DE102022103508B4

DE102022103508B4 - Zellkontaktiersystem

Info

Publication number: DE102022103508B4
Application number: DE102022103508.5A
Authority: DE
Inventors: Ingo Weber
Original assignee: Diehl Advanced Mobility GmbH
Current assignee: Diehl Advanced Mobility GmbH
Priority date: 2022-02-15
Filing date: 2022-02-15
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2042-02-16
Also published as: DE102022103508A1; WO2023156203A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zellkontaktiersystem (22) umfassend zumindest ein Zellverbindungselement (8a,b) zur elektrischen Kontaktierung einer Vielzahl von Batteriezellen (6) eines Batteriesystems (2) und ein Batteriemanagementsystem (14) zur Überwachung der Batteriezellen (6).Um ein Zellkontaktiersystem herstellen zu können, das einfach in der Montage und kostengünstig ist, wird vorgeschlagen, dass das Batteriemanagementsystem (14) mit einem als metallisches Stanzteil ausgeführten Verbindungsbauteil (20a,b) mit dem Zellverbindungselement (8a,b) elektrisch verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zellkontaktiersystem umfassend zumindest ein Zellverbindungselement zur elektrischen Kontaktierung einer Vielzahl von Batteriezellen eines Batteriesystems und ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung der Batteriezellen.
Elektrisch betriebene Fahrzeuge sind mit einem Batteriesystem aus einer Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen ausgerüstet, das die für den Betrieb und Antrieb des Fahrzeugs benötigte elektrische Energie zur Verfügung stellt. Die Zellen sind mit einem Zellkontaktiersystem elektrisch verbunden, das zumeist mehrere elektrisch leitfähige und hochstromfähige Busbars aufweist. Jede Busbar schaltet eine Vielzahl von Zellen zu jeweils einem Batteriemodul zusammen, sodass die notwendigen Ströme und Spannungen hergestellt werden können. Mehrere Batteriemodule bilden das Batteriesystem.
Zur Überwachung des Batteriesystems einerseits und der Batteriemodule andererseits ist ein Batteriemanagementsystem vorhanden, das mit entsprechenden Sensoren zur Messung und Verarbeitung eines oder mehrerer physikalischer Parameter ausgeführt ist, wie die Temperatur, Spannung und/oder Strom. Das Batteriemanagementsystem enthält hierfür eine Leiterplatte mit elektronischen Bauelementen, die die gemessenen oder anders erhaltenen Daten verarbeiten.
Zur Überwachung des Batteriesystems ist das Batteriemanagementsystem mit dem Zellkontaktiersystem verbunden, beispielsweise über die Busbars. Dies geschieht über einen Kabelbaum oder einen Flachleiter mit einer Mehrzahl von Kabeln zu den einzelnen Busbars beziehungsweise Messpunkten innerhalb des Batteriesystems. Das Batteriemanagementsystem ist an einem Gehäuse des Batteriesystems angeordnet oder in dieses integriert und damit Teil des Batteriesystems.
Aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise aus der DE10 2020 005 235 A1 , der US 2020/0020920 A1 , der CN 2 13 280 234 U und der EP 2 658 034 A1 , sind verschiedene Ansätze zur Verbindung einer Leiterplatte mit Batteriezellen bzw. Zellverbindern über Verbindungselemente bekannt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Zellkontaktiersystem anzugeben, das einfach in der Montage und kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Zellkontaktiersystem gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst, bei dem das Batteriemanagementsystem mit einem als metallisches Stanzteil ausgeführten Verbindungsbauteil mit dem Zellverbindungselement elektrisch verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass eine kompakte Anordnung des Batteriemanagementsystems innerhalb des Batteriesystems erreicht werden kann, wenn das Batteriemanagementsystem im Zellkontaktiersystem integriert ist. Zudem ist das Batteriemanagementsystem näher an seinen Messstellen angeordnet. Die elektrische Kontaktierung des Batteriemanagementsystems mit einer oder mehrerer Zellverbindungselementen kann hinsichtlich des Montageaufwands verringert werden, wenn die Kontaktierung mittels eines starren Verbindungselements erfolgt und nicht mittels eines Kabels. Durch die Ausführung als Stanzteil können die Herstellungskosten gering gehalten werden.
