-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Kontaktieren von Komponenten in elektrischen Systemen, eine Energiespeichereinheit sowie eine Verwendung der Energie einer Energiespeichereinheit.
-
Es ist allgemein bekannt, dass beispielsweise zwei elektrische Leiter zur Kontaktierung miteinander verschraubt werden können. Um den Übergangswiderstand an der Kontaktstelle zu reduzieren, sind zur Kontaktierung bzw. Verbindung stoffschlüssige Verfahren, wie beispielsweise das Löten, zu bevorzugen. Für Hochvoltspeicher, wie sie beispielsweise in teil- oder vollelektrifizierten Kraftfahrzeugen verwendet werden, bedeutet dies, dass die zur Verbindung der einzelnen Batteriemodule verwendeten Kabel bzw. Modulverbinder oftmals überdimensioniert sind, um an deren Kontaktstellen den Übergangswiderstand möglichst gering und die Wärmeentwicklung in Grenzen zu halten. Sämtliche Kontaktstellen stoffschlüssig, beispielsweise mittels Löten, zu verbinden, gestaltet sich in der Serienfertigung allerdings als aufwendig und damit kostenintensiv. So stellt bereits die Zugänglichkeit zu den Löt- bzw. Kontaktstellen ein Problem dar.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum stoffschlüssigen Kontaktieren von Komponenten in elektrischen Systemen, eine Energiespeichereinheit sowie eine Verwendung der Energie einer Energiespeichereinheit anzugeben, wobei die bekannten Verfahren oder Ansätze zum stoffschlüssigen Kontaktieren optimiert und vereinfacht werden sollen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch einen Hochvoltspeicher gemäß Anspruch 11 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
-
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum stoffschlüssigen Kontaktieren von Komponenten in elektrischen/elektronischen Systemen die Schritte:
- - Bereitstellen einer Vielzahl von Komponenten, wobei die Komponenten zur elektrischen Kontaktierung Kontaktelemente aufweisen;
- - Kontaktieren der Komponenten über die Kontaktelemente zum Erzeugen eines Strompfads;
- - Erzeugen eines Stromflusses in dem Strompfad zum stoffschlüssigen Verbinden der Kontaktelemente über die dort entstehende Wärmeenergie.
-
Mit Vorteil wird ein Stromfluss in dem Strompfad derart erzeugt, dass sich die Kontaktelemente an den Kontaktstellen über die dort entstehende Wärme bzw. Wärmeenergie stoffschlüssig verbinden. Das vorgenannte „Kontaktieren der Komponenten“ ist also insbesondere als ein Vorpositionieren bzw. Vorkontaktieren der Komponenten zu verstehen. Dieses Kontaktieren soll so ausgeführt werden, dass die Komponenten ausreichend verbunden sind, um überhaupt einen Strompfad bilden zu können bzw. einen Stromfluss zuzulassen. Über das Einbringen von Energie in den Strompfad, zum Erzeugen des Stromflusses, werden automatisch die vorpositionierten bzw. vorkontaktierten Kontaktstellen stoffschlüssig verbunden. Hierbei wird der Umstand ausgenutzt, dass es durch die an den Kontaktstellen auftretenden Übergangswiderstände zu Verlusten kommt, welche in einer Wärmeentwicklung resultieren, wobei diese Wärme vorteilhafterweise zum Erzeugen der stoffschlüssigen Verbindungen genutzt wird.
-
Bevorzugt sind an den Kontaktstellen entsprechende Mittel vorgesehen, welche das Ausbilden einer stoffschlüssigen Verbindung ermöglichen oder unterstützen. Typischerweise wird beispielsweise an den Kontaktstellen Lotwerkstoff vorgehalten.
-
Die Energie kann von extern eingebracht werden oder über eine Komponente, welche (Bestand-)Teil des elektrischen Systems ist. Zum Steuern/Regeln des Stromflusses wird beispielsweise ein Widerstand verwendet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Komponente eine Energiespeichereinheit, insbesondere ein elektrischer Energiespeicher. Das Verfahren umfasst entsprechend bevorzugt die Schritte:
- - Einbringen eines (Last-)Widerstands, insbesondere einer elektronischen Last, in den Strompfad;
- - Verwenden des elektrischen Energiespeichers zum Erzeugen des Stromflusses.
