DE102020131294B4

DE102020131294B4 - Verfahren zur Herstellung elektrischer Verbindungen hoher Stromtragfähigkeit sowie damit hergestellte elektrische Verbindung

Info

Publication number: DE102020131294B4
Application number: DE102020131294.6A
Authority: DE
Inventors: André Häusler; Sören Hollatz; Stefan Gehrmann; Alexander Olowinsky; Arnold Gillner
Original assignee: Air Energy Entw & Co Kg GmbH; Air Energy Entwicklungs & Co Kg GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: AIR ENERGY ENTWICKLUNGS GMBH & CO. KG, DE; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2040-11-27
Also published as: DE102020131294A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Verbindungselement und einem elektrischen Anschlusselement, bei dem die beiden elektrischen Elemente an einander überlappenden Flächen als Kontaktflächen durch Energieeintrag aneinander gefügt werden. Bei dem Verfahren wird das elektrische Verbindungselement aus mehreren übereinander liegenden Lagen individueller Dicken zusammengesetzt, indem zunächst eine unterste Lage des elektrischen Verbindungselementes an den Kontaktflächen an das elektrische Anschlusselement gefügt wird und anschließend nacheinander jede weitere Lage des elektrischen Verbindungselementes über den Kontaktflächen an die jeweils unmittelbar vorangehend gefügte Lage gefügt wird. Dadurch wird trotz begrenzter Kontaktflächen eine Verbindung hoher Stromtragfähigkeit ohne Schädigung thermisch sensibler Bereiche unterhalb des elektrischen Anschlusselementes ermöglicht.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Verbindungselement und einem elektrischen Anschlusselement, bei dem die beiden elektrischen Elemente an einander überlappenden Flächen als Kontaktflächen durch Energieeintrag aneinander gefügt werden. Die Erfindung betrifft auch eine mit dem Verfahren hergestellte elektrische Verbindung.
Bei der Auslegung elektrischer Verbindungen sind Material und Querschnitt der elektrischen Verbindungselemente entscheidend für die Stromtragfähigkeit. Bei zunehmend höheren Strömen und begrenzter Kontaktfläche auf dem Bauteil werden die Dicke und damit der Querschnitt des Verbindungselementes entsprechend erhöht. Dabei bestehen jedoch Limitierungen im Hinblick auf das eingesetzte Fügeverfahren. Zur Realisierung hoch elektrisch leitender Verbindungen werden im Allgemeinen Schweißverfahren verwendet, welche sich durch die Art der Energieeinbringung unterscheiden (Ultraschall, elektrischer Strom, Laserstrahlung, Elektronenstrahlung). Eine prozesssichere und stabile Kontaktierung eines oberen und unteren Fügepartners im Überlapp kann bei Vorliegen einer thermisch sensiblen Schicht unter dem unteren Fügepartner nur erfolgen, wenn das Verhältnis aus minimal notwendiger Einschweißtiefe d_w,min zur Dicke d_b des unteren Fügepartners ≤ 1 ist. 1 zeigt hierzu einen Querschnitt durch eine Verbindung zwischen zwei Fügepartnern 1, 2 senkrecht zu den Kontaktflächen. Die minimal notwendige Einschweißtiefe d_w,min ist die Summe aus der Dicke d_t des oberen Fügepartners 2 und der infinitesimalen Eindringtiefe des durch den Schweißprozess aufgeschmolzenen Bereichs 3 in den unteren Fügepartner 1, die für die Herstellung der Fügeverbindung erforderlich ist. Die Gesamtdicke der Verbindung d_ges entspricht der Summe der Dicken aus unterem 1 und oberem Fügepartner 2 im Bereich der Kontaktflächen.
