DE102022106382A1

DE102022106382A1 - Verfahren zum Herstellen einer verbesserten elektrischen Kontaktierung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022106382A1
Application number: DE102022106382.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Ott
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2023-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Kontaktierung (3) zwischen einander zugewandten Kontaktflächen (5) zweier elektrisch leitfähiger Kontaktelemente (2). In dem Verfahren wird an wenigstens einer der Kontaktflächen (5) durch Laserbestrahlung eine vorgegebene Mikrostrukturierung (6) erzeugt. Die beiden Kontaktelemente (2) werden dann derart aneinander angeordnet, dass ihre Kontaktflächen (5) aneinander anliegen. Die beiden Kontaktelemente (2) werden anschließend miteinander verschraubt, wobei durch das Verschrauben ein vorgegebener Anpressdruck der beiden Kontaktflächen (5) aneinander erzeugt wird. Dieser Anpressdruck bewirkt dabei eine zumindest teilweise plastische Verformung der Mikrostrukturierung (6) der wenigstens einen Kontaktfläche (5). Die Erfindung betrifft weiter ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, die eine entsprechende elektrische Kontaktierung (3) zweier entsprechender elektrisch leitfähiger Kontaktelemente (2) aufweist.

Description

Stromführende Kontaktierungen bzw. Verbindungen zwischen elektrischen Leitern müssen in vielerlei technischen Anwendungen hergestellt werden. Dabei werden unterschiedliche Anforderungen gestellt, die auch miteinander im Konflikt stehen können. So soll beispielsweise oftmals ein möglichst geringer und stabiler, also streuungsarmer Kontaktwiderstand, eine möglichst einfache und kostengünstige Fertigung und eine möglichst geringe Degradierung von Kontakteigenschaften während einer Lagerung und eines Transports realisiert werden.
Ein Ansatz, um unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Möglichkeit zu schaffen, einen elektrischen Leiter mit einer verbesserten Prozessstabilität mit einem Kontaktteil zu verschweißen, ist beispielsweise in der DE 10 2016 110 628 A1 beschrieben. In dem dort beschriebenen Verfahren werden der isolierte oder freigelegte Leiter und das aus einem Metallwerkstoff gefertigte Kontaktteil mit einer Anbindungsfläche bereitgestellt. Auf der Anbindungsfläche wird dann eine durch ein Höhenprofil definierte Oberflächenstrukturierung als Schweißrichtungsgeber ausgebildet. Schließlich wird der Leiter mit der oberflächenstrukturierten Anbindungsfläche mittels Ultraschallschweißen verschweißt.
Als weiteren Ansatz beschreibt die DE 10 2018 119 844 A1 eine elektrische Verbindung zwischen einem Flachteil und einem Anschlussteil. Dabei sind das Flachteil und das Anschlussteil in einem Überlappungsbereich übereinander angeordnet. Die im Überlappungsbereich dem Anschlussteil zugewandte Kontaktoberfläche des Flachteils ist reliefförmig strukturiert. Das Flachteil wird dann mit dem Anschlussteil über die strukturierte Kontaktfläche reibverschweißt, insbesondere ultraschallverschweißt. Damit soll eine elektrische Verbindung geschaffen werden, welche eine erhöhte Zugfestigkeit und einen besonders geringen Übergangswiderstand aufweist.
Die EP 3 249 750 A1 beschreibt eine Anschlusskrone zum Verbinden eines elektrischen Geräts mit einem Anschlussmittel einer elektrischen Anlage. Die Anschlusskrone weist einen Klemmkopf und einen damit elektrisch verbundenen Anschlussstift auf. In dem Klemmkopf sind zwei Schlitze ausgebildet, die den Klemmkopf in zwei Klemmbacken unterteilen. Mindestens eine der zwei Klemmbacken ist mittels federnder Verbindung als bewegbare Klemmbacke ausgebildet, sodass sie zwischen einer ersten Position und einer Klemmposition bewegbar ist. Auf diese Weise soll eine Anschlussmöglichkeit für das elektrische Gerät an das Anschlussmittel der elektrischen Anlage geschaffen werden, die aufwändige Umbaumaßnahmen vermeidet und einen einfachen und sicheren Anschluss ermöglicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Realisierungsmöglichkeit einer besonders kostengünstigen, praktikablen und effektiven elektrischen Kontaktierung zweier elektrisch leitfähiger Bauteile anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren offenbart.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient, kann also angewendet werden zum Herstellen einer elektrischen Kontaktierung, also einer elektrischen Verbindung oder Kontakteinrichtung zweier elektrisch leitfähiger Kontaktelemente. Diese Kontaktelemente weisen dabei eine jeweilige Kontaktfläche auf, wobei die beiden Kontaktflächen einander zugewandt und sind bzw. angeordnet und zum Herstellen der elektrischen Kontaktierung miteinander verbunden werden. Die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente können ganz oder teilweise aus einem oder mehreren unterschiedlichen metallischen Werkstoffen gefertigt sein. Insbesondere kann es sich bei den Kontaktelementen um Kupferteile handeln. Ebenso können aber andere Werkstoffe, wie etwa Aluminium oder dergleichen verwendet werden.