-
Die elektronische Last ist ein Gerät oder eine Baugruppe, die als Ersatz für einen konventionellen Lastwiderstand eingesetzt werden kann. Über den Widerstand bzw. die elektronische Last kann der Stromfluss innerhalb des Strompfads auf ein gewünschtes Maß eingestellt werden.
-
Mit Vorteil wird vorliegend die Energiespeichereinheit bzw. der elektrische Energiespeicher, welcher selbst Bestandteil des elektrischen Systems ist, dazu verwendet, das elektrische System zu kontaktieren. Mit Vorteil wird also die Energie zum Verlöten durch den elektrischen Energiespeicher selbst aufgebracht.
-
Alternativ kann die Energie in den Strompfad auch über eine externe Energiequelle eingebracht werden, welche also nicht Bestandteil des zu kontaktierenden elektrischen Systems ist. Auch hierbei bleibt einer der Hauptvorteile des Verfahrens bestehen, dass nämlich die einzelnen Kontaktstellen nicht sequenziell stoffschlüssig kontaktiert oder verlötet werden müssen, sondern unmittelbar gleichzeitig in einem Verfahrensschritt.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird beim Einbringen der Energie über eine externe Energiequelle, der Energiespeicher geladen.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Bereitstellen einer Vielzahl von Batteriemodulen;
- - Kontaktieren der Batteriemodule über Leistungskabel zu einem Hochvoltspeicher, wobei der Hochvoltspeicher einen Strompfad formt;
- - Erzeugen eines Stromflusses in dem Strompfad mittels des Hochvoltspeichers derart, dass die Leistungskabel an den Kontaktstellen verlötet werden.
-
Die Komponenten sind also vorliegend insbesondere Batteriemodule und Leistungskabel bzw. Modulverbinder, welche zur Verbindung bzw. Kontaktierung der Batteriemodule vorgesehen sind. Bei den Modulverbindern bzw. Leistungskabeln handelt es sich typischerweise um Kupferkabel bzw. Metall- und/oder Kupferschienen. Diese können vorliegend vorteilhafterweise deutlich kleiner dimensioniert werden, da die Übergangswiderstände an den Kontaktstellen aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung geringer ausfallen. Damit können Bauraum, Gewicht und Kosten eingespart werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Form- und/oder kraftschlüssiges Kontaktieren der Kontaktelemente.
-
Das form- und/oder kraftschlüssige Kontaktieren ist zweckmäßigerweise derart ausgelegt, dass die Kontaktelemente ausreichend kontaktiert sind, damit überhaupt ein Strompfad gebildet werden kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen einer Klemmkraft über eine Klemmeinrichtung zum Kontaktieren von zumindest zwei Kontaktelementen.
-
Über eine derartige Klemmeinrichtung können beispielsweise zwei Kontaktelemente, also eine Kontaktstelle, zueinander kontaktiert werden, insbesondere temporär kontaktiert werden. Die Klemmeinrichtung wird zweckmäßigerweise im Anschluss bzw. nach dem Erzeugen der stoffschlüssigen Verbindung entfernt. Mit Vorteil ist die Klemmeinrichtung derart ausgebildet, dass eine Vielzahl von Kontaktstellen kontaktiert bzw. vorkontaktiert werden kann, wodurch der Aufwand deutlich reduziert werden kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen einer Vorspannung, insbesondere durch Umformen, auf zumindest ein Kontaktelement zum kraftschlüssigen Kontaktieren.
-
Zweckmäßigerweise werden geeignet ausgebildete Komponenten, soweit möglich, zumindest bereichsweise umgeformt, um beispielsweise eine (Vor-)Spannung zu induzieren, welche dazu genutzt werden kann, ein kraftschlüssiges Kontaktieren zwischen zwei Kontaktelementen bzw. Komponenten zu ermöglichen. Ein derartiger Ansatz ist beispielsweise dann zielführend, wenn es sich bei den Komponenten um Stromleiter in Form von Laschen oder dergleichen handelt.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Bereitstellen von Lotwerkstoff an den Kontaktelementen.