Ein Stanzteil kann ein metallisches Bauteil sein, das durch einen Stanzprozess hergestellt ist. Ein Schneidprozess, beispielsweise durch Wasserstrahl- oder Laserschneiden, wird in diesem Zusammenhang als gleichwertig zu einem Stanzprozess angesehen, sodass unter einem Stanzprozess auch ein Schneidprozess verstanden werden kann. Zusätzlich zum Stanzprozess können noch weitere Bearbeitungsschritte zum Herstellen der Form des Stanzteils erfolgen, wie beispielsweise ein Biegeprozess, bei dem das gestanzte Bauteil gebogen wird, sodass es ein Stanz-Biegeteil ist. Das Verbindungsbauteil ist zweckmäßigerweise einstückig ausgeführt, wobei eine eventuelle Beschichtung hierbei inbegriffen zu sehen ist. Es kann aus einem ebenen Blech hergestellt sein, das gestanzt beziehungsweise geschnitten wurde. Meist ist ein weiterer Schritt in Form eines Biegens in einem oder zwei Biegebereichen sinnvoll, sodass die ebene Blechform in den Biegebereichen verlassen wird.
Ein Batteriemanagementsystem kann ein elektronisches System sein, das Werte von einem oder mehreren physikalischen Parametern des Batteriesystems erfasst und verarbeitet. Es kann zur Überwachung des Batteriesystems eingesetzt werden, beispielsweise zur Erfassung einer Batterietemperatur und/oder eines Stromflusses, und auch zu dessen Schutz und ggf. zu dessen Regelung. Als Schutzfunktionen sind beispielsweise eine Ladezustandserkennung, ein Tiefentladeschutz und/oder ein Überladeschutz sinnvoll.
Das Zellkontaktiersystem kann Teil eines Batteriesystems mit einer Vielzahl von Batteriezellen sein, sodass die Erfindung auch auf ein solches Batteriesystem gerichtet werden kann. Das Zellverbindungselement verbindet eine Mehrzahl von Batteriezellen miteinander und unter Umständen weitere Einheiten, beispielsweise eine oder mehrere weitere elektronische Einheiten, die dann über das Zellverbindungselement mit dem Batteriemanagementsystem verbunden werden können. Das Zellverbindungselement kann eine Busbar enthalten. Unter einer Verbindung mit dem Zellverbindungselement kann beispielsweise eine Verbindung mit einer Busbar oder einer Kontakteinheit verstanden werden, die mit der Busbar elektrisch verbunden ist. Die Verbindung des Verbindungsbauteils kann hierbei unmittelbar mit der Busbar oder mit einer Kontakteinheit erfolgen, die mit der Busbar verbunden ist. Die elektrische Verbindung kann eine datentechnische Verbindung sein zur Übertragung von Daten, wie Werte eines Messparameters, und wird zweckmäßigerweise zur Übertragung von Daten verwendet.
Zweckmäßigerweise ist das Batteriemanagementsystem im Zellkontaktiersystem räumlich integriert. Hierfür kann sich das Batteriemanagementsystem geometrisch zwischen Bauelementen des Zellkontaktiersystems befinden, beispielsweise geometrisch zwischen mehreren Zellverbindungselementen beziehungsweise deren Busbars. Vorteilhafterweise liegt das Batteriemanagementsystem geometrisch in der Ebene, in denen mehrere Busbars angeordnet sind. Die Leiterplatte des Batteriemanagementsystems kann parallel zu den Busbars ausgerichtet sein.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn das Batteriemanagementsystem beziehungsweise deren Leiterplatte mit mehreren Zellverbindungselementen über mehrere Verbindungsbauteile verbunden ist. Hierbei kann das Batteriemanagementsystem jedenfalls im Wesentlichen in der Mitte zwischen beispielsweise den Busbars angeordnet sein. Um die Zellverbindungselemente können Kunststoffrahmen angeordnet sein, sodass das Batteriemanagementsystem zwischen den Rahmen liegt, insbesondere mittig zwischen den Rahmen.
