DE202013001638U1

DE202013001638U1 - Elektrischer Energiespeicher, insbesondere Akkumulator für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE202013001638U1
Application number: DE202013001638.8U
Authority: DE
Original assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH
Current assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2023-02-21

Abstract

Elektrischer Energiespeicher (2), insbesondere Akkumulator für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere elektrische Zellen (4) mit jeweils zwei Polen (8), über die die Zellen (4) untereinander mittels Verbindungselementen (10) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Verbindungselement (10) auf einen zugeordneten Pol (8) aufgepresst ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere Akkumulator für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere elektrische Zellen mit jeweils zwei Polen, über die die Zellen untereinander mittels Verbindungselementen elektrisch verbunden sind.
Akkumulatoren werden in den unterschiedlichsten technischen Bereichen eingesetzt. Bei Kraftfahrzeugen dienen sie als Energiequelle für die elektrische Versorgung von Komponenten im Kraftfahrzeug. Bei Hybrid-Fahrzeugen oder rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird über den Akkumulator die für den Antrieb des Kraftfahrzeugs benötigte Energie bereitgestellt. Für derartige Fahrzeuge werden Hochvolt-Akkumulatoren eingesetzt, die eine Spannung typischerweise von mehreren 100 V aufweisen.
Akkumulatoren werden aus mehreren galvanischen Zellen aufgebaut, die typischerweise jeweils die gleiche Bauart aufweisen. Eine jede Zelle weist dabei eine definierte Kapazität und Spannung auf. Um eine gewünschte Kapazität sowie Spannung des Akkumulators insgesamt zu erhalten, werden die einzelnen Zellen innerhalb des Akkumulators parallel und/oder in Reihe geschaltet.
In der DE 10 2010 046 642 A1 ist beispielsweise ein derartiger Akkumulator beschrieben, bei dem die Pole der einzelnen Zelle über Leiterelemente miteinander verbunden sind, wobei in den jeweiligen Leiterelementen zugleich eine Sicherung integriert ist. Die Leiterelemente sind dabei mit den Polen der einzelnen Zellen jeweils verschweißt.
Durch die erforderliche Verschaltung einer Vielzahl von einzelnen Zellen ist die Herstellung eines derartigen Akkumulators mit einem gewissen Aufwand verbunden.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines solchen Akkumulators zu vereinfachen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere Akkumulator für ein Kraftfahrzeug mit mehreren elektrischen Zellen, die jeweils zwei Zell-Pole aufweisen, über die die Zellen untereinander mittels Verbindungselementen elektrisch verbunden sind. Zur elektrischen Verbindung des jeweiligen Verbindungselements mit dem Pol ist das Verbindungselement auf den jeweiligen Pol aufgepresst. Es wird daher für die erforderliche elektrische Kontaktierung eine Reibschlussverbindung ausgebildet.
Diese Reibschlussverbindung kann herstellungstechnisch in einfacher Weise durch einen mechanischen Pressvorgang ausgebildet werden. Es sind daher keine weiteren Verbindungsmaßnahmen wie beispielsweise Schweißen, Löten oder auch Schrauben erforderlich und auch nicht vorgesehen. Entsprechend ist die elektrische Verbindung zwischen Verbindungselement und dem zugeordneten Pol auch jeweils ausschließlich durch die Reibschlussverbindung ausgebildet.
Der Bolzen ist im Hinblick auf ein prozesstechnisch möglichst einfach handhabbares Aufpressverfahren als ein vorzugsweise kreisrunder Bolzen ausgebildet. Entsprechend weist das Verbindungselement eine Ausnehmung mit einem dem Querschnitt des Bolzens angepassten Öffnungsquerschnitt auf. Die Ausnehmung weist daher die gleiche Querschnittskontur auf und ist insbesondere kreisrund ausgebildet.
Im Hinblick auf eine zuverlässige Kontaktierung mit geringem Kontaktwiderstand weist der Pol zweckdienlicherweise gegenüber der Ausnehmung im Ausgangszustand ein Übermaß auf. Beim Pressen erfolgt daher ein zumindest geringfügiges Aufweiten der Ausnehmung, die daher zuverlässig gegen den Pol gepresst wird.
Der Bolzen ist darüber hinaus vorzugsweise als ein massives Bauteil aus Vollmaterial ausgebildet, um ein Nachgeben und Ausweichen aufgrund der kraftschlüssigen Verbindung zu vermeiden und eine dauerhaft zuverlässige elektrische Kontaktierung zu gewährleisten.
Für einen einfachen Pressvorgang ist der Bolzen stirnendseitig verjüngend ausgebildet insbesondere kalottenförmig oder er ist mit einer Einführfase versehen. Hierdurch wird beim Pressvorgang zugleich in einfacher Weise die gewünschte geringfügige radiale Aufweitung der mit untermaß ausgebildeten Ausnehmung herbeigeführt.
In besonders bevorzugter Weiterbildung weist die Ausnehmung einen hochgezogenen, umlaufenden Kragen auf. Dieser weist dabei zweckdienlicherweise einen sich in Steckrichtung des Bolzens verjüngenden Querschnitt auf, so dass also beim Fügen der beiden Bauteile eine zunehmend höhere Presskraft erzeugt wird. Zweckdienlicherweise ist dabei der Kragen insbesondere kegelstumpfförmig mit einer insbesondere kreisrunden Grundfläche ausgebildet.
