DE102020129385A1 - Method for determining a quality measure of a material connection - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Qualitätsmaßes einer stoffschlüssigen Verbindung (SV) zweier flächig übereinander angeordneter elektrisch leitfähiger Fügepartner (FP1, FP2) vorgeschlagen, bei dem ein Stromprofil (Imess) in die stoffschlüssige Verbindung (SV) eingeprägt und über Messkontakte (MK1, MK2) ein durch den eingeprägten Strom verursachter Spannungsabfall (Umess) über der Verbindung (SV) bestimmt wird, und bei dem das Qualitätsmaß der stoffschlüssigen Verbindung (SV) aus einer vorgegebenen Relation des Stromprofils (Imess) und des Spannungsabfalls (Umess) bestimmt wird. Das Stromprofil (Imess) wird nur über eine Oberfläche des zweiten Fügepartners (FP2) in die Schweißverbindung (SV) hinein - und wieder herausgeleitet. Ermöglicht wird dies dadurch dass die stoffschlüssige Verbindung (SV) der zwei Fügepartner (FP1, FP2) zumindest einen ersten Teilabschnitt (SV1) und einen zweiten Teilabschnitt (SV2) umfasst, wobei der erste und der zweite Teilabschnitt (SV1, SV2) der stoffschlüssigen Verbindung in der Messrichtung (X) in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet und benachbart zu einem jeweiligen Messkontakt (MK1, MK2) angeordnet sind. Der vorgegebene Abstand zwischen dem ersten Teilabschnitt (SV1) und dem zweiten Teilabschnitt (SV2) ist derart gewählt, dass bei dem eingeprägten Stromprofil (Imess) ein elektrischer Widerstand (RBL,2), der in dem zweiten Fügepartner (FP2) zwischen dem ersten Teilabschnitt (SV1) und dem zweiten Teilabschnitt (SV2) gebildet ist, einen anderen Wert aufweist, insbesondere größer ist, als die Summe der Widerstände (RSV,1; RSV,2, RBT) durch den ersten Teilabschnitt (SV1), den zweiten Teilabschnitt (SV2) und durch einen Strompfad in dem ersten Fügepartner (FP1), der zwischen dem ersten Teilabschnitt (SV1) und dem zweiten Teilabschnitt (SV2) der stoffschlüssigen Verbindung (SV) gebildet ist.A method for determining a quality measure of a material connection (SV) between two electrically conductive joining partners (FP1, FP2) arranged one on top of the other is proposed, in which a current profile (Imess) is impressed into the material connection (SV) and measured via measuring contacts (MK1, MK2 ) a voltage drop (Umess) caused by the impressed current across the connection (SV) is determined, and in which the quality measure of the material connection (SV) is determined from a predetermined relation of the current profile (Imess) and the voltage drop (Umess). The current profile (Imess) is conducted into and out of the welded connection (SV) only via one surface of the second joining partner (FP2). This is made possible by the fact that the materially bonded connection (SV) of the two joining partners (FP1, FP2) comprises at least a first section (SV1) and a second section (SV2), the first and second sections (SV1, SV2) of the materially bonded connection are arranged at a predetermined distance from one another in the measuring direction (X) and are arranged adjacent to a respective measuring contact (MK1, MK2). The specified distance between the first section (SV1) and the second section (SV2) is selected in such a way that with the impressed current profile (Imess) an electrical resistance (RBL,2) in the second joining partner (FP2) between the first section (SV1) and the second section (SV2), has a different value, in particular is greater than the sum of the resistances (RSV,1; RSV,2, RBT) through the first section (SV1), the second section ( SV2) and through a current path in the first joining partner (FP1), which is formed between the first section (SV1) and the second section (SV2) of the material connection (SV).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Qualitätsmaßes einer stoffschlüssigen Verbindung zweier flächig übereinander angeordneter elektrisch leitfähiger Fügepartner.The invention relates to a method for determining a quality measure of a materially bonded connection between two electrically conductive parts to be joined that are arranged flat on top of one another.
Stoffschlüssige Verbindungen zweier elektrisch leitfähiger Fügepartner werden beispielsweise bei der Produktion einer Fahrzeugbatterie eingesetzt, bei der einzelne Batteriezellen elektrisch über Leiterbleche miteinander verbunden werden. Die stoffschlüssige Verbindung erfolgt beispielsweise durch ein Schweißverfahren, wobei insbesondere Laserschweißverfahren zum Einsatz kommen. Zur elektrischen Verbindung der Batteriezellen werden auf deren als Pole oder Terminals bezeichneten Anschlusselemente Leiterbleche geschweißt. Die Leiterbleche und die Pole bzw. Terminals der Batteriezellen stellen Fügepartner im Sinne der Erfindung dar. Die Qualität der stoffschlüssigen Verbindung ist von großer Bedeutung und ist daher während der Fertigung zu prüfen. Ein wichtiges Qualitätskriterium ist hierbei der elektrische Widerstand der stromführenden stoffschlüssigen Verbindung.Cohesive connections between two electrically conductive joining partners are used, for example, in the production of a vehicle battery, in which individual battery cells are electrically connected to one another via conductor plates. The integral connection is made, for example, by a welding process, with laser welding processes being used in particular. For the electrical connection of the battery cells, conductor sheets are welded onto their connection elements, known as poles or terminals. The conductor plates and the poles or terminals of the battery cells represent joining partners within the meaning of the invention. The quality of the bonded connection is of great importance and must therefore be checked during production. An important quality criterion here is the electrical resistance of the current-carrying material connection.
