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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Batteriezellen mit einem Zellverbinder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
WO 2019/202117 A1 ist ein Verfahren zum Kontaktieren von mehreren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen mit jeweils einem Plus-Pol und einem Minus-Pol über einen Zellverbinder bekannt. Der Zellverbinder weist mehrere Verbinderpolsegmente auf, wobei das jeweilige Verbinderpolsegment auf einer ersten Oberseite eine Polzone aufweist. Die Plus-Pole und die Minus-Pole werden jeweils über den Zellverbinder miteinander elektrisch leitend verbunden, wobei das Verbinderpolsegment an dem jeweiligen Minus-Pol oder dem jeweiligen Plus-Pol durch eine Lötverbindung befestigt wird. Die Lötverbindung wird als einziger elektrischer Kontakt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder und der jeweiligen Akkumulatorzelle angewendet und mit einer Kontaktquerschnittsfläche ausgestattet. Der Zellverbinder wird mit dem Verbinderpolsegment gegen den zu kontaktierenden Minus-Pol oder Plus-Pol gehalten, wobei zwischen dem Verbinderpolsegment und dem zu kontaktierenden Minus-Pol oder Plus-Pol Lot vorgehalten wird. Die Polzone wird mittels eines Laserstrahls erwärmt bis das Verbinderpolsegment auf einer Unterseite mindestens eine solche Temperatur aufweist, ab der das Lot schmilzt. Eine Oberflächentemperatur des jeweiligen Minus-Pols oder des jeweiligen Plus-Pols wird überwacht und ein Wärmeeintrag durch den Laser wird gestoppt, wenn die Oberflächentemperatur einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.
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Weiterhin ist aus der
WO 2011/082582 A1 ein Verfahren zur Umwandlung eines von einer Laservorrichtung emittierten Festkörperlaserstrahls in einen kreiskegelförmigen Laserstrahl durch einen konischen Spiegel und ein anschließendes Fokussieren in einen kreiskegelförmigen Laserstrahl durch einen ringförmigen Fokussierspiegel bekannt. Im kreiskegelförmigen Laserstrahl wird ein kegelförmiger Hohlraum ohne Laser gebildet. In dem konischen Hohlraum ohne Laser und koaxial zum ringförmigen konischen Laserstrahl ist eine Verbunddüse zum Zuführen eines Drahtes, eines Pulvers und eines Schutzgases angeordnet, in welcher ein Drahtzufuhrrohr in der Mitte, ein paralleles Pulverzufuhrrohr um das Drahtzufuhrrohr und ein Kollimations-Schutzgasrohr um das Drahtzufuhrrohr herum parallel angeordnet sind. Der Draht wird senkrecht zu einer Bearbeitungsfläche und koaxial zum Laserstrahl in ein Schmelzbad geführt. Das Pulver wird synchron in das Schmelzbad geführt. Das Kollimationsschutzgas wird in das Schmelzbad eingeblasen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Batteriezellen mit einem Zellverbinder mittels Laserschweißen anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von runden Batteriezellen mit einem Zellverbinder mittels Laserschweißen wird erfindungsgemäß für jede mit dem Zellverbinder zu kontaktierende Batteriezelle jeweils ein als Batteriezellenpol ausgebildeter und eine zylindrische Außenform aufweisender Abschnitt eines Batteriezellengehäuses in jeweils eine zumindest partiell kreisförmige und mit einem Außendurchmesser des Abschnitts korrespondierende Öffnung des Zellverbinders geführt. Anschließend wird zumindest ein Puls eines geraden hohlkegelstumpfförmigen Laserstrahls derart sich verjüngend in Richtung einer Fügestelle des Zellverbinders mit der Batteriezelle emittiert, dass ein Durchmesser des Laserstrahls an einem Auftreffpunkt einem Durchmesser der Öffnung entspricht und eine Längsachse des Laserstrahls einer Höhenachse der Batteriezelle entspricht bzw. eine geradlinige Verlängerung einer Höhenachse der Batteriezelle ist.
