WO2019202117A1

WO2019202117A1 - Akkumulatorzellenmodul und verfahren zum kontaktieren der akkumulatorzellen

Info

Publication number: WO2019202117A1
Application number: PCT/EP2019/060178
Authority: WO
Inventors: Gerrit SCHLAGOWSKY; Thomas Hess
Original assignee: Battery-Direct Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2019-10-24
Also published as: DE102018109384A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Akkumulatorzellenmodul (10) bestehend aus mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Akkumulatorzellen (1) mit jeweils einem Plus-Pol (1.1) und einem Minus-Pol (1.2), wobei die Plus-Pole (1.1) und die Minus-Pole (1.2) jeweils über mindestens einen Zellverbinder (2) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei der jeweilige Zellverbinder (2) ein Verbinderpolsegment (2.1) mit einem Kontaktflächenmaß v aufweist, wobei das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) an dem jeweiligen Minus-Pol (1.2) oder dem jeweiligen Plus-Pol (1.1) durch eine Lötverbindung (3) befestigt ist, wobei die Lötverbindung (3) den einzigen elektrischen Kontakt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder (2) und der jeweiligen Akkumulatorzelle (1) bildet, wobei das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) als tellerförmige Ausformung ausgebildet ist und einen erhabenen Zellverbinderpol (2.1) mit dem Kontaktflächenmaß (v) ausbildet, wobei das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) im Randbereich mindestens eine Ausnehmung (2.2) aufweist, durch die eine Temperatur des jeweiligen Pols (1.1, 1.2) während des Lötvorgangs erfassbar ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Kontaktieren von mehreren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen (1) und die Verwendung eines Zellverbinders (2) mit einem tellerförmig ausgeformten Verbinderpolsegment (2.1) zum Löten.

Description

Akkumulatorzellenmodul und

Verfahren zum Kontaktieren der Akkumulatorzellen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Akkumulatorzellenmodul bestehend aus mehreren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen mit jeweils ei- nem Plus-Pol und einem Minus-Pol, wobei die Plus-Pole und die Minus-Pole jeweils über mindestens einen Zellverbinder miteinander elektrisch leitend ver bunden sind, wobei der jeweilige Zellverbinder ein Verbinderpolsegment mit ei- nem Kontaktflächenmaß v aufweist, wobei das Verbinderpolsegment des Zell- verbinders an dem jeweiligen Minus-Pol oder dem jeweiligen Plus-Pol durch ei- ne Lötverbindung befestigt ist, wobei die Lötverbindung den einzigen elektrischen Kontakt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder und der jeweiligen Akkumulatorzelle bildet.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Kontaktieren von meh- reren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen mit jeweils einem Plus-Pol und einem Minus-Pol über einem Zellverbinder, wobei der Zellverbin- der mehrere Verbinderpolsegmente aufweist, wobei das jeweilige Verbinderpolsegment auf einer ersten Oberseite eine Polzone aufweist, wobei die Plus-Pole und die Minus-Pole jeweils über Zellverbinder miteinander elekt- risch leitend verbunden werden. Aus der DE 10 2015 005 529 A1 ist bereits ein Energiespeichermodul beste- hend aus mehreren Akkumulatorzellen bekannt. Das beschriebene Batterie- speichermodul soll vor dem Hintergrund des diskutierten Standes der Technik vorzugsweise ein geringes Raumgewicht haben, mithin eine maximale Leis- tung, welche letztlich durch eine gleichmäßige thermische und elektrische Be- lastung der Einzelzellen erreicht wird. Vorgeschlagen wird daher, die jeweilige Zelle über eine kraftschlüssige Verbindung mit einer Kontaktfeder zu verbinden, wobei die Kontaktfeder mit der daran anschließenden Prallplatte mittels eines Laserschweißverfahrens verschweißt wird. Aus der DE 20 2017 003 647 U1 ist ebenfalls ein Energiespeichermodul beste- hend aus mehreren Akkumulatorzellen bekannt. Das hier beschriebene System soll ebenfalls die Aufgabe lösen, eine möglichst hohe Leistung zu bieten und gleichzeitig eine geringe Wärmeentwicklung zu gewährleisten. Hierzu wird vor- geschlagen, dass die jeweilige Zelle mittels eines Punktschweißverfahrens, insbesondere mittels Lasers mit dem Zellverbindungsmittel verbunden wird. Vorzugweise werden ein bis drei Schweißpunkte angewendet. Die drei Schweiß punkte müssen am Plus-Pol in einem zentralen Bereich platziert werden, wo- hingegen am Minus-Pol gemäß Abs. 0028 eine Platzierung in einem zentralen Bereich vermieden werden soll.