Um den elektrischen Widerstand einer stoffschlüssigen Verbindung oder Schweißverbindung zu bestimmen, ist es bekannt, ein Stromprofil in eine jeweilige stoffschlüssige Verbindung einzuprägen und den Spannungsabfall über der stoffschlüssigen Verbindung zu messen. Das Stromprofil kann z.B. ein Strompuls sein. Der aus dem Stromprofil resultierende Strom wird somit durch die Verbindungsstelle der stoffschlüssigen Verbindung geleitet, wobei der Strompfad so gewählt ist, dass der Strom von einem der Fügepartner durch die stoffschlüssige Verbindung zu dem anderen Fügepartner fließt. Dies führt jedoch dazu, dass bei übereinander liegenden Fügepartnern jeder der beiden Fügepartner für die Bestimmung des elektrischen Widerstands der stoffschlüssigen Verbindung zugänglich sein muss. Dies hat verschiedene nachteilige Auswirkungen auf das Design des Produkts.In order to determine the electrical resistance of a material-to-material connection or welded joint, it is known to impress a current profile into a respective material-to-material connection and to measure the voltage drop across the material-to-material connection. The current profile can be a current pulse, for example. The current resulting from the current profile is thus conducted through the connection point of the material connection, with the current path being selected such that the current flows from one of the joining partners through the material connection to the other joining partner. However, this means that when the joining partners are on top of each other, each of the two joining partners must be accessible for determining the electrical resistance of the material connection. This has various adverse effects on the design of the product.
So ist es insbesondere zur Bestimmung des elektrischen Widerstands der stoffschlüssigen Verbindung erforderlich, dass die auf den Terminals der Batteriezelle angeordneten Leiterbleche jeweils ein Loch enthalten müssen, damit das darunter liegende Terminal der Batteriezelle zugänglich ist. Das Loch ist erforderlich, damit ein Messkontakt zur Einspeisung der Stromprofils und zum Erfassen des Spannungsabfalls das Terminal der Batteriezelle kontaktieren kann. Da die Prüfung üblicherweise mit hohen Stromstärken im Bereich von mehreren hundert Ampere durchgeführt wird, muss ein entsprechend großer Messbereich bzw. ein entsprechend großes Loch für die Kontaktierung des Terminals der Batteriezelle vorgesehen sein. Der andere Messkontakt wird auf der von dem Batterieterminal abgewandten Seite des Leiterblechs aufgesetzt.In particular, to determine the electrical resistance of the material connection, it is necessary for the conductor plates arranged on the terminals of the battery cell to each have a hole so that the terminal of the battery cell underneath is accessible. The hole is necessary so that a measuring contact for feeding the current profiles and detecting the voltage drop can contact the terminal of the battery cell. Since the test is usually carried out with high currents in the range of several hundred amperes, a correspondingly large measuring range or a correspondingly large hole must be provided for contacting the battery cell terminal. The other measuring contact is placed on the side of the conductor plate facing away from the battery terminal.
Durch das Erfordernis, ein Loch in dem Leiterblech vorsehen zu müssen, steht eine entsprechend geringere Fläche für die stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung. Neben der für die stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stehenden Fläche bedeutet das Vorsehen des Lochs in dem Leiterblech eine deutliche Einschränkung für die Geometrie der stoffschlüssigen Verbindung. Die stoffschlüssige Verbindung kann nämlich nur bedingt hinsichtlich Stromführung, Kontaktwiderstand und auch mechanischer Festigkeit optimiert werden. Dies sind jedoch die Eigenschaften, die für die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit des Batteriemoduls von Bedeutung sind.Due to the requirement of having to provide a hole in the conductor plate, a correspondingly smaller area is available for the material connection. In addition to the area available for the material connection, the provision of the hole in the conductor plate means a significant restriction for the geometry of the material connection. The material connection can only be optimized to a limited extent in terms of current conduction, contact resistance and also mechanical strength. However, these are the properties that are important for the performance and longevity of the battery module.
Da die Produktionswerkzeuge gewisse Ungenauigkeiten bei der Positionierung der Messkontakte aufweisen, können sich Toleranzen der zu assemblierenden Komponenten und Fertigungstoleranzen des Produktionsprozesses in nachteiliger Weise auf die Beurteilung der Qualität der stoffschlüssigen Verbindung auswirken. Das Messergebnis, das mit dem oben beschriebenen Verfahren erzielt wird, ist gegenüber diesen Ungenauigkeiten bei der Positionierung sensitiv, da sich bei veränderter Position der Messkontakte aufgrund von Toleranzen die in dem Leiterblech und dem Batterieterminal vorherrschenden Widerstände ändern. Dadurch kann das sich aus dem Stromprofil über der stoffschlüssigen Verbindung erhaltene Messergebnis schwanken und zu einer Fehlinterpretation der Qualität der stoffschlüssigen Verbindung führen. So wird im ungünstigen Fall eine gute stoffschlüssige Verbindung als fehlerhaft klassifiziert. Ebenso kann andersherum eine fehlerhafte stoffschlüssige Verbindung nicht erkannt sein.Since the production tools have certain inaccuracies in the positioning of the measuring contacts, tolerances in the components to be assembled and manufacturing tolerances in the production process can have a disadvantageous effect on the assessment of the quality of the material connection. The measurement result achieved with the method described above is sensitive to these inaccuracies in positioning, since the resistances prevailing in the conductor plate and the battery terminal change when the position of the measuring contacts changes due to tolerances. As a result, the measurement result obtained from the current profile across the material connection can fluctuate and lead to a misinterpretation of the quality of the material connection. In the worst case, a good material connection is classified as faulty. Conversely, a faulty material connection can also not be recognized.