In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an wenigstens einer der Kontaktflächen der Kontaktelemente durch Laserbestrahlung, also durch Laserbearbeitung der wenigstens einen Kontaktfläche, eine vorgegebene Mikrostrukturierung erzeugt. Dazu kann ein entsprechender Laser bzw. Laserstrahl beispielsweise in einem vorgegebenen Muster oder Schema über die wenigstens eine Kontaktfläche geführt werden. Durch die Laserbestrahlung bzw. die damit in die Kontaktfläche eingetragene Energie kann das Material des Kontaktelements in laserbestrahlten Punkten oder Bereichen zumindest teilweise aufgeschmolzenen werden. Dadurch kommt es zu Materialverlagerungen bzw. Verformungen, welche letztlich die Mikrostrukturierung ausbilden. Die Mikrostrukturierung kann dabei beispielsweise Strukturen in der Größenordnung zwischen wenigen Mikrometern und mehreren 100 µm aufweisen, wobei auch länglich erstreckte Strukturen oder Strukturteile von mehreren Millimetern oder Zentimetern Länge möglich sind. Letztere können sich beispielsweise zumindest im Wesentlichen über die gesamte Ausdehnung der Kontaktfläche in der entsprechenden Längsrichtung erstrecken.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die beiden Kontaktelemente derart aneinander angeordnet, dass ihre Kontaktflächen aneinander anliegen. In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die beiden Kontaktelemente dann miteinander verschraubt. Durch das Verschrauben wird dabei ein vorgegebener Anpressdruck der beiden Kontaktflächen aneinander erzeugt, der eine zumindest teilweise plastische Verformung der Mikrostrukturierung der wenigstens einen Kontaktfläche bewirkt. Der Anpressdruck kann beispielsweise im Bereich von 3 kN bis 5 kN liegen, letztlich aber abhängig sein von einer jeweiligen Anwendung bzw. Anforderung, einem Material der Kontaktelemente bzw. Kontaktflächen und/oder dergleichen mehr. Abhängig von diesen Parametern kann der Anpressdruck derart vorgegeben oder eingestellt werden, dass er zwar zur zumindest teilweisen Plastifizierung des die wenigstens eine Mikrostrukturierung formenden Werkstoffs ausreicht, dabei aber nicht zu einer signifikanten Oberflächenverhärtung bzw. Kaltverfestigung der Kontaktflächen führt. Grundsätzlich könnte eine höhere Kontakthärte zu einem schlechteren Kontaktverhalten führen. Bei der hier vorgeschlagenen Laserstrukturierung zum Erzeugen der Mikrostrukturierung kommt es allerdings, beispielsweise im Gegensatz zu einem Erzeugen einer Mikrostrukturierung durch Verprägen, nicht zu einer Kaltverfestigung der Oberfläche der jeweiligen Kontaktfläche und damit auch nicht zu einer signifikanten Erhöhung der Härte. Damit kann die erfindungsgemäß laserstrukturierte Kontaktfläche einen besonders guten elektrischen Kontakt ermöglichen.
Gemäß einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis entsteht durch die Laserbestrahlung bzw. Laserbearbeitung der wenigstens einen Kontaktfläche an oder auf dieser eine Oberflächenstruktur, welche beim Verbinden der beiden Kontaktelemente zu einem Kontaktverhalten führt, das in etwa dem Kontaktverhalten entspricht, das mit einer Verzinnung der Kontaktflächen ohne Mikrostrukturierung erreichbar ist. Dieses Kontaktverhalten kann durch die Laserbestrahlung bzw. die resultierende Mikrostrukturierung jedoch ohne Verzinnung der mikrostrukturierten Kontaktfläche erreicht werden.
Beim Verschrauben der beiden Kontaktelemente miteinander kommt es an erhabenen Flächen, Teilen, Gratlinien oder Peaks zu einer Plastifizierung des Werkstoffs zumindest der wenigstens einen mikrostrukturierten Oberfläche. Zusätzlich kann es dort durch den Anpressdruck und die Plastifizierung bzw. Verformung zu einem Aufbrechen von Oxiden oder Oxidschichten kommen. Derartige Oxidschichten können sich insbesondere auf galvanisch unbehandelten Oberflächen von allein ausbilden, beispielsweise während einer Lagerung oder eines Transports der Kontaktelemente unter Einfluss von Luftsauerstoff. Entsprechende Oxidschichten können im Allgemeinen eine im Vergleich zum entsprechenden nicht oxidierten metallischen Werkstoff reduzierte Leitfähigkeit aufweisen und dementsprechend zu einem verschlechterten Kontaktverhalten führen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dieser Effekt durch das zumindest teilweise Aufbrechen gegebenenfalls vorhandener Oxidschichten beim Verschrauben vermieden oder reduziert.
Vorteilhaft ist hier auch, dass durch die Laserbestrahlung der Werkstoff der Kontaktfläche aufgeschmolzen wird und somit im Bereich der Mikrostrukturierung eine besonders geringe Härte aufweist. Dadurch kann sich ebenfalls beim Verschrauben der beiden Kontaktelemente miteinander ein besonders geringer Kontaktwiderstand einstellen. Dies ist beispielsweise im Gegensatz zu einem Erzeugen einer Mikrostrukturierung durch ein Prägeverfahren zu sehen, bei dem es zu einer Verhärtung bzw. Kaltverfestigung der geprägten Kontaktfläche kommen kann. Zudem können beim Prägen typischerweise keine oder weniger spitze oder gratartige Strukturen erzeugt werden als bei der hier vorgeschlagenen laserbasierten Mikrostrukturierung. Diese beiden Effekte wirken sich jeweils nachteilig auf das Kontaktverhalten aus, können aber in dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht zudem darin, dass der Effekt, dass durch die durch Laserbestrahlung erzeugte Mikrostrukturierung letztlich ein verbessertes Kontaktverhalten, beispielsweise ein besonders geringer Kontaktwiderstand, erreicht werden kann, auch langfristig nach dem Erzeugen der Mikrostrukturierung erhalten bleibt. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn die derart mikrostrukturierte Kontaktfläche nicht gegen Oxidation geschützt, also beispielsweise nicht verzinnt ist. Dadurch kann die Mikrostrukturierung beispielsweise unmittelbar bei oder im Rahmen der ursprünglichen Herstellung oder Fertigung der Kontaktelemente erfolgen. Danach kann in der Praxis oftmals eine längere Zeit - beispielsweise mehrere Tage, Wochen oder Monate - vergehen, bis die gefertigten Kontaktelemente tatsächlich weiterverwendet, hier also zum Herstellen der elektrischen Kontaktierung miteinander verbunden werden. Da auch in einem solchen Szenario durch die vorliegende Erfindung letztlich ein besonders gutes Kontaktverhalten erreicht werden kann, kann das erfindungsgemäße Verfahren eine besonders einfache, flexible und kostengünstige Logistik für das Herstellen der elektrischen Kontaktierung bzw. einer mit den entsprechend verbundenen Kontaktelementen ausgestatteten Vorrichtung ermöglicht werden.