-
Wie bereits erwähnt, wird zur stoffschlüssigen Verbindung insbesondere Lotwerkstoff verwendet. Insbesondere ist das stoffschlüssige Verbinden also als ein Lötverfahren zu verstehen. Der Schmelzpunkt des Lotwerkstoffs liegt typischerweise zwischen 180° und 260° C. Zum Erreichen dieser Temperaturen an den Kontaktstellen wird der Stromfluss in dem Strompfad, kurzzeitig, entsprechend eingestellt. Zweckmäßigerweise erfolgt die stoffschlüssige Verbindung oberhalb der thermischen Dauerhaltbarkeitsbelastung der Komponenten, insbesondere der Modulverbinder bzw. Leistungskabel.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Stoffschlüssiges Kontaktieren der Komponenten, insbesondere mittels Klebstoff.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird an den Kontaktstellen Klebstoff vorgehalten, um die Kontaktelemente vorzukontaktieren bzw. vorzupositionieren.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Einbetten des Lotwerkstoffs in den Klebstoff.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann eine entsprechende Materialmischung auf zumindest eine der Komponenten bzw. eines der Kontaktelemente aufgetragen werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst zumindest ein Kontaktelement eine Lottasche bzw. bildet eine solche aus. Zweckmäßigerweise ist die Lottasche ausgebildet, um ein Lotdepot bereitzustellen, also eine gewisse Menge Lotwerkstoff, welche zum späteren Verbinden benötigt wird. Dabei kann die Lottasche auch derart ausgebildet sein, dass ein kongruent ausgebildetes Kontaktelement form- und/oder kraftschlüssig zur Vorkontaktierung angeordnet bzw. insbesondere eingesteckt werden kann. Die Lottasche ist gemäß einer Ausführungsform als Ausnehmung, Rücksprung, Öffnung oder Bohrung etc. in der jeweiligen Komponente bzw. in dem jeweiligen Kontaktelement ausgebildet. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei den Komponenten unter anderem um Leistungskabel, wobei die Leistungskabelenden mit Lottaschen ausgebildet sind.
-
Weiter alternativ können zur form- und/oder kraftschlüssigen Vorkontaktierung auch Befestigungsmittel, wie Schrauben, verwendet werden, welche an der Kontaktstelle verbleiben oder auch wieder entfernt werden können.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Einstellen, insbesondere Erhöhen, des Übergangswiderstands an einer Kontaktstelle von zumindest zwei Kontaktelementen, insbesondere durch Einbringen eines entsprechenden Werkstoffs in oder an die Kontaktstelle.
-
Der vorgenannte Werkstoff ist zweckmäßigerweise dahingehend ausgewählt, den Übergangswiderstand so zu verändern, insbesondere zu erhöhen, dass gezielt eine Wärmeentwicklung erreicht wird, zum Ausbilden der stoffschlüssigen Verbindung. Alternativ kann der Übergangswiderstand gezielt durch eine lokale/bereichsweise Materialrücknahme, wie beispielsweise einer Querschnittsverringerung eines Leiters, erzielt werden. Gemäß einer Ausführungsform sind gezielt Lufttaschen vorgesehen, welche dann durch den Lotwerkstoff ausgefüllt werden können.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann der vorgenannte Klebstoff als ein Werkstoff ausgebildet sein, über welchen der Übergangswiderstand erhöht wird.