Weitere Nachteile sind hohe Energiekosten des Prüfprozesses, eine starke (thermische) Belastung der Messkontakte, eine Erwärmung der zu prüfenden Komponenten, eine langsame Taktrate sowie eine hohe Komplexität der Kontaktierungslösung.Other disadvantages are the high energy costs of the testing process, a high (thermal) load on the measuring contacts, the components to be tested heating up, a slow cycle rate and a high complexity of the contacting solution.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Bestimmung eines Qualitätsmaßes einer stoffschlüssigen Verbindung zweier flächig übereinander angeordneter elektrisch leitfähiger Fügepartner funktionell und qualitativ verbessert werden kann.It is the object of the invention to specify a method with which the determination of a quality measure of a material connection between two electrically conductive joining partners arranged one on top of the other in a two-dimensional manner can be improved functionally and qualitatively.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a method according to the features of claim 1. Advantageous refinements result from the dependent claims.
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Qualitätsmaßes einer stoffschlüssigen Verbindung zweier flächig übereinander angeordneter elektrisch leitfähiger Fügepartner vorschlagen. Bei dem Verfahren werden ein Stromprofil in die stoffschlüssige Verbindung eingeprägt und über Messkontakte ein durch den eingeprägten Strom verursachter Spannungsabfall über der Verbindung bestimmt. Das Stromprofil kann ein Strompuls, aber auch jeder beliebige andere Stromverlauf sein. Das Qualitätsmaß der stoffschlüssigen Verbindung wird aus einer vorgegebenen Relation des Stromprofils und des Spannungsabfalls bestimmt. Beispielsweise kann das Qualitätsmaß der stoffschlüssigen Verbindung durch einen Quotienten aus Spannungsabfall und eingeprägten Strom bestimmt werden.A method for determining a quality measure of a material connection is disclosed suggest two electrically conductive joining partners arranged flat on top of each other. In the method, a current profile is impressed into the material connection and a voltage drop across the connection caused by the impressed current is determined via measuring contacts. The current profile can be a current pulse, but also any other current profile. The measure of quality of the material connection is determined from a specified relation between the current profile and the voltage drop. For example, the measure of quality of the material connection can be determined by a quotient of the voltage drop and the applied current.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Messkontakte für das Einprägen des Stromprofils und die Bestimmung des Spannungsabfalls jeweils mit einer Oberfläche des zweiten Fügepartners, dessen Oberfläche vor und nach dem Fügeprozess zugänglich ist, verbunden werden. Die Messkontakte werden in einer Messrichtung voneinander beabstandet mit der Oberfläche des zweiten Fügepartners verbunden. Unter dem Begriff „verbinden“ wird dabei eine elektrische Verbindung verstanden, so dass das Stromprofil über einen der Messkontakte in den zweiten Fügepartner hinein und über den anderen der Messkontakte aus dem zweiten Fügepartner heraus fließen kann. Die stoffschlüssige Verbindung der zwei Fügepartner umfasst zumindest einen ersten Teilabschnitt und einen zweiten Teilabschnitt. Dabei sind der erste und der zweite Teilabschnitt der stoffschlüssigen Verbindung in der Messrichtung in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet und benachbart zu einem jeweiligen Messkontakt angeordnet bzw. liegend. Der erste und der zweite Teilabschnitt können voneinander getrennte Teilabschnitte der stoffschlüssigen Verbindung sein. Der erste und der zweite Teilabschnitt können auch über weitere Teilabschnitte der stoffschlüssigen Verbindung verbunden sein. Der vorgegebene Abstand zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt ist derart gewählt, dass bei dem eingeprägten Stromprofil ein elektrischer Widerstand, der in dem zweiten Fügepartner zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt gebildet ist, einen anderen Wert aufweist als die Summe der Widerstände durch den ersten Teilabschnitt, den zweiten Teilabschnitt und durch einen Strompfad in dem ersten Fügepartner, der zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt der stoffschlüssigen Verbindung gebildet ist.The method is characterized in that the measuring contacts for impressing the current profile and determining the voltage drop are each connected to a surface of the second joining partner, the surface of which is accessible before and after the joining process. The measuring contacts are connected to the surface of the second joining partner at a distance from one another in a measuring direction. The term “connect” is understood to mean an electrical connection, so that the current profile can flow into the second joining partner via one of the measuring contacts and out of the second joining partner via the other of the measuring contacts. The integral connection of the two parts to be joined comprises at least a first section and a second section. In this case, the first and the second partial section of the material connection are arranged at a predetermined distance from one another in the measuring direction and are arranged or lying adjacent to a respective measuring contact. The first and the second section can be separate sections of the material connection. The first and the second sub-section can also be connected via further sub-sections of the material connection. The specified distance between the first section and the second section is selected in such a way that, with the impressed current profile, an electrical resistance that is formed in the second joining partner between the first section and the second section has a different value than the sum of the resistances through the first section, the second section and through a current path in the first joining partner, which is formed between the first section and the second section of the material connection.