Ebenfalls ist aus der EP 2 154 740 A2 ein Batteriespeichermodul bestehend aus mehreren Akkumulatorzellen bekannt. Das hier beschriebene Speichermo- dul soll möglichst stabil sein, die Stabilität wiederum ist durch das schwächste Glied, mithin die jeweilige Anbindung der jeweiligen Zelle definiert. Ferner soll das Problem gelöst werden, dass die Batterie im Inneren aufgrund der Eigenwärme nicht zu heiß wird. Zudem sollen Herstellungstoleranzen bei der Herstel- lung der Akkumulatorzellen begegnet werden. Im Rahmen der Lösung wird vor geschlagen, dass die aus Kupfer gebildeten Zellverbinder und die dazugehörigen Klemmen entweder geschweißt oder gelötet werden. Die Zellverbinder selbst werden lediglich kraftschlüssig gegen den jeweiligen Zellpol vorgespannt. Eine stoffschlüssige Verbindung ist nicht vorgesehen.

Aus der DE 10 2015 014 241 A1 ist auch ein Energiespeichermodul bestehend aus mehreren Akkumulatorzellen bekannt. Hierbei findet ein Zellverbinder Anwendung, der zwecks visueller Kontrolle der Lötstelle eine Ausnehmung auf- weist. Die Ausnehmung ist mittig zum Pol bzw. mittig innerhalb der Lotstelle vorgesehen. Eine Erwärmung des Zellverbinders in diesem Bereich ist somit nicht möglich.

Dem gegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Akkumulatorzellmodul und ein entsprechendes Herstellungsverfahren derart auszubilden und anzuordnen, dass eine maximal große und in der Größe definierte Verbindung zwischen dem Zellenverbinder und der jeweiligen Akkumulatorzelle einerseits sowie ein möglichst guter Kontakt, mithin ein gerin- ger Kontaktwiderstand zwischen der jeweiligen Akkumulatorzelle und dem Zellverbinder gewährleistet ist.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass das Verbinderpolsegment einen Zellverbinderpol mit dem Kontaktflächenmaß v aufweist, wobei das Verbinderpolsegment des Zellverbinders mindestens eine Ausnehmung auf- weist, durch die eine Temperatur des jeweiligen Pols während des Lötvorgangs erfassbar ist, wobei die Ausnehmung im Rand bereich des Verbinderpolsegments und/oder auf Höhe des Randbereichs des jeweiligen Pols platziert ist. Die Ausnehmung wiederrum gewährleistet einen direkten Zu- gang zum jeweiligen Pol der Akkumulatorzelle zwecks Ermittlung der Temperatur des Pols während des Löt- bzw. Aufschmelzvorgangs. Die definierte Größe sowie die direkte T emperaturmessung am Pol gewährleisten reproduzierbare Prozessbedingungen und ein Lötprozess, bei dem eine Beschädigung der Akkumulatorzelle verhindert wird. Die Platzierung der Ausnehmung im Randbe- reich gewährleistet eine Erwärmung des zentralen Bereichs des Verbinderpolsegments mittels eines punktförmig auftreffenden Laserstrahls. Somit können wesentliche zentrale Bereiche des Verbinderpolsegments erwärmt werden, so dass sich dort die gewünschte Lötstelle ausbildet.

