WO2016131663A1 - Zellverbinder für batteriemodule und verfahren zur zellenverbindung - Google Patents

Zellverbinder für batteriemodule und verfahren zur zellenverbindung Download PDF

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WO2016131663A1
WO2016131663A1 PCT/EP2016/052369 EP2016052369W WO2016131663A1 WO 2016131663 A1 WO2016131663 A1 WO 2016131663A1 EP 2016052369 W EP2016052369 W EP 2016052369W WO 2016131663 A1 WO2016131663 A1 WO 2016131663A1
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battery
cell connector
intermediate piece
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Roland Reichenbacher
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a cell connector for electrically interconnecting or connecting a plurality of individual battery cells and relates to a method for producing an electrical interconnection (in particular series connection) of individual battery cells of a module, in particular a high-temperature battery. It can be advantageously interconnected battery cells interconnected.
  • the invention relates in particular to high-temperature (HT) batteries, for example of a ICl 2 or NaS, are connected in de ⁇ NEN individual cells in a module by means of series connection to at least one serial line.
  • HT high-temperature
  • High-temperature (HT) batteries are operated in particular in a temperature range between 150 ° C and 450 ° C.
  • the individual cells in the modules usually become
  • FIG. 1 shows an embodiment of a conventional one
  • FIG. 1 shows a conventional sodium nickel chloride battery, with conventional straight rigid
  • the respective conventional cell connectors ZS may have been pressed against the housing of the next battery cell BZ created as a negative pole by means of a slight spring force voltage.
  • a respective battery cell BZ highly electrically conductive is a high-temperature solder for use, the liquid is above the subsequent operation Tempe ⁇ temperatures.
  • the entire cell pack of a module according to FIG. 1 is moved into an oven and heated to the melting temperature of the solder.
  • Due to the shape of the conventional cell connector ZS results in a rigid connection between the Batteriezel ⁇ len BZ, which can lead to mechanical stresses during operation.
  • Another disadvantage of this type of connection is that a single faulty connection point causes a repetition of the whole process.
  • the repair of a conventional cell connector ZS or the replacement of a single defective battery cell BZ are not possible here.
  • the housing designed as a negative terminal is identified by MP.
  • FIG. 1 shows an in
  • FIG. 2 shows an embodiment of a conventional battery cell BZ.
  • FIG. 2 shows on an upper side of a battery teriezelle BZ an electrical pole, which is conventionally designed as a positive pole PP.
  • This plus pole has the shape of a button, around which an inner ring Ri revolving around it, and around this in turn another outer ring, Ra, is created.
  • the remainder of the housing parts of the battery cell BZ are electrically insulated from the positive pole PP and form the negative pole ⁇ MP.
  • FIG. 2 shows a conventional cell lid of a battery cell BZ, which is manufactured, for example, by a manufacturer named FIAMM.
  • This conventional rigid cell connection ZS leads to mecha ⁇ African loads, which forces can be generated that can cause destruction of a battery cell BZ, for example, by breaking a glass solder used at the connection of ceramic and metal on the cover of each battery cell BZ. Furthermore, mechanical Be ⁇ loads could result in the tearing of a conventional cell connector ZS, whereby the strand electrically disconnected and the module would be unusable.
  • the conventional cell connectors ZS used hitherto have relatively small contact surfaces. For example, a conventional weld on the positive pole PP, which is created in the form of a knob with an outer diameter of about 6mm, only a weld length of almost 19mm.
  • HT high-temperature
  • the object is achieved by a cell connector having the features of the main claim and a method for cell connection according to the independent claim.
  • a, in particular elastic, cell connector for electrically interconnecting a plurality of proposed individual battery cells, wherein the cell connector is an elongated spatially extending metal strip or metal strip, which is fastened by means of a first longitudinal ⁇ endes to a first electrical pole on one side of a first battery cell, and the or with ⁇ means of a second longitudinal end a housing forming on a side surface of a ei ⁇ NEN second electrical pole one of the first adjacent second battery cell can be fastened, wherein the first longitudinal end along a first plane and the second longitudinal end along a second plane
  • first plane is perpendicular to the second plane and a transition region or intermediate region of the cell connector between the first longitudinal end and the second longitudinal end in a longitudinal section in the form of an arc between the first plane and the second plane.
  • a metal strip may be a sheet metal strip, that is a flat finished roll product consisting of metal.
  • the shape of the arc should be such that a radius of a circle along the circumference of the arc extends relatively large, that is, for example, greater approximately learning, in particular greater than 2 cm, the arc is particularly advantageous by an angle of about 270 °, for example, from 0 ° to about
  • the compound Zvi ⁇ 's cells should have a low as possible on the one hand and on the other hand, also elastic.
  • the low impedance is ohm'sch minimize losses and thus create a low-loss Ver ⁇ binding of the cells.
  • an elastic cell connector is necessary.
  • Elastic in this case means that the cell connector according to the invention as many of the forces occurring picks up that a destruc ⁇ tion of a cell is absent.
  • a method for producing a series electrical connection of individual battery cells of a module, in particular a high-temperature battery, with the following steps, in which attaching a first longitudinal end of a cell strip formed as a metal connector to a first electrical pole a side of a respective first battery cell and a second longitudinal end of the cell connector to a soflä ⁇ che of a second electrical pole forming housing of a respective second battery cell adjacent to the first battery cell is executed, wherein thereafter seen in a longitudinal section of the cell connector in the form of an arc between the plane of the side surface of the second battery cell and a plane of a side of the first battery cell ver ⁇ runs.
  • the cell connector may have a material recess at the first longitudinal end. sen, by means of which the cell connector can be slipped over an attachable to the first electrical pole on one side of the first battery cell adapter and can be fastened to this befes ⁇ .
  • the metal strip can be turned over the intermediate piece or the metal strip can be slipped over the intermediate piece or, in other words, the intermediate piece can be inserted into the material recess.
  • the intermediate piece can be a fixable on a ring in the lid of the first battery cell hollow cylinder.
  • the intermediate piece can be adapted to an inner ring, and have an outer diameter in particular of 10mm and a length of in particular about 8 mm.
  • the intermediate piece may be adapted to an outer ring, and have an outer diameter of in particular 18 mm and a length of in particular 8 mm.
  • the intermediate piece may be a nickel pipe or pipe socket.
  • the width of the metal strip may be at least 20 mm, in particular 32 mm.
  • the cross sectional area of the metal strip at least 7 mm2, the special ⁇ 8 mm2, his.
  • the material thickness or thickness of the metal strip can be smaller than that smallest material thickness of the housing of the battery cells , in ⁇ particular less than or equal to 0.25 mm, be.
  • the mechanical bending strength or stiffness, or the Elastizi ⁇ tuschsmodul of the metal strip is to be smaller than the smallest mecha ⁇ African bending strength of the housing of the battery cells.
  • the material of the metal strip and / or of the intermediate piece may be soft annealed nickel, in particular nickel 201, in particular with a purity of 99.6%.
  • the length of the metal strip may be at least 40 mm, in particular 70 mm.
  • a solder may be fusible in a cavity or inner cylinder of the intermediate piece.
  • a plurality may be used to provide a module, be least arranged a serial string of individual battery cells to min and pairs electrically connected in series by means of jewei ⁇ liger cell connectors, each first longitudinal end of a respective Zellver ⁇ binder, in particular by means of an intermediate piece, attached to a first electrical pole and secured thereto and every other longitudinal end of the cell connector is attached to a two ⁇ th electrical pole, wherein the Studentsgangsbe ⁇ rich or intermediate region of the cell connector in a longitudinal section in the form of a Arch between the first level and the second level extends spatially.
  • an electrically insulating separating layer can be formed in each case between two adjacent battery cells.
  • the fastening of the second longitudinal end on the side surface of the two ⁇ th battery cell can be performed before attaching the first longitudinal end on the side of the first battery cell.
  • bending of the cell connector into the shape of the sheet may be carried out after fixing the second longitudinal end and before fastening the first longitudinal end.
  • the fastening of the second longitudinal end on the side surface of the two ⁇ th battery cell can be performed simultaneously with the fixing of the first longitudinal end on the side of the first battery cell.
