DE2309118A1

DE2309118A1 - Verfahren zum herstellen von elektrischen batteriezellenverbindungen

Info

Publication number: DE2309118A1
Application number: DE19732309118
Authority: DE
Inventors: John Peaslee Badger
Original assignee: Eltra Corp
Current assignee: Eltra Corp
Priority date: 1972-04-13
Filing date: 1973-02-23
Publication date: 1973-10-18
Also published as: BR7301705D0; IT974041B; FR2179714B1; FR2179714A1; AR196321A1; LU66833A1; BE794053A; CA973610A; US3793086A

Description

Ηβη», βΟΟΟ Wtadwn 2S,

Üipl.-Ing. R. ri. Bahr

Freiiigrathstraee 19 !»ΙΙ | D <J Aakr Eisen»*« Straße 17

ÜilI R ri ahr Ptf.-Anw. Herrmann-TrentepoM Df Dl - PIiVS. Eduard ΒβΙΖίβΓ Femsprecher: 398011

Fernsprecher: 51013 r M 38 8012

⁵¹⁰¹⁴ Dipl.-Ing. W. Herrmann-Trentepohl »»«

Telegrammanschrift: Tetegrammanschrift:

Bahrpatente Heme PATENTANWÄLTE Babetzpat München

Telex 08 229 853 Telex 5215360

2309118 ^Bankkonten:

Bayrische Verelosbank München 952287 Dresdner Bank AQ Heme 7-520 Postscheckkonto Dortmund 55888

Ref.: M ^944 Ka/M.

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Eltra Corporation
511 Hamilton Street,
Toledo, Ohio 436o2, U.S.A.

Verfahren' zum Herstellen von elektrischen Batteriezellenverbindungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Batteriezellenverbindungen, wobei es sich um elektrische Verbindungen für Batteriezellen handelt, die durch die Teilungswand hindurchgehen.

Elektrische Speicherbatterien bestehen aus einer Anzahl von Zellen. Jede Zelle besteht ihrerseits aus einer Vielzahl von positiven Platten und einer Vielzahl von negativen Platten. Die einzelnen Zellen sind von benachbarten Zellen durch Teilungs- oder Zwischenwände

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getrennt. Die negativen Platten jeder Zelle müssen mit den positiven Platten jeder benachbarten Zelle mittels Gewindeverbindungen oder anderen Verbindungsstücken verbunden werden. Das Herstellen einer Verbindung zwischen den Zellen durch die TeJLungswände hindurch wird gegenüber der früheren Methode des Gebrauchs von Verbindungsstücken, die sich über die Teilungswände hinübererstreckten, als vorteilhaft angesehen. Hierfür lassen sich folgende Vorteile anführen: Eine Verringerung der erforderlichen Materialmenge, ein geringerer innerer Widerstand, wodurch sich eine erhöhte Ausgangsleistung erzielen läßt, ohne daß gleichzeitig die Batteriegröße zunimmt, sowie eine Verringerung der Korrosionsprobleme.

Im allgemeinen werden Batterieyerbindungen, die durch die Teilungswand hindurchgehen, dadurch hergestellt, daß man Verbindungslaschen, die eine vorspringende Fläche aufweisen, neben einer öffnung oder einem Loch in den Teilungswänden anordnet, die Verbindungslaschen durch Einsetzen der Vorsprünge in die öffnung ausrichtet und die Vorsprünge drückt bz"w. .knetet und schweißt. Die Vorsprünge sind so bemessen und gestaltet, daß das Gesamtvolumen der Vorsprünge größer als das Volumen der WandöffnungeiL Dieser Volumenüberschuß der Vorsprünge führt nach den bisherigen Feststellungen zu einer guten mechanischen und flüssigkeitsdichten Abdichtung. Beispielsweise die US-Pateikchriften 3 313 658, 3 388 005, 3 336 164, 3 364 076, 3 275 793 und 3 515 597 beschreiben die Verwendung von vorgeformten Verbindungsvorsprüngen, die sich in die öffnung der Teilungswand erstrecken. Bei Anwendung dieses Verfahrens ergeben sich insbesondere dann erhebliche Schwierigkeiten, wenn man versucht, den oben angegebenen Verfahrensablauf