Das Fügen eines Materialverbundes mit einem Verhältnis aus minimal notwendiger Einschweißtiefe d_w,min zur Dicke d_b des unteren Fügepartners von > 1 führt zu zwei technischen Problemen. Auf der einen Seite führt eine Vergrößerung der Dicke d_t des oberen Fügepartners und der damit verbundenen minimal notwendigen Einschweißtiefe d_w,min zu einer höheren absoluten Schwankung in der Einschweißtiefe, welche sich im Rahmen eines schmelzebasierten Fügeprozesses prozentual an der zu erreichenden Einschweißtiefe orientiert. Dies ist in 2 dargestellt, die einen Quer- und einen Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen zwei langgestreckten Fügepartnern 1, 2 senkrecht zu den in diesem Fall länglich ausgebildeten Kontaktflächen zeigt. Die Schwankung in der Einschweißtiefe ist anhand der Schwankung der Tiefe des aufgeschmolzenen Bereiches 3 in der rechten Teilabbildung der 2 angedeutet. Der Wert der größten Einschweißtiefe d_w,max kann als d_w,max = p · d_w,min dargestellt werden, wobei p den Faktor der Einschweißtiefenschwankung bzw. Einschweißtiefenkonstanz repräsentiert. Dadurch können Durchschweißungen der beiden Fügepartner und damit Beschädigungen einer darunterliegenden thermisch sensiblen Schicht entstehen.
Auf der anderen Seite wird durch die größere Dicke des oberen Fügepartners eine kritische maximal einzubringende Wärmemenge überschritten, sodass der untere Fügepartner eine erhöhte Temperatur erreicht und somit eine Beschädigung der darunterliegenden thermisch sensiblen Schicht eintritt. Aus diesem Grund sind die verwendbaren Materialdicken des oberen Fügepartners bei allen Schweißverfahren hinsichtlich der thermischen Belastung von temperatursensiblen Bauteilen limitiert, was beispielsweise im Falle einer Batteriekontaktierung zu einer max. erreichbaren Stromtragfähigkeit führt.
Stand der Technik
Um der begrenzten Stromtragfähigkeit der Materialien oder der Dicke der Verbindungen entgegenzuwirken, werden aufwändige konstruktive Änderungen am Bauteil oder den Verbindungselementen vorgenommen. So wird bei maximal möglicher Dicke der Verbindungselemente die Breite erhöht, um die Schweißbarkeit zu gewährleisten. Dadurch wird allerdings mehr Bauraum benötigt, die Verbindungselemente sind weniger flexibel und Gewicht und Preis des Bauteils steigen. Als begrenzender Faktor gilt dabei weiterhin die begrenzte Kontaktfläche, z.B. bei prismatischen und zylindrischen Batteriezellen, die maßgeblich für die elektrischen Verluste ist.
Bei weiterer Erhöhung der Dicke des Verbindungselementes wird zur Vermeidung einer thermischen Beschädigung der sensiblen Bauteile auf Alternativen zum Fügen mittels Energieeintrag, insbesondere zum Schweißen, zurückgegriffen. Fügeverfahren wie Schrauben, Klemmen oder Kleben besitzen jedoch einen deutlich höheren elektrischen und thermischen Übergangswiderstand im Vergleich zu stoffschlüssigen Verbindungen.