  • bending of the cell connector into the shape of the arch may be carried out before attaching the second longitudinal end and before fastening the first longitudinal end.
  • a series of a number of first and second battery cells can be connected to a serial strand of the module before fastening second longitudinal ends and before fastening first longitudinal ends.
  • a number of first and second battery cells can be connected to a serial line of the module after the respective fastening of second longitudinal ends and before the fastening of first longitudinal ends. According to a further advantageous embodiment can in
  • the juxtaposition can be carried out to a plurality of serial strands of the module, the strands can be installed in particular pa ⁇ rallel to each other in the module.
  • a respective fastening of a respective intermediate piece to a respective first electrical pole on a respective side of a respective first battery cell can be performed.
  • the respective fastening of the respective intermediate piece can be carried out before a row of a number of first and second battery cells to a series string of the module.
  • a slipping over of the first longitudinal end of the cell connector via the intermediate piece of the first battery cell and a fastening of the first longitudinal end of the cell connector to the intermediate piece of the first battery cell can be performed after the respective fastening of the respective intermediate piece.
  • the series electrical connection of the first and second battery cells can be carried out in pairs.
  • the electrical series connection is carried out such that each ⁇ the step each for all battery cells together and then the next step are performed.
  • the fastening can be a welding, in particular a laser welding.
  • each welding can be performed automatically by welding robot.
  • defective battery cells can be exchanged individually in the module.
  • defective battery cells can be replaced individually in the module and on site.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a conventional
  • Fig. 2 shows an embodiment of a conventional
  • Fig. 3 is a first view of an inventive
  • Fig. 4 is a second view of an inventive
  • FIG. 3 shows a first view of a cell connector Z according to the invention.
  • the cell connector Z is a spatially elongated metal strip 1 which has a material recess 3 at its first longitudinal end LI into which a first electrical pole PP at an upper side of a first battery cell BZ1 fixed intermediate piece 5 can be inserted and fixed to the metal strip 1.
  • the metal strip 1 can be fastened by means of its second longitudinal end L2 to a side surface of a housing of a second electrical pole MP forming a housing of a second adjacent to the second battery cell BZ2.
  • the first longitudinal end ⁇ LI along a first plane El and the second longitudinal end L2 along a second plane E2 may extend, said first level El is perpendicular to the second plane E2.
  • the first level may advantageously El E2 can advantageously be on the side surface of the benachbar ⁇ th battery cell in the level of the fastening of the metal strip 1 to the intermediate piece 5 and the second plane.
  • the cell connector Z provides a transition region Ü between its first longitudinal end LI and its second longitudinal end L2, which in a longitudinal section has the shape of an arc B which merges from the first plane E1 into the second plane E2.
  • FIG. 3 shows that the metal strip 1 in its transition region Ü runs particularly advantageously along an imaginary circle circumference.
  • the circumference may be advantageous such ge ⁇ provide that its radius is relatively large, crizspielswei ⁇ se in particular greater than 1 cm.
  • the transition region sweeps in its arcuate course an angle range from 0 ° to about 270 °, when the arc passes from one level to the other level.
  • other angular ranges can also be painted over.
  • the over ⁇ transition area can cover an arc having an angular range of 0 ° to 300 ° or from 0 ° to 250 ° as well. This is shown in the middle of FIG.
  • the transition region Ü should always be curved, curved and contain no bending edges. The exact shape should first be calculated with a CAD software to ensure the necessary elasticity.
  • the intermediate 5, for example, as a hollow cylinder with a length 1 and an outer diameter d is created.
  • the size of the inner region of the hollow cylinder is adapted in size such that the intermediate piece 5 is adapted, for example, to an inner ring Ri or to an outer ring Ra of a conventional battery cell BZ.
  • a pipe or pipe socket as a hollow cylinder with an outer diameter of 10 mm, that according to the invention, a nearly twice as long welding connection can be created, compared to the conventional solution according to Figure 1.
  • a 10 mm pipe was chosen because It fits exactly into the inner ring Ri of a conventional battery cell BZ and can be welded to it very well. This conventionally concerns the positive pole PP.
  • the internal resistance of a module is an important feature in terms of electrical performance and the resulting losses. These should therefore be made as small as possible.
  • the battery cells BZ alone, for example, at a iCl2 give internal resistances of approx.
  • the aim of the inventive redesign of the cell connector Z according to the invention is to keep the resistors adding thereto by the cell connectors Z less than 10%, ie ⁇ 1 mQ / cell connection. To accomplish this, the present invention extensive connection ⁇ transitions between battery cell BZ and cell connectors Z have been created overall.
  • the intermediate piece 5 can also be used as an 18 mm tube, that is to say as a hollow cylinder with an outer diameter of 18 mm. Weld on the conventional outer ring Ra, the weld on the 10 mm pipe at the positive pole PP should not be sufficient.
  • the described large-scale welds cause very low contact resistance.
  • the total ⁇ resistance of the cell connector Z of the invention is dominated under this condition by the electrical conductivity of the material itself.
  • the conductivity of an Ni-plate is per ⁇ proportional to the sectional area of the material. From the mate ⁇ rial flowers at 300 ° C ⁇ 1 mQ calculated for resistors ei ⁇ ne necessary area of just 8 mm 2. With a sheet of 0.25 mm X 32 mm, these requirements are met, and it can be easily and easily welded to the 36 mm wide conventional cell sidewalls.
  • Figure 4 shows another view of a cell connector of the invention Z.
  • Figure 4 also shows two adjacent Bat ⁇ teriezellen Bzl and BZ2, which are electrically insulated from each other by a separation layer T between their side faces. This insulation can be created for example by means of a mica.
  • Figure 4 shows how by means of welding seams, the SN hollow cylindrical intermediate piece 5 and the second longitudinal end L2 of the metal strip 1 is fixed to the respective battery cell or Bzl and BZ2 be ⁇ are welded.
  • the cell connector Z according to the invention extends from a first plane El of the first electrical pole PP at the top of the first battery cell BZl via an arcuate transition region Ü with its second longitudinal end L2 in the second plane E2 of the surface on one side of the second battery cell BZ2, said the case of the second Battery cell BZ2 here the negative pole MP provides.
  • FIG. 4 shows a side view of the cell connector Z according to the invention and in particular the arcuate course of the cell connector Z from its first longitudinal end LI to its second
  • the erfindungsge ⁇ Permitted transition region Ü is just in the form of an arc B formed.
  • the arc B can be described as a part of a circle ⁇ be written. Again, the two planes are shown positioned at right angles to each other.
  • the curved shape of the cell connector B Z can particularly advantageous elastic Verbin ⁇ extension of the individual battery cells BZ be effected.
  • Another prerequisite for this is a thin strip of material 1, which is designed in particular as a thin sheet whose material thickness or mechanical bending strength is below that of the conventional walls of the conventional battery cells BZ.
  • the transferred to a glass solder of the battery cells BZ forces should be well below its breaking point.
  • the most elastic possible connection is produced, without causing disadvantages in terms of electrical conductivity or mechanical stability.
  • a material of the metal strip 1 is for example a sheet of soft annealed nickel (Ni201, purity 99.6%) with a maximum thickness of 0.25 mm in question.
  • the material here ⁇ kömmaji battery cell walls usually has a mate ⁇ rialphase of> 0.3 mm.
  • Nickel201 has a low carbon content to avoid embrittlement at temperatures above 315 ° C. The low carbon content so that Ni201 is particularly suitable for cold- formed parts verrin ⁇ siege as the hardness.
  • the present invention provides rack ⁇ te elasticity of a cell connector Z ER invention enables a cushioning of mechanical loads, so that longer lifetimes particularly in mobile applications can be effected.
  • FIG. 4 shows the principle of an elastic cell connector Z.
  • Figures 5 to 10 show an embodiment of an inventive method for producing an electrical
  • FIGS. 5 to 10 show illustrations of the individual parts and of a cell connector Z according to the invention as well as the working steps for producing the necessary connection.
  • FIGS. 5 to 10 show that the cell connector Z according to the invention has an arc and is welded laterally to the cell housing (negative pole) of a battery cell BZ2.
  • a conventional cell connector ZS was soldered for connection to the negative terminal only on the cell cover of a conventional battery cell. The ⁇ sen difference shows Figure 6.