Der elektrische Widerstand, der in dem zweiten Fügepartner zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt gebildet ist, kann größer sein als die Summe der Widerstände durch den ersten Teilabschnitt, den zweiten Teilabschnitt und durch einen Strompfad in dem ersten Fügepartner, der zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt der stoffschlüssigen Verbindung gebildet ist. Diese Variante ist vorteilhaft für die Robustheit der Messung. Das Verfahren funktioniert auch dann, wenn der elektrische Widerstand, der in dem zweiten Fügepartner zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt gebildet ist, kleiner ist als die Summe der Widerstände durch den ersten Teilabschnitt, den zweiten Teilabschnitt und durch einen Strompfad in dem ersten Fügepartner, der zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt der stoffschlüssigen Verbindung gebildet ist.The electrical resistance that is formed in the second joining partner between the first section and the second section can be greater than the sum of the resistances through the first section, the second section and through a current path in the first joining partner between the first section and the second section of the materially bonded connection is formed. This variant is advantageous for the robustness of the measurement. The method also works when the electrical resistance formed in the second joining partner between the first section and the second section is less than the sum of the resistances through the first section, the second section and through a current path in the first joining partner , which is formed between the first section and the second section of the material connection.
Durch das vorgeschlagene Verfahren fließt der Messstrom über nur eine Oberfläche eines Fügepartners in die stoffschlüssige Verbindung hinein und wieder heraus. Auch die Messung des zugehörigen Spannungsabgriffs kann über diese eine Oberfläche erfolgen. Bei dieser Vermessung von einer Seite fließt nur ein Teil des Messstroms durch die stoffschlüssige Verbindung hindurch. Der Strom teilt sich somit entsprechend der Parallelschaltung der Fügepartner auf. Je besser die Fügepartner über den ersten und zweiten Teilabschnitt der stoffschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind, umso geringer fällt der gesamte gemessene Spannungsabfall aus. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann der Quotient aus gemessenem Spannungsabfall und eingeprägtem Strom als Widerstandswert zur Bewertung der „elektrischen Qualität“ der stoffschlüssigen Verbindung herangezogen werden.With the proposed method, the measuring current flows into and out of the material connection via only one surface of a joining partner. The associated voltage tap can also be measured via this one surface. With this measurement from one side, only part of the measuring current flows through the material connection. The current is thus divided according to the parallel connection of the joining partners. The better the joining partners are connected to one another via the first and second sections of the materially bonded connection, the lower the total voltage drop measured. As is known from the prior art, the quotient of the measured voltage drop and the applied current can be used as a resistance value to evaluate the “electrical quality” of the material connection.
Das vorgeschlagene Messverfahren weist Vorteile für die Auslegung der Fügepartner auf, da insbesondere auf das Vorsehen eines Lochs in einem der Fügepartner verzichtet werden kann. Damit sind auch Kosteneinsparungen in der Produktion verbunden. Zudem wird die Detektion von Schweißfehlern verlässlicher, da die Positioniergenauigkeit der Messkontakte von nachrangiger Bedeutung ist. Das Messverfahren ist somit robuster als das aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehen.The proposed measurement method has advantages for the design of the joining partners, since in particular the provision of a hole in one of the joining partners can be dispensed with. This also results in cost savings in production. In addition, the detection of welding defects is more reliable since the positioning accuracy of the measuring contacts is of secondary importance. The measurement method is therefore more robust than the procedure known from the prior art.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Messkontakte jeweils mit der von dem ersten Fügepartner abgewandten Oberfläche des zweiten Fügepartners verbunden werden. Mit anderen Worten werden die Messkontakte mit derselben Seite des Fügepartners verbunden.An expedient embodiment provides that the measuring contacts are each connected to the surface of the second joining partner that faces away from the first joining partner. In other words, the measuring contacts are connected to the same side of the joining partner.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass der erste und der zweite Teilabschnitt der stoffschlüssigen Verbindung in der Messrichtung zwischen den Messkontakten angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich die erwünschte und für die Bestimmung des Qualitätsmaßes erforderliche Serien-Parallelschaltung.A further expedient configuration provides that the first and the second partial section of the material connection are arranged in the measuring direction between the measuring contacts. This results in the series-parallel connection that is desired and required for determining the quality measure.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt der stoffschlüssigen Verbindung ein nicht für die stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stehender Bereich vorgesehen ist. Dieser Bereich wird, sofern die stoffschlüssige Verbindung zur Verbindung des ersten und zweiten Fügepartners das Terminal einer Batteriezelle und ein Leiterblech miteinander verbindet, aus fertigungstechnischen Gründen zur Herstellung der Batteriezelle benötigt. Dieser Bereich steht nicht für eine Verschweißung mit dem Leiterblech zur Verfügung. Der nicht für die stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stehende Bereich wird damit zweckmäßigerweise von dem für die stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stehenden Bereich umgeben, so dass der erste und zweite Teilabschnitt in der Messrichtung den nicht für die stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stehenden Bereich überspannen.A further expedient embodiment provides that between the first subsection and the second subsection of the materially bonded connection a region that is not available for the materially bonded connection is provided. This area is required for manufacturing reasons for manufacturing the battery cell if the material connection for connecting the first and second joining partner connects the terminal of a battery cell and a conductor plate to one another. This area is not available for welding to the conductor plate. The area not available for the material connection is thus expediently surrounded by the area available for the material connection, so that the first and second sections span the area not available for the material connection in the measuring direction.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass der zweite Fügepartner den ersten Fügepartner vollständig bedeckt oder bedecken kann. Zweckmäßigerweise ist der erste Fügepartner ein Terminalanschluss einer Batteriezelle (auch als Pol bezeichnet). Zweckmäßigerweise ist der zweite Fügepartner ein Leiterblech zur elektrischen Verschaltung der Batteriezelle.A further expedient configuration provides that the second joining partner completely covers or can cover the first joining partner. The first joining partner is expediently a terminal connection of a battery cell (also referred to as a pole). The second joining partner is expediently a conductor plate for the electrical interconnection of the battery cell.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem oder mehrerer Ausführungsbeispiele ist insbesondere zur Verwendung für die Prüfung des Widerstands einer stoffschlüssigen Verbindung in einem Batteriemodul, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgesehen. Dabei umfasst das Batteriemodul zumindest eine, einen Terminalanschluss aufweisende, Batteriezelle, die mit einem Leiterblech zu verbinden ist.The method according to the invention according to one or more exemplary embodiments is intended in particular for use in testing the resistance of an integral connection in a battery module, in particular for a motor vehicle. In this case, the battery module comprises at least one battery cell which has a terminal connection and is to be connected to a conductor plate.
Weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Querschnittsdarstellung zweier übereinander angeordneter Fügepartner mit daran angesetzten Messkontakten zur Bestimmung eines Qualitätsmaßes einer stoffschlüssigen Verbindung der zwei übereinander angeordneten Fügepartner gemäß dem Stand der Technik; -
2 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung der in1 dargestellten Fügepartner; -
3 ein elektrisches Ersatzschaltbild, das die Situation bei der Bestimmung des Qualitätsmaßes der stoffschlüssigen Verbindung in1 illustriert; -
4 eine Querschnittsdarstellung zweier übereinander angeordneter Fügepartner mit daran angesetzten Messkontakten zur Bestimmung eines Qualitätsmaßes einer stoffschlüssigen Verbindung der zwei übereinander angeordneten Fügepartner gemäß der Erfindung; -
5 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung der in4 dargestellten Fügepartner; und -
6 ein elektrisches Ersatzschaltbild, das die Situation bei der Bestimmung des Qualitätsmaßes der stoffschlüssigen Verbindung in4 illustriert.
-
1 a cross-sectional view of two joining partners arranged one above the other with measuring contacts attached thereto for determining a quality measure of an integral connection of the two joining partners arranged one above the other according to the prior art; -
2 a perspective, exploded view of the in1 shown joining partners; -
3 an electrical equivalent circuit diagram that shows the situation when determining the quality of the material connection in1 illustrated; -
4 a cross-sectional representation of two joining partners arranged one above the other with measuring contacts attached thereto for determining a quality measure of an integral connection of the two joining partners arranged one above the other according to the invention; -
5 a perspective, exploded view of the in4 shown joining partners; and -
6 an electrical equivalent circuit diagram that shows the situation when determining the quality of the material connection in4 illustrated.
Um den elektrischen Widerstand einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen zwei Fügepartnern zu bestimmen, wird ein Stromprofil in die stoffschlüssige Verbindung eingeprägt und der Spannungsabfall über der stoffschlüssigen Verbindung gemessen. Die stoffschlüssige Verbindung kann z.B. durch Schweißen wie Laserschweißen, Reibschweißen, Ultraschallschweißen, usw. erzeugt sein. Das Stromprofil kann prinzipiell beliebiger Natur sein, wobei insbesondere Strompulse verwendet werden. Die mit dem Stromprofil in die stoffschlüssige Verbindung eingeprägte Stromstärke kann im Bereich von mehreren hundert Ampere liegen, wobei dann über der stoffschlüssigen Verbindung ein Spannungsabfall von wenigen Mikrovolt bis Millivolt messbar ist.In order to determine the electrical resistance of a material connection between two parts to be joined, a current profile is impressed into the material connection and the voltage drop across the material connection is measured. The material connection can be produced, for example, by welding such as laser welding, friction welding, ultrasonic welding, etc. In principle, the current profile can be of any type, current pulses being used in particular. The current intensity impressed with the current profile in the integral connection can be in the range of several hundred amperes, with a voltage drop of a few microvolts to millivolts then being measurable across the integral connection.
Bei den bislang bekannten Lösungen wird der Strompfad so gewählt, dass der Strom von einem Fügepartner durch die stoffschlüssige Verbindung (Schweißnaht) zu dem anderen der Fügepartner fließt. Der Strom wird also durch die stoffschlüssige Verbindung bzw. Schweißverbindung geleitet. Bei übereinander liegenden Fügepartner muss dabei jeder der beiden Fügepartner zugänglich sein.In the previously known solutions, the current path is selected in such a way that the current flows from one joining partner through the integral connection (weld seam) to the other joining partner. The current is thus conducted through the integral connection or welded connection. If the joining partners are on top of each other, each of the two joining partners must be accessible.
Fügepartner sind beispielsweise ein Batterieterminal einer Batteriezelle und ein mit dem Terminal zu verbindendendes Leiterblech. Das erfindungsgemäße Vorgehen ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann grundsätzlich bei der Prüfung jeder stoffschlüssigen Verbindung eingesetzt werden. Der Einfachheit halber wird nachfolgend auf das Beispiel eines Batteriemoduls mit zumindest einer Batteriezelle Bezug genommen, wobei dies als nicht einschränkend zu betrachten ist.Joining partners are, for example, a battery terminal of a battery cell and a conductor plate to be connected to the terminal. However, the procedure according to the invention is not limited to this application, but can in principle be used when testing any material connection. For the sake of simplicity, reference is made below to the example of a battery module with at least one battery cell, which is not to be regarded as limiting.