Die hier vorgeschlagene laserbasierte Mikrostrukturierung zum Verbessern des Kontaktverhaltens der Kontaktelemente ist im Vergleich zu anderen Oberflächenbearbeitungsverfahren schnell, kostengünstig und praktikabel anwendbar und beispielsweise auch für Großserienanwendungen geeignet. Dies ist beispielsweise im Gegensatz zu einer Oberflächenstrukturierung der Kontaktflächen durch Mikrofräsen zu sehen, was zwar hinsichtlich des Kontaktverhalten ebenfalls gute Ergebnisse liefern kann, jedoch typischerweise aufwendiger, langsamer und/oder kostenintensiver ist als die hier vorgeschlagene Laserbearbeitung bzw. Laserstrukturierung.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass es sich um ein besonders nachhaltiges Verfahren handelt, da beispielsweise galvanische Prozesse und der Einsatz entsprechender Beschichtungsmaterialien, wie etwa Nickel und Zinn, reduziert oder ganz eingespart werden können. Auch fallen bei der Laserbearbeitung der wenigstens einen Kontaktfläche typischerweise etwa im Gegensatz zum Fräsen keine oder weniger Materialspäne an.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das durch die laserbasiert mikrostrukturierte Kontaktfläche erreichbare Kontaktverhalten besonders stabil ist. Mit anderen Worten kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine besonders geringe Streuung des Kontaktverhalten über eine Vielzahl von Kontaktelementen bzw. entsprechenden elektrischen Kontaktierungen hinweg erreicht werden, insbesondere zumindest im Wesentlichen unabhängig von einem Alter oder einer Lagerungsdauer der Kontaktelemente. Dies kann wiederum eine entsprechend enge und genaue Auslegung von Einrichtungen, in denen die elektrische Kontaktierung bzw. die beiden elektrisch leitfähig miteinander verbundenen Kontaktelemente verwendet werden, ermöglichen. Dies kann zu einer weiteren Kostenreduzierung sowie zu einer erhöhten Zuverlässigkeit und Effizienz entsprechender Einrichtungen beitragen. So muss beispielsweise eine Strom- oder Spannungsversorgung oder auch eine Kühlung nicht hinsichtlich des durchschnittlichen Kontaktverhaltens anderer stärker streuender Kontaktelemente überdimensioniert werden, um etwa schlechtere Kontaktverhalten bzw. größere Kontaktwiderstände bei der Verwendung älterer und entsprechend stark oxidierter Kontaktelemente zu berücksichtigen bzw. aufzufangen.
Als die Kontaktelemente können beispielsweise Stromschienen verwendet werden. Eine entsprechende elektrische Kontaktierung solcher Stromschienen kann in einer Leistungselektronik, beispielsweise einem Inverter einer elektrischen Maschine oder einer Hochvoltbatterie oder dergleichen, verwendet werden. Bei derartigen Anwendungen, insbesondere in einem Fahrzeug, können sowohl besonders große Effizienz und geringe Kosten einer Logistik und Herstellung als auch besonders gute elektrische Kontaktierungen mit einem besonders geringen Kontaktwiderstand zum Erreichen einer möglichst großen Betriebseffizienz angestrebt werden. Die vorliegende Erfindung kann einen besonders guten Kompromiss zwischen diesen ansonsten oftmals gegensätzlichen Anforderungen bieten.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die Kontaktelemente jeweils wenigstens ein Schraubloch auf, das die jeweilige Kontaktfläche, insbesondere senkrecht zu deren Haupterstreckungsebene, durchgreift. Die Mikrostrukturierung wird dann so erzeugt bzw. das Schraubloch derart angeordnet, dass die Mikrostrukturierung der wenigstens einen mittels der Laserbestrahlung mikrostrukturierten Kontaktfläche letztlich um das Schraubloch herum angeordnet oder ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Verschraubung also in einem mittigen oder zentralen Bereich der wenigstens einen mikrostrukturierten Kontaktfläche, insbesondere beider Kontaktflächen, erfolgen bzw. angeordnet sein. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann ein besonders hoher und über die Kontaktflächen hinweg besonders gleichmäßiger Anpressdruck beim Verschrauben der beiden Kontaktelemente miteinander erreicht werden. Dies kann zu einem entsprechend guten und gleichmäßigen Kontaktverhalten über die gesamte Ausdehnung der Kontaktflächen hinweg führen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden durch die Laserbestrahlung zumindest als Teil der Mikrostrukturierung Vertiefungen und Aufwerfungen erzeugt. Die Vertiefungen ragen dabei bis unter ein ursprüngliches, also vor der Laserbestrahlung gegebenes Niveau der jeweiligen bzw. wenigstens einen mikrostrukturierten Kontaktfläche in diese hinein. Die Aufwerfungen ragen hingegen über das ursprüngliche Niveau der Kontaktfläche hinaus, in bestimmungsgemäßer Einbaulage also in Richtung der Kontaktfläche des anderen Kontaktelements. Die Aufwerfungen sind also Erhebungen. Insbesondere können die Aufwerfungen dabei spitz oder gratartig sein bzw. geformt sein. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann besonders zuverlässig sichergestellt werden, dass es beim Verschrauben der Kontaktelemente zu plastischen Verformungen kommt, insbesondere über eine ausreichende Teilfläche der mikrostrukturierten Kontaktfläche hinweg. Zudem kann eine besonders gute bzw. definierte, also vorgegebene Ausbildung und Lokalisierung tatsächlicher Kontaktpunkte bzw. Mikrokontakte, über die im Betrieb zumindest ein Großteil des Stromflusses von dem einen Kontaktelement zu dem anderen Kontaktelement erfolgt, erreicht werden. So können sich entsprechende Kontaktpunkte oder Mikrokontakte insbesondere an den Aufwerfungen bilden. Durch die Ausbildung der Vertiefungen kann hingegen sichergestellt werden, dass durch den in der Praxis limitierten Anpressdruck dieser gerade im Bereich der Aufwerfungen zuverlässig besonders bzw. groß genug ist, um dort die plastische Verformung zu ermöglichen. Zudem kann jeweils eine Vertiefung, die neben einer der Aufwerfungen angeordnet ist, dem plastifizierten Material Raum zur Verformung bieten. Insgesamt kann so ein besonders günstiges Kontaktverhalten erreicht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden durch die Laserbestrahlung als die Mikrostrukturierung oder zumindest als Teil der Mikrostrukturierung eine Vielzahl von Rinnen erzeugt. Diese Rinnen sind dabei längs- bzw. länglich erstreckt und verlaufen zumindest im Wesentlichen parallel zueinander in der Haupterstreckungsebene der jeweiligen mikrostrukturierten Kontaktfläche. Die hier vorgesehenen Längsrinnen können die an anderer Stelle genannten durch die Laserbestrahlung erzeugten Vertiefungen sein oder diesem entsprechen oder zumindest einen Teil dieser Vertiefungen ausmachen. Es hat sich gezeigt, dass durch eine hier vorgeschlagene rinnenartige Mikrostrukturierung auf besonders einfache Weise ein günstiges Kontaktverhalten erreicht werden kann. Die parallele Anordnung der Rinnen kann - beispielsweise im Vergleich zu komplexeren oder unregelmäßigen Mikrostrukturierungsmustern - besonders schnell und einfach gefertigt werden. So kann beispielsweise eine zum Erzeugen der Mikrostrukturierung verwendete Lasereinrichtung in günstiger und effizienter Weise in einer linearen Bewegung über die zu strukturierende Kontaktfläche geführt werden, um die Rinnen zu erzeugen.
Grundsätzlich können aber ebenso andere Strukturen oder Muster der Mikrostrukturierung vorgesehen werden, wie etwa Punktmuster, Spiralmuster und/oder dergleichen mehr. Damit bietet die vorliegende Erfindung entsprechende Flexibilität zur Anpassung an jeweilige Gegebenheiten und Anforderungen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Mikrostrukturierung durch Laserbestrahlung der nach der Herstellung oder Fertigung des entsprechenden wenigstens einen Kontaktelements gegebenen unbeschichteten Oberfläche der Kontaktfläche des wenigstens einen Kontaktelements erzeugt. Mit anderen Worten wird die Laserbestrahlung zur Mikrostrukturierung also auf eine rohe, insbesondere galvanisch unbehandelte blanke oder auf natürliche Weise oxidierte, Oberfläche angewendet. Die Kontaktfläche des wenigstens einen Kontaktelements ist also eine Außenseite oder Außenoberfläche eines Haupt- oder Kernmaterial des jeweiligen Kontaktelements. Auch wird diese gegebenenfalls oxidierte Kontaktfläche beispielsweise weder vor dem Erzeugen der Mikrostrukturierung noch vor dem Verschrauben mit dem jeweils anderen Kontaktelement abgeschliffen oder auf sonstige Weise bearbeitet oder behandelt, um eine gegebenenfalls vorhandene Oxidschicht zu entfernen. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine besonders einfache Herstellung und Handhabung sowohl der Kontaktelemente als auch der letztendlichen elektrischen Kontaktierung. Damit können entsprechende Kosten, die in herkömmlichen Verfahren anfallen, eingespart und eine demgegenüber verbesserte Nachhaltigkeit erreicht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird nur eines der beiden Kontaktelemente im Rahmen von dessen Herstellung oder Fertigung im Bereich seiner Kontaktfläche mit einer oxidationshemmenden Beschichtung versehen. Eine solche oxidationshemmenden Beschichtung kann beispielsweise eine Zinnschicht sein, die galvanisch auf ein Haupt- oder Kernmaterial des Kontaktelements oder außenseitig auf eine zuvor auf das Haupt- oder Kernmaterial aufgebrachte Zwischenschicht aufgebracht wird. Wenn es sich bei dem Haupt- oder Kernmaterial um Kupfer handelt, so kann auf dieses beispielsweise zunächst eine Zwischenschicht aus Nickel aufgebracht werden, auf die dann außenseitig, also auf einer von dem Kupfer abgewandten Seite oder Oberfläche, die Zinnschicht aufgebracht wird. Eine derartige Ausgestaltung kann die Bildung einer Oxidschicht an der Oberfläche oder Außenseite des Haupt- oder Kernmaterial, hier also beispielsweise das Ausbilden einer Kupferoxidschicht, verhindern oder hemmen. Dies kann sich günstig auf das letztliche Kontaktverhalten auswirken, da Kupferoxid elektrisch isolierend wirkt, die oxidationshemmenden Beschichtung, insbesondere eine entsprechende Zinnschicht oder Verzinnung, aber eine dauerhaft gute elektrische Leitfähigkeit beibehalten kann. Weiter ist hier vorgesehen, dass nur die Kontaktfläche des anderen Kontaktelements, dessen Kontaktfläche also keine künstlich aufgebrachte Beschichtung aufweist, mittels der Laserbestrahlung mikrostrukturiert, also mit der Mikrostrukturierung versehen wird. Mit anderen Worten werden hier zum Herstellen der elektrischen Kontaktierung also eine unbeschichtete mikrostrukturierte Kontaktfläche und eine oxidationshemmend beschichtete aber unstrukturierte, also nicht künstlich mikrostrukturierte Kontaktfläche miteinander verbunden. Dabei können insbesondere beide Kontaktelemente aus dem gleichen Haupt- oder Kernmaterial, beispielweise Kupfer oder Aluminium oder dergleichen, gefertigt sein bzw. - abgesehen von der Beschichtung des einen Kontaktelements - bestehen.
