WO2019110028A1 - Zellenverbinder von akkupacks mit lithium-ionen-zellen und verfahren zur herstellung einer zellenverbindung mittels der zellenverbinder in akkupacks - Google Patents
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Definitions
- Hiluminb is a nickel plated steel strip. The connection is then made by soldering or electroddlingsch consenten.
- Connecting element is connected via an electrically conductive adhesive with at least one of the battery cells.
- the object of the invention is to provide a cell connector
- the solution task is through the use of one or both sides copper-laminated polymer plates, too
- Copper lamination te board have through holes, which are arranged concentrically to the respective top or bottom of the lithium-ion cells.
- the base material By making the base material adaptable or flexible, it can be adapted to the particular conditions of the battery packs and the lithium-ion cells. Also, mechanical
- the cell connector can be depending on the electrical
- the one or both sides copper lamination te board with a flexible base material with 0.8 mm to 1 mm thickness and a lining thickness of preferably 35 gm a width of half to 2/3 - Dur diameter of the lithium-ion cells used correspond and a length that the
- Lithium-ion cells have through-holes, which are arranged concentrically with the respective upper side or lower side of the lithium-ion cells for the support of the copper-laminated board as a cell connector on the top or bottom of the lithium-ion cells.
- Cell connectors according to the invention have a direct contact with the cell and can with this means
- spot welds allow for uniform electrical and thermal coupling to avoid excessive current densities or local overheating.
- Through hole to the top of the cell connector can be optionally the top and / or bottom of the copper-laminated board th as a cell connector to
- Fig. 1 is a plan view of a cell connector with a series of through holes, one side with a
- Fig. 2 is a plan view of a cell connector with a double row of through holes and Fig. 3 is a sectional view in the region of a
- the cell connector 1 consist of one or both sides copper-laminated board 1. These cell connectors 1 are made of a flexible base material, eg. B. from a
- Polymer plate 1 or GFK consisting of 0.8 mm to 1 mm thickness.
- the lining thickness is preferably chosen to be 35 gm. However, other laminating thicknesses are possible, for. B. less than 35 gm or even to 0.5 mm.
- the width of the cell connector 1 depends on the
- Size / diameter of the cells to be connected 4 preferably one half to two thirds of the diameter of the cells used 4.
- the length is calculated from the diameter multiplied by the number of cells to be connected 4, reduced by half a diameter to 1/4 diameter.
- the cell connectors 1 have at a distance from a diameter of the cells used 4 through holes 2, wherein when the support
- the through holes 2 of the cell connectors 1 have a diameter between 1 mm to 10 mm.
- the size of the through holes depends on the connection method. Larger through holes 2 are needed for the NOTEsch spaver drive.
- the cell connectors 1 have rounded ends. As a result, the width of the cell connector 1 can be made larger, since the otherwise overlying corners are no longer present.
- solder is applied to the tops or bottoms of the cells 4 to be joined. Subsequently, a corresponding, double-sided kupferkaschier ter cell connector 1 is placed with its through holes 2 on the Lotstellen.
- this procedure can also be automated with a correspondingly designed
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Abstract
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zellenverbinder zu schaffen, der eine bessere Leitfähigkeit gegenüber Nickelbändern oder Hiluminbändern besitzt und ein günstiges Verbindungsverfahren zwischen einzelner Zelle und dem Zellenverbinder zu schaffen. Als Zellenverbinder (1) wird vorzugsweise für zylindrische Zellen (4) eine ein- oder beidseitig kupferkaschierte Platine (1) mit einem flexiblen Basismaterial mit 0,8 mm bis 1 mm Dicke und einer Kaschierungsdicke von vorzugsweise 35 μm verwendet. Die Zellenverbinder (1) besitzen an den Zellen (4) angepasste Durchgangslöcher (2) mit einen Durchmesser zwischen 1 mm bis 10 mm. Beim Vorzugsverfahren wird ein Punktschweißverfahren vorgeschlagen. Auf die Durchgangslöcher (2) der Zellenverbinder (1) werden so große Nickelblechtäfelchen (3) oder Hilumintäfelchen (3) aufgelegt, dass vorzugsweise eine 4-fache Punktverschweißung, jeweils um 90 Grad versetzt, erfolgen kann. Anschließend werden diese Zellenverbinder (1) mit der Seite der aufgeschweißten Nickelblechtäfelchen (3) oder Hilumintäfelchen (3) zentral auf die Oberseite bzw. Unterseite der Zellen (4) entsprechend der gewünschten elektrischen Schaltung im Akkupack aufgelegt und über die Durchgangslöcher (2) im Zellenverbinder (1) erfolgt eine Punktver schweißung der Nickelblechtäfelchen (3) oder Hilumintäfelchen (3) mit der gewünschten Zelle (4).