Zudem wird durch die Ausnehmung der Leiterquerschnitt zwischen dem Verbinderpolsegment und dem übrigen Zellverbinder verringert, so dass während des Lötvorgangs eine geringere Wärmeabfuhr vom Verbinderpol in den übrigen Zellverbinder erfolgt.

Ferner wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Verbinderpolsegment des Zellverbinders an dem jeweiligen Minus-Pol oder dem jeweiligen Plus-Pol durch eine Lötverbindung befestigt wird, wobei die Lötverbindung als einziger elektri- scher Kontakt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder und der jeweiligen Akkumulatorzelle angewendet wird und mit einer Kontaktquerschnittsfläche k ausgestattet wird,

- wobei der Zellverbinder mit dem Verbinderpolsegment gegen den zu kontaktierenden Minus-Pol oder Plus-Pol gehalten wird, - wobei zwischen dem Verbinderpolsegment und dem zu kontaktierenden Minus-Po! oder Plus-Pol Lot vorgehalten wird,

- wobei die Polzone mittels eines Laserstrahls erwärmt wird, bis das Verbinderpolsegment auf einer Unterseite mindestens eine Temperatur S auf- weist, ab der das Lot schmilzt,

- wobei eine Oberflächentemperatur O des jeweiligen Minus-Pols oder des je- weiligen Plus-Pols überwacht wird und ein Wärmeeintrag des Lasers derart be- grenzt wird, dass die Oberflächentemperatur O einen vorgegebenen Grenzwert G nicht überschreitet. Die Oberflächentemperatur O wird vorzugsweise kontaktlos erfasst. Der Grenzwert für G liegt bei etwa 60°C. Der Laser wird zwecks Begrenzung des Wärmeeintrags abgeschaltet. Alternativ zur Oberflächentemperatur O des jeweiligen Minus-Pols oder des jeweiligen Plus-Pols kann auch die Oberflächentemperatur O der Polzone überwacht werden.

Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch Verwendung eines Zellverbinders mit einem tellerförmig ausgeformten Verbinderpolsegment, das relativ zu der Un- terseite vorsteht und einen erhabenen Zellverbinderpol ausbildet zum Kontak- tieren von mehreren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen mit deren jeweiligen Plus-Pol und/oder mit deren jeweiligen Minus-Pol durch Löten. Mit dem tellerförmig ausgeformten Verbinderpolsegment einher gehen ein der Dicke und radialen Ausdehnung nach defnierter Nullspalt zwischen dem Zellverbinderpol und dem jeweiligen Pol, so dass eine reproduzierbare Lötverbindung herstellbar ist.

Im Vordergrund steht die Problematik, dass bei der stoffschlüssigen Kontaktie- rung einer Akkumulatorzelle wegen des Aufschmelzens des Metalls ein verhält- nismäßig großer Wärmeeintrag einher geht. Die Akkumulatorzelle darf im Inne- ren jedoch in der Regel nicht über 60°C erhitzt werden, da dies sonst nachhaltig beschädigt wird. Deshalb muss ein Verbindungsverfahren mit sehr stark be- schränktem Wärmeeintrag Anwendung finden. Vor diesem Hintergrund sind aus dem Stand der Technik entsprechende Verbindungsverfahren bekannt, die ei- nen sehr beschränkten Wärmeeintrag gewährleisten. Alternativ zu der mecha- nischen, mithin kraftschlüssigen Kontaktierung zwischen Akkumulatorzelle und Zellenverbinder, wird das Punktschweißen genannt. Dem Punktschweißen kommt der große Vorteil zu, dass der Schweißpunkt selbst sehr klein gehalten werden kann und damit auch der damit einhergehende spezifische Wärmeein- trag pro Schweißpunkt in der Zelle. Jedoch ist aufgrund der Innenarchitektur der Zelle am Minus-Pol eine Platzierung von Schweißpunkten in einem zentralen Bereich zu vermeiden.

