DE102020113113A1

DE102020113113A1 - Zellverbinder sowie Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinders

Info

Publication number: DE102020113113A1
Application number: DE102020113113.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Schmidt; Florian Fitzen; Florian Pritscher; Markus Glaser
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Zellverbinder für ein Energiespeichersystem, umfassend einen ersten Kontaktbereich und einen zweiten Kontaktbereich, wobei der erste Kontaktbereich aus einem ersten Material gebildet ist, und wobei der zweite Kontaktbereich aus einem zweiten Material gebildet ist, und wobei die beiden Kontaktbereiche über einen Verbindungsbereich verbunden sind, welcher aus einem dritten Material gebildet ist, welches zu dem ersten Material und dem zweiten Material verschieden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellverbinder für ein Energiespeichersystem, ein Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinders sowie ein Energiespeichersystem.
Zellverbinder der in Rede stehenden Art dienen zum Beispiel der Kontaktierung einzelner Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls oder auch der Verbindung von Batteriemodulen. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, in einen derartigen Zellverbinder die Funktionalität einer Schmelzsicherung zu integrieren. So offenbart beispielsweise die WO 2013/143720 einen Zellverbinder für ein Batteriesystem, bestehend aus einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen, wobei ein Zellverbinder eine ihm jeweils zugeordnete Schmelzsicherung aufweist. Hierbei ist die Schmelzsicherung als ein zwischen den beiden Kontaktenden des Zellverbinders angeordneter Bereich ausgebildet, welcher eine Aussparung oder Verjüngung aufweist. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass das Betriebsverhalten derartiger Zellverbinder nicht optimal ist, insbesondere was deren Haltbarkeit im Dauerbetrieb betrifft.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zellverbinder, ein Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinders sowie ein Energiespeichersystem anzugeben, wobei die Dauerhaltbarkeit gegenüber den bekannten Lösungen verbessert wird, bei gleichzeitig möglichst geringen Kosten.
Diese Aufgabe wird durch einen Zellverbinder gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Energiespeichersystem gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß umfasst ein Zellverbinder für ein Energiespeichersystem einen ersten Kontaktbereich und einen zweiten Kontaktbereich, wobei der erste Kontaktbereich aus einem ersten Material gebildet ist, und wobei der zweite Kontaktbereich aus einem zweiten Material gebildet ist, und wobei die beiden Kontaktbereiche über einen Verbindungsbereich verbunden sind, welcher aus einem dritten Material gebildet ist, welches zu dem ersten Material und dem zweiten Material verschieden oder unterschiedlich ist. Ein Energiespeichersystem der in Rede stehenden Art umfasst vorliegend beispielsweise zumindest ein (Energie-)Speichermodul. Ein derartiges Speichermodul umfasst seinerseits eine Vielzahl einzelner Energiespeicherzellen oder Batteriezellen. Diese sind in geeigneter Art und Weise zu dem Speichermodul zusammengefügt und verschaltet. Bei den Energiespeicherzellen handelt es sich gemäß bevorzugter Ausführungsformen insbesondere um Lithium-Ionen-Batteriezellen oder auch um Lithium-Schwefel-Batteriezellen. Die Gehäuse der Batteriezellen weisen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine prismatische Form auf. Als Gehäusematerial kommt bevorzugt ein metallischer Werkstoff, wie Aluminium, zum Einsatz. Bevorzugt handelt es sich um ein festes Gehäuse. Alternativ können die Zellen auch als Rundzellen ausgebildet sein. Ebenso können die Energiespeicherzellen weiche oder flexible Gehäuse aufweisen. Entscheidend ist, dass durch die unterschiedlichen Materialien des Zellverbinders optimal auf die Ausgestaltung der Energiespeicherzellen oder auch der Speichermodule eingegangen werden kann. So sind die Materialien der Kontaktbereiche mit Vorteil dahingehend ausgelegt, eine optimale Anordnung an die Zellpole der Energiespeicherzellen/Speichermodule zu ermöglichen. Bevorzugt wird dabei auf Materialmischungen verzichtet. Die Materialien der Kontaktbereiche sind mit Vorteil also an das oder die Materialien der Zellpole der zu verbindenden Energiespeicherzellen oder auch Speichermodule angepasst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verbindungsbereich als Schmelzsicherung ausgebildet. Dies bedeutet, dass bei einem erhöhten Stromfluss eine Trennung des Zellverbinders im Verbindungsbereich erfolgt, wobei die Höhe des Stromes bevorzugt durch die geometrische Ausgestaltung des Verbindungsbereichs einzelfallabhängig festzulegen ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform entspricht das erste Material dem zweiten Material. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Material, bzw. auch bei dem zweiten Material, um Aluminium oder um eine Aluminiumlegierung. Der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. Besonders bevorzugt ist das dritte Material Kupfer bzw. das dritte Material umfasst bevorzugt Kupfer. Zweckmäßigerweise ist der Verbindungsbereich, bevorzugt insbesondere ausschließlich, aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung, geformt oder gebildet. Kupfer zeichnet sich gegenüber Aluminium durch eine höhere Festigkeit und ein geringeres Kriechverhalten aus. Die Anfälligkeit gegenüber Rissbildung unter mechanischer Belastung ist gegenüber Aluminium deutlich reduziert.
Die Verbindung der Kontaktbereiche mit den Zellpolen erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mittels Schweißen. Entsprechend wird der Zellverbinder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform derart ausgebildet, dass an den Bereichen, an welchen die Schweißverbindung zu den Zellpolen stattfindet, Aluminium vorgesehen wird, während Kupfer im Bereich der Schmelzsicherung verwendet wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Verbindungsbereich zumindest eine Ausnehmung oder Materialschwächung oder auch Materialverjüngung auf. Zweckmäßigerweise kann damit zielgenau die Sicherung bzw. die Stärke der Sicherung eingestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist der Verbindungsbereich gewölbt, gekrümmt, gebogen etc. ausgebildet. Zweckmäßigerweise kann damit zusätzlich eine gewisse Flexibilität eingebracht werden, welche insbesondere der Robustheit des Zellverbinders, beispielsweise in Bezug auf Schwingungen, zu Gute kommt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Verbindungsbereich durch eine Vielzahl von einzelnen Stegen gebildet, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf, sechs oder sieben. Zweckmäßigerweise ermöglichen die Stege ein Federn oder eine Nachgiebigkeit des Zellverbinders. Dies ist vorteilhaft in Bezug auf die Montage, da Toleranzen ausgeglichen werden können. Vorteile ergeben sich aber auch in Bezug auf das Betriebsverhalten, da derartige Zellverbinder robust auf mechanische Einwirkungen, wie Schwingungen oder Stöße, reagieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Zellverbinder aus drei Einzelteilen form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig gefügt.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Zellverbinder Überlappungsbereiche auf, in welchen sich der Verbindungsbereich und die Kontaktbereiche überlappen, und wobei die Materialien im Überlappungsbereich form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden sind.
Bei den drei Einzelteilen handelt es sich gemäß einer Ausführungsform um den ersten Kontaktbereich, den zweiten Kontaktbereich und den Verbindungsbereich. Ein Fügen bzw. Verbinden kann durch form- und/oder kraftschlüssige Verbindungen, wie beispielsweise Schrauben oder Nieten, erfolgen. Alternativ können die Materialien mittels Stoffschluss, wie insbesondere Schweißen, miteinander verbunden werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Zellerbinder in den Überlappungsbereichen durch oder mittels Walzplattieren verbunden. Bevorzugt ist der Zellverbinder aus zwei Einzelteilen hergestellt, insbesondere einem ersten Material oder einer ersten Materiallage, bevorzugt Aluminium, und einem dritten Material oder einer dritten Materiallage, bevorzugt Kupfer. Diese Materialien werden bevorzugt mittels Walzplattieren verbunden. In einem nächsten Schritte wird im Verbindungsbereich die Aluminium-Lage entfernt und in den Kontaktbereichen der Kupferwerkstoff.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinders umfassend die Schritte:

- Bereitstellen eines ersten Materials, eines zweiten Materials und eines dritten Materials, wobei das dritte Material zu dem ersten Material und dem zweiten Material unterschiedlich ist;
- Formen eines Zellverbinders aus den Materialien, wobei der Zellverbinder einen ersten Kontaktbereich und einen zweiten Kontaktbereich aufweist, welche über einen Verbindungsbereich verbunden sind, derart, dass im Verbindungsbereich ausschließlich das dritte Material vorhanden ist.

Für das Verfahren gelten die im Zusammenhang mit dem Zellverbinder erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend sowie umgekehrt. Mit Vorteil ist der Verbindungsbereich als Schmelzsicherung ausgebildet. Zweckmäßigerweise erfolgt die Herstellung des Zellverbinders derart, dass im Bereich der Schmelzsicherung ausschließlich das dritte Material vorgesehen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem dritten Material um ein hierfür besonders geeignetes Material, wie beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung. Die Kontaktbereiche sind hingegen dahingehend ausgelegt, eine bestmögliche Anbindung an beispielsweise Energiespeicherzellen/Speichermodule etc. ermöglichen, wobei die Anbindung form- und/oder kraftschlüssig und insbesondere auch stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen, erfolgt. In der Folge wird ein Zellverbinder geschaffen, welcher in jeder Hinsicht optimale Eigenschaften aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht das erste Material dem zweiten Material. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Material bzw. auch bei dem zweiten Material um Aluminium. Mit Vorteil umfasst das Verfahren die Schritte:

- Walzplattieren des ersten Materials und des dritten Materials zum Formen oder Vorformen des Zellverbinders;
- Entfernen des ersten Materials im Verbindungsbereich;
- Entfernen des dritten Materials in den Kontaktbereichen.

Das Entfernen erfolgt gemäß einer Ausführungsform mechanisch, beispielsweise mittels Fräsen, Schneiden oder Schleifen etc. Mit Vorteil kann so schnell ein Zellverbinder geschaffen werden, welcher im Verbindungsbereich ausschließlich das dritte Material, insbesondere Kupfer, aufweist und in den Kontaktbereichen ausschließlich das erste Material, insbesondere Aluminium.
Die Erfindung betrifft auch ein Energiespeichersystem, welches zumindest ein Speichermodul umfasst, wobei das Speichermodul eine Vielzahl von Energiespeicherzellen umfasst, wobei die Zellpole der Energiespeicherzellen aus einem Aluminium gebildet sind, und wobei zur elektrischen Kontaktierung innerhalb des Energiespeichersystems zumindest ein erfindungsgemäßer Zellverbinder angeordnet oder verwendet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist der zumindest eine Zellverbinder innerhalb eines Speichermoduls angeordnet. Alternativ oder zusätzlich können auch zumindest zwei Speichermodule mittels einer erfindungsgemäßen Zellverbinders verbunden oder kontaktiert sein. Dabei weisen die Energiespeicherzellen mit Vorteil, insbesondere ausschließlich, Aluminiumzellpole auf. Entsprechend sind die Kontaktbereiche des oder der verwendeten Zellverbinder mit Vorteil ebenfalls aus Aluminium, wodurch vorteilhafterweise Mischverbindungen vermieden werden können.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Zellverbindern mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Es zeigen:

1: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Zellverbinders während der Herstellung;
2: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Zellverbinders;
3: zwei weitere Ansichten einer Ausführungsform eines Zellverbinders.

1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein erstes Material 11 sowie ein drittes Material 13. Bei den vorliegenden Ausführungsformen entspricht das erste Material 11 einem zweiten Material 12. Bei den Materialien 11 und 12 könnte es sich aber auch um verschiedenen Materialien handeln. Aus einer Anordnung wie in der 1 skizziert kann ein Zellverbinder geschaffen werden, wie er in der 2 dargestellt ist. Das dritte Material 13 sowie das erste Material 11 bzw. 12 sind gemäß einer Ausführungsform beispielsweise mittels Walzplattieren aneinandergefügt. Eine Ausgestaltung, wie in der 2 skizziert, wird beispielsweise durch ein bereichsweises Abtragen der Materialien 11, 12 bzw. 13 an den entsprechenden Stellen ermöglicht, vgl. die 2.
2 zeigt einen Zellverbinder 10, welcher aus einer Anordnung, wie aus der 1 bekannt, erzeugt wurde. Der Zellverbinder 10 umfasst einen ersten Kontaktbereich 31 sowie einen zweiten Kontaktbereich 32, wobei die beiden Kontaktbereiche 31, 32 über einen Verbindungsbereich 20 verbunden sind. Hierzu wurde beispielsweise im Bereich der Kontaktbereiche 31 und 32 das dritte Material 13 entfernt, sodass nur noch das erste Material 11 vorliegt. Analog wurde im Bereich des Verbindungsbereichs 20 das erste Material 11 entfernt, sodass in diesem Bereich nur noch das dritte Material 13 vorliegt. Die Kontaktbereiche 31 und 32 sind mit dem Verbindungsbereich 20 über Überlappungsbereiche 22 verbunden, wobei die Verbindung beispielsweise, vgl. die 2, mittels Walzplattieren erfolgt ist. Alternativ können die verschiedenen Materialien 11 und 13 in den Überlappungsbereichen 22 auch mittels Schrauben oder Nieten verbunden sein. Weiter alternativ können Schweißverfahren zur Verbindung eingesetzt werden etc. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Material Aluminium, während das dritte Material 13 Kupfer ist.
3 zeigt zwei Ansichten eines Zellverbinders 10, wobei in der linken Bildhälfte eine Draufsicht dargestellt ist. Zu erkennen sind ein erster Kontaktbereich 31 sowie ein zweiter Kontaktbereich 32. Diese sind jeweils aus einem ersten Material 11, bevorzugt Aluminium, gefertigt. Verbunden sind die beiden Kontaktbereiche 31 und 32 über einen als Schmelzsicherung ausgebildeten Verbindungsbereich 20, welcher in der hier dargestellten Ausführungsform durch eine Vielzahl von einzelnen Stegen ausgebildet ist. Gebildet wird der Verbindungsbereich 20, umfassend die Vielzahl von einzelnen Stegen, durch ein drittes Material 13, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Kupfer. In der rechten Bildhälfte ist ein Schnitt zu sehen, wie er in der linken Bildhälfte skizziert ist. Zu erkenn ist, dass die Stege gewölbt bzw. gekrümmt ausgebildet sind, wodurch der Zellverbinder 10 eine gewisse Flexibilität bzw. Nachgiebigkeit ermöglicht, was sich vorteilhaft in Bezug auf das Betriebsverhalten auswirkt. Zu erkennen sind weiter Überlappungsbereiche 22, in welchen die Materialien 11 bzw. 13 miteinander verbunden sind.
Bezugszeichenliste