  • Figure 5 shows that on the inner ring in the cell cover (positive pole) a nickel tube diameter of 10 mm outer and a length of about 8 mm is welded.
  • the nickel tube is an advantageous istsbei ⁇ game for an intermediate piece 5, which is welded to the positive terminal PP of the fuel cell BZ1.
  • the so pre Bat ⁇ teriezellen BZ are then assembled into a complete dul Mo.
  • the cell connector Z in which a hole is located as a material recess 3, which is adapted to the pipe or pipe socket as an intermediate piece 5, arcuate shaped and tension-free slipped over the intermediate piece 5.
  • a final cell connection is finally made by welding between spacer 5 and cell connector Z.
  • a first battery cell is Bzl buildin ⁇ Untitled.
  • Figure 6 shows a second step S2, in which a second longitudinal end of an L2 formed as a metal strip 1 cell connector Z to a side surface of a second elekt ⁇ step Pol MP forming the housing a second battery cell BZ2 is attached.
  • FIG. 7 shows, as a third step S3, how the first and the second battery cell BZ1 and BZ2 are connected to a serial one
  • FIG. 8 shows the generation with a fourth step S4 of a transition region U of the cell connector Z between its second longitudinal end L2 and its first longitudinal end LI, the cell connector Z in the form of an arc B from the plane E2 of the side surface of the second battery cell, viewed in a longitudinal section BZ2 is bent in the plane El of the top of the first battery cell BZl.
  • FIG. 9 shows the fifth step S5 of pulling the first longitudinal end LI of the cell connector Z past the intermediate piece 5 connected to the first battery cell BZ1.
  • the intermediate piece 5 is introduced or inserted into a material recess 3 of the metal strip 1.
  • the Materialaus ⁇ saving 3 was previously created in the cell connector Z.
  • 10 shows the sixth step S6 of attaching the first longitudinal end of the cell connector LI Z to the intermediate ⁇ piece 5 of the first battery cell BZ1.
  • FIG. 1 shows the cell connection before the final welding. The illustrated
  • Form of the cell connector Z is merely to be regarded as an embodiment ⁇ form.
  • other forms of a metal strip 1 can be created as a cell connector Z.
  • the widths of the first and second longitudinal ends LI and L2 may be the same.
  • Such cell connectors Z can already be readily formed and processed so that when using a 0.25 mm metal sheets ches the required elasticity can be found particularly advantageous willing ⁇ .
  • connection technology in particular the laser welding
  • the same connection technology in particular laser welding
  • both the cell connectors Z on the side walls of the battery cells BZ, as well as the spacers 5 can be attached by welding robot, since both bodies can be made freely accessible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zellverbinder (Z) und ein Verfahren zum elektrischen Verschalten einer Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen (BZ). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Zellverbinder (Z) ein sich länglich räumlich erstreckender Metallstreifen (1) ist, der an einem ersten Längsende (L1) eine Materialaussparung (3) aufweist, mittels der der Zellverbinder (Z) über ein an einen ersten elektrischen Pol (PP) an einer Oberseite einer ersten Batteriezelle (BZ1) befestigbares Zwischenstück (5) stülpbar sowie an dieses fixierbar ist, und der mittels dessen zweiten Längsende (L2) an einer Seitenfläche eines einen zweiten elektrischen Pol (MP) ausbildenden Gehäuses einer zu der ersten benachbarten zweiten Batteriezelle (BZ2) befestigbar ist, wobei das erste Längsende (L1) entlang einer ersten Ebene (E1) und das zweite Längsende (L2) entlang einer zweiten Ebene (E2) positionierbar sind, wobei die erste Ebene (E1) zu der zweiten Ebene (E2) senkrecht steht und ein Übergangsbereich (Ü) des Zellverbinders (Z) zwischen dem ersten Längsende (L1) und dem zweiten Längsende (L2) in einem Längsschnitt in Form eines Bogens (B) aus der ersten Ebene (E1) in die zweite Ebene (E2) herausführbar ist.

Description

Beschreibung
Zellverbinder für Batteriemodule und Verfahren zur Zellenverbindung
Die Erfindung betrifft einen Zellverbinder zum elektrischen Verschalten oder Verbinden einer Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen und betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verschaltung (insbesondere Reihenschaltung) von einzelnen Batteriezellen eines Moduls, insbesondere einer Hochtemperatur-Batterie. Es können vorteilhaft baugleiche Batteriezellen miteinander verschaltet werden.
Die Erfindung betrifft insbesondere Hochtemperatur- (HT- ) Batterien, beispielsweise vom Typ a iCl2 oder NaS, bei de¬ nen einzelne Zellen in einem Modul mittels Reihenschaltung zu mindestens einem seriellen Strang verschaltet sind.
Hochtemperatur (HT) -Batterien werden insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 150 °C und 450 °C betrieben. Die einzelnen Zellen in den Modulen werden üblicherweise
aufrechtstehend mit wenigen Millimeter Abstand kompakt neben¬ einander gepackt. Zwischen den Zellen befindet sich eine elektrisch isolierende Trennschicht.
Damit ein Modul die gewünschte Spannung beziehungsweise Leis¬ tung erreicht, sind die Einzelzellen per Reihenschaltung zu einem oder mehreren seriellen Strängen verschaltet. Die Verbindung zwischen den Zellen sowie die detaillierte Ausführung in der herkömmlichen Modulproduktion sind jeweiliges, internes Know How der jeweiligen Hersteller. Es sind folgende herkömmliche Vorgehensweisen bekannt, wie sie beispielsweise in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschrieben werden. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen
Batteriemoduls. An einem jeweiligen Pluspol PP einer jeweili¬ gen Batteriezelle BZ, wobei der Pluspol PP in Form eines Knopfes ausgebildet ist, wird ein herkömmlicher Zellverbinder ZS, der als nickelhaltiges Blech ausgeführt ist, ange¬ schweißt. Die einzelnen Zellen BZ sind mit dazwischenliegenden Trennschichten T, die meist aus Glimmer bestehen, zusammengepackt. Figur 1 zeigt eine herkömmliche Natrium- Nickelchlorid-Batterie, wobei herkömmliche gerade starre
Zellverbinder ZS verwendet werden. Die jeweiligen herkömmlichen Zellverbinder ZS dürften dabei über eine leichte Feder- kraftspannung an das als ein Minuspol geschaffene Gehäuse der jeweils nächsten Batteriezelle BZ angedrückt worden sein. Um den Kontakt am Gehäuse einer jeweiligen Batteriezelle BZ elektrisch gut leitfähig zu machen, kommt ein Hochtemperatur- Lot zur Verwendung, das oberhalb der späteren Betriebstempe¬ raturen flüssig wird. Um das Lot einmalig zu schmelzen, wird das gesamte Zellpaket eines Moduls gemäß Figur 1, in einen Ofen gefahren und bis zur Schmelztemperatur des Lotes erhitzt. Aufgrund der Form der herkömmlichen Zellverbinder ZS ergibt sich eine starre Verbindung zwischen den Batteriezel¬ len BZ, was im Betrieb zu mechanischen Spannungen führen kann. Ein weiterer Nachteil dieser Verbindungsart ist, dass eine einzige fehlerhafte Verbindungsstelle eine Wiederholung des ganzen Vorgangs nach sich zieht. Die Reparatur eines herkömmlichen Zellverbinders ZS oder der Austausch einer einzelnen defekten Batteriezelle BZ sind hier nicht möglich. In Figur 1 ist das als Minuspol geschaffene Gehäuse mit MP gekenn- zeichnet.
