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Die Erfindung betrifft ein Verbinderbauteil für eine Schweißverbindung zwischen zwei elektrischen Bauteilen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft sie ein Verfahren zum Verbinden zweier elektrischer Bauteile mit einem solchen Verbinderbauteil. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Reparatur einer fehlerhaften Schweißverbindung im primären Schweißnahtbereich eines solchen Verbinderbauteils.
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Das Verschweißen von elektrischen Bauteilen beispielsweise mittels Laser ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die
DE 10 2012 206 830 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum elektrischen Verbinden von Polen von Batteriezellen, bei welchen ein Verbinderbauteil bzw. Zellverbinder in einem Schweißbereich mittels einer Laserstrahlverschweißung mit den Polen der Batteriezellen verbunden wird. Je nach Dicke des sogenannten Oberbauteils, also das oben aufliegenden Materials, ist es dabei häufig schwierig sicherzustellen, dass eine ausreichende Menge des Materials des darunterliegenden Bauteils, welches auch als Unterbauteil bezeichnet wird, in ausreichender Menge prozesssicher aufgeschmolzen und mit der Schmelze des Oberbauteiles zu einer Schweißnaht durchmischt wird.
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Die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2022 000 445 A1 der Anmelderin beschreibt eine verbesserte Schweißverbindung, um dieser Problematik zu begegnen. Die Kernidee besteht darin, das Verbinderbauteil mit einer Fase zu versehen, um so die Materialstärke im Bereich der Schweißverbindung effizient zu verringern.
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Allerdings ist es so, dass auch hier noch gelegentlich fehlerhafte Schweißnähte auftreten, welche dann zu einer Ausmusterung der betroffenen Bauteile, im Zweifel zur Ausmusterung einer gesamten Batterie, führen würden, da im Bereich der Schweißnähte nicht nachgeschweißt werden kann und kein Bauraum für ein zusätzliches Verbinderbauteil vorhanden ist.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dieser Problematik abzuhelfen und ein reparaturfreundliches Verschweißen der Bauteile miteinander zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verbinderbauteil mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verbinderbauteils ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Verbinden zweier elektrischer Bauteile mit einem derartigen Verbinderbauteil gelöst, welches im Anspruch 5 angegeben ist. Ferner löst ein Verfahren zur Reparatur einer evtl. fehlerhaften primären Schweißverbindung gemäß Anspruch 6 die Aufgabe. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Lösungen können sich auch aus den Unteransprüchen ergeben, welche von den genannten Ansprüchen abhängig sind.
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Das erfindungsgemäße Verbinderbauteil schafft eine Schweißverbindung zwischen zwei elektrischen Bauteilen, beispielsweise den Polen einer Batterie. Zur Verbindung mit jedem der Bauteile ist dabei am Verbinderbauteil ein primärer Schweißnahtbereich vorgesehen. Dieser kann gemäß dem oben genannten Stand der Technik der Anmelderin in Form der
DE 10 2022 000 445 A1 mit einer Fase ausgebildet sein, muss dies aber nicht sein.
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Erfindungsgemäß ist es so, dass das Verbinderbauteil zur Verbindung mit jedem der Bauteile in einem potenziellen Reparaturfall einen sekundären Schweißnahtbereich vorsieht. Dieser ist unabhängig vom ersten Schweißnahtbereich in einer Ausformung der Oberfläche des Verbinderbauteils angeordnet.