Das Verbindungsbauteil ist in einen Kopfteil, einen Fußteil und einen Mittelteil zwischen Kopf- und Fußteil aufgeteilt. Mit dem Kopfteil ist das Verbindungsbauteil mit dem Batteriemanagementsystem verbunden, insbesondere mit einer Leiterplatte des Batteriemanagementsystems, und mit dem Fußteil mit dem Zellverbindungselement, beispielsweise der Busbar. Der Mittelteil weist ein Ausgleichselement auf. Zwischen dem Kopf- und Mittelteil kann ein Biegebereich des Verbindungsbauteils liegen, der durch ein Biegen des gestanzten Metallteils hergestellt wurde. Auch zwischen dem Mittel- und Fußteil kann ein Biegebereich des Verbindungsbauteils liegen, der durch ein Biegen des gestanzten Metallteils hergestellt wurde. Auf diese Weise kann die Geometrie des Verbindungsbauteils in einfacher Weise an den Bereich zwischen den beiden Fügestellen zum Zellverbindungselement und zum Batteriemanagementsystem geometrisch angepasst werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Verbindungsbauteil kopfseitig mit einem Pressfit in eine Leiterplatte des Batteriemanagementsystems eingefügt. Auf ein in der Montage aufwändigeres Verlöten oder Verschweißen kann verzichtet werden. Zudem kann ein Ausrichten des Kopfteils des Verbindungsbauteils an der Leiterplatte vereinfacht werden, da der Kopfteil zum Herstellen des Pressfits einfach in eine Öffnung der Leiterplatte eingesteckt und somit korrekt ausgerichtet werden kann. Durch den Pressfit kann eine Kaltverschweißung des Kopfteils mit einer metallischen Beschichtung in der Öffnung der Leiterplatte durch das Einpressen entstehen, sodass eine gute elektrische Kontaktierung hergestellt wird. Im Kopfteil ist vorteilhafterweise ein oder mehrere Schlitze zur besseren Verformung des Kopfteils beim Pressfit und damit zum besseren Anpassen der Form des Kopfteils an die Öffnung der Leiterplatte. Der Kopfteil wird zweckmäßigerweise senkrecht in die Öffnung der Leiterplatte eingeführt. Ist ein Mittelteil des Verbindungsbauteils parallel zur Platte ausgerichtet, kann ein Bereich des Verbindungsbauteils zwischen Kopf- und Mittelteil von einem zur Leiterplatte parallel ausgerichteten Bereich bis zum Kopfteil rechtwinklig zur Platte hin gekrümmt sein.
Während eines Betriebs des Batteriesystems in einem Fahrzeug ist das Batteriesystem Vibrationen und anderen Beschleunigungen ausgesetzt. Die zuverlässig erhalten bleibende Kontaktierung durch das Verbindungselement sollte solche mechanischen Belastungen lange unbeschadet überdauern. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn das Verbindungsbauteil - abgesehen vom Pressfit - von der Leiterplatte beabstandet angeordnet ist. Reibkontakte werden vermieden und auf eine weitere Befestigung entlang der Länge des Verbindungsbauteils kann verzichtet werden, sodass die mechanischen Belastungen gering gehalten bleiben. Zweckmäßigerweise ist das Verbindungsbauteil überall von der Leiterplatte beabstandet - abgesehen vom Pressfit, und berührt die Leiterplatte also nicht.
Die feste mechanische Verbindung zwischen dem Verbindungsbauteil und dem Zellverbindungselement wird vorteilhafterweise durch eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt, insbesondere eine Verschweißung. Um diese einfach und stabil herstellen zu können, weist das Verbindungsbauteil zweckmäßigerweise fußseitig eine planare Vergrößerung auf, die an das Zellverbindungselement angeschweißt ist. Die Verschweißung kann mit einem Laser erfolgen und beispielsweise eine Punktverschweißung an einem oder mehreren Punkten sein oder eine Verschweißung an einer oder mehrerer Linien.
Das Verbindungsteil ist ein metallisches Stanzteil und ist mithin nicht elastisch verformbar wie ein Kabel oder ein dünner Draht. Bei einer Relativbewegung zwischen einer Busbar und dem Batteriemanagementsystem, beispielsweise durch eine Erschütterung im Betrieb, würde es daher zu einer hohen mechanischen Belastung auf das Verbindungsbauteil kommen können und vor allem auf die Fügestellen zwischen dem Verbindungsbauteil und der Busbar und dem Batteriemanagementsystem. Um eine solche Belastung zu verringern und auch für eine einfache Montage ist es vorteilhaft, wenn das Verbindungsbauteil eine gewisse dreidimensionale Elastizität aufweist, um Abstandstoleranzen zwischen Busbar und Batteriemanagementsystem ausgleichen zu können.
Um dies zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn das Verbindungsbauteil ein in mehreren Kurven geführtes Ausgleichselement aufweist, das durch eine elastische Verformung eine dreidimensionale Positionsveränderung des Kopfteils zum Fußteil zulässt. Dieses Ausgleichselement kann in einem Mittelteil zwischen dem Kopfteil und dem Fußteil angeordnet sein. Die Kurven sind gegenläufig zueinander, bei zwei Kurven folgt also eine Rechtskurve einer Linkskurve oder umgekehrt. Es können zumindest vier Kurven vorhanden sein, davon zwei kleinere und zwischen ihnen zwei größere, wobei sich die Größe auf den Biegewinkel bezieht.