Description
Zellenverbinder von Akkupacks mit Lithium- Ionen- Zellen und Verfahren zur Herstellung einer Zellenverbindung mittels der Zellenverbinder in Akkupacks
In der Praxis werden die einzelnen Zellen von Akkupacks, z. B. für Pedelecs, mittels Nickelbänder bzw. Hiluminbänder
miteinander verbunden, wobei Nickelbänder gegenüber
Hiluminbändern eine bessere Leitfähigkeit besitzen. Hilumin ist ein vernickelter Bandstahl. Die Verbindung erfolgt dann durch löten oder elektropunktschweißen .
In der DE 10 2008 040 343 Al wird ein Verbindungselement zur elektrisch leitenden Verbindung von mindestens zwei in einem Akkumulatorgehäuse angeordneten Akkumulatorzellen eines
Akkumulators beschrieben, wobei an dem Verbindungselement zumindest eine Klebefläche vorgesehen ist, an der das
Verbindungselement über einen elektrisch leitfähigen Klebstoff mit zumindest einer der Akkumulatorzellen verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zellenverbinder zu
schaffen, der eine bessere Leitfähigkeit gegenüber
Nickelbändern oder Hiluminbändern besitzt und ein günstiges Verbindungsverfahren zwischen einzelner Zelle und dem
Zellenverbinder zu schaffen.
Die Lösung Aufgabe wird durch den Einsatz von ein- oder beidseitig kupferkaschier ten Polymerplatten, auch
kupferkaschier te Platine genannt erreicht, wobei die
kupferkaschier te Platine Durchgangslöcher besitzen, welche konzentrisch zur jeweiligen Oberseite oder Unterseite der Lithium- Ionen- Zellen angeordnet sind.
Mit diesen erfindungsgemäßen Zellenverbindern ist ein direkter Kontakt zur Lithium- Ionen- Zellen möglich und können mit dieser mittels Punktschweißung oder Lötung verbunden werden. Weitere Vorteile dieser Lösung sind der geringere Widerstand des
Kupfers gegenüber Nickelbändern oder Hiluminbändern, gute Wärmeableitung und damit Vermeidung von thermischen Problemen
im Akkupack, eine gute Stabilität und trotzdem eine gewisse Flexibilität der Zellenverbinder .
Bekannt ist, dass Nickel mit einem spezifischen Widerstand von 6 , 93 * 10 2 Qmm2/m einen etwa viermal so großen spezifischen Widerstand wie Kupfer (0,69*10 2 bis 1,75*10 2 Qmm2/m) und etwa zweieinhalbmal bis dreimal so großen spezifischen Widerstand wie Aluminium (2,65*10 2 Qmm2/m) besitzt. Bei Stahl ist dieser sogar noch größer (1*10_1 bis 2*10_1 Qmm2/m) .
Messungen haben ergeben, dass bei einem Strom von 40A ein Hilumin- Schweißband sich so stark erhitzt, dass die Zellen geschädigt werden. Sie erreichen Temperaturen von über 100 Grad Celsius. Die erfindungsgemäßen Zellenverbinder haben hingegen die Zellwärme abgeleitet.
Indem das Basismaterial anpassungsfähig oder flexibel ist, lässt es an die jeweiligen Gegebenheiten der Akkupacks und der Lithium- Ionen- Zellen anpassen. Auch werden mechanische
Spannungen besser kompensiert.
Mit dem Basismaterial mit einer Dicke von 0,5 bis 2,5 mm lassen sich unterschiedlich mechanisch anspruchsvolle
Akkupacks und Lithium- Ionen- Zellen verarbeiten und
konfektionieren .
Durch die Kupferkaschierung mit einer Dicke von 20 bis 400 gm lassen sich die Zellenverbinder je nach elektrischen
Anforderungen entsprechen konfigurieren, wobei dabei die gegebenenfalls zum Nachteil erwachsenden Vorteile der
Temperaturabführung zu berücksichtigen sind.