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Bei einem Verschweißen von Bauteilen, beispielsweise beim Laserschweißen von Batterierundzellen, kann es unter Anwendung von herkömmlichen Verfahren bei dreidimensionalen Stoßgeometrien zu Abschattungen sowie zu fehlerhaften Positionierungen des Laserstrahls kommen. Um dies zu vermeiden, muss der Laserstrahl bei bekannten Verfahren, beispielsweise einem so genannten Remoteschweißen, aufwändig mittels beweglicher Spiegel in einer Scanneroptik über die Fügestelle bewegt werden, woraus inhomogene Schweißungen und Nahtimperfektionen folgen können.
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Mittels des vorliegenden Verfahrens werden solche Abschattungen des Laserstrahls dagegen in besonders einfacher, zuverlässiger und prozesssicherer Weise vermieden, woraus sich eine homogene Schweißnahtqualität durch den umlaufenden Laserstrahl ergibt. Aus der so erzeugten umlaufend gleichmäßigen Schweißnaht mit minimierten Schweißnahtimperfektionen resultieren wiederum sehr gute Stromtrageigenschaften der elektrischen Verbindung zwischen Batteriezelle und Zellverbinder und daraus folgend eine größere Leistungsfähigkeit einer die Batteriezellen und den Zellverbinder aufweisenden Batterie. Somit kann eine Produktqualität signifikant gesteigert werden.
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Des Weiteren ermöglicht das Verfahren eine vereinfachte Positionierung eines Laseremitters relativ zur Fügestelle, da pro Fügestelle dieser bei unbewegtem Laserstrahl nur einmal positioniert werden muss. Daraus folgend können eine Steigerung der Effizienz sowie eine Reduzierung der Taktzeit erzielt werden.
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Aufgrund der hohlkegelstumpfförmigen Ausbildung und des sich verjüngenden Verlaufs des Laserstrahls in Richtung der Fügestelle ist ein besonders wirksamer Ausgleich von Maßtoleranzen zwischen der Batteriezelle und der Öffnung des Zellverbinders möglich, da der Laserstrahl aufgrund seines Öffnungswinkels nicht parallel zu der Mantelfläche der Batteriezelle durch einen aufgrund von Maßtoleranzen zwischen der Öffnung der Batteriezelle verlaufenden Freiraum verlaufen kann.
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In besonders vorteilhafter Weise ist das Verfahren bei allen verschweißbaren, insbesondere runden Bauteilen, wie zum Beispiel Batteriezellen, anwendbar, wobei eine große Flexibilität gegenüber einer Größe bzw. eines Durchmessers der Batteriezelle beispielsweise in einfacher Weise durch Verschieben des Kegelprofils des Laserstrahls, das heißt durch Variation eines Abstands eines Laseremitters zur Fügestelle erzielt werden kann. Somit können in einfacher Weise Batteriezellen mit unterschiedlichen Durchmessern verschweißt werden.
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Als Laserstrahlquelle können dabei herkömmliche Diodenlaser, CO2-Laser, Scheibenlaser und/oder Festkörperlaser im IR-Bereich, aber auch mit geringerer Wellenlänge wie beispielsweise ca. 500 Nanometer, eingesetzt werden. Dabei ist eine Anwendung für artgleiche Verbindungen, wie zum Beispiel Aluminium mit Aluminium, und für Mischverbindungen, wie zum Beispiel Aluminium mit Kupfer, möglich.
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Durch Veränderung oder Ergänzung von sich in einer so genannten Schweißoptik zur Strahlformung des Laserstrahls befindlichen optischen Elementen kann ein Strahlprofil des Laserstrahls je nach Gestalt des Zellverbinders angepasst werden. So kann auch lediglich ein Abschnitt eines hohlkegelstumpfförmigen Strahlprofiles erzeugt werden. Beispielsweise lässt sich so mit einem zum Beispiel längs der Strahlachse bzw. Längsachse des Laserstrahls halbierten Strahlprofil auch eine Zellverbindergeometrie verschweißen, welche in Form eines Halbkreises an einer Kontur des zu verschweißenden Bauteiles, wie zum Beispiel einer zylindrischen Batteriezelle, anliegt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Zellverbinders und mehrerer Batteriezellen während einer Verschweißung,
- 2 schematisch jeweils eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels eines Zellverbinders und einer Batteriezelle vor und nach einer Verschweißung,
- 3 schematisch jeweils eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Zellverbinders und einer Batteriezelle vor und nach einer Verschweißung und
- 4 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Laserschweißverfahrens und einen Zellverbinder.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 sind eine perspektivische Ansicht eines Zellverbinders 1 und mehrerer Batteriezellen 2, 3 während einer Verschweißung einer Batteriezelle 2 mit dem Zellverbinder 1 sowie ein Koordinatensystem mit den Achsen x, y, z dargestellt. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen können auch mehr als zwei Batteriezellen 2, 3 mit dem Zellverbinder 1 gemäß der folgenden Beschreibung verschweißt werden.