Eine Vielzahl von Batteriezellen wird beispielsweise zu einem Batteriemodul für die Verwendung in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug mechanisch verbunden und verschaltet. Die Batteriezellen können in einer Draufsicht z.B. einen runden oder prismatischen Querschnitt aufweisen. Die Batteriezellen werden bei einer Assemblierung aneinandergereiht und über einem Rahmen oder eine Trägervorrichtung mechanisch fixiert. So entsteht ein Kasten, bei dem die obere Seite offenbleibt. Um die Batteriezellen elektrisch anzubinden, werden Leiterbleche, die nachfolgend zweite Fügepartner FP2 darstellen, von oben auf den Terminals positioniert und verschweißt, wobei die Terminals oder Pole der Batteriezellen den ersten Fügepartner FP1 darstellen. Beim Verbindungsprozess wird das Leiterblech als zweiter Fügepartner FP2 auf dem jeweiligen Pol als erster Fügepartner FP1 gedrückt und mittels Laserstrahl angeschweißt.A large number of battery cells are mechanically connected and connected, for example, to form a battery module for use in an electrically operated vehicle. The battery cells can have a round or prismatic cross section, for example, in a plan view. During assembly, the battery cells are lined up and mechanically fixed using a frame or a carrier device. This creates a box with the top side open. In order to connect the battery cells electrically, conductive sheets, which subsequently represent the second joining partner FP2, are positioned on the terminals from above and welded, with the terminals or poles of the battery cells representing the first joining partner FP1. During the connection process, the conductor sheet as the second joining partner FP2 is pressed onto the respective pole as the first joining partner FP1 and welded using a laser beam.
In den
Der zweite Fügepartner FP2 weist eine Aussparung ML auf, so dass im Bereich der Aussparung ML ein Messbereich MB1 auf der Fügefläche des ersten Fügepartners FP1 durch einen als Messstift ausgebildeten Messkontakt MK1 kontaktierbar ist. Die stoffschlüssige Verbindung SV, die durch den zweiten Fügepartner FP2 zumindest teilweise bis in den ersten Fügepartner FP1 reicht, ist in einem Bereich SVB (
Optional kann der erste Fügepartner FP1, wie in den
Die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Fügepartner FP1, FP2 über die Schweißverbindung SV muss primär einen möglichst niedrigen Widerstand aufweisen. Dies kann beispielsweise durch die Verschweißung mittels Laserstrahl sichergestellt werden, wobei jedoch aufgrund der Notwendigkeit der Bereitstellung der Aussparung ML nur ein reduzierter/verkleinerter Bereich SVB für die Schweißverbindung SV zur Verfügung steht.The electrical connection between the first and the second joining partner FP1, FP2 via the welded connection SV must primarily have the lowest possible resistance. This can be ensured, for example, by welding using a laser beam, but only a reduced/smaller area SVB is available for the welded connection SV due to the need to provide the cutout ML.
Die Kontaktwiderstände zwischen den beiden Fügepartner FP1, FP2 werden so vermessen, dass über den ersten Messkontakt MK1 das Stromprofil als Mess- oder Prüfstrom Imess in den Messbereich MB1 des Fügepartners FP1 eingeprägt wird, der über die stoffschlüssige Verbindung SV zum anderen Fügepartner FP2 fließt und über den zweiten Messbereich MB2 des zweiten Fügepartners FP2 heraus in den zweiten Messkontakt MK2 fließt. Der durch den Messstrom Imess zwischen den beiden Messkontakten MK1, MK2 verursachte Spannungsabfall Umess wird dabei gemessen. Dieses Prinzip ist in
Das in
Für die Qualitätssicherung ist ausschließlich der über der Schweißverbindung SV abfallende Widerstand RSV von Bedeutung. Variieren nun die Positionen der Messkontakte MK1, MK2 an den Messbereichen MB1, MB2 aufgrund von Toleranzen in der Produktion, ändern sich auch die Widerstände RFP1, RFP2. Somit schwankt das Messergebnis und kann zu einer Fehlinterpretation der stoffschlüssigen Verbindung und des Schweißvorganges führen.Only the resistance R SV dropping across the welded connection SV is important for quality assurance. If the positions of the measuring contacts MK1, MK2 on the measuring areas MB1, MB2 now vary due to tolerances in production, the resistances R FP1 , R FP2 also change. The measurement result thus fluctuates and can lead to a misinterpretation of the material connection and the welding process.
Das in den
Der erste Fügepartner FP1 - das Terminal der nicht dargestellten Batteriezelle - ist entsprechend dem Fügepartner FP1 gemäß
Die stoffschlüssige Verbindung ist in einen ersten Teilabschnitt SV1 und einen zweiten Teilabschnitt SV2 aufgeteilt, wobei der erste und der zweite Teilabschnitt SV1, SV2 der stoffschlüssigen Verbindung in der Messrichtung X in einem vorgegebenen Abstand L voneinander angeordnet und benachbart zu den jeweiligen Messkontakten MK1, MK2 angeordnet sind. Bevorzugt sind die Teilabschnitte SV1, SV2 in Messrichtung X zwischen den Messbereichen MB1, MB2 und den Messkontakten MK1, MK2 angeordnet. Bei der Vermessung „von oben“ fließt dann nur ein Teil des Messstroms Imess durch die stoffschlüssige Verbindung SV (bestehend aus dem ersten Teilabschnitt SV1 und dem zweiten Teilabschnitt SV2) hindurch.The integral connection is divided into a first subsection SV1 and a second subsection SV2, with the first and second subsections SV1, SV2 of the integral connection being arranged at a predetermined distance L from one another in the measuring direction X and adjacent to the respective measuring contacts MK1, MK2 are. The partial sections SV1, SV2 are preferably arranged in the measuring direction X between the measuring areas MB1, MB2 and the measuring contacts MK1, MK2. When measuring “from above”, only part of the measuring current I mess then flows through the integral connection SV (consisting of the first section SV1 and the second section SV2).