Vorteilhaft besitzen die ein- oder beidseitig kupferkaschier te Platine mit einem flexiblen Basismaterial mit 0,8 mm bis 1 mm Dicke und einer Kaschierungsdicke von vorzugsweise 35 gm eine Breite, die dem halben bis 2/3 - Dur chmesser der verwendeten Lithium- Ionen- Zellen entsprechen und eine Länge, die dem
Durchmesser multipliziert mit der Anzahl der zu verbindenden
Lithium- Ionen- Zellen, reduziert um einen halben Durchmesser bis 1/4 Durchmesser, entsprechen und dass die kupferkaschier te Platine im Abstand von einem Durchmesser der verwendeten
Lithium- Ionen- Zellen Durchgangslöcher besitzen, wobei für die Auflage der kupferkaschier te Platine als Zellenverbinder auf die Oberseite oder Unterseite der Lithium- Ionen- Zellen diese Durchgangslöcher konzentrisch zur jeweiligen Oberseite oder Unterseite der Lithium- Ionen- Zellen angeordnet sind.
Indem die Durchgangslöcher der Zellenverbinder einen
Durchmesser zwischen 1 mm bis 10 mm besitzen, lassen sich unterschiedlich große Lithium- Ionen- Zellen und
Verarbeitungswerkzeuge einsetzen .
Die vorteilhaft abgerundeten Enden der Zellenverbinder
erlauben eine platzoptimierte Konfiguration der
Zellenverbinder .
Vorteilhaft ist auf der kupferkaschier ten Platine ein
Verschaltungslayout vorhanden, wodurch die Verschaltung der Lithium- Ionen- Zellen schon vorgesehen ist und somit eine
Vereinfachung und Verkürzung der Konfiguration und der
Herstellung der Akkupacks möglich ist.
In den vorteilhaft beim Verfahren zur Herstellung einer
Zellenverbindung mittels Zellenverbinder auf die auf die
Durchgangslöcher der kupferkaschier te Platine als
Zellenverbinder so große Nickelblechtäfelchen oder
Hilumintäfeichen aufgelegt werden und mit der kupferkaschier te Platine verschweißt werden, wird erreicht, dass der negative Einfluss des Nickelblechs und des Hilumin auf ein notwendiges aber sehr geringes Maß reduziert werden. Diese
erfindungsgemäßen Zellenverbinder besitzen einen direkten Kontakt zur Zelle und können mit dieser mittels
Punktschweißung verbunden werden. Weitere Vorteile dieser Lösung sind der geringere Widerstand gegenüber Nickelbänder oder Hiluminbänder , gute Wärmeableitung und damit Vermeidung
von thermischen Problemen im Akkupack, eine gute Stabilität und trotzdem eine gewisse Flexibilität der Zellenverbinder .
Die vorteilhaft gleichmäßig in Umfangsrichtung um die
Durchgangslöcher versetzt erfolgten Punktverschweißungen ermöglichen eine gleichmäßige elektrische und thermische Kopplung zur Vermeidung von zu hohen Stromdichten oder von lokalen Überhitzungen.
Durch den Einsatz des Impulsschweißens lassen sich Hilumin und Kupfer auf einfache Weise verbinden, was mittels
Laserschweißen nicht möglich ist. Auch lässt sich Hilumin nicht auf Aluminium schweißen. Auch dies ist Laserschweißen nicht möglich.
Indem die kupferkaschierten Platinen als Zellenverbinder mit seinen Durchgangslöchern auf die Oberseiten bzw. Unterseiten der Lithium- Ionen- Zellen gelötet werden, ist ein einfaches Verfahren gegeben, welches schnell und einfach durchführbar ist. Durch das Zuführen weiteren Lots in das jeweilige
Durchgangsloch bis zur Oberseite des Zellenverbinders lassen sich wahlweise die Oberseite und/oder die Unterseite der kupferkaschier ten Platine als Zellenverbinder zur
Kontaktierung mit der jeweiligen Zelle verwenden, wodurch die Kontaktierung an die jeweiligen elektrischen Anforderungen individuell angepasst werden kann. Hierbei sind jedoch die thermischen Einflüsse beim Löten auf die jeweiligen Zellen sowie die Wärmeableitung zu berücksichtigen.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Zellenverbinder mit einer Reihe von Durchgangslöchern, eine Seite mit einem
abgerundeten Ende,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Zellenverbinder mit einer Doppelreihe von Durchgangslöchern und
Fig. 3 eine Schnittdarstellung im Bereich eines
Durchgangsloches mit angeschweißten Nickelbandabschnitten und Zellen .