Herkömmliche Zellverbinder ZS sind flach und in ihrer Ausführung starr, am Pluspol PP angeschweißt, und am Minuspol MP angelötet, so wie dies in Figur 1 dargestellt ist. Das Löten erfordert ein Aufheizen des gesamten Zellpakets beziehungs¬ weise Moduls auf Temperaturen oberhalb der Betriebstemperatu¬ ren, und hat damit thermische Belastungen zur Folge, die größer sind als im Normalbetrieb. Figur 1 zeigt eine in
Wikipedia dargestellte "Zebra-Batterie", durch den Schnitt im Gehäuse sind die Batteriezellen und Zellerverbinder sichtbar.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Batteriezelle BZ. Figur 2 zeigt an einer Oberseite einer Bat- teriezelle BZ einen elektrischen Pol, der herkömmlicherweise als Pluspol PP ausgebildet ist. Dieser Pluspol weist die Form eines Knopfes auf, um den ein diesen umlaufenden innerer Ring Ri und um diesen wiederum ein weiterer äußerer Ring, Ra ge- schaffen ist. Die übrigen Gehäuseteile der Batteriezelle BZ sind vom Pluspol PP elektrisch isoliert und bilden den Minus¬ pol MP . Figur 2 zeigt einen herkömmlichen Zelldeckel einer Batteriezelle BZ, die beispielsweise von einem Hersteller mit dem Namen FIAMM hergestellt wird.
Diese herkömmliche starre Zellenverbindung ZS führt zu mecha¬ nischen Belastungen, wodurch Kräfte erzeugt werden können, die eine Zerstörung einer Batteriezelle BZ verursachen können, beispielsweise durch Bruch eines verwendeten Glaslotes an der Verbindung von Keramik und Metall am Deckel einer jeweiligen Batteriezelle BZ. Weiterhin könnten mechanische Be¬ lastungen zum Abreißen eines herkömmlichen Zellverbinders ZS führen, womit der Strang elektrisch unterbrochen und das Modul unbrauchbar würde. Die bisher verwendeten herkömmlichen Zellverbinder ZS besitzen relativ kleine Kontaktflächen. Beispielsweise hat eine herkömmliche Schweißnaht am Pluspol PP, der in Form eines Knopfes mit einem Außendurchmesser von ca. 6mm geschaffen ist, lediglich eine Schweißnahtlänge von knapp 19mm.
Es ist Aufgabe der Erfindung einzelne Zellen eines Moduls ei¬ ner Hochtemperatur- (HT- ) Batterie verlustarm und derart elekt¬ risch und mechanisch zu verbinden, dass mechanische Belastungen, insbesondere Rüttel- und/oder Stoßbelastungen mobiler Anwendungen, nicht zur Zerstörung einer Zelle und nicht zur Zerstörung eines Zellenverbinders führen können.
Die Aufgabe wird durch einen Zellverbinder mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und ein Verfahren zur Zellenverbindung ge- mäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein, insbesondere elastischer, Zellverbinder zum elektrischen Verschalten einer Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen vorgeschlagen, wobei der Zellverbinder ein sich länglich räumlich erstreckender Metallstreifen oder Metallband ist, der oder das mittels eines ersten Längs¬ endes an einen ersten elektrischen Pol an einer Seite einer ersten Batteriezelle befestigbar ist, und der oder das mit¬ tels eines zweiten Längsendes an einer Seitenfläche eines ei¬ nen zweiten elektrischen Pol ausbildenden Gehäuses einer zu der ersten benachbarten zweiten Batteriezelle befestigbar ist, wobei das erste Längsende entlang einer ersten Ebene und das zweite Längsende entlang einer zweiten Ebene
positionierbar sind, wobei die erste Ebene zu der zweiten Ebene senkrecht steht und ein Übergangsbereich oder Zwischenbereich des Zellverbinders zwischen dem ersten Längsende und dem zweiten Längsende in einem Längsschnitt gesehen in Form eines Bogens zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene verläuft .
Ein Metallstreifen kann ein Metallblechstreifen sein, das heißt ein flaches Walzwerkfertigprodukt bestehend aus Metall.
Die Form des Bogens sollte derart sein, dass ein Radius eines Kreises entlang dessen Umfang der Bogen verläuft relativ groß, das heißt beispielsweise größer circa lern, insbesondere größer 2cm, ist, wobei der Bogen besonders vorteilhaft um ei- nen Winkel von circa 270°, beispielsweise von 0° bis circa
280°, entlang des Umfangs verläuft. Es sollen im Verlauf des Bogens im Längsschnitt Ecken und Kanten vermieden werden. Der Verlauf des Bogens soll gerundet oder kreislinienförmig sein. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Verbindung zwi¬ schen den Zellen einerseits möglichst niederohmig sein sollte und andererseits ebenso elastisch. Die Niederohmigkeit soll Ohm'sch Verluste minimieren und damit eine verlustarme Ver¬ bindung der Zellen schaffen. Insbesondere beim Einsatz in mo- bilen Anwendungen, wo Rüttel- und Stoßbelastungen auftreten, ist ein elastischer Zellverbinder notwendig. Elastisch bedeutet in diesem Fall, dass der erfindungsgemäße Zellverbinder so viele der auftretenden Kräfte aufnimmt, dass eine Zerstö¬ rung einer Zelle ausbleibt.
Es wird damit erfindungsgemäß ein Zellverbinder für die am Markt verfügbaren, herkömmlichen Batteriezellen beziehungsweise Zellen der Firma FIAMM beziehungsweise dieses Standards vorgeschlagen, der an seinen beiden Längsenden mit der gleichen Verbindungstechnik angebracht werden kann. Die geforderte Elastizität wird mittels der Bogenform und einer bestimm- ten Materialdicke bewirkt, und zwar bei gleichzeitiger Ein¬ haltung der Niederohmigkeit und Stabilität.
Es wird erfindungsgemäß ein insbesondere elastischer, laser¬ schweißbarer Zellverbinder insbesondere für Hochtemperatur- Batteriemodule mit Hinblick auf eine automatisierte Produkti¬ on vorgeschlagen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Reihenschaltung von einzelnen Batteriezel- len eines Moduls, insbesondere einer Hochtemperatur-Batterie, mit den folgenden Schritten vorgeschlagen, bei denen ein Befestigen eines ersten Längsendes eines als Metallstreifen ausgebildeten Zellverbinders an einen ersten elektrischen Pol an einer Seite einer jeweiligen ersten Batteriezelle und ei- nes zweiten Längsendes des Zellverbinders an eine Seitenflä¬ che eines einen zweiten elektrischen Pol ausbildenden Gehäuses einer jeweiligen zweiten zur ersten Batteriezelle benachbarten Batteriezelle ausgeführt wird, wobei danach in einem Längsschnitt gesehen der Zellverbinder in Form eines Bogens zwischen der Ebene der Seitenfläche der zweiten Batteriezelle und einer Ebene einer Seite der ersten Batteriezelle ver¬ läuft .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Zellverbinder an dem ersten Längsende eine Materialaussparung aufwei- sen, mittels der der Zellverbinder über ein an den ersten elektrischen Pol an einer Seite der ersten Batteriezelle befestigbares Zwischenstück gestülpt sowie an dieses befes¬ tigt werden kann. Mittels der Materialaussparung ist der Me- tallstreifen über das Zwischenstück stülpbar beziehungsweise kann der Metallstreifen über das Zwischenstück gestülpt werden oder anders formuliert das Zwischenstück kann in die Materialaussparung einführbar sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Zwischenstück ein an einem Ring im Deckel der ersten Batteriezelle fixierbarer Hohlzylinder sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Zwischenstück an einem inneren Ring angepasst sein, und einen Außendurchmesser insbesondere von 10mm und eine Länge von insbesondere ca. 8 mm aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Zwischenstück an einem äußeren Ring angepasst sein, und einen Außendurchmesser von insbesondere 18 mm und eine Länge von insbesondere 8 mm aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Zwischenstück ein Nickel-Rohr beziehungsweise Rohrstutzen sein .