In Bezug auf den Wärmehaushalt einer Akkumulatorzelle bzw. des Akkumulatorzellmoduls wurde von der Anmelderin festgestellt, dass eine solche Punktschweißverbindung eine relativ kleine Kontaktquerschnittsfläche und so- mit einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist. Dieser elektrische Widerstand wirkt sich negativ auf den Wärmehaushalt aus, denn er begründet eine weitere Erwärmung des Akkumulatorzellmoduls. Demnach wäre es vorteilhaft, wenn eine möglichst große Kontaktfläche zwischen Akkumulatorzelle und Zellenverbinder erreicht wird. Nach der Lehre des Standes der Technik ist es vorgesehen, dass bis zu drei oder vier Schweißpunkte zum Verbinden ange- wendet werden. Zudem können Kupfer und Eisen mangels Ausbildung eines ausreichenden Gefüges innerhalb des Schweißpunktes nicht prozesssicher und dauerfest verschweißt werden.

Hintergrund der Problematik betreffend den spezifischen Wärmeeintrag pro Schweißpunkt ist, dass der Wärmeeintrag mit der Größe des Schweißpunktes proportional zunimmt, sodass die Größe des Schweißpunktes bei den bisher bekannten Akkumulatorzellengrößen auf etwa 1 mm² bis 3 mm² zu beschrän- ken ist.

Erfindungsgemäß wird für diese stoffschlüssige Verbindung nunmehr ein Lötverfahren angewendet, um die Kontaktquerschnittsfläche des Kontaktpunkts zu vergrößern. Das Lötverfahren hat jedoch zunächst den vermeintlichen Nach- teil, dass damit auch die zu erhitzende Fläche um ein Vielfaches größer wird, womit eine nachteilige Erhöhung des spezifischen Wärmeeintrags pro Verbindungsschritt einher geht.

Andererseits wäre ein Lötprozess, bei dem die letztlich erreichte Größe des Lötpunkts ein vorgenanntes Maximalmaß von 1 mm² bis 3 mm² nicht über- schreitet, nicht realisierbar. Denn vor dem Hintergrund der bestehenden Fertigungstoleranzen einerseits und der zur Verfügung stehenden Lotdosierungsdü- sen kann keine Prozesssicherheit erreicht werden. Die zu verbindenden Kon- taktflächen müssten äußerst präzise und aufwendig gearbeitet sein, um eine gewünschte Lotverteilung und die genannte Kontaktquerschnittsfläche des Lot- kontakts von 1 mm² bis 3 mm² zu gewährleisten. Entsprechend aufwendig wäre die Anordnung von drei Lotpunkten dieser Größe.

Erfindungsgemäß kann dieses Problem jedoch dadurch gelöst werden, dass zur Erwärmung der Lotstelle ein Laser verwendet wird. Hierdurch kann der not- wendige Wärmeeintrag sowohl räumlich als auch zeitlich äußerst präzise definiert werden, um letztlich trotz Gewährleistung wesentlich größerer Kontakt- querschnitte die kritische Akkumulatorzellentemperatur nicht zu überschreiten.

Zudem wurde festgestellt, dass die Anwendung von Lot die folgenden Vorteile mit sich bringt. Während beim Widerstandsschweißen die beiden zu verbinden- den Kontakte gleichzeitig erwärmt werden, wird bei den erfindungsgemäßen Lötverfahren zunächst der Zellverbinder erwärmt, über den wiederrum zunächst das Lot erwärmt wird. Der Akkumulatorzellenpol steht in der Erwärmungskette am Ende, womit eine Reduktion eines nachteiligen Wärmeeintrags einher geht. Das Lot dient sozusagen anfänglich als Isolator. Beim Laserschweißprozess wird der Akkumulatorzellenpol ebenfall unmittelbar mit der notwendigen Prozesswärme beaufschlagt, denn der Wärmeeintrag in den Akkumulatorzellenpol erfolgt unmittelbar durch den Laserstrahl, nachdem dieser den Zellverbinder durchgeschmolzen hat. Eine anfängliche Wärmeleitung von dem vom Laser strahl beaufschlagten Zellverbinder an den Akkumulatorzellenpol ist dabei zu vernachlässigen.