Es hat sich gezeigt, dass durch die hier vorgeschlagene unterschiedliche Ausgestaltung der Kontaktflächen überraschenderweise ein besonders gutes Kontaktverhalten, also ein besonders geringer Kontaktwiderstand erreicht werden kann. Dieser kann insbesondere ähnlich sein wie ein Kontaktwiderstand, der bei einem Verbinden zweier verzinnter Kontaktflächen, insbesondere ohne Mikrostrukturierung, erreicht werden kann. Dabei kann jedoch der Zeit-, Kosten-, Material- und Herstellungsaufwand für die galvanische Kontaktflächenbeschichtung halbiert werden. Demgegenüber ist das laserbasierte Erzeugen der Mikrostrukturierung der anderen Kontaktfläche bzw. der anderen Hälfte der Kontaktelemente vergleichsweise kostengünstig und aufwandsarm möglich. Insgesamt kann durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung also ein in Richtung von etwas mehr Aufwand aber auch verbessertem Kontaktverhalten verschobener Kompromiss zwischen der Verzinnung jeweils beider Kontaktflächen und der Mikrostrukturierung beider Kontaktflächen ohne galvanische Beschichtung realisiert werden.
In einer alternativen möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden beide der miteinander zu verbindenden Kontaktflächen zum Erzeugen einer jeweiligen Mikrostrukturierung laserbestrahlt, also laserbearbeitet. Mit anderen Worten wird werden also die Kontaktflächen beider Kontaktelemente mikrostrukturiert. Dabei können insbesondere beide Kontaktflächen bzw. Kontaktelemente galvanisch unbeschichtet oder unbehandelt bleiben. Gemäß einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis kann durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung allein durch die Mikrostrukturierung der beiden Kontaktflächen auch ohne oxidationshemmende galvanische Beschichtung ein besseres Kontaktverhalten erreicht werden als etwa zwischen zwei galvanisch unbeschichteten Oberflächen ohne Mikrostrukturierung und auch als etwa zwischen zwei galvanisch unbeschichteten Oberflächen, von denen nur eine mikrostrukturiert ist. Durch die Mikrostrukturierung beider Kontaktflächen kann noch genauer definiert oder vorgegeben werden, wo sich bei dem Verschrauben tatsächliche im Betrieb stromführende Kontaktpunkte bzw. Mikrokontakte ausbilden. Zudem kann es dann bei dem Verschrauben an beiden Kontaktflächen zu einer plastischen Verformung und zum Aufbrechen gegebenenfalls vorhandener Oxidschichten kommen.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind oder umfassen die Mikrostrukturierungen beider Kontaktflächen in der Haupterstreckungsebene der jeweiligen Kontaktfläche längserstreckte zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende längliche Strukturen. Diese länglichen Strukturen können beispielsweise die an anderer Stelle genannten Vertiefungen oder Rinnen sein oder diesen entsprechen. In der hier vorgeschlagenen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Mikrostrukturierungen der beiden Kontaktflächen so erzeugt und/oder die mit den länglichen Strukturen mikrostrukturierten Kontaktflächen bzw. Kontaktelemente so relativ zueinander ausgerichtet zum Verschrauben aneinander angeordnet werden, dass die Längsrichtungen bzw. Längserstreckungsrichtungen der länglichen Strukturen der Mikrostrukturierungen der beiden Kontaktflächen unterschiedlich ausgerichtet sind. Mit anderen Worten verlaufen dann also die länglichen Strukturen bzw. die Längsrichtungen der die länglichen Strukturen der einen Kontaktfläche in einem von 0° und 180° verschiedenen Winkel zu den die länglichen Strukturen der anderen Kontaktfläche bzw. zu deren Längsrichtungen.