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Durch die Ausnehmung in der Oberfläche des Verbinderbauteils, welche für den potenziellen Reparaturfall zur Realisierung eines sekundären Schweißnahtbereichs dient, kann für den Fall einer fehlerhaften primären Schweißnaht oder der nachträglichen Reparatur bzw. des Austausches infolge eines Bauteildefektes beispielsweise einer der Batteriezellen nun eine zweite Schweißnaht realisiert werden beispielsweise mit Hilfe eines zur Reparatur eingesetzten Metallbandes oder eines alternativen Überbrückungsbauteils, welches einerseits an dem einen der Bauteile und andererseits an dem Verbinderbauteil im sekundären Schweißnahtbereich angeschweißt wird. Die fehlerhafte oder infolge eines Austausches ggf. aufgetrennte Schweißnaht im primären Schweißnahtbereich kann so einfach und effizient überbrückt werden, wobei durch die Ausformung der Oberfläche ein geringer Bauraumbedarf im Falle des potenziellen Reparaturfalls entsteht und somit auch bei beengten Raumverhältnisses die Verbindung relativ einfach repariert werden kann.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung ist es dabei vorgesehen, dass die Ausformung als Falz oder Fase, im Weiteren unter dem Begriff Falz zusammengefasst, ausgebildet ist. Ein solcher Falz, welcher sich entlang oder parallel zum primären Schweißnachtbereich erstreckt, kann einfach in dem Verbinderbauteil vorgesehen werden. Der Falz steht dann über einen Teil der oder die gesamte Breite des Verbinderbauteils zur Verfügung und kann als sekundärer Schweißnahtbereich genutzt werden, wenn es zu einem Reparaturfall kommt.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbinderbauteils kann es dabei vorgesehen sein, dass der Falz eine Tiefe aufweist, welche größer oder gleich der Dicke eines zur Reparatur eingesetzten Überbrückungsbauteils, z.B. eines Metallbandes, ist. Das zur Reparatur eingesetzte Metallband kann somit in der Ausformung des Falzes oder auch einer beliebigen anderen Ausformung angeordnet und mit dem Verbinderbauteil verschweißt werden. Das andere Ende des Metallbandes lässt sich dann mit dem entsprechenden Bauteil, beispielsweise einem Batteriepol, benachbart zu der fehlerhaften primären Schweißnaht einfach und effizient verschweißen, um die fehlerhafte primäre Schweißnaht elektrisch zu überbrücken und die elektrischen Bauteile über das Verbinderbauteil zu kontaktieren.
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Wie bereits erwähnt kann die Ausformung, insbesondere wenn sie als Falz ausgebildet ist, parallel zu dem primären Schweißnahtbereich verlaufen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden von zwei elektrischen Bauteilen kommt das Verbinderbauteil in einer der oben beschriebenen Ausführungsvarianten zum Einsatz, um eine elektrische Verbindung zwischen zwei Bauteilen, z.B. den Polen von Batterieeinzelzellen, zu schaffen, bei welchem die beiden elektrischen Bauteile bzw. Pole über das erfindungsgemäße Verbinderbauteil verbunden werden, wozu insbesondere eine Laserschweißverbindung eingesetzt wird.
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Für den Fall einer fehlerhaften Schweißverbindung als Schweißnaht im primären Schweißbereich kann es gemäß eines Verfahrens zur Reparatur einer solchen fehlerhaften Schweißnaht gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Überbrückungsbauteil, z.B. ein Metallband, im sekundären Schweißnahtbereich, und damit in der Ausformung der Oberfläche, mit dem Verbinderbauteil einerseits verschweißt wird und im Bereich des zu verbindenden elektrischen Bauteils, insbesondere einem Batteriepol, andererseits. Das Überbrückungsbauteil überbrückt dann die fehlerhafte Schweißnaht elektrisch, um so die elektrische Verbindung auch bei einer fehlerhaften Schweißnaht sicherstellen zu können.
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Wenn dabei die Tiefe der Ausnehmung größer oder allenfalls gleich der Dicke des Überbrückungsbauteils ist, kann diese Reparatur quasi bauraumneutral, insbesondere bauraumneutral bezüglich der Dicke des Verbinderbauteils, erfolgen.
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Prinzipiell ist hier jede Art von Fügeoperation möglich, vorzugsweise ist eine Verbindung über Schweißnähte herzustellen, insbesondere sollen die Schweißnähte über ein Laserschweißverfahren beispielsweise mit einer linearen Schweißnaht oder einer Schweißnaht mit Strahloszillation um ihre primäre Vorschubrichtung, also eine sogenannte Wobbel-Bewegung, erzeugt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verbinderbauteils und der Verfahren ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
- 1 die Herstellung einer Schweißverbindung gemäß dem Stand der Technik in zwei Schritten;
- 2 die alternative Herstellung einer Schweißverbindung gemäß dem Stand der Technik in zwei Schritten;
- 3 eine elektrische Verbindung von zwei Batteriepolen mit einem Verbinderbauteil gemäß der Erfindung mit einer angedeuteten Reparatur einer fehlerhaften Schweißverbindung;
- 4 das Verbinderbauteil gemäß der Erfindung in einer möglichen Aufführungsform; und
- 5 ein vergrößertes Detail aus dem Bereich der Reparatur in 3.