10: Zellverbinder
11: erstes Material
12: zweites Material
13: drittes Material
20: Verbindungsbereich
22: Überlappungsbereich
31: erster Kontaktbereich
32: zweiter Kontaktbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/143720 [0002]

Claims

Zellverbinder (10) für ein Energiespeichersystem, umfassend einen ersten Kontaktbereich (31) und einen zweiten Kontaktbereich (32), wobei der erste Kontaktbereich (31) aus einem ersten Material (11) gebildet ist, und wobei der zweite Kontaktbereich (32) aus einem zweiten Material (12) gebildet ist, und wobei die beiden Kontaktbereiche (31, 32) über einen Verbindungsbereich (20) verbunden sind, welcher aus einem dritten Material (13) gebildet ist, welches zu dem ersten (11) Material und dem zweiten Material (12) verschieden ist.
Zellverbinder (10) nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsbereich (20) als Schmelzsicherung ausgebildet ist.
Zellverbinder (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Material (11) und das zweite Material (12) Aluminium ist, und wobei das dritte Material (12) Kupfer ist.
Zellverbinder (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsbereich (20) zumindest eine Ausnehmung oder Materialschwächung aufweist.
Zellverbinder (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsbereich (20) gewölbt, gekrümmt, gebogen ausgebildet ist.
Zellverbindung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsbereich (20) durch eine Vielzahl von Stegen gebildet ist.
Zellverbinder (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend Überlappungsbereiche (22), in welchen sicher der Verbindungsbereich (20) und die Kontaktbereiche (31, 32) überlappen, wobei die Materialien (11, 12, 13) in den Überlappungsbereichen (22) form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden sind.
Zellverbinder (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend Überlappungsbereiche (22), in welchen sicher der Verbindungsbereich (20) und die Kontaktbereiche (31, 32) überlappen, und wobei die Materialien (11, 12, 13) in den Überlappungsbereichen (22) durch Walzplattieren verbunden sind.
Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinders (10), umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines ersten Materials (11), eines zweiten Materials (12) und eines dritten Materials (13), wobei das dritte Material (13) zu dem ersten Material (11) und dem zweiten Material (12) unterschiedlich ist; - Formen eines Zellverbinders (10) aus den Materialien (11, 12, 13), wobei der Zellverbinder (10) einen ersten Kontaktbereich (31) und einen zweiten Kontaktbereich (32) aufweist, welche über einen Verbindungsbereich (20) verbunden sind, derart, dass im Verbindungsbereich (20) ausschließlich das dritte Material (13) vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das erste Material (11) dem zweiten Material (12) entspricht, umfassend die Schritte: - Walzplattieren des ersten Materials (11) und des dritten Materials (12) zum Formen des Zellverbinders (10); - Entfernen des ersten Materials (11) im Verbindungsbereich (20); - Entfernen des dritten Materials (13) in den Kontaktbereichen (31, 32).
Energiespeichersystem, umfassend zumindest ein Speichermodul, wobei das Speichermodul eine Vielzahl von Energiespeicherzellen umfasst, wobei die Zellpole der Energiespeicherzellen aus Aluminium gebildet sind, und wobei zur elektrische Kontaktierung innerhalb des Energiespeichersystems zumindest ein Zellverbinder (10) nach einem der Ansprüche 1-8 angeordnet ist.