Insbesondere können die länglichen Strukturen bzw. die Längsrichtungen der länglichen Strukturen der beiden Kontaktflächen zumindest im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet bzw. ausgerichtet sein, also verlaufen. Damit können die länglichen Strukturen der beiden Kontaktflächen also ein Raster, Kreuzungsmuster oder Schachbrettmuster bilden. Damit ergeben sich also beim Verschrauben der beiden Kontaktelemente miteinander Kreuzungspunkte der Mikrostrukturierungen, an denen sich jeweils eine längliche Struktur der einen Kontaktfläche oder Mikrostrukturierung und eine längliche Struktur der anderen Kontaktfläche oder Mikrostrukturierung kreuzen oder schneiden. Dadurch kann erreicht werden, dass es nur oder zumindest primär an diesen Kreuzungspunkten zu plastischen Verformungen und zur Ausbildung tatsächlicher im Betrieb stromführender Kontaktpunkte bzw. Mikrokontakte kommt. Dadurch kann letztlich ein besonders gutes und über die Ausdehnung der Kontaktflächen hinweg besonders gleichmäßiges Kontaktverhalten, beispielsweise eine im Betrieb besonders gleichmäßige Stromdichte, erreicht werden. Insbesondere kann durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine besonders definierte und gleichmäßige Ausbildung der tatsächlichen Kontaktpunkte bzw. Mikrokontakte und damit auch ein besonders stabiles Kontaktverhalten über eine Vielzahl entsprechend hergestellter und miteinander verschraubter Paare von Kontaktelementen hinweg, beispielsweise auch bei unterschiedlichen Altern oder Lagerungsdauern der Kontaktelemente, erreicht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die wenigstens eine Mikrostrukturierung mittels einer Lasereinrichtung oder Laseranordnung erzeugt, die mehrere relativ zueinander lagefeste Teil- oder Einzellaser umfasst. Damit werden also mehrere Strukturen, beispielsweise mehrere der an anderer Stelle genannten parallel verlaufenden Vertiefungen oder Rinnen, beim Erzeugen der Mikrostrukturierung gleichzeitig erzeugt. Die einzelnen Laser können beispielsweise so angeordnet bzw. ausgerichtet sein, dass die von Ihnen im Betrieb ausgesendeten Laserstrahlen parallel zueinander verlaufen bzw. parallel zueinander auf die jeweilige Kontaktfläche treffen, um dort die Mikrostrukturierung zu erzeugen. Durch die Verwendung einer solchen Lasereinrichtung mit mehreren Einzellasern kann die Mikrostrukturierung besonders schnell und effizient, beispielsweise in einem einzigen Arbeitsschritt erzeugt werden, etwa mit einer einzigen Bewegung der Lasereinrichtung über die jeweilige Kontaktfläche hinweg. Damit wird also insgesamt eine besonders schnelle, effiziente und kostengünstige Herstellung der mikrostrukturierten Kontaktelemente und damit letztlich der entsprechenden elektrischen Kontaktierung ermöglicht.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das eine elektrische Antriebseinrichtung aufweist. Diese elektrische Antriebseinrichtung kann beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine und eine damit gekoppelte Batterie, insbesondere ein Hochvolt- oder Traktionsbatterie, sein oder umfassen. Die Antriebseinrichtung weist dabei wenigstens eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte elektrische Kontaktierung zweier elektrisch leitfähiger Kontaktelemente, insbesondere zweier Stromschienen, auf. Diese können beispielsweise in einem Inverter zur Versorgung der elektrischen Maschine angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte Fahrzeug sein oder diesem entsprechen. Die Verwendung der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kontaktelemente bzw. der entsprechenden elektrischen Kontaktierung in einer Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs kann einen besonders günstigen Anwendungsfall darstellen. So kann eine solche Anwendung einen Transport relativ großer elektrischer Ströme bzw. Leistungen erfordern und daher direkt von einem verbesserten Kontaktverhalten profitieren, beispielsweise indem Kühlungsaufwand eingespart und eine erhöhte Reichweite des Kraftfahrzeugs erreicht werden kann. Gleichzeitig ist eine solche Anwendung im Kraftfahrzeugbereich typischerweise besonders kostensensitiv, sodass die vorliegende Erfindung dort auch unter diesem Aspekt besonders nutzbringend eingesetzt werden kann.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine ausschnittweise schematische Perspektivdarstellung zweier in einer elektrischen Kontaktierung miteinander verbundener Stromschienen;
2 eine ausschnittweise schematische Perspektivdarstellung einer Stromschiene mit einer mikrostrukturierten Kontaktfläche;
3 eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Ausrichtung der Mikrostrukturierungen der Kontaktflächen der Stromschienen relativ zueinander; und
4 eine ausschnittweise schematische Perspektivdarstellung einer Stromschiene mit einer mikrostrukturierten Kontaktfläche mit einem Schraubloch.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Für viele technische Anwendungen spielen elektrische Kontakte und deren Eigenschaften bzw. Kontaktverhalten eine wichtige Rolle. Zur Veranschaulichung zeigt 1 beispielhaft eine ausschnittweise schematische Perspektivansicht einer Leiteranordnung 1 mit zwei elektrisch leitend miteinander verbundenen Stromschienen 2. Die beiden Stromschienen 2 sind hier also Flächenkontakte oder flächige Kontaktelemente, die in einem Überlappungsbereich aneinander anliegend angeordnet und miteinander verbunden sind und somit dort eine elektrische Kontaktierung 3 ausbilden. Die beiden Stromschienen 2 sind dabei mittels einer Schraube 4 miteinander verbunden, also miteinander verschraubt. Insbesondere ist dabei die Schraube 4 im Bereich der elektrischen Kontaktierung 3 angeordnet.
Bei den Stromschienen 2 kann es sich beispielsweise um Kupferstromschienen handeln, wie sie etwa in einer Leistungselektronik, einem elektrischen Antrieb, einer Hochvoltbatterie oder dergleichen eingesetzt werden können.