Die DE 10 2006 025 870 A1 beschreibt ein mehrschichtiges Bond-Bändchen, das aus mehreren übereinander liegenden Lagen individueller Dicken zusammengesetzt wird. Das Bond-Bändchen wird durch Energieeintrag mittels Ultraschall und/oder Wärme an Kontaktflächen eines mikroelektronischen Bauelementes oder Kontaktes gebondet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Verbindungselement und einem elektrischen Anschlusselement als Fügepartner anzugeben, das trotz begrenzter Kontaktflächen eine Verbindung hoher Stromtragfähigkeit ohne Schädigung thermisch sensibler Bereiche unterhalb des unteren Fügepartners ermöglicht.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung hoher Stromtragfähigkeit zwischen einem elektrischen Verbindungselement und einem elektrischen Anschlusselement werden die beiden elektrischen Elemente überlappend angeordnet und an einander überlappenden Flächen als Kontaktflächen durch Energieeintrag durch das elektrische Verbindungselement hindurch aneinander gefügt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das elektrische Verbindungselement, aus mehreren übereinander liegenden Lagen individueller Dicken zusammengesetzt wird, die nacheinander mit dem elektrischen Anschlusselement bzw. der jeweils darunterliegenden Lage gefügt werden. Wenigstens zwei der Lagen weisen dabei eine unterschiedliche Dicke auf. Bei der Herstellung der Verbindung wird somit zunächst die unterste Lage des elektrischen Verbindungselementes an den Kontaktflächen an das elektrische Anschlusselement und anschließend nacheinander jede weitere Lage des elektrischen Verbindungselementes über den Kontaktflächen an die jeweils unmittelbar vorangehend gefügte Lage gefügt, ohne das elektrische Anschlusselement thermisch zu schädigen. Das elektrische Verbindungselement wird nachfolgend auch als oberer Fügepartner, das elektrische Anschlusselement als unterer Fügepartner bezeichnet.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit ein mehrlagiges elektrisches Verbindungselement eingesetzt, das in einem mehrstufigen Fügeprozess mit dem elektrischen Anschlusselement verbunden wird. Damit bleibt die Flexibilität des Verbindungselementes auch bei hoher Stromtragfähigkeit erhalten. Durch den mehrlagigen Aufbau kann in Verbindung mit dem mehrstufigen Fügeprozess eine ausreichend große Dicke des Verbindungselementes ohne überhöhten Energieeintrag beim Fügen erreicht werden. Der Energieeintrag bei jedem Fügeschritt muss jeweils nur ausreichen, die jeweilige einzelne Lage des mehrlagigen Verbindungselementes zu fügen. Eine thermische Schädigung einer thermisch sensiblen Schicht oder eines thermisch sensiblen Materials unterhalb des elektrischen Anschlusselementes, beispielsweise eines Leiterplattenmaterials oder eines Elektrolyten, kann durch geeignete Wahl der Dicken und Anzahl der einzelnen Lagen des elektrischen Verbindungselementes verhindert werden, ohne hierdurch die Gesamtdicke des Verbindungselementes zu limitieren. Damit lässt sich eine elektrische Verbindung hoher Stromtragfähigkeit auch bei elektrischen Anschlusselementen mit begrenzter Kontakt- oder Kontaktierungsfläche ohne Schädigung thermisch sensibler Bereiche unterhalb des Anschlusselementes herstellen.
Als Fügeprozess wird vorzugsweise ein Schweißprozess oder ein Lötprozess eingesetzt, insbesondere ein Ultraschall-, Widerstand-, Laser- und/oder Elektronenstrahlschweißverfahren. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden hierbei die Dicken der einzelnen Lagen des elektrischen Verbindungselementes so gewählt, dass beim Fügen ein Verhältnis R_s zwischen einer zum Fügen minimal erforderlichen Einschweißtiefe für die jeweils zu fügende Lage und der Gesamtdicke der durch Fügen bereits verbundenen Lagen einschließlich einer Dicke des elektrischen Anschlusselementes im Bereich der Kontaktflächen ≤ 1 ist. Durch diese Wahl wird die einleitend beschriebene Einschweißtiefenschwankung soweit verringert, dass keine Schädigung von unterhalb des elektrischen Anschlusselementes befindlichen Bereichen mehr auftreten kann.