Beim Löten ist der spezifische Wärmeeintrag in das Lot am größten, weil dieses aufschmelzen muss, mithin den Aggregatzustand von fest nach flüssig wech- selt. Das ist beim Schweißen gerade nicht der Fall. Beide Kontaktpartner müssen aufgeschmolzen werden. Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Lötverbindung eine Kontaktquerschnittsfläche k aufweist, die mit einer maßgebenden Reduktion des elektrischen Widerstands der Lötverbindung einhergeht, wobei für die Kontaktquerschnittsfläche k folgende Bedingung gilt:

Amin <= k <= Amax, mit

Amin = Wert der Wertegruppe

{5 mm; 7 mm²; 13 mm²; 30 mm²; 50 mm²; 80 mm²; 150 mm²} und

Amax = Wert aus der Wertegruppe {p; v}.

Durch Anwendung einer Konta ktq ue rsch n ittsf läche k von mindestens 7 mm² wird der damit einhergehende elektrische Widerstand vermindert, womit eine deutlich geringere Temperatur im Betrieb einhergeht. Es ist sogar davon aus- zugehen, dass die Lotstelle des Kontaktes insgesamt kühler ausfällt als die Akkumulatorzelle selbst.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn Ausnehmung eine Breite a aufweist, wo- bei die Breite a mindestens 1 bis 2 mm groß ist.

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der Zellverbinder eine Oberseite und auf der Oberseite im Bereich des Verbinderpolsegments eine Polzone aufweist, wobei zumindest die Polzone eine Aufrauung, eine Satinierung und/oder eine Beschichtung aufweist, die eine verminderte Reflexion und/oder einen verbes- serten Wärmeeintrag bewirkt. Insbesondere durch Anwendung einer Beschich- tung kann auf eine einfache Weise der Emissionsgrad der Oberfläche maximiert werden, so dass dieser bestenfalls nur knapp unterhalb von 1 anzusiedeln ist. Dies wird vor allem durch Anwendung eines schwarzen Lackes erreicht, der bestenfalls matt ausgebildet ist. Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der jeweilige Pol eine Oberfläche und der Zellverbinder eine Unterseite aufweist, wobei die Oberflä- che und/oder die Unterseite zumindest im Bereich des Verbinderpolsegments aufgeraut ist. Durch Aufrauung der Oberfläche des Pols bzw. der Unterseite des Zellverbinders wird eine verbesserte Haftung zum Lot erreicht. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn das Verbinderpolsegment des Zellverbinders als tellerförmige Ausformung ausgebildet ist und einen erhabenen Zellverbinderpol mit dem Kontaktflächenmaß v ausbildet, wobei der Zellverbinderpol relativ zu der Unterseite um mindestens 0,3 mm bis 1 ,9 mm oder mindestens 0,7 mm bis 1 ,3 mm vorsteht. Ein Überstand von etwa 1 ,1 mm hat sich als vorteilhaft erwiesen. Durch die tellerförmige Ausformung können nicht nur Fertigungstoleranzen im Rahmen der Lagerung bzw. des Gehäuses sehr gut ausgeglichen werden. Sondern die Lotverteilung kann während des Lötprozesses definiert werden, weil der zwischen der Akkumulatorzelle und dem Zellverbinder bestehende Spalt, innerhalb dessen sich das Lot aufgrund der Kapillarkräfte ausbreitet, auf das Verbinderpolsegment beschränkt ist. Mit der Definition der Größe zu bil- denden Lötverbindung gehen definierte Bedingungen für die Erwärmung und die Abkühlung einher. Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der Zellverbinder aus Kupfer, aus Messing oder aus Aluminium gebildet ist. Kupfer hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, weil damit eine ausgezeichnete Wärmeleitung, mithin eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des Zellverbinders gewährleistet ist. Zudem weist Kupfer einen sehr geringen elektrischen Widerstand auf, so dass der Wärmeeintrag gering gehalten wird.

Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn der Zellverbinderpol relativ zu der Unterseite um ein Maß m vorsteht, so dass der Zellverbinder mit Ausnahme des Zellverbinderpols einen Abstand d zum Ge häuse aufweist, wobei der Abstand d mindestens 0,05 mm oder 0,1 mm be- trägt. Damit ist der Zellverbinder großteils vom Gehäuse mechanisch entkoppelt. Die Lötverbindung wird somit unmittelbar vom Gehäuse mechanisch nicht beansprucht.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn das Verbinderpolsegment eine Ausnehmung aufweist, durch die die Temperatur des jeweiligen Minus-Pols oder des jeweiligen Plus-Pols ermittelt wird. Die T emperaturerfassung erfolgt vorzugs- weise kontaktlos, wie beispielsweise durch ein Pyrometer oder sonstigen Tem- peraturmesseinrichtungen. Durch Vorsehen der Ausnehmung kann unmitelbar die Poltemperatur erfasst werden, womit kurze Reaktionszeiten, mithin ein reproduzierbarer und schneller Verbindungs- bzw. Kontaktierungsprozess gewährleistet werden. Durch Anwendung des Vorspannmittels kann eine sichere Positionierung des Zellverbinders gewährleistet werden.

Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn ein Laserkopf mit einem Laserkopfantrieb vorgesehen wird, mitels dem der Laserkopf in die Richtungen x, y, z verfahren wird, wobei das Vorspannmittel mitel- oder unmitelbar am Laser- kopfantrieb befestigt ist und gleichzeitig mit einer Fokussierbewegung des Lase rkopfs in Richtung z das Vorspannmitel gegen den Zellverbinder angelegt wird. Gleichzeitig in der Fokussierbewegung kann nicht nur das Vorspannmittel sondern bestenfalls auch das Pyrometer in Position gebracht werden. Somit wird die Positionierung aller drei vorgenannter Elemente durch eine Verstellbe- wegung erreicht.

Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn der Zellverbinder und die Akkumulatorzelle während des Lötvorgangs gegen eine Relativbewegung in eine Richtung x und eine Richtung y gesichert werden. Die Sicherung des Zellverbinders kann ergänzend oder alternativ zum Vorspannmitel durch Kraft oder auch formschlüssige Verbindung erreicht werden. Denkbar hierbei sind beispielsweise ein Lochstiftmuster, über welches der Zellverbinder mit der Akkumulatorzelle oder einer Akkumulator-Zellenaufnahme in Verbindung steht.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn ein viskoses Lot Anwendung findet, das tröpfchenweise auf den jeweiligen Pol derart aufgetragen wird, dass das Lot durch das Auflegen des Zellverbinders über das Verbinderpolsegment und den jeweiligen Pol innerhalb des entstehenden Spaltes verteilt wird oder dass das Lot auf den Zellverbinder dünn aufgetragen wird, wobei mit der Auftragung die Positionierung und die Verteilung des Lots beim späteren Auflegen auf den jeweiligen Pol vorbestimmt wird, wobei der jeweilige Pol im Bereich der einen Ausnehmung weitestgehend frei gehalten wird von Lot. Das Lot wird im hoch- viskosen Zustand dosiert und in Bezug auf das Verbinderpolsegement derart platziert, dass beim Anlegen des Verbinderpolsegments gegen den jeweiligen Pol eine gleichmäßige Verteilung des Lots innerhalb des Spaltes erfolgt. Damit einher geht eine optimale Verteilung des Lots. Beim Aufträgen auf den Zellver- binder kann das Lot dünn aufgetragen werden, beispielsweise mit einem Rakel- verfahren, womit eine definierte Flächenform des Lot-Auftrags einher geht. Somit ist die Verteilung des Lots beim späteren Auflegen auf den jeweiligen Pol weitestgehend vorbestimmt. Das Lot ist somit in jedem Fall in der gewünschten Polzone vorgehalten. Eine Verbreitung des Lots in Bereiche außerhalb der Polzone kann auftreten, ist aber nicht nachteilig.

Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn eine Düse für ein Kühlmedium vorgese- hen wird, wobei nach Erreichen des Grenzwertes G für die Oberflächentempe- ratur O der Zellverbinder im Bereich des Zellverbinderpols mit Kühlmedium be- aufschlagt wird. Somit wird eine schnellere Abkühlung erreicht. Zudem wird ei- ne kontinuierliche Aufheizung des Zellverbinders verhindert.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 eine Prinzipskizze eines Zellverbinders mit Akkumulatorzellen;

Figur 2 eine Prinzipskizze der Akkumulatorzelle;

Figur 3a einen Zellverbinder in der Ansicht von oben;

Figur 3b der Zellverbinder nach Figur 3a in der Ansicht von unten;

Figur 4 eine Prinzipskizze der Seitenansicht einer Akkumulatorzelle mit endseitig angeordneten Zellverbindern;

Figur 5 einen Ausschnitt der Polzone mit Kontaktquerschnittsfläche k;

Figur 6 eine Prinzipskizze der Lötvorrichtung mit Akkumulatorzelle und

Zellverbinder;

Figur 7 ein Akkumulatorzellenmodul. Ein Akkumulatorzellenmodul 10 besteht aus mehreren Akkumulatorzellen 1 , die über sogenannte Zellverbinder 2 elektrisch verbunden werden. Bei dem Zell verbinder 2 handelt es sich um ein Metallblech, welches im Bereich verschiede- ner Polzonen 2.3 mit einem Plus- oder Minus-Pol 1.1 , 1.2 einer

Akkumulatorzelle 1 elektrisch verbunden wird.

Die jeweilige Akkumulatorzelle 1 weist wie in Figur 2 dargestellt einen Plus- Pol 1.1 und ein gegenüberliegend angeordneten Minus-Pol 1.2 auf, wobei der jeweilige Plus- oder Minus-Pol 1.1 , 1.2 über die jeweilige Oberfläche 1.3 mit der Polzone 2.3 des Zellverbinders 2 verbunden wird. Der jeweilige Pol 1.1 , 1.2 weist dabei ein Kontakflächemaß p auf, welches der Oberfläche des jeweiligen Pols 1.1 , 1.2 entspricht.

Nach Figur 1 weist der Zellverbinder 2 für jeden anzuschließenden Pol 1.1 , 1.2 eine Polzone 2.3 auf, in welcher ein Verbinderpolsegment 2.1 des Zellverbin- ders 2 als Zellverbinderpol ausgebildet ist, hier in Form einer Ausformung, wel- ches mit dem jeweiligen Pol 1.1 , 1.2 elektrisch verbunden wird. Der Zellverbin- der 2 ist mit dem Zellverbinderpol 2.1 gegen den jeweiligen Plus- oder Minus- Pol 1.1 , 1.2 der Akkumulatorzelle 1 zur Anlage gebracht und dort wie nachge- hend weiter beschrieben zwecks Kontaktierung und Befestigung verlötet. Zur Fierstellung dieser Lötverbindung weist der Zellverbinder 2 im Bereich der Polzone 2.3 bzw. im Bereich des Zellverbinderpols 2.1 eine Ausnehmung 2.2 auf. Der Zellverbinderpol 2.1 weist ein Kontakflächenmaß v auf, welches der Kreisform des Zellverbinderpols 2.1 entspricht abzüglich der Fläche der Aus- nehmung 2.2.

In Ausführungsbeispiel Figur 3a ist der Zellverbinder 2 in der Ansicht von oben dargestellt. Die jeweiligen Verbinderpolsegmente bzw. Zellverbinderpole 2.1 sind auf der Oberseite 2.4 eingeprägt, wobei die Ausnehmung 2.2 im Zellverbinderpol 2.1 vorgesehen ist. Zudem ist der Zellverbinderpol 2.1 mit einer dunklen Beschichtung 7 versehen, so dass dessen Emissionsgrad in Hinblick auf die Wärmeaufnahme bzw. den Wärmeeintrag in den Zellverbinderpol 2.1 maximiert wird. Der blechförmige Zellverbinder 2 weist ergänzend zu den verschiedenen Polzonen 2.3 mehrere Aussparungen 2.5 zwischen den verschie- denen Polzonen 2.3 auf die nicht nur als Positionierhilfe dienen sondern auch für die Stromführung relevant sind, weil damit der Leiterquerschnitt bestimmt wird.