Der vorgegebene Abstand L zwischen dem ersten Teilabschnitt SV1 und dem zweiten Teilabschnitt SV2 ist in einer bevorzugten, aber nicht zwingend erforderlichen Variante derart gewählt, dass bei dem eingeprägten Messstrom Imess ein elektrischer Widerstand RFP2-2, der in dem zweiten Fügepartner FP2 zwischen dem ersten Teilabschnitt SV1 und dem zweiten Teilabschnitt SV2 gebildet ist, größer ist als die Summe der Widerstände durch den ersten Teilabschnitt SV1 (RSV1), den zweiten Teilabschnitt (RSV2) und einen Strompfad in dem ersten Fügepartner FP1, der zwischen dem ersten Teilabschnitt SV2 und dem zweiten Teilabschnitt SV2 der stoffschlüssigen Verbindung gebildet ist (RFP1), das heißt:
Diese Relation der Ungleichung könnte auch umgekehrt gewählt sein. This relation of the inequality could also be chosen the other way around.
Somit teilt sich der Messstrom Imess entsprechend der Parallelschaltung der beiden Fügepartner FP1, FP2 in zwei Teilströme IFP2 und IFP, auf (siehe
Wie besser aus der perspektivischen Darstellung der
Die obenstehende Widerstandsrelation des vorgeschlagenen Messverfahrens ist für seine Robustheit von Bedeutung, die einerseits durch den Abstand L und andererseits durch die Materialen der Fügepartner FP1, FP2 sichergestellt ist. Obwohl die Fügepartner FP1, FP2 aus den gleichen Grundmaterialen bestehen können, kann beispielsweise durch geringfügige Unterschiede in der Materialzusammensetzung das beschriebene Widerstandsverhältnis sichergestellt werden. Ebenso kann dies durch die geometrischen Abmessungen, insbesondere die Dicke der Fügepartner FP1, FP2 beeinflusst werden.The above resistance relation of the proposed measurement method is important for its robustness, which is ensured on the one hand by the distance L and on the other hand by the materials of the joining partners FP1, FP2. Although the joining partners FP1, FP2 can consist of the same basic materials, the resistance ratio described can be ensured, for example, through slight differences in the material composition. This can also be influenced by the geometric dimensions, in particular the thickness of the joining partners FP1, FP2.
Durch das Widerstandsverhältnis ist sichergestellt, dass zumindest ein Teilstrom IFP1 durch den ersten Fügepartner FP1 und damit den ersten und zweiten Teilabschnitt SV1, SV2 der stoffschlüssigen Verbindung fließt und damit eine qualitative Beurteilung der stoffschlüssigen Verbindung mit hoher Robustheit erlaubt.The resistance ratio ensures that at least one partial current I FP1 flows through the first joining partner FP1 and thus the first and second subsections SV1, SV2 of the material connection and thus allows a qualitative assessment of the material connection with a high degree of robustness.
Das Messkonzept des Verfahrens ist in
Der Spannungsabfall Umess ist das Resultat der Serien-Parallelschaltung von Teilwiderständen. Da der Messstrom Imess vom Messbereich MB1 eine kleine Strecke bis zum Erreichen des ersten Teilabschnitts SV1 der stoffschlüssigen Verbindung SV zurücklegen muss, ergibt sich ein Widerstand RFP2-1. Für den zwischen dem ersten Teilabschnitt SV1 und dem zweiten Teilabschnitt SV2 zurückgelegten Bereich im zweiten Fügepartner FP2 ergibt sich der bereits erwähnte Widerstand RFP2-2, durch den der Teilstrom IFP2 fließt. Vom zweiten Teilabschnitt SV2 bis zum Erreichen des zweiten Messbereichs MB2 ergibt sich im zweiten Fügepartner FP2 der Widerstand RFP2-3.The voltage drop Umess is the result of the series-parallel connection of partial resistances. Since the measuring current I mess has to cover a small distance from the measuring range MB1 to reach the first subsection SV1 of the material connection SV, a resistance R FP2-1 results . For the area covered between the first section SV1 and the second section SV2 in the second joining partner FP2, there is the already mentioned resistance R FP2-2 , through which the partial current I FP2 flows. From the second section SV2 until the second measuring range MB2 is reached, the resistance R FP2-3 results in the second joining partner FP2.
Für den vom Teilstrom IFP1 durchflossenen Strom ergeben sich die Widerstände RSV1 für den ersten Teilabschnitt SV2, der Widerstand RFP1 für den Abschnitt in dem ersten Fügepartner FP1, der zwischen dem ersten Teilabschnitt SV1 und dem zweiten Teilabschnitt SV2 der stoffschlüssigen Verbindung SV gebildet ist, und der durch den zweiten Teilabschnitt SV2 resultierende Widerstand RSV2. Der Messstrom Imess teilt sich entsprechend der Formel für den Stromteiler einer parallelen Verschaltung wie folgt:
Ein Teil des Messstroms Imess, nämlich IFP1, fließt somit durch den ersten Teilabschnitt SV1, den zweiten Teilabschnitt SV2 und den ersten Fügepartner FP1. Der andere Teil des Messstroms, nämlich IFP2, fließt durch den oben liegenden Fügepartner FP2. Am rechten Teil der Schweißverbindung SV, das heißt dem zweiten Teilabschnitt SV2 endet die Parallelschaltung und der Gesamtstrom Imess fließt durch den zweiten Fügepartner FP2 zum Messbereich MB2.A part of the measurement current I mess , namely I FP1 , thus flows through the first section SV1, the second section SV2 and the first joining partner FP1. The other part of the measuring current, namely I FP2 , flows through the top joining partner FP2. The parallel circuit ends on the right-hand part of the welded connection SV, that is to say the second section SV2, and the total current I mess flows through the second joining partner FP2 to the measuring area MB2.