Die Zellenverbinder 1 bestehen aus ein- oder beidseitig kupferkaschier ten Platine 1. Diese Zellenverbinder 1 bestehen aus einem flexiblen Basismaterial, z. B. aus einer
Polymerplatte 1 oder aus GFK bestehend mit 0,8 mm bis 1 mm Dicke. Als Kaschierungsdicke wird vorzugsweise eine Dicke von 35 gm gewählt. Es sind jedoch auch andere Kaschierungsdicken möglich, z. B. weniger als 35 gm oder auch bis 0,5 mm.
Die Breite der Zellenverbinder 1 richtet sich nach der
Größe/Durchmesser der zu verbindenden Zellen 4, vorzugsweise einen halben bis 2/3 Durchmesser der verwendeten Zellen 4. Die Länge errechnet sich aus dem Durchmesser multipliziert mit der Anzahl der zu verbindenden Zellen 4, reduziert um einen halben Durchmesser bis 1/4 Durchmesser. Die Zellenverbinder 1 besitzen im Abstand von einem Durchmesser der verwendeten Zellen 4 Durchgangslöcher 2, wobei bei Auflage der
Zellenverbinder 1 auf die Oberseite bzw. Unterseite der Zellen 4 diese Durchgangslöcher 2 mit dem Mittelpunkt bzw.
Mittelpunkten der Oberseite/Oberseiten bzw.
Unterseite/Unterseiten übereinstimmen. Die Durchgangslöcher 2 der Zellenverbinder 1 besitzen einen Durchmesser zwischen 1 mm bis 10 mm. Die Größe der Durchgangslöcher richtet sich nach dem Verbindungsverfahren. Größere Durchgangslöcher 2 werden für das Punktschweißver fahren benötigt. Vorteilhaft besitzen die Zellenverbinder 1 abgerundete Enden. Dadurch kann die Breite des Zellenverbinders 1 größer gewählt werden, da die sonst über stehenden Ecken nicht mehr vorhanden sind.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer
Zellenverbindung mittels Zellenverbinder 1 aus
kupferkaschier ten Platinen oder z. B. Polymerplatten in Li - Ionen-Akkupacks benutzt das Elektropunktschweißen . Hierzu werden auf die Durchgangslöcher 2 der Zellenverbinder 1 so große Nickelblechtäfelchen 3 oder Hilumintäfeichen 3 bzw.
Abschnitte von Nickelbändern aufgelegt, dass um das
Durchgangsloch 2 herum vorzugsweise eine 4 - fache
Punktverschweißung, jeweils um 90 Grad versetzt, erfolgen kann. Anschließend werden diese Zellenverbinder 1 mit der Seite der aufgeschweißten Nickelblechtäfelchen 3 oder
Hilumintäfeichen 3 zentral auf die Oberseite bzw. Unterseite der Zellen 4 entsprechend der gewünschten elektrischen
Schaltung im Akkupack aufgelegt. Durch die Durchgangslöcher 2 im Zellenverbinder 1 hindurch erfolgt nun eine
Punktverschweißung der Nickelblechtäfelchen 3 oder
Hilumintäfeichen 3 mit der gewünschten Zelle 4. Es ist klar, dass sich die Größe der Durchgangslöcher 2 nach den
verwendeten Elektroden beim Punktschweißen richtet.
Wie bereits oben beschrieben, können Platinen 1 mit
unterschiedlichster Kupferkaschierungsdicke verwendet werden. Bei einer Dicke über 0,5 mm wirkt sich jedoch die starke
Wärmeableitung in der Kupfer Schicht negativ auf den
Punktschweißvorgang aus .
Ein weiteres Verfahren ist das Lötverfahren beim Verlöten der Zellenverbinder 1 mit den Zellen 4, welches jedoch mehrere Nachteile gegenüber dem Punktschweißver fahren besitzt, wie z. B. die thermische Belastung der Zelle 4 und zusätzlicher
Aufwand von Lot und Arbeitszeit. Bei diesem Verfahren wird auf die zu verbindenden Oberseiten bzw. Unterseiten der Zellen 4 ein Lot aufgetragen. Anschließend wird ein entsprechender, beidseitig kupferkaschier ter Zellenverbinder 1 mit seinen Durchgangslöchern 2 auf die Lotstellen gelegt. Mittels eines Lötkolbens und durch Zuführung weiteren Lots wird das
jeweilige Durchgangsloch 2 bis zur Oberseite des
Zellenverbinders 1 mit Lot ausgefüllt.
Neben der manuellen Verarbeitung lässt sich diese Verfahren auch automatisiert mit einer entsprechend ausgelegten
Lötvorrichtung durchführen.