Weiterhin werden die Dicken der einzelnen Lagen vorzugsweise so gewählt, dass für jeden Querschnitt senkrecht zu den Kontaktflächen das Verhältnis R_A zwischen der Querschnittsfläche des zum Fügen aufzuschmelzenden Bereiches und der Querschnittsfläche, die durch die Erstreckung der Kontaktflächen (in diesem Querschnitt) und die nach dem Fügen der jeweils zu fügenden Lage vorhandene Gesamtdicke der verbundenen Lagen einschließlich des elektrischen Anschlusselementes aufgespannt wird, ≤ 0,25 ist. Durch diese Wahl führt der Wärmeeintrag beim Fügen nicht zu einer zu starken Erhitzung des elektrischen Anschlusselementes. Dies lässt sich ggf. auch durch andere Wahl der Anzahl und Dicken der einzelnen Lagen erreichen.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Energieeintrag beim Schweißen mit Laser- oder Elektronenstrahlung durch die Verwendung einer hohen Intensität und Geschwindigkeit zu reduzieren. Die unterschiedlichen Lagen können durch Verwendung von Materialien mit geringerer Wärmeleitfähigkeit oder höherer Wärmespeicherkapazität als thermischer Puffer ausgelegt werden, um die Temperatur an der thermisch sensiblen Schicht oder den thermisch sensiblen Bereichen unterhalb des Anschlusselementes weiter zu reduzieren.
Bei einer konstanten Kontaktierungsfläche können mit dem vorgeschlagenen Verfahren Verbindungselemente mit größeren elektrisch und thermisch leitenden Querschnitten aufgebracht werden. Dies führt zu einer Kontaktierung, welche einen geringen elektrischen und thermischen Widerstand besitzt. Die Auslegung der thermischen und elektrischen Belastung kann durch die mehrlagigen Verbindungselemente und den mehrstufigen Fügeprozess getrennt voneinander betrachtet werden. Durch den mehrstufigen Prozess ist die thermische Belastung des Bauteils mit dem elektrischen Anschlusselement durch eine Reduzierung der Energieeinbringung in selbiges reduziert. Durch die Realisierung von mehrlagigen Verbindungselementen reduziert sich die Steifigkeit der Verbindung im Vergleich zur technischen Umsetzung mit einem massiven Verbindungselement bei konstantem Querschnitt. Dadurch wird zum einen eine Zugentlastung der Fügestelle realisiert und zum anderen eine mechanische Prägung vor dem Fügeprozess vereinfacht.
Das Verfahren kann überall dort zum Einsatz kommen, wo hohe Ströme über kleine, thermisch sensible Kontaktierungsflächen geleitet werden müssen und ein Energieeintrag erforderndes Fügeverfahren, insbesondere ein Schweißverfahren, zur Reduktion der elektrischen Übergangswiderstände eingesetzt wird. Anwendungen bestehen zum Beispiel im Bereich der Elektromobilität, Leistungselektronik, Mikroverbindungstechnik und Batterietechnik. In der Batterietechnik müssen einzelne Batteriezellen fügetechnisch kontaktiert werden. Der Einsatz des Verfahrens ist prädestiniert für die Kontaktierung von prismatischen Batteriezellen mit hohen Lade- und Entladeströmen.
Figurenliste
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei der Verbindung zweier Fügepartner im Querschnitt;
2 eine schematische Darstellung der Einschweißtiefenschwankung bei der Verbindung zweier länglicher Fügepartner im Quer- und Längsschnitt;
3 einen Vergleich der Verhältnisse bei der Verbindung zweier Fügepartner mit unterschiedlicher Dicke des oberen Fügepartners im Querschnitt;
4 drei unterschiedliche Fallgestaltungen bei der Verbindung zweier Fügepartner mit unterschiedlicher Dicke bzw. unterschiedlichem Aufbau des oberen Fügepartners im Querschnitt;
5 Beispiele für unterschiedliche Fügeanordnungen beim vorgeschlagenen Verfahren im Querschnitt;
6 zwei Beispiele für eine stufenförmige Anordnung der Lagen des oberen Fügepartners bei der Verbindung mit dem unteren Fügepartner im Querschnitt;
7 ein Anwendungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens; und
8 eine Modifikation des Anwendungsbeispiels der 7.