Zum Optimieren der elektrischen Kontaktierung 3, beispielsweise hinsichtlich eines möglichst geringen Kontaktwiderstands, einer möglichst gleichmäßig über die Fläche der elektrischen Kontaktierung 3 verteilte Stromführung oder Stromdichte und einer verbesserten Stabilität bzw. einer möglichst geringen Streuung über eine Vielzahl von entsprechenden Leiteranordnungen 1 hinweg, können die Stromschienen 2 zumindest in dem Überlappungsbereich bearbeitet werden bzw. bearbeitet sein, bevor sie zu der Leiteranordnung 1 verbunden werden.
Dazu zeigt 2 eine ausschnittweise schematische Perspektivansicht einer der Stromschienen 2. Dabei ist eine mikrostrukturierte Kontaktfläche 5 der Stromschiene 2 erkennbar. Diese Kontaktfläche 5 ist im Bereich der elektrischen Kontaktierung 3 der jeweils anderen Stromschiene 2 zugewandt. Die Kontaktfläche 5 ist durch Laserbestrahlung, also Laserbearbeitung mit einer Mikrostrukturierung 6 versehen. Diese Mikrostrukturierung 6 umfasst hier beispielhaft eine Vielzahl in der Kontaktfläche 5 zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufender länglicher Strukturen. Diese umfassen Vertiefungen 7 und Erhebungen 8, jeweils bezogen auf ein ursprüngliches Niveau 9 der Kontaktfläche 5, wie es beispielsweise vor dem Erzeugen der Mikrostrukturierung 6 gegeben war. Die Vertiefungen 7 können beispielsweise eine Tiefe zwischen 150 µm und 300 µm und senkrecht zur ihrer Längsrichtung einen Abstand von beispielsweise 300 µm bis 800 µm aufweisen. Ebenso können andere Dimensionierungen möglich sein.
Die Mikrostrukturierung 6 ist hier rein schematisch dargestellt und kann in der Praxis unter dem Mikroskop betrachtet anders aussehen. Ein letztliche genaues Aussehen der Mikrostrukturierung 6 kann beispielsweise vom Werkstoff der jeweiligen Stromschiene 2, einer Leistung, einer Einstrahldauer oder auch eines Einstrahlwinkels des zum Erzeugen der Mikrostrukturierung 6 verwendeten Lasers und/oder dergleichen mehr abhängen. Durch die Laserbearbeitung kann jedoch die Kontaktfläche 5 derart umgearbeitet werden, dass dort spitze oder gratartige Erhebungen 8 erzeugt werden.
Um ein besonders gutes Kontaktverhalten der elektrischen Kontaktierung 3 zu erreichen, wird die Mikrostrukturierung 6 durch Laserbestrahlung bzw. Laserbearbeitung erzeugt. Dabei kann ein Laser oder ein Laserarray, also eine Anordnung aus mehreren parallelen Lasern, in einer letztlich der Längsrichtung oder Längserstreckung der Vertiefungen 7 und Erhebungen 8 entsprechenden Richtung über die Kontaktfläche 5 bzw. relativ zu der Kontaktfläche 5 bewegt werden. Dabei wird der Werkstoff der Kontaktfläche 5 bereichsweise zumindest teilweise aufgeschmolzen und umgearbeitet, sodass sich letztlich die Mikrostrukturierung 6 ergibt.
Zum Erzeugen der Mikrostrukturierung kann bei einer Ausgestaltung der jeweiligen Stromschiene 2 aus einem Kupfermaterial beispielsweise gepulste Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 1030 nm, einer Pulsdauer von etwa 30 ns, einer Pulsenergie von etwa 20 mJ verwendet werden. Ebenso können aber andere Laserparameter möglich sein.
Es können die Kontaktflächen 5 einer oder beider der Stromschienen 2 entsprechend mikrostrukturiert werden. Für den Fall, dass die Kontaktflächen 5 beider Stromschienen 2 laserbasiert mikrostrukturiert werden, können unterschiedliche Ausrichtungen der Längsrichtungen der Mikrostrukturierungen 6 vorgesehen werden.
Dies ist schematisch in 3 veranschaulicht. Dort ist ein sich ergebendes Muster der Mikrostrukturierungen 6 im Bereich der elektrischen Kontaktierung 3 schematisch angedeutet. Mehrere längliche bzw. längserstreckte Strukturen einer ersten Mikrostrukturierung 10 einer ersten der Stromschienen 2 und längliche bzw. längserstreckte Strukturen einer zweiten Mikrostrukturierung 11 einer zweiten, also der anderen Stromschiene 2 sind hier in einem Gitter-, Raster- oder Schachbrettmuster angeordnet bzw. ausgerichtet. Mit anderen Worten verlaufen die Längsrichtungen der rinnenartigen Vertiefungen 7 und der Erhebungen 8 der einen Stromschiene bzw. der einen Kontaktfläche 5 zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Längsrichtungen der rinnenartigen Vertiefungen 7 und Erhebungen 8 der anderen Stromschiene bzw. der anderen Kontaktfläche 5. Damit ergeben sich also eine Vielzahl von Kreuzungspunkten 12, an denen sich jeweils eine Erhebung 8 der ersten Mikrostrukturierung 10, also der Mikrostrukturierung 6 der einen Stromschiene 2, und eine Erhebung 8 der zweiten Mikrostrukturierung 11, also der Mikrostrukturierung 6 der anderen Stromschiene 2, treffen bzw. kreuzen. Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur eine repräsentative Auswahl der Kreuzungspunkte 12 explizit gekennzeichnet.
