DE202011106222U1

DE202011106222U1 - Bimetallischer Terminaladapter

Info

Publication number: DE202011106222U1
Application number: DE202011106222U
Authority: DE
Original assignee: EV ENGINEERING Ltd
Current assignee: EV ENGINEERING Ltd
Priority date: 2011-10-01
Filing date: 2011-10-01
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2021-10-02

Abstract

Bimetallischer Adapter zur elektrischen Kontaktierung von Batteriekontakten mit Leiterbahnen, dadurch gekennzeichnet, dass der bimetallische Adapter (11) aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialzonen (7; 8) besteht, von denen eine erste Materialzone (7) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, die schweißbar mit aus Aluminium und/oder Aluminiumlegierungen bestehenden Batteriekontakten verbunden werden kann und dass eine zweite Materialzone (8) des bimetallischen Adapters (11) aus Kupfer und/oder einer Kupferlegierung besteht, welche eine Kontaktoberfläche für einen elektrischen Schraub- oder Klemmkontakt bereitstellt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die elektrische Verbindung zwischen Batteriezellen oder Kondensatoren und elektrischen Leiterbahnen. Sie ist insbesondere für Hochstromanwendungen geeignet. Die vorliegende Erfindung löst das grundlegende Problem von Langzeiteinflüssen, die zur Ermüdung des elektrischen Kontaktes durch Kriechen oder Korrosion der Materialien führen.
Seit dem frühesten Einsatz von Batteriezellen in industriellen oder anderen Anwendungen stellt sich die Herausforderung einer sicheren elektrischen Verbindung zwischen den Anschlüssen der Batteriezellen und der mit elektrischer Energie zu versorgenden Einrichtungen. Dies ist umso kritischer, je grösser der zu transportierende Strom ist und je grösser die mechanischen und thermischen Beanspruchungen des elektrischen Kontaktes sind. Zahlreiche Werkstoffe sowie konstruktive Ausführungen für diese Art von Anschlüssen sind bekannt, wie z. B. Blei, Stahl, Kupfer oder Aluminium.
Üblicherweise werden Schraub-, Klemm- oder Schweißkontakte verwendet, um die Anschlüsse der Zellen mit elektrischen Leiterbahnen zu verbinden.
Aus Kosten- und Gewichtsgründen findet Aluminium eine immer größer werdende Anwendung für den Einsatz als Anschlusskontakt in Batteriezellen aber auch als Leiterbahn. Jedoch ist der Einsatz von Aluminiumwerkstoffen in Leiterbahnen oder elektrischen Kontakten verbunden mit werkstoffbedingten Nachteilen. Diese Nachteile sind im Wesentlichen das hohe Kriechpotenzial von Aluminium sowie die Neigung zur Oberflächenkorrosion, was insbesondere im Bereich der elektrischen Kontaktzone nachteilig ist, da hierdurch der elektrische Kontaktwiderstand mit der Zeit ansteigt und zur Schädigung bis hin zur Zerstörung des elektrischen Kontaktes führen kann. Besonders minderwertige konstruktive Ausführungen eines solchen Kontaktes sind bekannt. Beispielsweise verwenden manche Batterien Anschlüsse aus Reinaluminium, in welche Gewindestifte integriert sind, die ebenfalls aus Aluminium oder Reinaluminium gefertigt sind. Eine solche geschraubte Kontaktverbindung kann nur mit einem geringen Anfangsmoment belastet werden, was bereits zu einer geringen Flächenpressung zu Beginn der Lebensdauer führt. Weiterhin führt die Ausführung aller Konstruktionselemente in Aluminium zu einer erhöhten Kriechneigung, sodass die Lebensdauer sowie Belastbarkeit derartiger Kontakte sehr gering ist.
Die Effekte des Kriechens und der Kontaktkorrosion sind in der elektrischen Energieversorgung bekannt. Es wurden besondere Schraubverbindungen entwickelt, die über eine lange Betriebszeit der Kriechneigung entgegenwirken und somit die mechanische Spannung in der Kontaktzone aufrechterhalten. Weiterhin wurden oberflächenaktive Additive wie beispielsweise Kontaktfette, entwickelt, die die Korrosionsneigung in der Kontaktzone minimieren.
Diese Art von Schraubverbindung sowie ihre konstruktive Gestaltung ist jedoch ungeeignet für Anwendungen in denen der geometrische Einbauraum minimal ist, beziehungsweise in welchen der Kontakt wiederholt geöffnet und wiederverschraubt werden soll. Dies trifft zum Beispiel für Anwendungen im Automobilbau zu.