Wege zur Ausführung der Erfindung
In den nachfolgenden Beispielen wird das vorgeschlagene Verfahren anhand schematischer Darstellungen der Verbindung eines oberen mit einem unteren Fügepartner erläutert, die das elektrische Verbindungselement und das elektrische Anschlusselement repräsentieren.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren werden die beiden technischen Probleme der Einschweißtiefenschwankung, wie sie bereits im einleitenden Teil in Verbindung mit den 1 und 2 erläutert wurde, und der eingebrachten Wärmeenergie adressiert. Die eingebrachte Wärmeenergie definiert sich aus der Wärmemenge, die zum Aufheizen bzw. Aufschmelzen eines erstarrten Volumens nötig ist und nach dem Prozess in das zu fügende Bauteil diffundiert. Die Wärmemenge zum Verflüssigen eines Metalls beschreibt dabei Gl. 1: $Q = m \cdot c \cdot (T_{S} - T_{U}) + m \cdot h_{f u s}$
wobei Q der Wärmemenge [J], m der Masse [kg], c der spezifischen Wärmekapazität [J/kg*K], T_s der Schmelztemperatur [K], T_U der Umgebungstemperatur [K] und h_fus der spezifischen Verdampfungsenthalpie [J/kg] entsprechen.
Übertragen auf die vorliegende Fügeverbindung ergibt sich: $Q = b \cdot h \cdot t \cdot ρ (c \cdot (T_{S} - T_{U}) + m \cdot h_{f u s}$
wobei b die Breite des Schmelzvolumens [m], h die Höhe des Schmelzvolumens [m], t die Tiefe des Schmelzvolumens [m] und ρ die Dichte [kg/m³] darstellen.
Bei einer zweidimensionalen Betrachtung der Fügeaufgabe entscheiden also lediglich die Breite und die Höhe des aufgeschmolzenen Volumens über die in das Bauteil bzw. die Fügepartner eingebrachte Wärme. Dabei ist das Verhältnis R_A aus dem Querschnitt des aufgeschmolzenen Bereiches Amp und dem gesamten Bauteilquerschnitt Agb ein wichtiges Kriterium zu einer beschädigungsfreien Fügeverbindung auf thermisch sensiblen Schichten, Bereichen oder Bauteilen zur Bewertung einer Minimierung der thermischen Belastung. Das Verhältnis R_S aus minimal notwendiger Einschweißtiefe d_w,min und der Dicke des unteren Fügepartners d_b beschreibt dabei die Schweißeignung hinsichtlich der entstehenden Einschweißtiefenschwankung.
3 zeigt hierzu einen Vergleich der Verhältnisse bei der Verbindung zweier Fügepartner mit unterschiedlicher Dicke des oberen Fügepartners im Querschnitt. In der linken Teilabbildung ist die Variante einer identischen Dicke von oberem 2 und unterem Fügepartner 1 (d_t ≈ d_b), in der rechten Teilabbildung die für eine hohe Stromtragfähigkeit erforderliche Variante einer Kontaktierung eines dickeren oberen Fügepartners 2 auf einen dünneren unteren Fügepartner 1 (dt > db) dargestellt. Eine Vergrößerung der Dicke des oberen Fügepartners 2 bei konstanter Dicke des unteren Fügepartners 1 führt aufgrund der größeren Dicke und des größeren aufzuschmelzenden Bereiches 3 zu einer Erhöhung der Verhältnisse R_A und R_S, was zu einem instabilen Prozess und/oder einer Beschädigung aufgrund von Einschweißtiefenschwankungen und zu hoher eingebrachter Wärmeenergie führt.