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In der Darstellung der 1 ist ein Aufbau gemäß dem Stand der Technik beschrieben. Ein erstes Bauteil 1, welches auch als Unterbauteil bezeichnet wird und beispielsweise ein Batteriepol 11, 12 einer Batterieeinzelzelle 13,14 (vgl. 2) sein kann, soll mit einem zweiten in der Darstellung der 1 links darüber angeordneten zweiten Bauteil 2, welches auch als Oberbauteil bezeichnet wird, verschweißt werden. Hierzu wird das Oberbauteil 2 auf das Unterbauteil 1 aufgelegt, wie es in der Darstellung der 1 rechts zu erkennen ist. Über einen Laserstrahl 3 wird dann eine angedeutete Schweißnaht 4 im Material des Oberbauteils 2, welches auf einer Fläche 6 des Unterbauteils 1 aufliegt, erzeugt. Kritisch ist dabei immer das Durchschweißen des Materials des Oberbauteils 2, insbesondere wenn die Materialstärke relativ groß ist. Dies erfordert einerseits eine hohe Laserleistung und führt damit zu einem hohen Wärmeeintrag bzw. einer hohen thermischen Belastung der Bauteile und führt andererseits zu Prozessunsicherheiten, da die Eindringendtiefe der Schweißnaht 4 in das Material des Unterbauteils 1 häufig nicht oder nicht im ausreichenden Maße prozesssicher über die gesamte Länge der Schweißnaht 4, welche hier in die Blattebene hineinragen würde, ermöglicht.
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Analog zur Darstellung in
1 ist in der Darstellung der
2 ein Aufbau zu erkennen, bei welchem dieser Problematik begegnet wird. Diese zugrundeliegende Schweißverbindung ist aus der oben genannten
DE 10 2022 000 445 A1 bekannt. Das Oberbauteil 2 ist hier im Bereich seiner Kante 5 mit einer Fase versehen. Die Schweißverbindung entsteht nun im Bereich dieser Fase entlang oder parallel der Kante 5. Dabei eignet sich der Aufbau auch, um verschiedene metallische Werkstoffe wie beispielsweise Aluminium und Stahl bzw. Hilumin oder Kupfer und Stahl bzw. Hilumin oder Kupfer und Aluminium zur Verbindung von Batteriepolen miteinander zuverlässig zu verschweißen. In der Darstellung der
2 ist eine solche elektrische Verbindung von Batteriepolen gezeigt. Ein Zellverbinder 10 als Oberbauteil 2 wird dabei mit zwei Batteriepolen 11, 12, welche hier jeweils das Unterbauteil 1 ausbilden, verschweißt. Diese Batteriepole 11, 12 können dabei Teil von zwei benachbarten Batterieeinzelzellen 13, 14 sein, welche hier teilweise angedeutet sind. Der Zellverbinder 10 wird nun auf die beiden Batteriepole 11, 12 aufgelegt und im Bereich seiner Fasen entlang der Kanten 5 in der zuvor beschriebenen Art und Weise verschweißt, um die beiden in der Darstellung der
2 rechts erkennbaren Schweißnähte 4 auszubilden.
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Trotz der Vorteile des Aufbaus gemäß 2 im Vergleich zu dem der 1 kann es in beiden Fällen dazu kommen, dass eine der Schweißnähte 4 fehlerhaft ausgestaltet ist und deshalb keine oder eine schlechte elektrische Leitfähigkeit zwischen dem einen der Batteriepole 11, 12 und dem Verbinderbauteil 10 vorherrscht und/ oder eine Batteriezelle infolge eines Defektes nachträglich ausgetauscht und die Schweißverbindung so zuvor aufgelöst werden muss.
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In einem solchen Fall müsste nun eine Reparatur erfolgen, welche aufgrund des beengten Bauraums, insbesondere in der Höhenrichtung, meist nicht oder nicht mit vertretbarem Aufwand möglich ist.