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Breite des Metallstreifens mindestens 20 mm, insbesondere 32 mm, sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Querschnittfläche des Metallstreifens mindestens 7 mm2, ins¬ besondere 8 mm2, sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Materialstärke oder Dicke des Metallstreifens kleiner als die kleinste Materialstärke der Gehäuse der Batteriezellen, ins¬ besondere kleiner oder gleich 0,25 mm, sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung soll die me- chanische Biegefestigkeit oder Steifigkeit oder das Elastizi¬ tätsmodul des Metallstreifens kleiner als die kleinste mecha¬ nische Biegefestigkeit der Gehäuse der Batteriezellen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Ma- terial des Metallstreifens und/oder des Zwischenstückes weichgeglühtes Nickel, insbesondere Nickel201, insbesondere mit einer Reinheit von 99, 6 % sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Länge des Metallstreifens mindestens 40 mm, insbesondere 70mm, sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in einem Hohlraum beziehungsweise Innenzylinder des Zwischenstü- ckes ein Lot verschmelzbar sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zur Bereitstellung eines Moduls, insbesondere einer Hochtemperatur- Batterie, eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen zu min- destens einem seriellen Strang angeordnet und mittels jewei¬ liger Zellverbinder paarweise elektrisch in Reihe verschaltet sein, wobei jedes erste Längsende eines jeweiligen Zellver¬ binder, insbesondere mittels eines Zwischenstückes, an einem ersten elektrischen Pol befestigt und an diesen befestigt ist und jedes zweite Längsende des Zellverbinders an einem zwei¬ ten elektrischen Pol befestigt ist, wobei der Übergangsbe¬ reich oder Zwischenbereich des Zellverbinders in einem Längsschnitt in Form eines Bogens zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene sich räumlich erstreckt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zwischen zwei benachbarten Batteriezellen jeweils eine elektrisch isolierende Trennschicht ausgebildet sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Befestigen des zweiten Längsendes an der Seitenfläche der zwei¬ ten Batteriezelle vor dem Befestigen des ersten Längsendes an der Seite der ersten Batteriezelle ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Verbiegen des Zellverbinders in die Form des Bogens nach dem Befestigen des zweiten Längsendes und vor dem Befestigen des ersten Längsendes ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Befestigen des zweiten Längsendes an der Seitenfläche der zwei¬ ten Batteriezelle gleichzeitig mit dem Befestigen des ersten Längsendes an der Seite der ersten Batteriezelle ausgeführt werden .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Verbiegen des Zellverbinders in die Form des Bogens vor dem Befestigen des zweiten Längsendes und vor dem Befestigen des ersten Längsendes ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Aneinanderreihen einer Anzahl von ersten und zweiten Batterie- zellen zu einem seriellen Strang des Moduls vor dem Befestigen von zweiten Längsenden und vor dem Befestigen von ersten Längsenden ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein An- einanderreihen einer Anzahl von ersten und zweiten Batteriezellen zu einem seriellen Strang des Moduls nach dem jeweiligen Befestigen von zweiten Längsenden und vor dem Befestigen von ersten Längsenden ausgeführt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann beim
Aneinanderreihen jeweils das befestigte zweite Längsende der ersten Batteriezelle zugewendet werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Aneinanderreihen zu einer Mehrzahl von seriellen Strängen des Moduls ausgeführt werden, wobei die Stränge insbesondere pa¬ rallel zueinander in dem Modul verbaut werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vor dem Befestigen von ersten Längsenden ein jeweiliges Befestigen eines jeweiligen Zwischenstücks an einen jeweiligen ersten elektrischen Pol an einer jeweiligen Seite einer jeweiligen ersten Batteriezelle ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das jeweilige Befestigen des jeweiligen Zwischenstücks vor einem Aneinanderreihen einer Anzahl von ersten und zweiten Batte- riezellen zu einem seriellen Strang des Moduls ausgeführt werden .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können nach dem jeweiligen Befestigen des jeweiligen Zwischenstücks ein Überstülpen des ersten Längsendes des Zellverbinders über das Zwischenstück der ersten Batteriezelle und ein Befestigen des ersten Längsendes des Zellverbinders an das Zwischenstück der ersten Batteriezelle ausgeführt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das
Überstülpen des ersten Längsendes über das Zwischenstück mechanisch und/oder elektrisch spannungsfrei ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann für al- le Zellverbinder des Moduls vor dem Befestigen des ersten
Längsendes an die erste Batteriezelle ein Herstellen einer in der Größe an das Zwischenstück angepassten Materialaussparung in dem ersten Längsende ausgeführt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die elektrische Reihenschaltung von ersten und zweiten Batteriezellen jeweils paarweise ausgeführt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die elektrische Reihenschaltung derart ausgeführt wird, dass je¬ der Schritt jeweils für alle Batteriezellen zusammen und danach der nächste Schritt ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Befestigen ein Anschweißen, insbesondere ein Laserschweißen, sein . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann jedes Anschweißen mittels Schweißroboter automatisch ausgeführt werden .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können de- fekte Batteriezellen einzeln im Modul ausgetauscht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können defekte Batteriezellen einzeln im Modul und vor Ort ausgetauscht werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen
Hochtemperatur-Batterie;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen
Batteriezelle; Fig. 3 eine erste Ansicht eines erfindungsgemäßen
Zellverbinders ;
Fig. 4 eine zweite Ansicht eines erfindungsgemäßen
Zellverbinders ;
Fig. 5 bis 10 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens zur Zellenverbindung. Figur 3 zeigt eine erste Ansicht eines erfindungsgemäßen Zellverbinders Z. Der Zellverbinder Z ist ein sich räumlich länglich erstreckender Metallstreifen 1, der an dessen ersten Längsende LI eine Materialaussparung 3 aufweist, in die ein an einen ersten elektrischen Pol PP an einer Oberseite einer ersten Batteriezelle BZl befestigtes Zwischenstück 5 einführbar sowie an den Metallstreifen 1 fixierbar ist. Der Metallstreifen 1 ist mittels dessen zweiten Längsendes L2 an einer Seitenfläche eines einen zweiten elektrischen Pol MP ausbil- denden Gehäuses einer zu der ersten benachbarten zweiten Batteriezelle BZ2 befestigbar. Dabei kann sich das erste Längs¬ ende LI entlang einer ersten Ebene El und das zweite Längsende L2 entlang einer zweiten Ebene E2 erstrecken, wobei die erste Ebene El zu der zweiten Ebene E2 senkrecht steht. Die erste Ebene El kann vorteilhaft in der Höhe der Befestigung des Metallstreifens 1 mit dem Zwischenstück 5 und die zweite Ebene E2 kann vorteilhaft auf der Seitenfläche der benachbar¬ ten Batteriezelle liegen. Entsprechend stellt der Zellverbin¬ der Z einen Übergangsbereich Ü zwischen seinem ersten Längs- ende LI und seinem zweiten Längsende L2 bereit, der in einem Längsschnitt die Form eines Bogens B aufweist, der von der ersten Ebene El in die zweite Ebene E2 übergeht. Figur 3 zeigt, dass der Metallstreifen 1 in seinem Übergangsbereich Ü besonders vorteilhaft entlang eines gedachten Kreisumfangs verläuft. Der Kreisumfang kann dabei vorteilhaft derart ge¬ schaffen sein, dass dessen Radius relativ groß, beispielswei¬ se insbesondere größer 1 cm, ist. Der Übergangsbereich überstreicht in seinem bogenförmigen Verlauf einen Winkelbereich von 0° bis ca. 270°, wenn der Bogen von der einen Ebene in die andere Ebene übergeht. Grundsätzlich sind ebenso andere Winkelbereiche überstreichbar. Beispielsweise kann der Über¬ gangsbereich einen Bogen mit einem Winkelbereich von 0° bis 300° oder von 0° bis 250° ebenso überstreichen. Dies ist in der Mitte der Figur 3 dargestellt. Der Übergangsbereich Ü sollte immer kurvenförmig, geschwungen verlaufen, und keine Biegekanten enthalten. Die Exakte Formgebung sollte vorher mit einer CAD Software berechnet werden, um die notwendige Elastizität zu gewährleisten. Figur 3 zeigt, dass das Zwi- schenstück 5 beispielsweise als ein Hohlzylinder mit einer Länge 1 und einem Außendurchmesser d geschaffen ist. Die Größe des Innenbereichs des Hohlzylinders ist in seiner Größe derart angepasst, dass das Zwischenstück 5 beispielsweise an einem inneren Ring Ri oder an einem äußeren Ring Ra einer herkömmlichen Batteriezelle BZ angepasst ist. Beispielsweise wird bei der Verwendung eines Rohres oder Rohrstutzens als Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von 10 mm erreicht, dass erfindungsgemäß eine annähernd doppelt so lange Schweiß- Verbindung geschaffen werden kann, im Vergleich zur herkömmlichen Lösung gemäß Figur 1. Ein 10 mm Rohr wurde gewählt, da es exakt in den inneren Ring Ri einer herkömmlichen Batteriezelle BZ passt und sich daran sehr gut anschweißen lässt. Dies betrifft herkömmlicherweise den Pluspol PP. Am Minuspol MP wird eine herkömmliche Lötung am Deckel erfindungsgemäß durch eine großflächige Schweißung an der Seite eines Gehäu¬ ses einer herkömmlichen Batteriezelle ersetzt, so dass sich eine Vervielfachung der Kontaktfläche im Vergleich zum Stand der Technik gemäß Figur 1 ergibt.
