bedingt, dass das Zinn in der Fügezone lokal schmilzt und eine stoffschlüssige Verbindung mit der Zinnschicht des gegenüberliegenden Kontaktelements eingeht.
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Zweckmäßigerweise wird das Laserverfahren derart geführt, dass der Laserstrahl einen minimalen Wärmeeintrag liefert. Insbesondere ist die Streckenergie so zu wählen, dass das Material der Kontaktelemente weder abgetragen wird, noch verdampft. Insbesondere soll kein Schweißen stattfinden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist zumindest eines der Kontaktelemente im Bereich der Fügezone eine verminderte Wandstärke auf. Zweckmäßigerweise ist es dadurch möglich, einen Abstand der Wärmeeintragszone zur Fügezone zu verringern. Mit Vorteil kann dadurch der Wärmeleitungspfad vom Laserstrahl zur Fügezone und zur Zinnschicht kurz gehalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement, insbesondere verzinnte, Stromschienen. Zweckmäßigerweise muss im Bereich der Fügezone nicht gesondert bzw. in einem extra Verfahrensschritt eine Zinnschicht aufgebracht werden.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Kraftfahrzeug, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung. Bevorzugt ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen, ein Kraftrad oder auch ein Nutzfahrzeug. Zweckmäßigerweise umfasst das Kraftfahrzeug eine Antriebseinheit, insbesondere eine elektrische Antriebseinheit, wobei die Antriebseinheit zumindest eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung umfasst. Zweckmäßigerweise kann die Verbindungsanordnung bzw. eine Vielzahl von derartigen Verbindungsanordnungen im Bereich des Energiespeichersystems, wie beispielsweise im Hochvoltspeicher, eingebaut oder verwendet sein.
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Weiter richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines ersten Kontaktelements und eines zweiten Kontaktelements;
- - Anordnen der Kontaktelemente derart aneinander, dass sie in einem Haltebereich und in einer Fügezone aufeinander liegen;
- - Aufbringen einer Druckkraft auf den Haltebereich, sodass die Kontaktelemente in der Fügezone aneinandergedrückt werden;
- - Einbringen von Wärme in die Fügezone mittelbar über zumindest eines der Kontaktelemente zum stoffschlüssigen Verbinden der Kontaktelemente in der Fügezone.
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Die im Zusammenhang mit der Verbindungsanordnung erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für das Verfahren sowie umgekehrt. Zweckmäßigerweise erfolgt der Wärmeeintrag über eine Wärmeeintragszone, welche versetzt zur Fügezone am ersten und/oder zweiten Kontaktelement vorgesehen ist. Der Wärmeeintrag erfolgt zweckmäßigerweise über Laserstrahlung. Bevorzugt wird eine Lötverbindung erzeugt. Die zum Erzeugen des Stoffschlusses notwendige Wärme wird bevorzugt über einen oder mehrere Laserstrahlen eingebracht. Die Laserenergie und die Streckenergie werden zweckmäßigerweise so gewählt, dass es zu keinem Materialabtrag oder Schweißprozess kommt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Kreisförmiges Überfahren der Fügezone, insbesondere der Wärmeeintragszone, oder der Wärmeeintragszonen, mit einem Laser zum Einbringen der Wärmeenergie für den Lötprozess.
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Zweckmäßigerweise ist zumindest eines der Kontaktelemente im Bereich der Fügezone verzinnt. Das Zinn in der Fügezone geht durch den Energieeintrag der Laserstrahlung in die flüssige Phase über. Mit Vorteil geht dabei nur der Teil des Zinns in die flüssige Phase über, welcher in der Fügezone bzw. in der Wärmeeinflusszone des Laserstrahls liegt. Der, daneben liegende, Haltebereich wird nicht beeinträchtigt.
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Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich durch seine hohe technische Sauberkeit aus, bedingt durch die bevorzugt niedrige Streckenergie des Lasers. Mit Vorteil kann mit einem niedrigen Energie- bzw. Wärmeeintrag gearbeitet werden.