Es ist bekannt, dass in derartigen Anwendungen bevorzugt Aluminiumleiterbahnen direkt auf die Aluminiumanschlüsse der Batteriezellen aufgeschweißt werden. Hierfür werden im Allgemeinen Laserschweißverfahren verwendet. Diese Verbindung zeichnet sich durch elektro-mechanische Robustheit aus, hat aber den Nachteil, dass sie unlösbar ist und im Allgemeinen einen hohen Aufwand an Material und Investment benötigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb in der Schaffung eines bimetallischen elektrischen Adapters, der insbesondere für den Einsatz an Batterien dienen soll und dabei der Adapter auf die Aluminiumkontakte von Batteriezellen aufgebracht werden kann und eine zuverlässige Konstruktion sowie Kontaktzone für eine Schraubverbindung zu einer anzuschließenden elektrischen Leiterbahn oder einem Kabelschuh zur Verfügung stellt und dabei das Problem des Materialkriechens sowie der Kontaktkorrosion minimiert.
Die beschriebene konstruktive Ausführung ist geeignet um einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zwischen Batterien mit Aluminiumanschlüssen und Leiterbahnen aus Werkstoffen wie beispielsweise Kupfer bereitzustellen. Die Verbindung verfügt über eine hohe mechanische Belastbarkeit und hervorragend geringe elektrische Kontaktwiderstände. Weiterhin kann das Bauteil zuverlässig im industriellen Maßstab gefertigt werden.
Das Prinzip von Batteriekontakten, die aus Aluminium oder Aluminium-Verbindungen gefertigt sind, ist in Bild 1 dargestellt. Eine Batteriezelle 1, in der Abbildung exemplarisch als rechteckiger Körper dargestellt, weist zwei elektrische Anschlusskontakte 2, 3 auf, wobei 2 der positive und 3 der negative Kontakt sein soll. Beide Kontakte 2 und 3 sind aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen gefertigt. Derartige Batterieausführungen werden beispielsweise in Batterien für Elektrofahrzeuge eingesetzt, in welchen die Batterien zu Modulen 4 gruppiert werden. Innerhalb der Module werden die elektrischen Verbindungen durch Leiterbahnen 5 realisiert, die ebenfalls aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellt sind und die mit den Kontakten der Batteriezellen unlösbar verschweißt werden (Bild 2). Üblicherweise wird hierfür ein Laserschweißverfahren verwendet, wobei die Verschweißung 6 nahtlos, mit oder ohne die Verwendung eines zusätzlichen Fülldrahts, erfolgt.
in Bild 3a, 3b und 3c wird ein bimetallischer Adapter 11 dargestellt, der aus mindestens zwei verschiedenen Materialzonen 7, 8 besteht, welche durch ein Reibschweißverfahren zusammengefügt wurden. Mindestens eine dieser Materialzonen 7, 8 ist dabei aus einem Material hergestellt, welches in einem weiteren Schweißverfahren auf Bauteile die aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen gefertigt sind, beispielsweise Batteriekontakte, aufgeschweißt werden kann. Mindestens eine dieser Materialzonen 7, 8 ist dabei aus einem Material hergestellt, welches hervorragende Eigenschaften für einen elektrischen Klemmkontakt aufweist. Dieser Klemmkontakt dient dazu, den Adapter in einer lösbaren Schraub- oder Klemmverbindung mit Leiterbahnen zu verbinden. Bevorzugt ist dieses Material Kupfer oder eine Kupferlegierung. Die Verwendung von Kupfer oder einer Kupferlegierung eliminiert hierbei die bekannten Nachteile des Materialkriechens wie bei der Anwendung von Aluminium.
Dieser bimetallische Adapter kann bevorzugt mittels einer einfachen Vorrichtung mittels Laserschweißverfahren auf die individuelle Batteriezelle aufgeschweißt werden. Die Aufschweißung auf den Batteriekontakt kann aber auch bereits zu einem früheren Zeitpunkt während der Batterieherstellung erfolgen. So kann dies beispielsweise bereits während des Fertigungsprozesses des Aluminiumkontaktes beziehungsweise der Aluminiumelektrode geschehen und daran anschließend kann die Kombination aus Aluminiumkontakt und bimetallischer Adapter als fertige Baugruppe in den Batteriefertigungsprozess eingefügt werden. Dies ist eine weiterführende Ausbaustufe der Erfindung und ermöglicht insbesondere den kostenoptimierten Einsatz in der Massenproduktion.