-
Typische (Nenn-)Ströme zum Erreichen der stoffschlüssigen Verbindung(en) liegen beispielsweise in einem Bereich von 1200 bis 1600A, bei (Nenn-)Spannungen in einem Bereich von 300V bis 500V. Die Nennströme von Hochvoltbatterien für Hybridfahrzeuge können auch deutlich niedriger liegen. Die Nennspannungen können, gerade in der Zukunft, auch durchaus höher liegen, beispielsweise in einem Bereich von 800V bis 1000V.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zum stoffschlüssigen Kontaktieren direkt unmittelbar nach der Produktion bzw. Herstellung des elektrischen Systems, wie beispielsweise des Hochvoltspeichers, durchgeführt. Vorteilhafterweise findet der Lötprozess also direkt nach Produktionsende statt.
-
Die Erfindung betrifft auch eine Energiespeichereinheit, insbesondere einen Hochvoltspeicher, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kontaktiert bzw. hergestellt ist. Derartige Hochvoltspeicher umfassen bevorzugt eine Vielzahl von Batteriemodulen, welche zu dem Hochvoltspeicher assembliert sind. Die Batteriemodule umfassen zweckmäßigerweise jeweils eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, insbesondere Akkumulatoren. Bevorzugte Arten oder Typen von Energiespeicherzellen sind beispielsweise Lithiumionen-, Lithiumschwefel oder Eisen-Phosphatzellen. Typische Gehäusebauformen der Energiespeicherzellen sind Rundzellen und insbesondere prismatische Zellen, insbesondere also Gehäuse mit festen Körpern. Daneben können aber auch Energiespeicherzellen mit weichen Gehäusen verwendet werden, auch bekannt als Pouch-Zellen. Energiespeicherzellen können auch Kondensatoren oder Superkondensatoren sein. Energiespeichereinheiten der in Rede stehenden Art werden insbesondere als Energiespeicher in teil- und/oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen verwendet. Sie werden auch Traktions- oder Antriebsbatterien genannt.
-
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der Energie einer Energiespeichereinheit, insbesondere einer elektrischen Energiespeichereinheit wie eines Hochvoltspeichers, in einem Strompfad zur stoffschlüssigen Verbindung von Kontaktstellen in dem Strompfad. Zweckmäßigerweise wird also die zum stoffschlüssigen Verbinden, bevorzugt zum Verlöten, notwendige Energie durch die Energiespeichereinheit selbst aufgebracht. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass beispielsweise Leistungskabel mit endseitig angeordneten Lottaschen verwendet werden, wobei die Lottaschen zum einen zur Vorpositionierung bzw. Vorkontaktierung der Leistungskabel verwendet werden können, wie auch zum Bereitstellen des zum Verlöten notwendigen Lotwerkstoffs.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird die Energie der Energiespeichereinheit zum Nachlöten verwendet. Dies bedeutet, dass während des Betriebs der Energiespeichereinheit zweckmäßigerweise bei Bedarf Erhaltungslötungen durchgeführt werden können. Die im Betrieb auftretenden Ströme werden zum Nachlöten verwendet bzw. die Energiespeichereinheit wird, kurzzeitig, derart betrieben, dass an den Kontaktstellen ein Nachlöten stattfinden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, da damit über die Betriebsdauer der Energiespeichereinheit, bzw. allgemein des elektrischen Systems, hinweg, eine optimale Verbindung an den Kontaktstellen sichergestellt werden kann.
-
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen verschiedener Komponenten bzw. Verfahren mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
-
Es zeigen:
- 1: mehrere Kontaktelemente, welche Kontaktstellen formen, kontaktiert über eine Klemmeinrichtung;
- 2: eine weitere Ausführungsform einer Kontaktstelle;
- 3: zwei Ausführungsformen von Komponenten nebst Kontaktelementen;
- 4: eine weitere Ausführungsform einer Kontaktstelle.
-
1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Klemmeinrichtung 22, welche zwei Laschen umfasst, welche über Befestigungsmittel 30, vorliegend als gestrichelte Linie skizziert, verbunden sind. Bei den Befestigungsmitteln 30 kann es sich um Schraubverbindungen handeln. Zu erkennen sind jeweils zwei Komponenten 10, welche endseitig Kontaktelemente 20 aufweisen. An jeweils einem der Kontaktelemente 20 ist Lotwerkstoff 24 angeordnet. Durch die Klemmeinrichtung 22 werden die jeweiligen Kontaktelemente 20, wobei dazwischen der Lotwerkstoff 24 angeordnet ist, zusammengedrückt. Fließt nun ein ausreichend hoher Strom über die Komponenten 10 bzw. Kontaktelemente 20, erfolgt automatisch ein Verlöten an den Kontaktstellen 21. Die Klemmeinrichtung 22 kann im Anschluss entfernt werden.