Im Hinblick auf möglichst geringe Herstellungs- und Prozesskosten ist das Verbindungselement als ein einfaches Blechstanzbiegeteil ausgebildet. Beim Stanz-Biegeteil wird die Ausnehmung mit dem kegelstumpfförmigen Kragen in einem einstufigen Stanzbiegevorgang erzeugt.
Das Verbindungselement selbst ist bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet. Der Bolzen ist aus einem daran angepassten Material, beispielsweise ebenfalls aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet. Bolzen und Verbindungselement bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
1 eine schematische Darstellung eines Akkumulators gemäß dem Stand der Technik,
2 eine perspektivische Teilansicht eines Bolzens mit zugehörigem Verbindungselement vor der Herstellung der reibschlüssigen Pressverbindung sowie
3 den Bolzen und das Verbindungselement gemäß 2 nach erfolgter Pressverbindung.
Der in der 1 vereinfacht dargestellte und als elektrischer Akkumulator 2 ausgebildete Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvolt-Lithium-Akkumulator. Er umfasst eine Mehrzahl von gleichen aneinander gereihten elektrischen Zellen 4, die an ihrer Oberseite jeweils zwei Pole 8 aufweisen. Die Zellen 4 sind im Ausführungsbeispiel in Reihe geschaltet. Jede Zelle 4 ist dabei mit ihrer jeweils direkt benachbarten Zelle 6 elektrisch über ein jeweiliges Verbindungselement 10 verbunden.
Das jeweilige Verbindungselement 10 ist als ein Blechstreifen 10 ausgebildet, welcher jeweils mechanisch und elektrisch an den zugeordneten Polen 8 angeschlossen ist.
Zur Verbindung der Verbindungselemente 10 mit den jeweiligen Polen 8 ist ausschließlich eine Reibschlussverbindung ausgebildet, wie sie anhand der 2 und 3 erläutert wird:
Das Verbindungselement 10 weist eine im Querschnitt gesehene kreisrunde Ausnehmung 12 auf, die von einem hochgezogenen, kegelstumpfförmig und voll umlaufenden Kragen 14 gebildet ist. Die Ausnehmung 12 mit dem Kragen 14 wird dabei mittels eines Stanz-Biegevorgangs in einem einstufigen Prozess hergestellt.
Der jeweilige Pol 8 ist als ein massiver Zylinderbolzen ausgebildet. Stirnseitig ist der Pol 8 kugelkalottenförmig ausgebildet.
Zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Verbindungselement 10 und dem Pol 8 wird das Verbindungselement 10 in Montagerichtung 16 auf den Pol 8 mit Hilfe eines entsprechenden Presswerkzeugs aufgepresst. Dabei erfolgt ein gewisses radiales Aufweiten des Kragens 14, so dass dieser sich kraftschlüssig an den Pol 8 anschmiegt. Nach dem Pressvorgang wird dann die Verbindung zwischen Pol 8 und Verbindungselement 10 erhalten, wie sie in 3 dargestellt ist.
Das Verbindungselement 10 weist an seinen gegenüberliegenden Endseiten jeweils zwei gleichartige Ausnehmungen 12 mit Kragen 14 auf (nicht dargestellt). Vorzugsweise erfolgt die Verbindung mit den beiden Polen 8 von benachbarten Zellen 4 parallel und gleichzeitig bei einem Aufpressvorgang.
Das Verbindungselement wird daher in Bolzen-Längsrichtung axial aufgepresst. Für eine zuverlässige sowohl mechanische als auch elektrische Kontaktverbindung wird der Durchmesser der Ausnehmung 12 auf den des Pols 8 in geeigneter Weise abgestimmt. Gleichzeitig wird hierbei die Dimensionierung derart gewählt, dass die erforderliche axiale Aufpresskraft geringer als die zulässige Kraft ist, die auf den Pol 8 wirken darf.
Die in radialer Richtung wirkende Andruckkraft des Kragens 14 und der damit verbundene elektrische Übergangswiderstand wird neben den Geometrieparametern auch bestimmt durch das Material des Pols 8 sowie des Verbindungselements 10. Als Material für beide Elemente wird vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung eingesetzt. Der elektrische Kontaktwiderstand wird vorzugsweise darüber hinaus beispielsweise durch eine Behandlung der Kontaktoberflächen, wie beispielsweise eine Aufrauung des Pols und/oder eine Verzinnung des Verbindungselements eingestellt. Die für die radiale Anpresskraft wichtigen geometrischen Parameter sind darüber hinaus der Durchmesser der Ausnehmung 12 in Relation zu dem des Pol 8 sowie insbesondere auch die Blechstärke des Verbindungselements 10.
Insgesamt lässt sich mit der hier beschriebenen Pressverbindung als alleinige Verbindungsart zwischen dem Pol 8 einer Zelle 4 und dem Zell-Verbindungselement 10 ein sehr einfaches und kostengünstiges mechanisches Fügeverfahren zur gleichzeitigen Herstellung der mechanischen sowie elektrischen Verbindung zwischen benachbarten Zellen ausbilden. Zusätzliche Verbindungsmethoden, wie beispielsweise Löten, Schweißen oder auch Schrauben sind nicht vorgesehen und auch nicht erforderlich. Sämtliche Pole 8 der Zellen 4 sind über derartig angepresste Verbindungselemente 10 elektrisch kontaktiert.
Bezugszeichenliste