Die Kurven können durch ein Biegen hergestellt sein. Einfacher und kostengünstiger jedoch ist es, wenn die Geometrie der Kurven, zweckmäßigerweise des gesamten Ausgleichselements, durch einen Stanzprozess des Mittelteils hergestellt wurde. Auch hier soll dies einen Schneidprozess mit umfassen,
Die Kurven sind vorteilhafterweise in einer Ebene angeordnet. Bei einer Herstellung des Verbindungsbauteils aus einem Metallblech ragen die Kurven zweckmäßigerweise nicht über die Blechebene hinaus. Es ist insofern vorteilhaft, wenn die Geometrie des Mittelteils über das gesamte Ausgleichselement, also über alle Kurven, die eines ebenen Metallblechs ist. Es wird kein Umformprozess zur Herstellung benötigt, sodass die Herstellung einfach ist.
Das Verbindungsbauteil kann mit einem Pressfit mit einer Leiterplatte des Batteriemanagementsystems mechanisch starr befestigt und elektrisch leitend kontaktiert sein. Für beide Aspekte der Verbindung ist es vorteilhaft, wenn im Pressfit zwischen dem Kopfteil des Verbindungsbauteils und der Leiterplatte eine Kaltverschweißung entsteht. Eine solche kann hergestellt werden, wenn zumindest der Kopfteil überwiegend aus Kupfer gefertigt ist. Hierfür kommt reines Kupfer in Betracht, wobei eine Kupferlegierung, also eine Legierung mit mehr als 50 % Kupfer, vorteilhafter zum Erreichen mechanischer Eigenschaften ist. Die Kupferlegierung ist z.B. Bronze oder eine CuS- oder CuSP-Legierung. Eine kostengünstige Herstellung des Verbindungsbauteils kann erreicht werden, wenn das gesamte Verbindungsbauteil - abgesehen von einer oder mehreren eventuellen Beschichtungen - aus einem homogenen metallischen Material besteht, das vorteilhafterweise zumindest überwiegend Kupfer enthält, wie z.B. aus einer der obigen Legierungen.
Busbars sind üblicherweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Ist das Verbindungsbauteil an seinem Fußteil aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt, so kann es an der Fügestelle der zwei Metalle zu Korrosion kommen, beispielsweise durch elektrische Kontaktspannung. Mit einer Zwischenbeschichtung kann der Korrosion entgegengewirkt werden. Um das zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein Fußteil des Verbindungsbauteils über seinem Kern aus metallischem Material eine Beschichtung aus einem anderen metallischen Material aufweist. Eine vorteilhafte Beschichtung ist Nickel oder eine Nickellegierung. Die Beschichtung kann durch Galvanisieren aufgebracht werden. Zweckmäßigerweise ist das Verbindungsbauteil nur partiell galvanisiert, beispielsweise nur am Fußteil.
Ein Verschweißen des Fußteils mit dem Zellverbindungselement kann vereinfacht werden, wenn zumindest der Fußteil des Verbindungsbauteils zumindest überwiegend aus Aluminium gefertigt ist. Es kann aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Ist das Zellverbindungselement ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, so findet eine Verschweißung zwischen gleichen oder ähnlichen Materialien statt.
Entsprechend der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbindungsbauteil als Bi-Metallbauteil ausgeführt ist. Hierbei kann der Fußteil zumindest überwiegend aus Aluminium bestehen, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, und zumindest der Kopfteil zumindest überwiegend aus Kupfer, um den Pressfit zu verbessern.
Eine Grenzschicht zwischen den beiden Metallen verläuft zweckmäßigerweise zwischen dem Kopfteil und dem Fußteil, insbesondere zumindest überwiegend im Mittelteil, der keinem Biegeprozess unterworfen wurde. Die Grenz- oder Fügeschicht verläuft erfindungsgemäß innerhalb des Ausgleichselements zwischen dem Kopfteil und dem Fußteil des Verbindungsbauteils und kann insbesondere vollständig darin enthalten sein. Die Verbindung der beiden metallischen Bereiche kann beispielsweise durch eine Verzahnung oder eine Überlappung hergestellt sein.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Zellkontaktiersystems. Eine einfache und kostengünstige Montage des Zellkontaktiersystems kann erreicht werden, wenn das Verbindungsbauteil in Form eines metallischen Stanzteils an einer Leiterplatte des Batteriemanagementsystems platziert und mit der Leiterplatte verbunden wird und das Verbindungsbauteil mit dem Zellverbindungselement, das zur elektrischen Kontaktierung der Vielzahl von Batteriezellen des Batteriesystems dient, verschweißt wird.