-
2 zeigt eine weitere schematisch dargestellte Ausführungsform einer Kontaktstelle 21 in einer schematischen Darstellung, wobei eine Komponente 10 vorliegend beispielsweise als Leistungskabel oder Modulverbinder 44 ausgebildet ist, welcher endseitig ein Kontaktelement 20 aufweist, an welchem ein Isoliermaterial 26 angeordnet ist. Das Isoliermaterial dient bevorzugt zu einer Erhöhung bzw. insbesondere zu einer gezielten und bereichsweise Erhöhung des Übergangswiderstands, um zusätzlich Wärme zu erzeugen. Das Isoliermaterial 26 kann gleichzeitig als Klebstoff wirken. Eine weitere Komponente 10 ist vorliegend als elektrischer Energiespeicher bzw. Batteriemodul skizziert, welches einen Spannungsabgriff 42 umfasst, der vorliegend ein zweites Kontaktelement 20 darstellt. An diesem ist Lotwerkstoff 24 vorgesehen. Schematisch angedeutet ist, dass das Leistungskabel 44 verformt ist. Über dieses Verformen kann eine Spannung in das Bauteil eingebracht werden, welche dazu genutzt werden kann, dass die beiden Kontaktelemente 20 zueinander kontaktiert werden, insbesondere kraftschlüssig kontaktiert werden, sodass ein Strompfad gebildet ist.
-
3 zeigt zwei schematisch dargestellte Ausführungsformen von Komponenten 10, wobei in der linken Bildhälfte eine Komponente 10 skizziert ist, beispielsweise als Leiterelement, welches endseitig ein Kontaktelement 20 aufweist, wobei dieses einen Klebstoff 26 umfasst, in welchen Lotwerkstoff 24 eingebettet ist. In der rechten Bildhälfte ist schematisch eine Komponente 10 dargestellt, beispielsweise ein Leiterelement, welches endseitig ein Kontaktelement 20 aufweist, welches eine Lottasche 28 umfasst. In einer derartigen Lottasche 28 kann Lotwerkstoff für das spätere Verlöten vorgehalten bzw. angeordnet sein. Zusätzlich kann eine derartige Lottasche dazu verwendet werden, ein kongruent ausgebildetes (hier nicht dargestelltes) Kontaktelement form- und/oder kraftschlüssig zur Vorpositionierung bzw. Vorkontaktierung anzuordnen.
-
4 zeigt eine weitere schematisch dargestelle Ausführungsform einer Kontaktstelle 21, wobei an der Kontaktstelle 21 zwei Komponenten 10, welche endseitig Kontaktelemente 20 aufweisen, aneinander anliegen können. Das rechte Kontaktelement 20 umfasst eine Lottasche 28 sowie einen Eingriffsbereich 32, welcher zum Zusammenwirken mit einem Befestigungsmittel 30 ausgelegt ist. Über das Befestigungsmittel 30 können die beiden Komponenten 10 zueinander vorkontaktiert werden. Die eigentliche stoffschlüssige Verbindung wird mittelbar über das Lot, welches in der Lottasche 28 vorgehalten wird, erzielt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Komponente
- 20
- Kontaktelement
- 21
- Kontaktstelle
- 22
- Klemmeinrichtung
- 24
- Lotwerkstoff
- 26
- Klebstoff, Isoliermaterial
- 28
- Lottasche
- 30
- Befestigungsmittel
- 32
- Eingriffsbereich
- 40
- Elektrischer Energiespeicher, Batteriemodul
- 42
- Spannungsabgriff
- 44
- Leistungskabel, Modulverbinder