An diesen Kreuzungspunkten 12 finden beim Verschrauben der beiden Stromschienen 2 mittels der Schraube 4 durch den dabei entstehenden oder gegebenen Anpressdruck plastische Verformungen sowie gegebenenfalls ein Aufbrechen einer Oxidschicht an der jeweiligen Oberfläche statt. Dadurch bilden sich an den Kreuzungspunkten 12 im Betrieb stromführende Kontaktpunkte oder Mikrokontakte aus, die letztlich für ein besonders gutes Kontaktverhalten und einen besonders geringen Kontaktwiderstand der elektrischen Kontaktierung 3 sorgen.
4 zeigt eine ausschnittweise schematische Perspektivdarstellung einer Stromschiene 2 in einer weiteren Variante. Hier ist die Kontaktfläche 5 mit der darin oder daran ausgebildeten Mikrostrukturierung 6 erkennbar. Die Kontaktfläche 5 bzw. die Mikrostrukturierung 6 umgibt dabei ringförmig ein zentrales Schraubloch 13. Dieses kann beim Herstellen der entsprechenden Leiteranordnung 1 von der jeweiligen Schraube 4 durchgegriffen werden. Durch die zentrale Anordnung des Schraublochs 13 in der Kontaktfläche 5 kann über deren Fläche hinweg ein besonders gleichmäßiger Anpressdruck beim Verschrauben erzeugt werden.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie laserstrukturierte Schraubkontakte realisiert und für eine kostengünstige Herstellung elektrischer Kontakte mit besonders günstigen Kontakteigenschaften bzw. besonders günstigem Kontaktverhalten eingesetzt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Leiteranordnung
2: Stromschiene
3: elektrische Kontaktierung
4: Schraube
5: Kontaktfläche
6: Mikrostrukturierung
7: Vertiefung
8: Erhebung
9: ursprüngliches Niveau
10: erste Mikrostrukturierung
11: zweite Mikrostrukturierung
12: Kreuzungspunkte
13: Schraubloch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016110628 A1 [0002]
DE 102018119844 A1 [0003]
EP 3249750 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Kontaktierung (3) zwischen einander zugewandten Kontaktflächen (5) zweier elektrisch leitfähiger Kontaktelemente (2), in dem - an wenigstens einer der Kontaktflächen (5) durch Laserbestrahlung eine vorgegebene Mikrostrukturierung (6) erzeugt wird, - die beiden Kontaktelemente (2) derart aneinander angeordnet werden, dass ihre Kontaktflächen (5) aneinander anliegen, - die beiden Kontaktelemente (2) miteinander verschraubt werden, wobei durch das Verschrauben ein vorgegebener Anpressdruck der beiden Kontaktflächen (5) aneinander erzeugt wird, der eine zumindest teilweise plastische Verformung der Mikrostrukturierung (6) der wenigstens einen Kontaktfläche (5) bewirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (2) jeweils wenigstens ein Schraubloch (13), das die jeweilige Kontaktfläche (5), insbes. senkrecht zu deren Haupterstreckungsebene, durchgreift, aufweisen und die Mikrostrukturierung (6) um das Schraubloch (13) der wenigstens einen mittels der Laserbestrahlung mikrostrukturierten Kontaktfläche (5) herum erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Laserbestrahlung als Teil der Mikrostrukturierung (6) Vertiefungen (7), die bis unter das ursprüngliche Niveau (9) der Kontaktfläche (5) hineinragen, und Aufwerfungen (8), die über das ursprüngliche Niveau der Kontaktfläche (5) hinausragen, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Laserbestrahlung zumindest als Teil der Mikrostrukturierung (6) eine Vielzahl von in der Haupterstreckungsebene der jeweiligen Kontaktfläche (5) längserstreckten zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Rinnen (7) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung (6) durch Laserbestrahlung der nach der Herstellung des entsprechenden wenigstens einen Kontaktelements (2) gegebenen unbeschichteten Oberfläche der Kontaktfläche (5) des wenigstens einen Kontaktelements (2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur eines der beiden Kontaktelemente (2) im Rahmen von dessen Herstellung im Bereich seiner Kontaktfläche (5) mit einer oxidationshemmenden Beschichtung versehen wird und nur die Kontaktfläche (5) des anderen Kontaktelements (2) mit der Mikrostrukturierung (6) versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kontaktflächen (5) zum Erzeugen einer jeweiligen Mikrostrukturierung (6, 10, 11) laserbestrahlt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierungen (6, 10, 11) der beiden Kontaktflächen (5) in der Haupterstreckungsebene der jeweiligen Kontaktfläche (5) längserstreckte zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende längliche Strukturen (7, 8) umfassen und die Mikrostrukturierungen (6, 10, 11) so erzeugt und/oder die Kontaktflächen (5) so relativ zueinander ausgerichtet zum Verschrauben aneinander angeordnet werden, dass die Längsrichtungen der länglichen Strukturen (7, 8) der Mikrostrukturierungen (6, 10, 11) der beiden Kontaktflächen (5) unterschiedlich, insbesondere senkrecht zueinander, ausgerichtet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung (6) mittels einer Lasereinrichtung erzeugt wird, die mehrere relativ zueinander lagefeste Einzellaser umfasst.
Kraftfahrzeug, aufweisend eine elektrische Antriebseinrichtung, die eine gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellte elektrische Kontaktierung (3) zweier elektrisch leitfähiger Kontaktelemente (2), insbesondere zweier Stromschienen (2), aufweist.