In einem solchen besonderen Anwendungsfall kann das Aluminium- oder Aluminiumlegierungsmaterial als konstruktive Merkmal des bimetallischen Adapters entfallen und weiterhin die Zwischenstufe des separaten Aufschweißens des bimetallischen Adapters auf den Aluminiumkontakt der Batteriezelle. Stattdessen kann die zweite Komponente des bimetallischen Adapters, die bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt ist, in einem Reibschweißverfahren oder einem anderen geeigneten Verfahren, direkt auf den Aluminiumkontakt der Batteriezelle aufgebracht werden.
Es ist möglich, die Kontakteigenschaften der Oberfläche des bimetallischen Adapters zu verändern, indem eine Schicht eines weiteren Materials 12 aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise eine Schicht aus Gold, Silber oder Zinn sein.
Die zwei Materialzonen 7, 8 des bimetallischen Adapters sind durch einen Reibschweißprozess zusammengefügt. Dies kann bevorzugt ein oszillierendes Reibschweißverfahren sein, um einen homogenen Energieeintrag in die Reibschweißoberflächen zu gewährleisten. Jedoch sind adere Verfahren ebenfalls als prozesstauglich anzusehen.
Weiterhin kann der bimetallische Adapter konstruktive Merkmale aufweisen, die den Schweißprozess zwischen dem Adapter und dem Aluminiumbatteriekontakt unterstützen, Dies kann insbesondere ein Radius sein, der mechanische Spannungen minimiert und die Führung eines Laserstrahls erleichtert. In der vertikalen Projektionsebene kann weiterhin die Oberfläche der beiden unterschiedlichen Materialzonen 7, 8 unterschiedlich sein, sodass die Materialzone 8, welche aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, optimiert ist für das Aufschweißverfahren auf den Batteriekontakt und je Materialzone 7, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt ist, optimiert ist für den mechanischen Schraub- oder Klemmkontakt zwischen dem Adapter und einer Leiterbahn (Bild 4a).
Bild 4b zeigt eine Ausführung, in welcher das konstruktive Merkmal einer Bohrung 9 beschrieben ist, durch welche ein Gewindebolzen oder eine Schraube 15 gesteckt werden kann, bevor der bimetallische Adapter auf den Aluminiumbatteriekontakt aufgeschweißt wird. Dieser Gewindestift 15 kann dann später benutzt werden, um die Leiterbahn oder einen Kabelschuh aufzuschrauben. Der Gewindestift 15 kann dabei von seiner Geometrie derart ausgeführt sein, dass er entweder in dem bimetallischen Adapter verdreht werden kann oder verdrehsicher eingelassen ist. Alternativ kann eine Schraubenmutter 14 eingelassen werden (Bild 4c), sodass in einem späteren Schritt eine Leiterbahn oder ein Kabelschuh mittels Schraube an den Adapter verschraubt werden kann.
Bild 5 zeigt eine Zusammenbauzeichnung eines derartigen bimetallischen Adapters, mit der Batterie unterhalb und der Leiterbahn 10 oberhalb des bimetallischen Adapters sowie der Verwendung eines Gewindebolzens, der in den Adapter eingelassen ist und einer Schraubenmutter, welche die Leiterbahn mit dem Adapter zusammenschraubt.
Bild 6a zeigt zwei weitere Ausführungen. Das besondere Merkmal dieser Ausführungen ist, dass beide Metallschichten des bimetallischen Kontaktes aus Blechen durch beispielsweise Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Stanzen sowie Biegen hergestellt werden können. Bild 6b zeigt eine weitere Variante dieser Ausführung, in welcher mehr als eine Kontaktzone zwischen den beiden verwendeten Metallen ausgebildet ist. Im Prinzip kann die Anzahl und Geometrie dieser Kontaktzone erweitert werden bis zur völligen Umhüllung der Bohrung. In Bild 6c ist die Achse der Schraubverbindung nicht senkrecht zur Oberfläche des Batteriekontakts. Diese Arten der Ausführung ermöglichen eine besonders kosteneffektive und flexible Herstellungsweise für beide Varianten, der Herstellung des kompletten bimetallischen Adapters mit der anschließenden Aufschweißung auf einen existierenden Batteriekontakt, oder alternativ, der Verwendung des oberen Teilstückes des bimetallischen Adapters und der direkten reibschweißgestützten Aufbringung auf den Batteriekontakt während eines Prozessschrittes der Batterieherstellung.
Bezugszeichenliste