Um die Verhältnisse R_A und R_S bei gleichzeitiger Erhöhung des stromtragenden Querschnittes des oberen Fügepartners zu reduzieren oder wenigstens gegenüber einer Verbindung von zwei gleich dicken Fügepartnern konstant zu halten, wird ein aus mindestens zwei Lagen 4 aufgebauter oberer Fügepartner 2 eingesetzt. Die vergleichsweise dünne unterste Lage dieses mehrlagigen oberen Fügepartners 2 bzw. elektrischen Verbindungselementes wird dann mit entsprechend geringem thermischen Energieeintrag während des Fügeprozesses mit dem unteren Fügepartner 1 im temperatursensiblen Bauteil verschweißt. Anschließend werden eine oder mehrere weitere Lagen 4 des oberen Fügepartners 2 auf die unterste bzw. vorherige Lage 4 aufgebracht und verschweißt, wie dies in der linken Teilabbildung (Fall 1) der 4 mit einem zweilagigen oberen Fügepartner 2 beispielhaft dargestellt ist. Die Dicke jeder weiteren Lage 4 kann dabei unter Berücksichtigung prozessrelevanter Limitierungen um die Dicke der jeweils vorherigen Lage erhöht werden.
In der mittleren Teilabbildung (Fall 2) der 4 sind im Vergleich dazu die Verhältnisse bei identischer Dicke des oberen 2 und unteren Fügepartners 1 dargestellt, in der rechten Teilabbildung (Fall 3) die Verhältnisse bei einem dickeren (massiven) oberen Fügepartner 2, wie bereits in Verbindung mit 3 erläutert.
Der übertragende Wärmestrom durch den Schweißprozess in Richtung unterer Fügepartner 1 ist gegeben durch $\dot{Q} = \frac{λ}{s} \cdot A \cdot (T_{s} - T_{m a x})$
wobei Q̇̇ dem Wärmestrom [J], s der Strecke [mm], T_s der Schmelztemperatur [K], Tmax der maximalen Temperatur [K], λ der Wärmeleitfähigkeit [W/(m²·K)] und A der Kontaktfläche [m²] entsprechen. Tmax stellt dabei die Temperatur dar, die zwischen dem unterem Fügepartner 1 und einer darunter befindlichen thermisch sensiblen Schicht maximal anliegen darf.
Die Strecke s ist dabei definiert als $s = d_{g e s} - d_{w, m a x} = d_{b} + d_{t} - d_{w, m a x}$
wobei dges der Gesamtmaterialstärke der Fügepartner [mm], d_b der Materialstärke des unteren Fügepartners [mm], d_t der Materialstärke des oberen Fügepartners [mm] und d_w,max der maximalen Einschweißtiefe [mm] entsprechen.
Die maximale Einschweißtiefe d_w,max ist prozessabhängig und ergibt sich aus der Einschweißtiefenkonstanz p mit: $d_{w, m a x} = p \cdot d_{w, m i n} m i t \frac{d_{g e s}}{d_{w, m i n}} \geq p \geq 1$
wobei d_w,min die minimale Einschweißtiefe [mm] und p die Einschweißtiefenkonstanz [-] darstellen.
Daraus ergibt sich für den Wärmestrom: $\dot{Q} = \frac{1}{d_{g e s} - p \cdot d_{w, m i n}} \cdot A \cdot λ (T_{s} - T_{m a x})$
Bei Annahme einer konstanten Fläche A, Temperaturdifferenz T_S - T_max und Wärmeleitfähigkeit λ ist das Verhältnis der Wärmeströme für die Grenzbetrachtung (Fall 2) einer identischen Materialstärke aus oberem 2 und unterem Fügepartner 3 und den Fall 3 $\frac{{\dot{Q}}_{F a l l 3}}{{\dot{Q}}_{F a l l 2}} = \frac{d_{g e s,2} - p_{2} \cdot d_{w, m i n,2}}{1,5 \cdot d_{g e s,3} - 2 \cdot p_{3} \cdot d_{w, m i n,3}} > 1$
und für ein mehrlagiges Verbindungselement (Fall 1) und die Grenzbetrachtung (Fall 2) $\frac{{\dot{Q}}_{F a l l 1}}{{\dot{Q}}_{F a l l 2}} = \frac{d_{g e s,2} - p_{2} \cdot d_{w, m i n,2}}{4 \cdot d_{g e s,1} - 2 \cdot p_{1} \cdot d_{w, m i n,1}} \leq 1$
Dadurch bleiben die einzelnen Lagen, insbesondere Blechlagen, des Verbindungselements als oberer Fügepartner 2 flexibler als ein massives Verbindungselement und durch den mehrstufigen Prozess wird der Energieeintrag in das temperaturempfindliche Bauteil, in dem das Anschlusselement als unterer Fügepartner 1 angeordnet ist, reduziert. Durch die Aufteilung eines relativ dicken Verbindungselementes in mehrere dünne Lagen wird der Gesamtenergieeintrag auf mehrere Teilprozesse verteilt. Dadurch und durch die zusätzliche örtliche Distanzierung zur thermisch sensiblen Schicht oder dem thermisch sensiblen Bereich wird ein Fügeprozess ermöglicht, welcher zum einen eine stoffschlüssige Verbindung mit einer hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit realisiert und zum anderen einen zulässigen maximalen Energieeintrag in das temperaturempfindliche Bauteil, beispielsweise eine Batterie, nicht überschreitet.