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In der Darstellung der
3 ist deshalb der Einsatz eines Verbinderbauteils 7 als Alternative zu dem Zellverbinder 10 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Das Verbinderbauteil 7, welches in der Darstellung der
4 nochmals vergrößert dargestellt ist, dient als Oberbauteil 2 zum Verbinden der Batteriepole 11,12. Es hat also eine ähnliche Funktion wie der Zellverbinder 10, welcher im Stand der Technik als Oberbauteil 2 dient. Dabei kann auch das Verbinderbauteil 7 im Bereich seiner Kanten 5 spitz zulaufende Fasen aufweisen, um die in der nun schon mehrfach erwähnten
DE 10 2022 000 445 A1 beschriebenen Vorteile zu erreichen. Damit ergibt sich in der Darstellung der
4 rechts ein primärer Schweißnahtbereich 8, in welchen die Schweißnaht 4 analog zur Darstellung einerseits in
2 und andererseits in
3 ohne die Nachteile des Aufbaus gemäß
1 gesetzt werden kann. Kommt es dennoch zu einer fehlerhaften Schweißnaht 4', was in der Darstellung der
3 im linken Bereich des Batteriepols 11 entsprechend angedeutet ist, dann kann hierdurch die elektrische Kontaktierung des Verbinderbauteils 7 mit dem entsprechenden Batteriepol 11 der einen Batterieeinzelzelle 13 nachteilig gestört sein.
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Um in einem solchen Fall nun eine bauraumneutrale Reparatur zu ermöglichen, weist das Verbinderbauteil 7, wie es wiederum in der Darstellung der 4 auf der rechten Seite zu erkennen ist, einen sekundären Schweißnahtbereich 9 auf. Dieser sekundäre Schweißnahtbereich 9 verläuft parallel zum primären Schweißnahtbereich 8 und ermöglicht das Anschweißen eines in 3 dargestellten Metallbandes 15 als Überbrückungsbauteil 15 an dem Verbinderbauteil 7. Um das ganze bauraumneutral zu realisieren, ist der sekundäre Schweißnahtbereich 9 insbesondere als eine Art Falz oder Fase in dem Verbinderbauteil 7 ausgeführt. In der Darstellung der 4 ist eine Breite b dieses Falzes sowie eine Tiefe bzw. Höhe h dieses Falzes auf der linken Seite eingezeichnet. Der Falz selbst verläuft parallel zum primären Schweißnahtbereich 8 und damit in der Darstellung der 4 in die Blattebene hinein. Er kann, muss aber nicht, über die gesamte Breite des Verbinderbauteils 7 in die Blattebene hineinreichen.
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Für die bauraumneutrale Reparatur ist es günstig, wenn die Dicke des Metallbandes 15, welche in der vergrößerten Darstellung der 5 dargestellt und mit t bezeichnet ist, kleiner oder maximal gleich der Höhe h des Falzes, welche in 5 ebenfalls nochmals eingezeichnet ist, ist. Ist dies der Fall, kann das Metallband 15 über eine Schweißnaht 16 mit dem Verbinderbauteil 7 einerseits und über eine in der Darstellung der 3 erkennbare Schweißnaht 17 mit dem Batteriepol 11 als Unterbauteil 1 andererseits verschweißt werden. Die fehlerhafte Schweißnaht 4' in der Darstellung gemäß der 3 wird somit elektrisch überbrückt, sodass trotz der fehlerhaften Schweißnaht 4' eine ausreichend gute elektrische Verbindung möglich ist.
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Das Setzen der Schweißnähte kann vergleichbar, wie eingangs bereits beim Stand der Technik erläutert, insbesondere über Laserschweißen erfolgen, was in der Darstellung der 3 durch den auch hier angedeuteten Laserstrahl 3 symbolisiert wird.
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Für den typischen Anwendungsfall, also das Verbinden wenigstens eines Batteriepols 11, 12 mit dem Verbinderbauteil 7, ist es dabei so, dass die Abmessungen der Höhe h bzw. der Dicke t in der Größenordnung von ca. 1,0 bis 0,1 mm liegen und die Breite des Falzes, welcher den sekundären Schweißnahtbereich 9 bildet, bei mindestens 2,5 mm liegt. Je nachdem, welcher Pol 11, 12 betroffen ist, und je nachdem, aus welchem Material dieser Batteriepol 11, 12 ausgebildet ist, können verschiedene Materialien für das Metallband 15 zum Einsatz kommen, insbesondere Aluminium, Kupfer, Hilumin oder dergleichen. Das Metallband 15 kann auch als Litze aus einem dieser Materialien ausgeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012206830 A1 [0002]
- DE 102022000445 A1 [0003, 0007, 0020, 0023]