Die Reihenfolge der beiden Verbindungsschritte ist frei wählbar. So kann zunächst das Verbindungsbauteil mit seinem Kopfteil in eine Öffnung der Leiterplatte des Batteriemanagementsystems eingefügt und hierdurch ein Pressfit hergestellt werden. In gleicher Weise können mehrere Verbindungsbauteile mit der Leiterplatte verbunden werden, zweckmäßigerweise so viele Verbindungsbauteile, wie Zellverbindungselemente beziehungsweise deren Busbars vorhanden sind. Anschließend kann der Kopfteil des Verbindungsbauteils mit seinem Zellverbindungselement verschweißt werden. Auch hier können mehrere Verbindungsbauteile jeweils mit ihrem Zellverbindungselement verbunden werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Verbindungsbauteil an dem Zellverbindungselement platziert und mit diesem verschweißt wird, insbesondere mittels Laserschweißen. Weist das Batteriesystem mehrere Zellverbindungselemente auf, so kann jedes Zellverbindungselement in dieser Weise mit jeweils einem Verbindungsbauteil verschweißt werden. Dann wird das Zellverbindungselement mit dem Verbindungsbauteil an dem Batteriemanagementsystem platziert, beispielsweise so, dass sich der Kopfteil über der Leiterplatte befindet. Nun kann der Kopfteil in eine Öffnung der Leiterplatte eingefügt und hierdurch ein Pressfit hergestellt werden. In gleicher Weise kann mit weiteren Zellverbindungselementen mit jeweils ihrem Verbindungselement verfahren werden. Anschließend kann das Zellkontaktiersystem mit der einen oder den mehreren Zellverbindungselementen mit den dafür vorgesehenen Batteriezellen elektrisch verbunden werden.
Beide Varianten des Herstellungs- beziehungsweise Montageverfahrens schließen mit ein, dass zunächst das Batteriemanagementsystem zwischen mehrere Zellverbindungselemente, wie Busbars, eingefügt und dort befestigt wird. Anschließend werden mehrere Verbindungsbauteile jeweils an ihren Montageort an dem Batteriemanagementsystem und jeweils ihrem Zellverbindungselement gesetzt und mittels Pressfit mit der Leiterplatte und mittels Verschweißung mit ihrem Zellverbindungselement verbunden. Die beiden Verbindungsschritte sind in ihrer Reihenfolge wählbar, wobei das Verbinden mittels Pressfit vor dem Verschweißen eine einfachere Platzierung des Verbindungsbauteils an der richtigen Stelle ermöglicht. Auch kann gewählt werden, ob zunächst alle Verbindungselemente an einem ihrer Teile verbunden und dann alle an ihrer anderen Seite verbunden werden, oder ob die Verbindungsbauteile jeweils nacheinander platziert und beidseitig verbunden werden.
Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die teilweise in einigen abhängigen Ansprüchen zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Die Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden, insbesondere bei Rückbezügen von Ansprüchen, sodass ein einzelnes Merkmal eines abhängigen Anspruchs mit einem einzelnen, mehreren oder allen Merkmalen eines anderen abhängigen Anspruchs kombinierbar ist. Außerdem sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination sowohl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen kombinierbar. So sind Verfahrensmerkmale auch als Eigenschaften der entsprechenden Vorrichtungseinheit gegenständlich formuliert zu sehen und funktionale Vorrichtungsmerkmale auch als entsprechende Verfahrensmerkmale.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich in Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale.
Es zeigen:

1 ein Batteriesystem mit einem Batteriemanagementsystem und mehreren Busbars,
2 ein Verbindungsbauteil zwischen dem Batteriemanagementsystem und einer der Busbars,
3 ein weiteres Verbindungsbauteil und
4 das Verbindungsbauteil aus 3 an einem Batteriemanagementsystem und einer Busbar.