1: Batterie-Zelle (mit quaderförmigem Gehäuse)
2: Positiver Batteriekontakt
3: Negativer Batteriekontakt
4: Batteriemodul in Draufsicht
5: Leiterbahn aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen
6: Schweißnaht
7: Metallschicht (Interface) aus Aluminium oder Aluminiumlegierung
8: Metallschicht (Interface) aus Kupfer oder Kupferlegierung, für verschraubbare elektrische Kontaktverbindung
9: Bohrung
10: Leiterbahn
11: Bimetallischer Adapter
12: Beschichtung
13: Reibgeschweißte intermetallische Verbindungszone
14: Mutter
15: Gewindestift/Schraube
16: Tasche/Eindrehung
17: Parallele Fläche 1
18: Parallele Fläche 2
19: Absatz beliebiger Höhe
20: Fläche 1
21: Fläche 2

Claims

Bimetallischer Adapter zur elektrischen Kontaktierung von Batteriekontakten mit Leiterbahnen, dadurch gekennzeichnet, dass der bimetallische Adapter (11) aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialzonen (7; 8) besteht, von denen eine erste Materialzone (7) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, die schweißbar mit aus Aluminium und/oder Aluminiumlegierungen bestehenden Batteriekontakten verbunden werden kann und dass eine zweite Materialzone (8) des bimetallischen Adapters (11) aus Kupfer und/oder einer Kupferlegierung besteht, welche eine Kontaktoberfläche für einen elektrischen Schraub- oder Klemmkontakt bereitstellt.
Bimetallischer Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Materialien der ersten und zweiten Materialzone (7; 8) eine durch ein Explosivschweiss- oder Bondverfahrens hergestellte Verbindungsschicht eingebracht ist.
Bimetallischer Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Materialien der ersten und zweiten Materialzone (7; 8) eine durch ein Reibschweißverfahrens hergestellte Verbindungschicht eingebracht ist.
Bimetallischer Adapter nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Materialien der ersten und zweiten Materialzone (7; 8) eine durch ein oszillierendes Reibschweißverfahren hergestellte Verbindungsschicht eingebracht ist.
Bimetallischer Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt Materialzone (7) eine Materialaussparung (16) aufweist, in der ein Schraubenkopf oder eine Schraubenmutter eingelassen werden kann.
Bimetallischer Adapter nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialaussparung (16) derart gestaltet ist, dass die eingelassene Schraubenmutter oder Schraube in direkten Flächenkontakt zur zweiten Materialzone (8) angeordnet ist.
Bimetallischer Adapter nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialaussparung (16) derart gestaltet ist, dass sie ein Verdrehen der eingelassenen Schraube oder der Schraubenmutter zulässt.
Bimetallischer Adapter nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialaussparung (16) derart gestaltet ist, dass sie ein Verdrehen der eingelassenen Schraube oder der Schraubenmutter verhindert.
Bimetallischer Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Materialzone (8) mindestens eine Bohrung (9) aufweist, durch welche eine Schraube oder ein Gewindestift (15) gesteckt werden kann.
Bimetallischer Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Materialzone (8) aus einem Biege- oder Stanzteil besteht, welches mindestens zwei parallele Flächen (17; 18) aufweist, die durch einen Absatz (19) von einer beliebigen Höhe zwischen 0 mm und 50 mm von einander versetzt sind, und mindestens die eine parallele Fläche (17) eine Bohrung (9) oder Gewindebohrung aufweist, durch welche eine Stromschiene mittels Schraubverbindung verbunden werden kann, und mindestens die andere parallele Fläche (18) mit der ersten Materialzone (7) verbunden ist.
Bimetallischer Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Materialzone (8) aus einem Biege- oder Stanzteil besteht, welches mindestens zwei Flächen (20; 21) aufweist, die zueinander nicht parallel sind, dass mindestens die eine Fläche (20) eine Bohrung (9) oder Gewindebohrung aufweist, durch welche eine Stromschiene mittels Schraubverbindung verbunden werden kann und dass mindestens die andere parallele Fläche (21) mit der ersten Materialzone (7) verbunden ist.
Bimetallischer Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Batteriezellen-Anschlussterminals eine bimetallische Adapterstruktur aufweist.
Bimetallischer Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kondensator-Anschlussterminals eine bimetallische Adapterstruktur aufweist.