Für die Verbindung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren sind verschiedene Konfigurationen, wie Überlapp-, Stumpfstoß oder eine Kombination denkbar, wie dies in den Beispielen der 5 angedeutet ist. Im Überlappstoß werden die einzelnen Lagen 4 des Verbindungselementes 2 überlappend angeordnet und die jeweils obere Lage wird mit der darunterliegenden Lage verschweißt. Dabei liegen die Lagen jeweils auf den Schweißnahtoberraupen der darunterliegenden Lagen auf. Der Fügeprozess benötigt entsprechend eine geringe Nahtüberhöhung und eine hohe Prozessrobustheit. Die Schweißnähte zweier benachbarter Lagen können dabei exakt übereinander, wie in der linken Teilabbildung der 5 angedeutet, oder auch versetzt angeordnet werden. Die Anzahl und Größe der Lagen 4 des Verbindungselementes 2 kann je nach Bedarf und Stromfluss angepasst werden.
In der Stumpfstoßkonfiguration werden die Lagen 4 des Verbindungselementes 2 wiederum übereinander angeordnet, diesmal jedoch in horizontaler Lage verschweißt, wie dies in der mittleren Teilabbildung der 5 dargestellt ist. Dabei entfällt das Auflegen der Lagen 4 auf den zuvor erzeugten Schweißnahtoberraupen.
Weiterhin ist auch eine Kombination der beiden Stoßarten denkbar, indem die Lagen 4 des Verbindungselementes 2 eine optionale schräge Kante besitzen und eine Schweißnaht im Stumpfstoß der oberen beiden Lagen gelegt wird, die gleichzeitig in eine darunterliegende Lage einschweißt. Dies ist beispielhaft in der rechten Teilabbildung der 5 angedeutet.
6 zeigt zwei Beispiele, bei denen aufgrund des Stromflusses 5 und des daraus resultierenden benötigten Querschnittes die kontaktierte Fläche des Verbindungselementes 2 bei zunehmender Anzahl an Lagen 4 sukzessive reduziert wurde. Dadurch ergibt sich ein stufenförmiger Aufbau, wie er in der linken Teilabbildung der 6 bei identischer Dicke der einzelnen Lagen 4, in der rechten Teilabbildung bei unterschiedlicher Dicke der einzelnen Lagen 4 beispielhaft dargestellt ist.
Ein Anwendungsbeispiel für das vorgeschlagene Verfahren ist die serielle Verbindung von zwei Batteriezellen. Dies ist in 7 schematisch dargestellt, in der die Terminals 7 der beiden Batteriezellen 6 mit dem vorgeschlagenen Verfahren über ein aus drei Lagen 4 aufgebautes Verbindungselement 2 miteinander verbunden wurden. Die Lagen 4 des Verbindungselementes 2 wurden so gewählt, dass sie mit höherer Lage dicker und kürzer werden. Für den Stromfluss zwischen den beiden unterschiedlich geladenen Batteriezellen 6 steht dabei an jeder Stelle mindestens der leitende Querschnitt des Terminals zur Verfügung.