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In dem Zellverbinder 1 sind mehrere Öffnungen 1.1, 1.2 ausgebildet, wobei eine Anzahl der Öffnungen 1.1, 1.2 insbesondere einer Anzahl der mit dem Zellverbinder 1 zu verbindenden Batteriezellen 2, 3 entspricht. Dabei sind die Öffnungen 1.1, 1.2 kreisförmig ausgebildet und korrespondieren mit einem Außendurchmesser d1 eines Abschnitts des Batteriezellengehäuses, mit welchem der Zellverbinder 1 verschweißt werden soll. Insbesondere ist ein Durchmesser d2 der Öffnung 1.1, 1.2 geringfügig größer als der Außendurchmesser d1 der jeweiligen Batteriezelle 2, 3. Abweichend können die Batteriezellengehäuse und die Öffnungen 1.1, 1.2 auch einen anderen, insbesondere partiell kreisförmig ausgebildeten Querschnitt aufweisen.
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Die Batteriezellen 2, 3 sind derart ausgebildet, dass deren Batteriezellengehäuse einen elektrischen Batteriezellenpol bildet, wobei die Batteriezellen 2, 3 mit dem Zellverbinder 1 verschweißt werden, um diese elektrisch mit diesem und miteinander zu kontaktieren sowie mechanisch an dem Zellverbinder 1 zu befestigen.
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Zur Verschweißung der Batteriezellen 2, 3 mit dem Zellverbinder 1 wird für jede zu kontaktierende Batteriezelle 2,3 jeweils der als Batteriezellenpol ausgebildete und eine zylindrische Außenform aufweisende Abschnitt des Batteriezellengehäuses in jeweils eine Öffnung 1.1, 1.2 des Zellverbinders 1 eingeführt.
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Anschließend wird zumindest ein Puls eines geraden hohlkegelstumpfförmigen Laserstrahls L derart sich verjüngend in Richtung einer Fügestelle des Zellverbinders 1 mit der Batteriezelle 2, 3 emittiert, dass ein Durchmesser des Laserstrahls L an einem Auftreffpunkt dem Durchmesser d2 der Öffnung 1.1, 1.2 entspricht und eine in Richtung der Achse z verlaufende Längsachse h1 des Laserstrahls L eine geradlinige Verlängerung einer Höhenachse h2 der jeweiligen Batteriezelle 2, 3 ist bzw. der Höhenachse h2 entspricht. Das heißt, eine Strahlachse des kegelstumpfförmigen Laserstrahls L wird mittig zur Batteriezelle 2, 3 im Abstand eines Zellradius positioniert, so dass der Strahlkegelstumpf in seiner Form direkt in eine Stoßfuge zwischen dem Zellverbinder 1 und der jeweiligen Batteriezelle 2, 3 trifft. Der Durchmesser des Laserstrahls L am Auftreffpunkt wird dabei insbesondere durch Variation eines in 4 näher dargestellten Abstands e eines Laseremitters 10 zu dem Zellverbinder 1 eingestellt.
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Mittels des Laserstrahls L wird so in dem zumindest einen Puls, beispielsweise genau einem Puls, eine die jeweilige Öffnung 1.1, 1.2 umlaufende und den Zellverbinder 1 mit der jeweiligen Batterie 2,3 verbindende homogene Schweißnaht S1, S2 gebildet. Dabei erfolgt keine Bewegung des Laserstrahls L.