1 zeigt ein Batteriesystem 2 mit einem Gehäuse 4, in dem eine Vielzahl von elektrischen Batteriezellen 6 angeordnet ist, von denen in 1 eine schematisch angedeutet ist. Die Batteriezellen 6 sind in Gruppen aufgeteilt, die über mehrere Zellverbindungselemente 8a miteinander verbunden sind. In dem Ausführungsbeispiel aus 1 sind fünf Zellverbindungselemente 8a mit jeweils einer Busbars 10 vorhanden, die jeweils in einem Kunststoffrahmen 12 gehalten sind. Zur Überwachung und Steuerung des Batteriesystems 2 ist mittig zwischen den fünf Zellverbindungselementen 8a beziehungsweise deren Kunststoffrahmen 12 ein Batteriemanagementsystem 14 angeordnet, das eine Leiterplatte 16a mit einer Vielzahl von elektronischen Bauteilen 18 enthält. Jedes der Zellverbindungselemente 8a ist über ein Verbindungsbauteil 20a mit dem Batteriemanagementsystem 14 verbunden, indem das Verbindungsbauteil 20a an der Leiterplatte 16a des Batteriemanagementsystems 14 befestigt ist. Entsprechend sind fünf Verbindungsbauteile 20a vorhanden. Das Batteriemanagementsystem 14 ist mit seiner Anordnung zwischen den Zellverbindungselementen 8a in ein Zellkontaktiersystem 22 integriert, das das Batteriemanagementsystem 14, die Zellverbindungselemente 8a mit ihren Kunststoffrahmen 12 und die Verbindungsbauteile 20a umfasst.
In 2 ist eines der Verbindungsbauteile 20a aus 1 stark vergrößert dargestellt. Das Verbindungsbauteil 20a ist einstückig aus einem Bronzeblech durch Ausstanzen und anschließendes Biegen hergestellt, sodass es ein Stanz-Biegeteil ist. Die Geometrie des Verbindungsbauteils 20a kann in fünf Bereiche unterteilt werden, die in 2 der Übersichtlichkeit halber mit gestrichelten Linien voneinander abgegrenzt sind: einen Kopfteil 24a, einen Fußteil 26a, einen Mittelteil 28a und zwei Biegebereiche 30a, 32a, die zwischen Kopfteil 24a und Mittelteil 28a beziehungsweise zwischen Mittelteil 28a und Fußteil 26a angeordnet sind.
Mit seinem Fußteil 26a ist das Verbindungsbauteil 20a an die ihm zugeordnete Busbar 10 durch Laserschweißen mit mehreren Schweißlinien angeschweißt. Hierfür ist der Fußteil 26a gegenüber den übrigen Bereichen des Verbindungsbauteils 20a in der Blechebene des Verbindungsbauteils 20a verbreitert ausgeführt. Die Blechebene ist diejenige Ebene, in der sich das Blech, aus dem das Verbindungsbauteil 20a ausgestanzt wurde, erstreckte. Um einer Korrosion des Fußteils 26a beziehungsweise der Busbar 10 im Bereich der Verschweißung entgegenzuwirken, ist der Fußteil 26a auf seiner Unterseite durch Galvanisieren vernickelt, sodass der Fußteil 26a auf seiner Unterseite mit Nickel beschichtet ist.
Der Kopfteil 24a des Verbindungsbauteils 20a ist mit einem Pressfit in die Leiterplatte 16a eingebracht. Zur Kontaktierung des Kopfteils 24a mit einer Leiterbahn der Leiterplatte 16a ist die metallische Leiterbahn in eine Metallschicht in der Öffnung der Leiterplatte 16a fortgeführt, in die der Kopfteil 24a eingepresst ist. Durch den hohen Druck des Kopfteils 24a nach außen gegen die mit Metall beschichtete Innenwand der Öffnung der Leiterplatte 16a ist eine Kaltverschweißung des Kopfteils 24a mit der Metallschicht in der Öffnung entstanden, wodurch eine gute elektrische Kontaktierung entsteht.
In den Mittelteil 28a des Verbindungsbauteils 20a ist ein aus mehreren Kurven bestehendes, gewundenes Ausgleichselement 34a eingebracht. Die Geometrie des Ausgleichselements 34a erlaubt eine elastische Streckung des Mittelteils 28a in die Längsrichtung 36 des Verbindungsbauteils 20a, sodass eine Abstandstoleranz zwischen der Leiterplatte 16a und der Busbar 10 ausgeglichen werden kann, ohne dass eine zu große Kraft in Längsrichtung 36 des Verbindungsbauteils 20a auf die Leiterplatte 16a und die Busbar 10 wirkt. Die vier Kurven des Ausgleichselements 34a sind in alternierender Drehrichtung angeordnet und bilden eine in der Blechebene verbreiterte Geometrie des Mittelteils 28a des Verbindungsbauteils 2a0 gegenüber den beidseitig an das Ausgleichselement 34a anschließenden Bereichen des Verbindungsbauteils, im gezeigten Ausführungsbeispiel den beiden Biegebereichen 30, 32a.