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zu automatisieren. Infolge der bei automatischem Verfahrensablauf bedingten Geschwindigkeit kann es, wenn der Vorsprung nicht genau mit der öffnung der Teilungswand ausgerichtet ist, zu einem Bruch der Teilungs- oder Zwischenwand kommen, wenn die Verbindungen zusammengedrückt werden, oder die öffnung wird nicht in der geeigneten Weise mit geschmolzenem Blei ausgefüllt, woraus sich eine unvollkommene elektrische Verbindung oder eine nicht ausreichend dichtende Abdichtung ergibt.

Aus der kanadischen Patentschrift 873 522 geht bereits eine Extrusions-Schweiß-Technik hervor, bei der die Anwendung von vorgeformten Laschenvorsprüngen vermieden wird, wobei unter dem Ausdruck "Extrusion" eine Materialverdrangungstechnik verstanden wird. Bei dieser bekannten Technik wird jedoch ein Paar von einander gegenüberliegenden Niederhaltehülsen verwendet, die die Laschen in einen dichtenden Eingriff mit der öffnung der Teilungswand bringen, und zwar infolge einer Klemmwirkung. Die Verwendung von Klemm-Mitteln kompliziert jedoch den automatisierten Produktionsprozeß unnötig.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Schaffung eines wesentlich verbesserten Verfahrens zum Herstellen von elektrischen Batteriezellenverbindungen, die sich durch die Teilungswände hindurch&rs-trecken. Einander gegenüberliegende leitende Verbindungselemente mit flachen Flächen werden neben der öffnung einer Teilungswand angeordnet.

Die Verbindungselemente werden unter dem Einfluß einer

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anfänglichen hohen Scherkraft zwischen zwei bewegbaren Elektroden kalt-geschmiedet oder kaltextrudiert, bzw. kaltverformt, die Teile der Verbindungslaschen in die öffnung der Teilungswand drücken, um einen Kontakt von Metall" zu Metall der einander gegenüberliegenden Laschen herbeizuführen. Die Scherkraft wird dann verringert, und es wird daran anschließend ein Schweißstrom auf die Verbindungselemente zur Anwendung gebracht. Der Schweißstromfluß wird dann unterbrochen, und das verschweißte Metall kann abkühlen, während es noch unter der verringerten Scherkraft steht. Nach dem Abkühlen werden die bewegbaren Elektroden entfernt, und die Verbindung ist fertig.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß der Erfindung in erster Linie die Aufgabe zu Grunde liegt, ein wesentlich verbessertes Verfahren zum Herstellen von elektrischen Batteriezellenverbindungen zu schaffen, wobei sich die Verbindungen durch die Teilungswände hindurch erstrecken.

Dabei soll das Herstellungsverfahren so beschaffen sein, daß die elektrischen Batteriezellenverbindungen aus Verbindungslaschen mit flach ausgebildeten Oberflächen herstellbar sind.

Andere Zwecke und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den auf dem vorliegenden Gebiet erfahrenen Fachmann im Verlauf der folgenden Beschreibung,in der mit Bezug auf die Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung erläutert wird. In den Zeichnungen zeigen:

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Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht einer geschweißten Verbindungslasche nach der Erfindung, wobei ein stumpfkegeliger Eindruck dargestellt ist, der durch die Extruder-Elektrode, diehoch beschrieben wird, erzeugt ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Paares von Extruderelektrodenstempeln, die in elektrischer Verbindung mit einem Schweißgerät zur Herstellung der geschweißten Verbindungslasche von Fig. 1 stehen;

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht zur Darstellung des ersten Verfahrensschrittes, bei dem die einander gegenüberliegenden Verbindungslaschen an eine Zwischenwand- oder Teilungswandöffnung angelegt sind;