8 zeigt eine Modifikation des Anwendungsbeispiels der 7. Die beiden oberen Lagen sind dabei so ausgebildet bzw. geformt, dass beim Fügen der Lagen 4 ein lokaler Zwischenraum 8 zwischen jeweils benachbarten Lagen entsteht. Diese Zwischenräume 8 bilden Durchgangskanäle zwischen den Lagen 4, wie dies in der 8 zu erkennen ist. Die damit verbundene Auffächerung der Lagen 4 vergrößert die Kühlflächen für die Kühlung der Verbindung und ermöglicht damit eine bessere Wärmeabführung.
Bezugszeichenliste

1: unterer Fügepartner (Anschlusselement)
2: oberer Fügepartner (Verbindungselement)
3: aufgeschmolzener Bereich
4: Lagen des Verbindungselementes
5: Stromfluss
6: Batteriezelle
7: Terminal
8: Zwischenraum

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Verbindungselement (2) und einem elektrischen Anschlusselement (1), bei dem die beiden elektrischen Elemente (1, 2) an einander überlappenden Flächen als Kontaktflächen durch Energieeintrag aneinander gefügt werden, wobei das elektrische Verbindungselement (2) aus mehreren übereinander liegenden Lagen (4) individueller Dicken zusammengesetzt wird, von denen wenigstens zwei Lagen (4) eine unterschiedliche Dicke aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Verbindungselement (2) aus den mehreren übereinander liegenden Lagen (4) individueller Dicken zusammengesetzt wird, indem zunächst eine unterste Lage (4) des elektrischen Verbindungselementes (2) an den Kontaktflächen an das elektrische Anschlusselement (1) gefügt wird und anschließend nacheinander jede weitere Lage (4) des elektrischen Verbindungselementes (2) über den Kontaktflächen an die jeweils unmittelbar vorangehend gefügte Lage (4) gefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen durch Schmelzschweißen oder Löten, insbesondere durch Ultraschall-, Widerstands-, Laser- oder Elektronenstrahlschweißen, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der einzelnen Lagen (4) des elektrischen Verbindungselementes (4) so gewählt werden, dass beim Fügen ein Verhältnis R_s zwischen einer zum Fügen minimal erforderlichen Einschweißtiefe für die jeweils zu fügende Lage (4) und der Gesamtdicke der durch Fügen bereits verbundenen Lagen (4) einschließlich einer Dicke des elektrischen Anschlusselementes (1) im Bereich der Kontaktflächen ≤ 1 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der untersten Lage (4) des elektrischen Verbindungselementes (2) bei insgesamt zwei Lagen (4) kleiner und bei mehr als zwei Lagen (4) kleiner oder gleich der Dicke wenigstens einer der weiteren Lagen (4) des elektrischen Verbindungselementes (2) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der mehreren übereinander liegenden Lagen (4) des elektrischen Verbindungselementes (2) so gewählt werden, dass sie von der untersten Lage (4) aus zunehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Verbindungselement (2) eine langgestreckte Form aufweist und an einem Ende mit dem elektrischen Anschlusselement (1) überlappt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen (4) des elektrischen Verbindungselementes (2) so gefügt werden, dass sie über den Kontaktflächen an einer Seite stufenförmig übereinander liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen (4) so ausgebildet und gefügt werden, dass zwischen zwei oder mehreren jeweils benachbarten Lagen (4) lokale Zwischenräume (8) verbleiben, die eine verbesserte Kühlung der Verbindung ermöglichen.
Elektrische Verbindung zwischen einem elektrischen Verbindungselement (2) und einem elektrischen Anschlusselement (1) eines Bauteils, die gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Patentansprüche hergestellt ist.