Erfindungsgemäß ergeben sich im Vergleich zum Stand der Technik aufgrund der vorteilhaften größeren Kontaktflächen im Vergleich zum Stand der Technik geringere elektrische Übergangswiderstände. Die Innenwiderstände eines Moduls sind ein wichtiges Merkmal hinsichtlich elektrischer Leistung und den daran entstehenden Verlusten. Diese sollten daher so klein wie möglich geschaffen sein. Die Batteriezellen BZ alleine geben beispielsweise bei a iCl2 Innenwiderstände von ca.
10 mQ pro Zelle vor. Ziel der erfindungsgemäßen Neukonstruk- tion der erfindungsgemäßen Zellverbinder Z ist es, die sich dazu addierenden Widerstände durch die Zellverbinder Z kleiner 10 % zu halten, also <1 mQ/Zellenverbindung . Um dies zu bewirken, wurden erfindungsgemäß großflächige Verbindungs¬ übergänge zwischen Batteriezelle BZ und Zellverbinder Z ge- schaffen.
Alternativ kann man das Zwischenstück 5 ebenso als ein 18mm- Rohr, das heißt als ein Hohlzylinder mit 18 mm Außendurchmes- ser, am herkömmlichen äußeren Ring Ra anschweißen, sollte die Schweißnaht am 10 mm-Rohr am Pluspol PP nicht ausreichen.
Eine zusätzliche Möglichkeit zur Reduzierung des Übergangswi- derstandes am Pluspol PP ist es, ein Lot in den Hohlraum des Zwischenstückes 5, das als Hohlzylinder ausgeführt ist, zu bringen, welches durch einmaliges Hochheizen verschmolzen wird, und damit die Kontaktfläche nochmals vergrößert. Diese Möglichkeit des Hochheizens/Abkühlens ist jedoch zeitintensiv und damit teuer und sollte daher möglichst vermieden werden.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen großflächigen Schweißnähte bewirken sehr niedriger Übergangswiderstände. Der Gesamt¬ widerstand des erfindungsgemäßen Zellverbinders Z wird unter dieser Voraussetzung vom elektrischen Leitwert des Materials selbst dominiert. Die Leitfähigkeit eines Ni-Bleches ist pro¬ portional zur Querschnittfläche des Materials. Aus den Mate¬ rialdaten bei 300 °C errechnet sich für Widerstände <1 mQ ei¬ ne notwendige Fläche von knapp 8 mm2. Mit einem Blech von 0,25 mm X 32 mm werden diese Anforderungen erfüllt, und es kann gut und einfach auf die 36 mm breiten herkömmlichen Zellseitenwände angeschweißt werden.
Figur 4 zeigt eine weitere Ansicht eines erfindungsgemäßen Zellverbinders Z. Figur 4 zeigt ebenso zwei benachbarte Bat¬ teriezellen BZl und BZ2, die mittels einer Trennschicht T zwischen deren Seitenflächen voneinander elektrisch isoliert sind. Diese Isolierung kann beispielsweise mittels eines Glimmers geschaffen sein. Figur 4 zeigt, wie mittels Schweiß- nähten SN das hohlzylinderförmige Zwischenstück 5 und das zweite Längsende L2 des Metallstreifens 1 an die jeweilige Batteriezelle BZl und BZ2 befestigt beziehungsweise ange¬ schweißt sind. Der erfindungsgemäße Zellverbinder Z erstreckt sich dabei von einer ersten Ebene El des ersten elektrischen Pols PP an der Oberseite der ersten Batteriezelle BZl über einen bogenförmigen Übergangsbereich Ü mit seinem zweiten Längsende L2 in die zweite Ebene E2 der Fläche an einer Seite der zweiten Batteriezelle BZ2, wobei das Gehäuse der zweiten Batteriezelle BZ2 hier den Minuspol MP bereitstellt. Figur 4 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Zellverbinders Z und insbesondere den bogenförmigen Verlauf des Zellverbinders Z von seinem ersten Längsende LI zu seinem zweiten
Längsende L2 im Modul eingebauten Zustand. Der erfindungsge¬ mäße Übergangsbereich Ü ist eben in Form eines Bogens B ausgebildet. Der Bogen B kann als ein Teil einer Kreislinie be¬ schrieben werden. Erneut sind die beiden Ebenen zueinander im rechten Winkel positioniert dargestellt.
Mittels der gebogenen Form B des erfindungsgemäßen Zellverbinders Z kann besonderes vorteilhaft eine elastische Verbin¬ dung der einzelnen Batteriezellen BZ bewirkt werden. Eine weitere Voraussetzung dafür ist ein dünner Materialstreifen 1, der insbesondere als dünnes Blech ausgeführt ist, dessen Materialstärke beziehungsweise mechanische Biegefestigkeit unterhalb der der herkömmlichen Wände der herkömmlichen Batteriezellen BZ liegt. Zusätzlich sollen die auf ein Glaslot der Batteriezellen BZ übertragenen Kräfte deutlich unterhalb dessen Bruchgrenze liegen. Erfindungsgemäß wird also eine möglichst elastische Verbindung hergestellt, ohne dabei hin¬ sichtlich elektrischer Leitfähigkeit oder mechanischer Stabilität Nachteile zu bewirken. Als Material des Metallstreifens 1 kommt beispielsweise ein Blech aus weichgeglühtem Nickel (Ni201, Reinheit 99,6 %) mit einer Dicke von maximal 0,25 mm in Frage. Das Material her¬ kömmlicher Batteriezellenwände weist üblicherweise eine Mate¬ rialstärke von >0,3 mm auf. Nickel201 besitzt einen niedrigen Kohlenstoffgehalt, um eine Versprödung bei Temperaturen über 315 °C zu vermeiden. Der niedrige Kohlenstoffgehalt verrin¬ gert ebenso die Härte, so dass Ni201 besonders für kaltver- formte Teile geeignet ist. Die erfindungsgemäß bereitgestell¬ te Elastizität eines erfindungsgemäßen Zellverbinders Z er- möglicht ein Abfedern von mechanischen Belastungen, so dass längere Lebensdauern insbesondere bei mobilen Anwendungen bewirkt werden können. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Metallstrei¬ fens 1 in Form eines dünnen Blechs bestehend aus weichgeglüh¬ tem Ni201 mit der bogenförmigen Formgebung, so dass sich eine wirksam größere Elastizität im Vergleich zu herkömmlichen Batteriezellwänden ergibt, und zwar insbesondere bei einer ausreichend hohen elektrischen Leitfähigkeit. Die Elastizität der mittels Zellverbinder Z erzeugten Verbindungen verbessert die Einsatzmöglichkeiten insbesondere von Hochtemperatur- Modulen beziehungsweise Batteriemodulen in mobilen Anwendun- gen. Eine Erhöhung der Lebensdauer von Batterien beziehungsweise Batteriemodulen kann bewirkt werden. Figur 4 zeigt das Prinzip eines elastischen Zellverbinders Z.