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht zur Darstellung des zweiten Verfahrensschrittes, bei dem die anfängliche hohe Scher- oder Druckkraft einen Teil jeder Verbindungslasche in die öffnung hinein vorgewölbt bzw. extrudiert und in Kontakt mit der anderen Lasche gebracht hat;

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht zur Darstellung eines anderen Verfahrensschrittes, bei dem die extrudierten Laschenteile zusammengeschweißt und weiter vorgewölbt bzw. extrudiert werden, um die öffnung auszufüllen;

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht zur Darstellung einer durch die Zwischenwand hindurch reichen-

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Batteriezellenverbindung, die nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise hergestellt ist.

Wie bereits vorstehend erläutert worden ist, erfordert eine Speicherbatterie mit mehreren Zellen eine von einer Zelle zur anderen führende Verbindung, die sich durch die Teilungswand oder die Wand zwischen benachbarten Zellen hindurch erstreckt. Das Wandmaterial ist normalerweise hartes Gummi oder ein Kunststoffmaterial, wie Polyäthylen oder Polypropylen. Ein Teil ein solcher Wandung ist durchgehend in den Zeichnungen mit dem Bezugszeichen Io bezeichnet und weist ein vorgeformtes Loch oder eine öffnung 11 für die Verbindung auf. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind Plattenstapel 12 und 13 mit nicht, dargestellten Trennvorrichtungen und Verbindungselementen 14 versehen.

Die Verbindungselemente 14 umfassen Verbindungsleisten 15 und sich nach oben erstreckende Verbindungsfortsätze oder Verbindungslaschen 16, die flache Oberflächen aufweisen. Die Zellenverbindungsleisten 15 bestehen vorzugsweise aus einem ähnlichen Material wie die positiven und negativen Platten und zwar vorzugsweise aus Blei oder einer Bleilegierung. Die positiven Platten des Stapels 12 sind mit den negativen Platten des Stapels 13 elektrisch in Serie verbunden durch Aneinanderschweißen der Verbindungslaschen 16 durch das Loch 11 in der Teilungswand Hindurch durch Anwendung eines Verfahrens, das nachstehend im einzelnen erläutert wird.

Die Teilungswände Io des Batteriegehäuses werden für die Zellenverbindungselemente 14 dadurch vorbe-

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reitet, daß die öffnung 11 dort angeordnet wird, und zwar entweder dadurch, daß die öffnung in der Wandung ausgeformt oder in einem nachfolgenden Arbeitsgang dort ausgeschnitten wird. Um zu verhindern, daß sich die Batterieplatten bei benachbarten Zellen entladen, müssen die Teilungswände flüssigkeitsdicht sein. Die elektrischen Zellenlaschen 14 müssen in der Weise gegeneinander abgedichtet sein, daß ein Hindurchlecken von Elektrolytflüssigkeit von einer Zelle zur anderen verhindert wird, und die Verbindung zwischen den Laschen muß daher in mechanischer und elektrischer Hinsicht sicher sein.

Pig. 3 bis 6 zeigen im wesentlichen die grundsätzlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von elektrischen Batteriezellenverbindungen. Fig. 5 zeigt die flache Fläche der Batterieverbindungslaschen 14 neben der öffnung 11 einer Batterieteilungswand Io. Ein Paar Extruderelektrodenstempel 17 ist dargestellt, wie es sich den Verbindungslaschen 21 nähert. Die Spitzen an den Elektroden 22 sind im Falle dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels im wesentlichen stumpfkegelig gestaltet und einander an beiden Seiten des Loches 11 gegenüberliegend angeordnet, wobei ihre Achsen mit dem Mittelpunkt des Loches zusammenfallen.