Durch jeden der beiden Biegebereiche 30, 32a wird das Verbindungsbauteil 20a aus der Blechebene herausgehoben. Im Beispiel aus 2 übersteigt das Verbindungsbauteil 20a mit seinem Mittelteil 28a den Rahmen 12 der Busbar 10 und ist leiterplattenseitig wieder herabgeführt in Richtung senkrecht zur Leiterplatte 16a. Die Formgebung ist so, dass das Verbindungsbauteil 20a auf seiner ganzen Länge - abgesehen vom Pressfit - von der Leiterplatte 16a beabstandet angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch bei Vibration des Batteriesystems 2 kein Scheuern zwischen Verbindungsbauteil 20a und Leiterplatte 16a entstehen. Je nach Anordnungen eines Zellverbindungselements zum Batteriemanagementsystem 14, im Ausführungsbeispiel aus 1 der Busbar 10 zur Leiterplatte 16a, können auch andere Biegebereiche und Biegerichtungen vorteilhaft sein.
3 und 4 zeigen ein weiteres Verbindungsbauteil 20b. 3 zeigt es als einzelnes Bauteil, 4 auf einem nur schematisch dargestellten Zellverbindungselement 8b, beispielsweise deren Busbar, und eingesteckt in die ebenfalls nur schematisch dargestellte Leiterplatte 16b. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in den FIGen 1 und 2, auf das bezüglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Um nicht bereits Beschriebenes mehrfach ausführen zu müssen, sind alle Merkmale des vorangegangenen Ausführungsbeispiels in diesem nachfolgenden Ausführungsbeispiel übernommen, ohne dass sie erneut beschrieben sind, es sei denn, Merkmale sind als Unterschiede zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel beschrieben. Zum einfacheren Verständnis sind außerdem gleiche Bauteile in den beiden Ausführungsbeispielen mit den gleichen Bezugsziffern und anderen Bezugsbuchstaben bezeichnet, wobei sie identisch zueinander oder mit geringfügigen Unterschieden, z.B. in Abmessung, Position und/oder Geometrie, zueinander sein können. Wird die Bezugsziffer alleine ohne einen Bezugsbuchstaben erwähnt, so sind die entsprechenden Bauteile aller Ausführungsbeispiele angesprochen.
Wie das Verbindungsbauteil 20a weist auch das Verbindungsbauteil 20b die ebene Verbreiterung an seinem Fußteil 26b auf, mit der das Verbindungsbauteil 20b an das Zellverbindungselement 8b angeschweißt ist. Auch das kurvige Ausgleichselement 34b ist vorhanden und der vordere Biegebereich 30b. Allerdings ist das Verbindungsbauteil 20b als Bimetall aus zwei verschiedenen Metallen ausgeführt. In seinem vorderen Bereich zum Kopfteil 24b hin besteht das Verbindungsbauteil 20b aus einer CuS-Legierung mit einem geringen Anteil an Schwefel und gegebenenfalls Phosphor. In seinem hinteren Bereich zum Fußteil 26b hin besteht das Verbindungsbauteil 20b aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die beiden Bereiche überlappen sich im Mittelteil 28b innerhalb des Ausgleichselements 34b. Dort sind die beiden Metalle überlappend zusammengefügt, wie durch die gestrichelte Linie in den FIGen 3 und 4 dargestellt ist. Durch die Materialgleich- oder ähnlichkeit von Fußteil 26b und Zellverbindungselement 8b kann die Beschichtung des Fußteils 26b mit einem anderen Material entfallen.
Zum Herstellen des Zellkontaktiersystems 22 wir das Verbindungsbauteil 20 am Zellverbindungselement 8, insbesondere an seiner Busbar 10 platziert und anschließend verschweißt. Sind mehrere Zellverbindungselemente 8 mit dem Batteriemanagementsystem 14 zu verbinden, kann dieser Schritt für alle Zellverbindungselemente 8 wiederholt werden. Dann wird das Zellverbindungselement 8 mit dem Verbindungsbauteil 20 am Batteriemanagementsystem 14 platziert, sodass der Kopfteil 24 über der Leiterplatte 16 ist. Nun kann der Kopfteil 24 in die Öffnung der Leiterplatte 16 eingesteckt und das Verbindungsbauteil 20 mittels Pressfit mit der Leiterplatte 16 verbunden werden. Sind mehrere Zellverbindungselemente 8 mit der Leiterplatte 16 zu verbinden, kann dieser Schritt für alle Verbindungsbauteile 20 wiederholt werden.