Zusammenstellung der Bezugszeichen
1 - Zellenverbinder, kupferkaschier te Platine, kupferkaschier te Polymerplatte
2 - Durchgangsloch
3 - Nickelblechtäfelchen, Hilumintäfeichen, Nickelbandabschnitt
4 - Zelle
Claims
1. Zellenverbinder für zylindrische Lithium- Ionen- Zellen (4) für Akkupacks,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass eine ein- oder beidseitig kupferkaschier te Platine (1) Durchgangslöcher (2) besitzt, wobei diese Durchgangslöcher (2) konzentrisch zur jeweiligen Oberseite oder Unterseite der Lithium- Ionen- Zellen (4) angeordnet sind.
2. Zellenverbinder nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Basismaterial anpassungsfähig oder flexibel ist.
3. Zellenverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Basismaterial eine Dicke von 0,5 bis 2,5 mm besitzt.
4. Zellenverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Kupferkaschierung eine Dicke von 20 bis 500 gm besitzt .
5. Zellenverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die ein- oder beidseitig kupferkaschier te Platine (1) mit einem flexiblen Basismaterial mit 0,8 mm bis 1 mm Dicke und einer Kaschierungsdicke von vorzugsweise 35 gm eine Breite besitzen, die dem halben bis 2/3 - Durchmesser der verwendeten Lithium- Ionen- Zellen (4) entsprechen und eine Länge besitzen, die dem Durchmesser multipliziert mit der Anzahl der zu verbindenden Lithium- Ionen- Zellen (4), reduziert um einen halben Durchmesser bis 1/4 Durchmesser, entsprechen und dass die kupferkaschier te Platine (1) im Abstand von einem
Durchmesser der verwendeten Lithium- Ionen- Zellen (4)
Durchgangslöcher (2) besitzen, wobei für die Auflage der kupferkaschier te Platine als Zellenverbinder auf die Oberseite oder Unterseite der Lithium- Ionen- Zellen (4) diese
Durchgangslöcher (2) konzentrisch zur jeweiligen Oberseite oder Unterseite der Lithium- Ionen- Zellen (4) angeordnet sind.
6. Zellenverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Durchgangslöcher (2) der Zellenverbinder (1) einen Durchmesser zwischen 1 mm bis 10 mm besitzen.
7. Zellenverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Zellenverbinder (1) abgerundete Enden besitzen.
8. Zellenverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass auf der kupferkaschier ten Platine (1) eine
Verschaltungslayout vorhanden ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Zellenverbindung mittels Zellenverbinder nach den Ansprüchen 1 bis 7 in Li- Ionen- Akkupacks durch Elektropunktschweißen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass auf die Durchgangslöcher (2) der kupferkaschier te Platine (1) als Zellenverbinder (1) so große Nickelblechtäfelchen (3) oder Hilumintäfeichen (3) aufgelegt werden, dass zumindest eine zweifache oder mehrfache, verzugsweise eine vierfache Punktverschweißung erfolgt und anschließend diese
Zellenverbinder (1) mit der Seite der aufgeschweißten
Nickelblechtäfelchen (3) oder Hilumintäfeichen (3) auf die Oberseite bzw. Unterseite der Lithium- Ionen- Zellen (4) entsprechend der gewünschten elektrischen Schaltung im
Akkupack aufgelegt werden und über die Durchgangslöcher (2) im Zellenverbinder (1) eine Punktverschweißung der
Nickelblechtäfelchen (3) oder Hilumintäfeichen (3) mit der gewünschten Zelle (4) erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Punktverschweißungen gleichmäßig in Umfangsrichtung um die Durchgangslöcher (2), bei einer vierfachen
Punktverschweißung vorzugsweise jeweils um 90 Grad versetzt er folgen .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Punktverschweißungen mittels Impulsschweißen
er folgen .
12. Verfahren zur Herstellung einer Zellenverbindung mittels Zellenverbinder nach den Ansprüchen 1 bis 3 in Li- Ionen- Akkupacks durch Löten,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass auf die zu verbindenden Oberseiten bzw. Unterseiten der Lithium- Ionen- Zellen (4) ein Lot aufgetragen wird,
anschließend ein entsprechender, beidseitig kupferkaschier ten Platine (1) als Zellenverbinder (1) mit seinen
Durchgangslöchern (2) auf die Lotstellen gelegt wird und nun mittels eines Lötkolbens oder einer Lötvorrichtung und durch Zuführung weiteren Lots das jeweilige Durchgangsloch (2) bis zur Oberseite des Zellenverbinders (1) mit Lot ausgefüllt wird .
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