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Mit Vorteil können bereits bestehende, beispielsweise verschraubte, Verbindungsanordnungen, durch einen gezielten Wärmeeintrag, insbesondere mittels Laserstrahlung, nachträglich stoffschlüssig verbunden werden. Das Fügeverfahren kann beispielsweise im Zusammenbau einer elektrischen Komponente nachträglich angewandt werden. Der Laserstrahl benötigt vergleichsweise geringe Freigänge und der Wärmeeintrag zu benachbarten Bauteilen ist gering.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen eines Befestigungsmittels im Haltebereich zum Erzeugen der Druckkraft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Befestigungsmittel eine Schraube nebst entsprechender Mutter. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird eine Druck- bzw. Klemmkraft im Haltebereich auch nur temporär, während des Fügeprozesses bzw. während des Erzeugens des Stoffschlusses, aufgebracht und gehalten. Zweckmäßigerweise ist die Wärmeeinflusszone derart ausgeprägt, dass durch den Laserlötprozess die mechanische Festigkeit, z.B. der Schraube (Klemmkraft) nicht negativ beeinträchtigt wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Verbindungsanordnungen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine Draufsicht sowie eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Verbindungsanordnung;
- 2: eine weitere Ausführungsform einer Verbindungsanordnung, dargestellt in einem Schnitt.
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1 zeigt im unteren Bereich in einer Draufsicht eine Verbindungsanordnung, umfassend ein erstes Kontaktelement 10 sowie ein zweites Kontaktelement 20. Diese Anordnung ist, entlang der gestrichelten Linie geschnitten, in der oberen Bildhälfte im Schnitt dargestellt. Zu erkennen ist hierbei insbesondere ein Haltebereich 60, in welchem die Kontaktelemente 10 und 20 über ein Befestigungsmittel 80 verbunden sind. Das Kontaktelement 20 weist in der hier dargestellten Ausführungsform beispielsweise ein entsprechendes Gewinde auf. Alternativ kann auch eine Mutter am Befestigungsmittel 80 angeordnet werden. Direkt neben dem Haltebereich 60 sind das erste Kontaktelement 10 und das zweite Kontaktelement 20 in einer Fügezone 40 stoffschlüssig über eine Zinnschicht 42 verbunden. Insbesondere sind die Kontaktelemente 10 und 20 in der Fügezone 40 miteinander verlötet. Der hierzu nötige Wärmeeintrag W erfolgt, wie durch den entsprechenden Pfeil dargestellt, mittelbar über eine versetzt zur Fügezone 40 angeordnete Wärmeeintragszone 44. Um den Wärmeleitungspfad zu verkürzen weist das erste Kontaktelement 10 eine Ausnehmung oder einen Rücksprung 12 auf, wodurch die Wärmeeintragszone 44 näher an die Fügezone 40 gebracht werden kann. In der unteren Bildhälfte ist mit dem Bezugszeichen L eine Bahnkurve eines Lasers skizziert, welcher bevorzugt für den Wärmeeintrag bzw. für den Lötprozess verwendet wird. Das Laserverfahren wird vorteilhafterweise so geführt, dass es zu keinerlei Materialabtrag in den Kontaktelementen 10 oder 20 bzw. zu einem Verschweißen der Kontaktelemente 10 und 20 kommt. Stattdessen soll der Wärmeeintrag nur lokal im Bereich der Fügezone 40 wirken, sodass der Haltebereich 60 keinen merklichen Temperatureintrag erfährt. Das Befestigungsmittel 80 bleibt in der hier dargestellten Ausführungsform auch nach dem Erzeugen des Stoffschlusses angeordnet.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Verbindungsanordnung, wobei viele Merkmale bereits aus der 1 bekannt sind. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass in einem Haltebereich 60 kein Befestigungsmittel angeordnet ist. Stattdessen erfolgt eine temporäre Krafteinleitung, wie durch die Pfeile mit den Bezugszeichen F skizziert. Im Haltebereich 60 kann beispielsweise eine Klemme oder Zange etc. angeordnet werden. Ein Wärmeeintrag zum stoffschlüssigen Verbinden des ersten und des zweiten Kontaktelements 10 bzw. 20 in einer Fügezone 40 erfolgt in der hier skizzierten Ausführungsform beidseitig, vgl. die Pfeile mit dem Bezugszeichen W. Entsprechend sind sowohl am ersten Kontaktelement 10, als auch am zweiten Kontaktelement 20 jeweils eine Wärmeeintragszone 44 ausgebildet, welche jeweils versetzt zu der Fügezone 40 angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erstes Kontaktelement
- 12
- Ausnehmung
- 20
- zweites Kontaktelement
- 40
- Fügezone
- 42
- Zinnschicht
- 44
- Wärmeeintragszone
- 60
- Haltebereich
- 80
- Befestigungsmittel
- F
- Kraftrichtung
- W
- Richtung Wärmeeintrag
- L
- Bahnkurve Laser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017217688 A1 [0002]