Bezugszeichenliste

2: Batteriesystem
4: Gehäuse
6: Batteriezelle
8a,b: Zellverbindungselement
10: Busbar
12: Kunststoffrahmen
14: Batteriemanagementsystem
16a,b: Leiterplatte
18: elektronisches Bauteil
20a,b: Verbindungsbauteil
22: Zellkontaktiersystem
24a, b: Kopfteil
26a,b: Fußteil
28a,b: Mittelteil
30a, b: Biegebereich
32a,b: Biegebereich
34a,b: Ausgleichselement
36: Längsrichtung

Claims

Zellkontaktiersystem (22) umfassend zumindest ein Zellverbindungselement (8a,b) zur elektrischen Kontaktierung einer Vielzahl von Batteriezellen (6) eines Batteriesystems (2) und ein Batteriemanagementsystem (14) zur Überwachung der Batteriezellen (6), wobei das Batteriemanagementsystem (14) mit einem als metallisches Stanzteil ausgeführten Verbindungsbauteil (20b) mit dem Zellverbindungselement (8a,b) elektrisch verbunden ist, wobei a) das Verbindungsbauteil (20b) in einen Kopfteil (24b), einen Fußteil (26b) und einen Mittelteil zwischen Kopf- (24b) und Fußteil (26b) aufgeteilt ist, wobei - mit dem Kopfteil (24b) das Verbindungsbauteil (20b) mit dem Batteriemanagementsystem (14) und mit dem Fußteil (26b) mit dem Zellverbindungselement (8b) verbunden ist und - der Mittelteil ein Ausgleichselement (34b) aufweist, und b) das Verbindungsbauteil (20b) als Bi-Metallbauteil ausgeführt ist, wobei - eine Grenzschicht zwischen den beiden Metallen innerhalb des Ausgleichselements (34b) zwischen dem Kopfteil (24b) und dem Fußteil (26b) des Verbindungsbauteils (20b) verläuft.
Zellkontaktiersystem nach Anspruch 1, wobei das Batteriemanagementsystem (14) geometrisch zwischen mehreren Zellverbindungselementen (8a,b) angeordnet ist.
Zellkontaktiersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verbindungsbauteil (20a,b) kopfseitig mit einem Pressfit in eine Leiterplatte (16a,b) des Batteriemanagementsystems (14) eingefügt ist.
Zellkontaktiersystem nach Anspruch 3, wobei das Verbindungsbauteil (20a,b) - abgesehen vom Pressfit - von der Leiterplatte (16a,b) beabstandet angeordnet ist.
Zellkontaktiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsbauteil (20a,b) fußseitig eine planare Vergrößerung aufweist, die an dem Zellverbindungselement (8a,b) angeschweißt ist.
Zellkontaktiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausgleichselement (34a,b) in mehreren Kurven geführt ist und durch eine elastische Verformung eine dreidimensionale Positionsveränderung des Kopfteils (24a,b) zum Fußteil (26a,b) zulässt.
Zellkontaktiersystem nach Anspruch 6, wobei die Geometrie des Ausgleichselements (34a,b) durch einen Stanzprozess des Mittelteils (28a,b) hergestellt wurde.
Zellkontaktiersystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Geometrie des Mittelteils (28a,b) über das gesamte Ausgleichselement (34a,b) die eines ebenen Metallblechs ist.
Zellkontaktiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsbauteil (20a) zumindest überwiegend aus Kupfer gefertigt ist.
Zellkontaktiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest das Fußteil (26a) des Verbindungsbauteils (20a) über seinem Kern aus metallischem Material eine Beschichtung aus einem anderen metallischen Material aufweist.
Zellkontaktiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest das Fußteil (26b) des Verbindungsbauteils (20b) zumindest überwiegend aus Aluminium gefertigt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Zellkontaktiersystems (22) gemäß einem der Ansprüche 1-11, bei dem das Verbindungsbauteil (20b) in Form eines metallischen Stanzteils an einer Leiterplatte (16a,b) des Batteriemanagementsystems (14) platziert und mit der Leiterplatte (16a,b) verbunden wird und das Verbindungsbauteil (20b) mit dem Zellverbindungselement (8a,b), das zur elektrischen Kontaktierung der Vielzahl von Batteriezellen (6) des Batteriesystems (2) dient, verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verbindungsbauteil (20b) an dem Zellverbindungselement (8a,b) platziert und mit diesem verschweißt wird und das Zellverbindungselement (8a,b) mit dem angeschweißten Verbindungsbauteil (20a,b) an der Leiterplatte (16a,b) des Batteriemanagementsystems (14) platziert und das Verbindungsbauteil (20a,b) über einen Pressfit mit der Leiterplatte (16a,b) verbunden wird.