Durch den Entfall der Aussparung ML im zweiten Fügepartner FP2 ergibt sich eine zuverlässige Fehlerdetektion und insbesondere eine hohe Robustheit. Der Abstand der Messkontakte MK1, MK2 für die Kontaktierung in den Messbereichen MB1, MB2 kann starr ausgeführt werden. Dadurch ergeben sich zwar veränderte Widerstandswerte für RFP2-1 und RFP2-3, die jedoch in Summe immer konstant sind. Dadurch kann das Messergebnis von Variationen im Fertigungsprozess nicht gestört werden. Die Zuverlässigkeit der Qualitätssicherung lässt sich dadurch steigern.The omission of the cutout ML in the second joining partner FP2 results in reliable fault detection and, in particular, in a high level of robustness. The distance between the measuring contacts MK1, MK2 for contacting in the measuring areas MB1, MB2 can be rigid. Although this results in changed resistance values for R FP2-1 and R FP2-3 , these are always constant overall. As a result, the measurement result cannot be disturbed by variations in the manufacturing process. This increases the reliability of quality assurance.
BezugszeichenlisteReference List
- FP1FP1
- erster Fügepartner (Batterieterminal, Batteriepol)first joining partner (battery terminal, battery pole)
- FP2FP2
- zweiter Fügepartner (Leiterblech)second joining partner (conductor plate)
- SVSV
- stoffschlüssige Verbindungmaterial connection
- SV1SV1
- erster Teilabschnitt der stoffschlüssigen Verbindungfirst section of the material connection
- SV2SV2
- zweiter Teilabschnitt der stoffschlüssigen Verbindungsecond section of the material connection
- SVBSVB
- für die stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stehender Bereicharea available for the material connection
- SVB1SVB1
- erster, für die stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stehender Bereichfirst area available for the material connection
- SVB2SVB2
- zweiter, für die stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stehender Bereichsecond area available for the material connection
- MK1MK1
- erster Messkontakt (Messstift)first measuring contact (measuring pin)
- MK2MK2
- zweiter Messkontakt (Messstift)second measuring contact (measuring pin)
- MB1MB1
- erster Messbereichfirst measuring range
- MB2MB2
- zweiter Messbereichsecond measuring range
- RVRV
- Befestigungselement (Rivet)Fastener (Rivet)
- RVBARB
- nicht für die stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stehender BereichArea not available for the material connection
- BMSKBMSK
- Fläche für Batteriemanagementsystem-KommunikationsschnittstelleBattery management system communication interface area
- MLML
- Aussparungrecess
- LL
- vorgegebener Abstandpredetermined distance
- XX
- Messrichtungmeasuring direction
- Umessmeasure
- Spannungsabfallvoltage drop
- Imessimess
- (Messstrom) Stromprofil(measurement current) current profile
- RFP1RFP1
- Widerstand des Strompfads im ersten FügepartnerResistance of the current path in the first joining partner
- RFP2RFP2
- Widerstand des Strompfads im zweiten FügepartnerResistance of the current path in the second joining partner
- RFP2-1RFP2-1
- Widerstand des Strompfads im ersten Teilabschnitt des zweiten FügepartnersResistance of the current path in the first section of the second joining partner
- RFP2-2RFP2-2
- Widerstand des Strompfads im zweiten Teilabschnitt des zweiten FügepartnersResistance of the current path in the second section of the second joining partner
- RFP2-3RFP2-3
- Widerstand des Strompfads im dritten Teilabschnitt des zweiten FügepartnersResistance of the current path in the third section of the second joining partner
- RSVRSV
- Widerstand des Strompfads in der stoffschlüssigen VerbindungResistance of the current path in the material connection
- RSV1RSV1
- Widerstand des Strompfads im ersten Teilabschnitt der stoffschlüssigen VerbindungResistance of the current path in the first section of the material connection
- RSV2RSV2
- Widerstand des Strompfads im zweiten Teilabschnitt der stoffschlüssigen VerbindungResistance of the current path in the second section of the material connection
Claims (8)
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DE102020129385.2A DE102020129385A1 (en) | 2020-11-09 | 2020-11-09 | Method for determining a quality measure of a material connection |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102020129385.2A DE102020129385A1 (en) | 2020-11-09 | 2020-11-09 | Method for determining a quality measure of a material connection |
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DE102020129385A1 true DE102020129385A1 (en) | 2022-05-12 |
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ID=81256140
Family Applications (1)
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DE102020129385.2A Pending DE102020129385A1 (en) | 2020-11-09 | 2020-11-09 | Method for determining a quality measure of a material connection |
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Citations (1)
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---|---|---|---|---|
US4887025A (en) | 1987-01-09 | 1989-12-12 | Fiat Auto S.P.A. | Method and apparatus for the non-destructive checking of spot welds between metal sheets produced by electric welding |
-
2020
- 2020-11-09 DE DE102020129385.2A patent/DE102020129385A1/en active Pending
Patent Citations (1)
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---|---|---|---|---|
US4887025A (en) | 1987-01-09 | 1989-12-12 | Fiat Auto S.P.A. | Method and apparatus for the non-destructive checking of spot welds between metal sheets produced by electric welding |
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