2: Akkumulator
4: Zelle
8: Pol
10: Verbindungselement
12: Ausnehmung
14: Kragen
16: Montagerichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010046642 A1 [0004]

Claims

Elektrischer Energiespeicher (2), insbesondere Akkumulator für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere elektrische Zellen (4) mit jeweils zwei Polen (8), über die die Zellen (4) untereinander mittels Verbindungselementen (10) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Verbindungselement (10) auf einen zugeordneten Pol (8) aufgepresst ist.
Energiespeicher (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung ausschließlich durch die Pressverbindung erfolgt.
Energiespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pol (8) als ein Bolzen ausgebildet ist und das Verbindungselement (10) eine dem Querschnitt des Bolzens zugeordnete Ausnehmung aufweist.
Energiespeicher (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pol (8) gegenüber einer Ausnehmung des Verbindungselements (10) im Ausgangszustand ein Übermaß aufweist.
Energiespeicher (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen massiv ausgebildet ist
Energiespeicher (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (8) stirnendseitig kalottenförmig ausgebildet ist oder mit einer Einführfase versehen ist.
Energiespeicher (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (12) einen hochgezogenen, umlaufenden Kragen (14) aufweist.
Energiespeicher (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (14) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Energiespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (10) als ein Blechstanzbiegeteil ausgebildet ist.
Energiespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (10) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ist.