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Dabei wird als Pulsdauer des zumindest einen Pulses des Laserstrahls L beispielsweise ein Wert von maximal 5 Sekunden gewählt. Weiterhin wird als Pulsleistung des zumindest einen Pulses des Laserstrahls L beispielsweise ein Wert von mindestens 500 Watt gewählt. Ferner wird ein halber Öffnungswinkel δ des Laserstrahls L in einem Bereich von 2,5 ° bis 50 ° gewählt.
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2 zeigt jeweils eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels eines Zellverbinders 1 und einer Batteriezelle 2 vor und nach einer Verschweißung.
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In diesem Ausführungsbeispiel stößt ein die Öffnung 1.1 begrenzender Rand des Zellverbinders 1 stumpf auf die Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 kann zur Positionierung in der Öffnung 1.1 von oben oder von unten in diese eingeführt werden.
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In 3 ist jeweils eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Zellverbinders 1 und einer Batteriezelle 2 vor und nach einer Verschweißung dargestellt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Randbereich der Öffnung 1.1 um 90 ° mit einem Außenradius nach unten gebogen oder gebördelt, so dass die Schweißnaht S1 zumindest teilweise in einem aufgrund des Außenradius der Biegung zwischen dem Zellverbinder 1 und der Batteriezelle 2 ausgebildeten Hohlraum ausgebildet wird. In dieser Ausführung wird die Batteriezelle 2 zur Positionierung in der Öffnung 1.1 insbesondere von oben in diese eingeführt. Es ist jedoch auch eine Einführung von unten möglich.
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4 zeigt eine Vorrichtung 4 zur Durchführung eines zuvor beschriebenen Laserschweißverfahrens zur elektrischen Kontaktierung eines Zellverbinders 1 mit Batteriezellen 2, 3.
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Die Vorrichtung 4 umfasst den Laseremitter 10, eine Laserlichtquelle 5 bzw. einen Anschluss an eine solche Laserlichtquelle 5, einen Spiegel 6, ein optisches Fokussierungselement 7, eine Erkennungseinheit 8 und einen Abstandssensor 9.
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Der mittels der Laserlichtquelle 5 emittierte Laserstrahl L wird mittels des Spiegels 6 derart geformt, dass dieser nach dem Austritt am Spiegel 6 eine hohlzylindrische Form aufweist.
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Anschließend erfolgt eine weitere Strahlformung mittels des Fokussierungselements 7, so dass sich der verjüngende hohlkegelstumpfförmige Verlauf des Laserstrahls L ergibt.
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Die Erkennungseinheit 8 ist dazu ausgebildet, zumindest eine an dem Zellverbinder 1 und/oder der Batteriezelle 2, 3 angeordnete und nicht näher dargestellte Referenzmarkierung zu erkennen, wobei eine Positionierung des Laserstrahls L relativ zur jeweiligen Öffnung 1.1, 1.2 und Batteriezelle 2, 3 in Richtung der Achse x und/oder Achse y in Abhängigkeit der erkannten Referenzmarkierung durchgeführt wird.
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Mittels des Abstandssensors 9 wird der Abstand e zwischen dem Laseremitter 10 und einer Oberfläche des Zellverbinders 1 ermittelt, um die beschriebene Einstellung des Durchmessers des Laserstrahls L an der Fügestelle durch Variation des Abstands e, das heißt durch relative Bewegung des Laseremitters 10 zur Fügestelle in Richtung der Achse z, durchzuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellverbinder
- 1.1
- Öffnung
- 1.2
- Öffnung
- 2
- Batteriezelle
- 3
- Batteriezelle
- 4
- Vorrichtung
- 5
- Laserlichtquelle
- 6
- Spiegel
- 7
- Fokussierungselement
- 8
- Erkennungseinheit
- 9
- Abstandssensor
- 10
- Laseremitter
- d1
- Außendurchmesser
- d2
- Durchmesser
- e
- Abstand
- h1
- Längsachse
- h2
- Höhenachse
- L
- Laserstrahl
- S1
- Schweißnaht
- S2
- Schweißnaht
- x
- Achse
- y
- Achse
- z
- Achse
- δ
- halber Öffnungswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2019202117 A1 [0002]
- WO 2011082582 A1 [0003]