Fig. 4 zeigt die Elektroden 17, wie sie anfangs die Verbindungslaschen 16 berühren. Eine hohe anfängliche Kaltschmiedekraft von etwa 295 bis 453,6 kg (650 - looo pounds) wird auf die Verbindungslaschen 14 aufgebracht, wodurch ein Kaltschmieden oder Kaltextrudieren von Teilen der Laschen 14 in die öffnung

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der Teilungswand Io hinein stattfindet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem der größte Durchmesser der stumpfkegeligen Elektrode etwa 9,5 mm (o,375 inches) beträgt, hat diese Kraft eine Scherbelastung oder Druckbelastung von etwa 189,8 bis 351*5 kg/cm^ {2700 bis 5000 psi) zum Ergebnis oder eine zur Oberfläche des Zellenverbinders senkrechte Kompressionsbelastung von etwa 457 bis 7o3j1 kg/cm (6500 bis loooo psi). Die Kaltextrusion oder Kaltverdrängung des Materials hält an, bis sich ein Kontakt von Metall zu Metall zwischen den einander gegenüberliegenden Laschen 14 ergibt, wie in Fig. 4 dargestellt ist.

Die hohe Anfangskraft wird dann auf eine niedrigere Sekundärkraft gesenkt, vorzugsweise auf etwa I30 kg (300 pounds), was einer Kompressionsbelastung von 21o,9 kg/cm (3000 psi) entspricht. Nach der Anwendung der niedrigeren Sekundärschwerkraft wird ein elektrischer Schweißstrom durch die extrudierten oder verdrängten bzw. vorgewölbten Laschenteile 14 zugeführt, und zwar mit einem. Gerät, das schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Eine Zunahmesteuerung (Upslope Controllers) wird für den Schweißstrom verwendet, d.h., der Schweißstrom wird verstärkt, wenn der Kontakt von Metall zu Metall zunimmt infolge des weiteren Kontaktes der beiden Laschen innerhalb der Teilungswand. Fig. zeigt die extrudierten Teile, die nun miteinander verschmolzen und weiter ausgewölbt bzw. verdrängt sind, um die öffnung 11 auszufüllen.

Wenn die nahezu vollständige Ausbildung Fig.

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erreicht ist, wird der Schweißstrom abgestellt, und die Verbindung kann unter Beibehaltung der Sekundärkraft abkühlen oder unter der Einwirkung einer geringfügig verstärkten Kraft wie von 226,8 bis 517*5 kg (5oo bis 7oo pounds), was einer Kompressionsbelastung von 351*5 bis 492,2 kg/cm (5ooo bis 7ooo psi) entspricht. Nach dem Abkühlen wird die Belastung aufgehoben, die Elektroden 17 werden zurückgezogen und entfernt, und das Batteriegehäuse und seine miteinander verbundenen Zellen sind fertig für einen nachfolgenden BearbeitungsVorgang. Ein Querschnitt der fertiggestellten Verbindung ist in Fig. β dargestellt.

Nachstehend wird ein Beispiel des Arbeitstaktes des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben. Brauchbare Zellenverbindungeh sind hergestellt worden, indem man die unten aufgeführten Folgen anwandte, wobei man eine mit 6o Hz arbeitende Schweißvorrichtung benutzte, die derart eingestellt war, daß der maximale Schweißstrom 4300 bis 4500 As betrug:

Schritt

Anwendung einer Kaltschmiedekraft von 45>,6 kg (1000 lbs.)

Anwendung einer Schweißkraft von 226,8 kg (500 lbs) und Zunahmestrom vergrößert

Anwendung des vollen Schweißstroms

Kühlung unter Anwendung einer Kraft von 226,8 kg (500 lbs.) bei abgeschaltetem Strom