Figuren 5 bis 10 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen
Reihenschaltung zweier Batteriezellen BZ1 und BZ2. Grundsätzlich kann eine beliebige Anzahl von Batteriezellen BZ in einem Modul, insbesondere in einem Modul einer Hochtemperatur- Batterie, elektrisch in Serie geschalten werden. Figuren 5 bis 10 zeigen Darstellungen der Einzelteile und eines erfindungsgemäßen Zellverbinders Z sowie die Arbeitsschritte zum Herstellen der notwendigen Verbindung. Die Figuren 5 bis 10 zeigen, dass der erfindungsgemäße Zellverbinder Z einen Bogen besitzt und seitlich am Zellgehäuse (Minuspol) einer Batte- riezelle BZ2 angeschweißt wird. Ein herkömmlicher Zellverbinder ZS wurde für die Verbindung zum Minuspol lediglich am Zelldeckel einer herkömmlichen Batteriezelle angelötet. Die¬ sen Unterschied zeigt Figur 6. Figur 5 zeigt, dass am inneren Ring im Zelldeckel (Pluspol) ein Nickel-Rohr mit 10 mm Außen- durchmesser und einer Länge von ca. 8mm angeschweißt wird. Dabei ist das Nickel-Rohr ein vorteilhaftes Ausführungsbei¬ spiel für ein Zwischenstück 5, das am Pluspol PP der Brennstoffzelle BZ1 angeschweißt wird. Die so vorgefertigten Bat¬ teriezellen BZ werden anschließend zu einem vollständigen Mo- dul zusammengebaut. Um nun die einzelnen Batteriezellen BZ zu verbinden, wird der Zellverbinder Z, in dem sich ein Loch als Materialaussparung 3 befindet, das dem Rohr beziehungsweise Rohrstutzen als Zwischenstück 5 angepasst ist, bogenförmig geformt und spannungsfrei über das Zwischenstück 5 gestülpt. Eine finale Zellenverbindung wird schließlich durch eine Schweißung zwischen Zwischenstück 5 und Zellverbinder Z hergestellt.
Figur 5 zeigt, wie in einem ersten Schritt Sl ein Zwischenstück 5 an einen ersten elektrischen Pol PP an einer Seite, insbesondere Oberseite, einer ersten Batteriezelle BZl befes¬ tigt wird.
Figur 6 zeigt einen zweiten Schritt S2, bei dem ein zweites Längsende L2 eines als Metallstreifen 1 ausgebildeten Zellverbinders Z an einer Seitenfläche eines einen zweiten elekt¬ rischen Pol MP ausbildenden Gehäuses einer zweiten Batterie- zelle BZ2 befestigt wird.
Figur 7 zeigt mit einem dritten Schritt S3, wie die erste und die zweite Batteriezelle BZl und BZ2 zu einem seriellen
Strang des Moduls, das hier lediglich zwei Batteriezellen um- fasst, aneinandergereiht werden, wobei das befestigte, insbe¬ sondere angeschweißte, zweite Längsende L2 des Zellverbinders Z der ersten Batteriezelle BZl beziehungsweise deren Seiten¬ fläche zugewandt ist. Figur 8 zeigt das Erzeugen mit einem vierten Schritt S4 eines Übergangsbereichs Ü des Zellverbinders Z zwischen dessen zweiten Längsende L2 und dessen ersten Längsende LI, wobei in einem Längsschnitt betrachtet, der Zellverbinder Z in Form eines Bogens B aus der Ebene E2 der Seitenfläche der zweiten Batteriezelle BZ2 in die Ebene El der Oberseite der ersten Batteriezelle BZl umgebogen wird.
Figur 9 zeigt den fünften Schritt S5 des Überstülpens des ersten Längsendes LI des Zellverbinders Z über das mit der ersten Batteriezelle BZl verbundenen Zwischenstückes 5. Dabei wird das Zwischenstück 5 in eine Materialaussparung 3 des Metallstreifens 1 eingebracht oder eingeführt. Die Materialaus¬ sparung 3 wurde vorher im Zellverbinder Z geschaffen. Figur 10 zeigt den sechsten Schritt S6 des Befestigens des ersten Längsendes LI des Zellverbinders Z an das Zwischen¬ stück 5 der ersten Batteriezelle BZ1. Figur 1 zeigt die Zel- lenverbindung vor der finalen Schweißung. Die dargestellte
Form des Zellverbinders Z ist lediglich als eine Ausführungs¬ form anzusehen. Grundsätzlich können auch andere Formen eines Metallstreifens 1 als Zellverbinder Z geschaffen sein. Beispielsweise können die Breiten des ersten und des zweiten Längsendes LI und L2 gleich gewählt sein. Figuren 5 bis 10 zeigen eine Ausführungsform eines Zellverbinders Z unter Verwendung eines Bleches mit den Maßen 0,5 mm x 12 mm = 6 mm2. Ein derartiger Zellverbinder Z lässt sich bereits gut verformen und verarbeiten, so dass bei Verwendung eines 0,25mm Ble- ches die geforderte Elastizität besonders vorteilhaft bereit¬ gestellt werden kann.
Besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass eine einheitliche Verbindungstechnik, insbesondere die des Laserschweißens, verwendet werden kann, so dass eine automatisierte Produktion und eine erleichterte Reparaturfä¬ higkeit für Batteriemodule bewirkt werden können. Bei der neuen Art der Zellenverbindung kann an allen Stellen zur Befestigung, insbesondere bei den Schritten Sl, S2 und S6, die gleiche Verbindungstechnik, insbesondere Laserschweißen, angewendet werden. Sowohl die Zellverbinder Z an den Seitenwänden der Batteriezellen BZ, als auch die Zwischenstücke 5 lassen sich durch Schweißroboter anbringen, da beide Stellen frei zugänglich gemacht werden können. Auch die finale
Schweißverbindung mit dem sechsten Schritt S6 am fertig montierten Modul zwischen Zwischenstück 5 und Zellverbinder Z ist gut und frei von oben zugänglich, so dass diese Schwei߬ vorgänge damit automatisierbar sind. Ein weiterer Vorteil ei¬ ner reinen Schweißtechnik ist, dass ein herkömmlicher Ar- beitsschritt mit dem Hochheizen zum Schmelzen des verbindenden Lötens entfällt. Da lediglich langsam geheizt beziehungs¬ weise abgekühlt werden kann, benötigt diese herkömmliche Pro- zedur mindestens einen Arbeitstag und führt zu thermischen Belastungen, die höher sind als im Normalbetrieb.
Die Herstellung der Zellenverbindungen mittels der Zellver- binder Z in kaltem Zustand ergibt weitere zusätzliche Mög¬ lichkeiten, wie beispielsweise den Austausch von einzelnen defekten Batteriezellen BZ in einem Modul. Im Idealfall kann ein Servicetechniker ein Modul vor Ort reparieren, in jedem Fall ist eine Reparatur im Werk möglich. Über den Austausch von einzelnen defekten Batteriezellen BZ ist bisher nichts bekannt, Zellausfälle führen bisher zum Defekt und Lebensende des ganzen Moduls. Die Reparaturfähigkeit besitzt daher gro¬ ßes Potential hinsichtlich der Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Modulen, insbesondere von Hochtemperatur-Modulen.

Claims

Patentansprüche
1. Zellverbinder (Z) zum elektrischen Verschalten, insbesondere in Reihe, einer Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen (BZ) , dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbinder (Z) ein sich länglich räumlich erstreckender Metallstreifen (1) ist, der mittels eines ersten Längsendes (LI) an einen ersten elektrischen Pol (PP) an einer Seite einer ersten Batteriezelle (BZ1) befestigbar ist, und der mittels eines zweiten Längsendes (L2) an einer Seitenfläche eines einen zweiten elektrischen Pol (MP) ausbildenden Gehäuses einer zu der ersten benachbarten zweiten Batteriezelle (BZ2) befestigbar ist, wobei das erste Längsende (LI) und das zweite Längsende (L2) im Längsschnitt gesehen senkrecht zueinander ausrichtbar sind und mittels eines im Längsschnitt gesehenen bogenförmig bieg¬ baren Zwischenbereiches (Ü) des Metallstreifens (1) verbunden sind .
2. Zellverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbinder (Z) an dem ersten Längsende (LI) eine Materialaussparung (3) aufweist, mittels der der Zellverbinder (Z) über ein an den ersten elektrischen Pol (PP) an einer Seite der ersten Batteriezelle (BZ1) befestigbares Zwischen¬ stück (5) stülpbar sowie an dieses befestigbar ist.
3. Zellverbinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (5) ein an einem Ring im Deckel der ersten Batteriezelle (BZ1) fixierbarer Hohlzylinder ist.
4. Zellverbinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (5) an einen inneren Ring (Ri) ange- passt ist, und einen Außendurchmesser (d) insbesondere von 10mm und eine Länge (1) von insbesondere circa 8 mm aufweist.
5. Zellverbinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (5) an einen äußeren Ring (Ra) ange- passt ist, und einen Außendurchmesser (d) von insbesondere 18 mm und eine Länge (1) von insbesondere circa 8 mm auf¬ weist.
6. Zellverbinder nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Zwischenstück (5) ein Nickel-Rohr ist.
7. Zellverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Metallstreifens (1) mindestens 20 mm, insbesondere 32 mm, ist.
8. Zellverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittfläche des Metall¬ streifens (1) mindestens 7 mm2, insbesondere 8 mm2, ist.
9. Zellverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke oder Dicke des Metallstreifens (1) kleiner als die kleinste Materialstärke der Gehäuse der Batteriezellen (BZ) , insbesondere kleiner oder gleich 0,25 mm, ist.
10. Zellverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastizitätsmodul des Me¬ tallstreifens (1) kleiner als das kleinste Elastizitätsmodul der Gehäuse der Batteriezellen (BZ) ist.
11. Zellverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Metallstreifens (1) und/oder des Zwischenstückes (5) weichgeglühtes Nickel, insbesondere Nickel 201, insbesondere mit einer Reinheit von 99, 6 % ist.
12. Zellverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Metallstreifens (1) mindestens 40 mm, insbesondere 70 mm, ist.
13. Zellverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Hohlraum des Zwischenstücks (5) ein Lot verschmelzbar ist.
14. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung eines Moduls, insbe¬ sondere einer Hochtemperatur-Batterie, eine Mehrzahl von ein- zelnen Batteriezellen (BZ) zu mindestens einem seriellen Strang angeordnet und mittels jeweiliger Zellverbinder (Z) paarweise elektrisch in Reihe verschaltet sind, wobei jedes erste Längsende (LI) eines jeweiligen Zellverbinders (Z) , insbesondere mittels eines Zwischenstückes (5), an einem je- weiligen ersten elektrischen Pol (PP) befestigt ist und jedes zweite Längsende (L2) des Zellverbinders (Z) an einem jewei¬ ligen zweiten elektrischen Pol (MP) einer benachbarten Batteriezelle (BZ) befestigt ist, wobei jeweils das erste Längsen¬ de (LI) und das zweite Längsende (L2) im Längsschnitt gesehen senkrecht zueinander ausgerichtet sind und mittels eines im Längsschnitt gesehenen bogenförmigen Zwischenbereiches (Ü) des Metallstreifens (1) verbunden sind.
15. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Batteriezel¬ len (BZ) jeweils eine elektrisch isolierende Trennschicht (T) erzeugt ist.
16. Verfahren zur schrittweisen Herstellung einer elektri- sehen Reihenschaltung von einzelnen Batteriezellen (BZ) eines Moduls, insbesondere einer Hochtemperatur-Batterie, bei dem ein Befestigen (S2) eines ersten Längsendes (LI) eines als Metallstreifen (1) ausgebildeten Zellverbinders (Z) an einen ersten elektrischen Pol (PP) an einer Seite einer jeweiligen ersten Batteriezelle (BZ1) und eines zweiten Längsendes (L2) des Zellverbinders (Z) an eine Seitenfläche eines einen zwei¬ ten elektrischen Pol (MP) ausbildenden Gehäuses einer jeweiligen zweiten zur ersten Batteriezelle (BZ1) benachbarten Batteriezelle (BZ2) ausgeführt wird, wobei danach in einem Längsschnitt gesehen der Zellverbinder (Z) in Form eines Bogens zwischen der Ebene (E2) der Seitenfläche der zweiten Batteriezelle (BZ2) und einer Ebene (El) einer Seite der ers¬ ten Batteriezelle (BZ1) verläuft.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigen (S2) des zweiten Längsendes (L2) an der Seitenfläche der zweiten Batteriezelle (BZ2) vor dem Befestigen (S6) des ersten Längsendes (LI) an der Seite der ersten Bat¬ teriezelle (BZ1) ausgeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbiegen (S4) des Zellverbinders (Z) in die Form des Bo- gens nach dem Befestigen (S2) des zweiten Längsendes und vor dem Befestigen (S6) des ersten Längsendes (LI) ausgeführt wird .
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigen (S2) des zweiten Längsendes (L2) an der Seitenfläche der zweiten Batteriezelle (BZ2) gleichzeitig mit dem Befestigen (S6) des ersten Längsendes (LI) an der Seite der ersten Batteriezelle (BZ1) ausgeführt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 17 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbiegen (S4) des Zellverbinders (Z) in die Form des Bogens vor dem Befestigen (S2) des zweiten Längsendes und vor dem Befestigen (S6) des ersten Längsendes ausge¬ führt wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis
20. dadurch gekennzeichnet, dass ein Aneinanderreihen (S3) einer Anzahl von ersten und zweiten Batteriezellen (BZ1, BZ2) zu einem seriellen Strang des Moduls vor dem Befestigen (S2) von zweiten Längsenden und vor dem Befestigen (S6) von ersten Längsenden ausgeführt wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aneinanderreihen (S3) einer Anzahl von ersten und zweiten Batteriezellen (BZ1, BZ2) zu einem seriellen Strang des Moduls nach dem jeweiligen Befestigen (S2) von zweiten Längsenden (L2) und vor dem Befestigen (S6) von ersten Längsenden (LI) ausgeführt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aneinanderreihen (S3) jeweils das befestigte zweite Längsende (L2) der ersten Batteriezelle (BZ1) zugewen- det wird.
24. Verfahren nach Anspruch 21, 22, 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Aneinanderreihen (S3) zu einer Mehrzahl von seriellen Strängen des Moduls ausgeführt wird, wobei die Strän- ge insbesondere parallel nebeneinander in dem Modul verbaut werden .
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Befestigen (S6) von ersten Längsenden (LI) ein jeweiliges Befestigen (Sl) eines jeweiligen Zwischenstücks (5) an einen jeweiligen ersten elektrischen Pol (PP) an einer jeweiligen Seite einer jeweiligen ersten Batteriezelle (BZ1) ausgeführt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Befestigen (Sl) des jeweiligen Zwischenstücks (5) vor einem Aneinanderreihen (S3) einer Anzahl von ersten und zweiten Batteriezellen (BZ1, BZ2) zu einem seriellen Strang des Moduls ausgeführt wird.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 25 oder
26. dadurch gekennzeichnet, dass nach dem jeweiligen Befesti¬ gen (Sl) des jeweiligen Zwischenstücks (5) ein Überstülpen (S5) des ersten Längsendes (LI) des Zellverbinders (Z) über das Zwischenstück (5) der ersten Batteriezelle (BZ1) und ein Befestigen (S6) des ersten Längsendes (LI) des Zellverbinders (Z) an das Zwischenstück (5) der ersten Batteriezelle (BZ1) ausgeführt werden.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Überstülpen (S5) des ersten Längsendes (LI) über das Zwischenstück (5) mechanisch und/oder elektrisch spannungsfrei ausgeführt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Zellverbinder (Z) des Moduls vor dem Befestigen des ersten Längsendes (LI) an die erste Batte- riezelle (BZ1) ein Herstellen (S) einer in der Größe an das Zwischenstück (5) angepassten Materialaussparung (3) in dem ersten Längsende (LI) ausgeführt wurde.
30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Reihenschal¬ tung von ersten und zweiten Batteriezellen (BZ1, BZ2) jeweils paarweise ausgeführt wird.
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Reihenschal¬ tung derart ausgeführt wird, dass jeder Schritt jeweils für alle Batteriezellen (BZ1, BZ2) zusammen und danach der nächste Schritt ausgeführt wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Befestigen (Sl, S2, S6) ein An¬ schweißen, insbesondere ein Laserschweißen, ist.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Anschweißen mittels Schweißroboter automatisch ausgeführt wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass im Modul verbaute defekte Batteriezellen (BZ) einzeln im Modul ausgetauscht werden.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die defekten Batteriezellen (BZ) einzeln im Modul vor Ort ausgetauscht werden.
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