insgesamt

Takte Zeit in Sekunden

4o

I05 Takte

ο,67 o,o8

o,5o o,5o

1,75 Sekunden

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Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß das gesamte Verfahren in weniger als zwei Sekunden vollständig zu Ende geführt werden kann, wenn die Elektroden sich erst einmal in der Schmiedestellung gemäß Pig. 3 befinden. Bei Verwendung einer programmierten Maschine wie oben, sowie bei Verwendung von Einheiten mit mehreren Werkzeugen zum Herstellen der Verbindung durch jede Trennwand in einer Vielfachzellenbatterie sind Batterien mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von zehn Stück pro Minute oder einem Stück pro ό Sekunden bearbeitet worden. Die Zeitzunahme erklärt sich selbstverständlich dadurch, daß es zunächst erforderlich ist, die Batterie in der Maschine auszurichten od.dgl. Ein Teil der Maschine ist schematisch in Pig. 2 dargestellt und umfaßt bewegliche Backen 18, die die Schmiede- und Schweißelektroden 17 tragen sowie einen hin- und hergehenden Zylinder 19 von passender Größe zur Hin- und Herbewegung der Backen 18. Die Schaltung für den elektrischen Schweißstrom ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, und Steuerungen zur Ausführung der Schrittfolge bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung sind für den auf dem vorliegenden Gebiet erfahrenen Fachmann geläufig. Die besonderen Einzelheiten der Maschine werden nicht als Teil der vorliegenden Erfindung angesehen.

Es sei betont, daß die Reduzierung der anfänglich aufgebrachten Scherkraft während des Schweißtaktes wesentlich ist. Wenn die hohe aufgebrachte Scherkraft während des Schweißtaktes aufrecht erhalten wird, wird geschmolzenes Blei aus der Schweißverb-indungs- stelle herausgequetscht und es kann eine unvollkommene

- Io -

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Verbindung entstehen. Während die bisher üblichen Techniken die Anwendung einer Klemm- und Abschirmvorrichtung getrennt von der Form- und Schweißausrüstung zeigen, macht die Klemmvorrichtung den Pormund Schweißprozeß -kompliziert, führt zu einem hohen Zeitaufwand und macht die Einrichtung unhandlich.

Es kann notwendig sein, die oben, beschriebene Zeitfolge zu verändern, um das Verfahren an verschiedene Typen von Verbindungen anzupassen, je nach dem Bleivolumen, das in das Loch 11 der Wand Io hinein verdrängt werden muß. Solche Anpassungen oder Einstellungen kann der Fachmann ohne weiteres von selbst finden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen Batteriezellen durch eine Öffnung in einer Batterieteilungswand hindurch, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte: (1) Anordnen einander gegenüber liegender leitender Verbindungselemente neben der Öffnung auf jeder Seite der Teilungswand, wobei die Teilungselemente eine flache Fläche neben den Öffnungen haben, (2) Kaltschmieden der Verbindungselemente durch Aufbringen einer ausreichend hohen Anfangsscherkraft hierauf, um Teile der flachen Fläche in die genannte Öffnung zur Herstellung eines Kontaktes von Metall zu Metall der genannten Verbindungselementflächen innerhalb der genannten Öffnung zu treiben, (^) Vermindern der genannten Scherkraft auf einen niedrigen Sekundärwert, (4) Hindurchführen eines elektrischen Schweißstromes durch die genannten einander berührenden Verbindungselemente durch die genannte Öffnung und Fortsetzen der Druckbehandlung der Elemente, bis die Verbindungselemente die Öffnung in der Teilungswand ausfüllen, (^) Abschalten des elektrischen Stroms zum Abkühlen des verschweißten Metalls, während die Sekundärscherkraft auf die Elemente aufrecht erhalten wird, und (6) Aufheben der auf die Elemente wirkenden Scherkraft.

2. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen Batteriezellen durch eine Öffnung

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in einer Batterieteilungswand hindurch, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: (1) Anordnen einander gegenüber liegender leitender Verbindungselemente neben der öffnung auf jeder Seite der Teilungswand, wobei die Verbindungselemente eine flache Fläche neben den Öffnungen haben, (2) Kaltverformen bzw. Kaltschmieden der Verbindungselemente durch Aufbringen einer ausreichend hohen Anfangsscherkraft hierauf, um Teile der flachen Fläche in die Öffnung zu treiben zur Herstellung eines Kontaktes von Metall zu Metall der Verbindungselementflächen innerhalb der öffnung, (^) Verringern der Scherkraft auf einen niedrigen Sekundärwert, (4) Hindurchleiten eines elektrischen Schweißstroms durch die einander berührenden Verbindungselemente durch die Öffnung hindurch und Verstärken des Schweißstroms, wenn der Kontakt von Metall zu Metall zunimmt infolge der fortgesetzten Deformation der Verbindungselemente, bis die Verbindungselemente die öffnung in der Teilungswand ausfüllen, (5) Abschalten des elektrischen Stroms zum Abkühlen des verschweißten Metalls, während die Sekundärscherkraft auf die Elemente aufrechterhalten wird, und (6) Aufheben der auf die Elemente wirkenden Scherkraft.

j>. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen Batteriezellen durch eine öffnung in einer Batterieteilungswand hindurch, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte: (l) Anordnen einander gegenüber liegender leitender Verbindungselemente neben der öffnung auf jeder Seite der Teilungswand, wobei die Verbindungselemente eine flache Fläche neben den öffnungen aufweisen,

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(2) Kaltschmieden der Verbindungselemente durch Auf bringen einer anfänglichen hohen Kompressionsbelastung

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zwischen 457 kg/cm und 7ο;?* 1 kg/cm (6,5oo und Ιο,οοο psi) zum Hineintreiben von Teilen der flachen Fläche in die öffnung zur Herstellung eines Kontaktes von Metall zu Metall der Verbindungselementflächen innerhalb der öffnung, (3) Reduzieren der Kompressionsbelastung auf einen Sekundärwert von etwa 21ο,9 kg/cm² (^.ooopsi), (4) Hindurchleiten eines elektrischen Schweißstroms durch die einander berührenden Verbindungselemente durch die öffnung hindurch und Verstärken des Schweißstroms, wenn der Kontakt von Metall zu Metall zunimmt infolge der fortgesetzten Deformation der Verbindungselemente, bis die Verbindungselemente die öffnung in der Teilungswand ausfüllen^ (5) Abschalten des elektrischen Stroms zum Abkühlen des verschweißten Metalls, während die auf die Elemente wirkende Scherkraft aufrecht erhalten wird, und (6) Aufheben der auf die Elemente wirkenden Scherkraft.

4. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen Batteriezellen durch eine öffnung in einer Batterieteilungswand hindurch, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: (1) Anordnen einander gegenüberliegender leitender Verbindungselemente neben der öffnung auf jeder Seite der Teilungswand, wobei die Verbindungselemente eine flache Fläche neben den öffnungen aufweisen, (2) Kaltschmieden der Verbindungselemente durch Aufbringen einer ausreichenden hohen Anfangsklemmkraft, um Teile der flachen Fläche in die öffnung zu treiben zur Herstellung eines Kontaktes von Metall zu Metall der Verbindungs-

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elementflächen innerhalb der öffnung, (3) Reduzieren der Klemmkraft auf einen niedrigen Sekundärwert und Hindurchleiten eines elektrischen Schweißstromes durch die einander berührenden Verbindungselemente durch die öffnung hindurch,"bis die Verbindungselemente die öffnung in der Teilungswand ausfüllen, (5) Abschalten des elektrischen Stroms zum Abkühlen des verschweißten Metalls, während die auf die Elemente einwirkende Sekun därklemmkraft aufrecht erhalten wird und (6) Aufheben der auf die Elemente wirkenden Klemmkraft.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hohe Anfangsklemrakraft mindestens den zweifachen Wert des niedrigen Sekundärwertes ausmacht.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltschmiedekraft während eines Zeitraumes von etwa 4o# der gesamten Taktzeit angewendet wird, während der Schweißstrom während einer Zeitdauer von etwa 30$ der gesamten Taktzeit zugeführt wird und der Kühlabschnitt etwa J5o# der gesamten Taktzeit umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schweißstrom anfangs mit einer niedrigen Amperzahl zugeführt und anfangs, durch die Schweißfolge hindurch zunimmt, wenn der Kontakt von Metall zu Metall der Elemente zunimmt.

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