Nach Figur 3b, obere Bildhälfte ist die Unterseite 2.6 des Zellverbinders 2 dargestellt. Dort ist der jeweilige Zellverbinderpol 2.1 bzw. die Polzone 2.3 von unten zu sehen. Innerhalb der jeweiligen Polzonen 2.3 ist der Zellverbinderpol 2.1 im Rahmen der Ausformung ausgebildet inklusive der Ausnehmung 2.2 innerhalb des Zellverbinderpols 2.1. Gemäß Ausführungsbespiel Figur 3b, untere Bildhälfte können alternativ zu der einen Ausnehmung 2.2 auch mehrere Aus nehmungen 2.2 innerhalb des Zellverbinderpols 2.1 vorgesehen sein. Damit einher geht ein geringerer Wärmeeintrag ausgehend vom zu erwärmenden Zellverbinderpol 2.1 in den übrigen Zellverbinder 2.

Wie bereits ausgeführt, wird die jeweilige Akkumulatorzelle 1 an dem jeweiligen Plus-Pol 1.1 bzw. dem Minus-Pol 1.2 über einen entsprechenden Zellverbinder 2 kontaktiert. Hierbei wird zwischen dem Zellverbinder 2 und dem jeweiligen Pol 1.1 , 1.2 mittels Lot eine Lötverbindung 3 eingebracht. Nach dem Erwärmen des Lots und anschließendem Erkalten entstehen zwischen dem jeweiligen Pol 1.1 , 1.2 und dem jeweiligen Zellverbinder 2 bzw. dessen

Zellverbinderpol 2.1 eine feste, elektrisch gut leitende Verbindung mit einer entsprechend großen Kontaktquerschnittsfläche k.

Nach Figur 4 ist die Lötverbindung 3 der Deutlichkeit halber in ihrer Dicke überhöht dargestellt. Tatsächlich wird der Zellverbinder 2 mit dem jeweiligen Zellverbinderpol 2.1 bzw. seiner Polzone 2.3 gegen den jeweiligen Plus- oder Minus-Pol 1.1 , 1.2 der Akkumulatorzelle 1 zur Anlage gebracht unter vorheriger Dosierung von flüssigem Lotmittel auf eine der gegeneinander in Kontakt zu bringenden Flächen. Dabei verteilt sich das Lot 3 innerhalb des damit entstehenden Spaltes zwischen beiden Oberflächen. Der Zellverbinderpol 2.1 ist als tellerförmige Ausformung ausgebildet und steht relativ zu der Unterseite 2.6 um ein Maß m von ca. 0,6 mm vor. Im montierten Zustand, wenn die Akkumulatorzellen 1 als Akkumulatorzellenmodul 10 in einem hier nur teilweise dargestellten Gehäuse 9 gelagert sind, ist mit Ausnahme des kontaktierten Zellverbinderpols 2.1 zwischen dem Zellverbinder 2 und dem Gehäuse 9 ein Abstand d von ca. 0,1 mm vorgesehen.

Die Lotverteilung ist gemäß Figur 5 skizziert dargestellt. Der Zellverbinder 2 weist im Bereich seiner Polzone 2.3 den Zellverbinderpol 2.1 auf, der wie ge- sagt als Ausformung ausgebildet ist. Der Zellverbinderpol 2.1 weist ein Kontaktflächenmaß v auf, welches mit Ausnahme der Ausnehmung 2.2 dem Kreisflä chenmaß des kreisförmigen Zellverbinderpols 2.1 entspricht. Nach Aufbringen des Lots 3 auf den jeweiligen Pol 1.1 , 1.2 bzw. die jeweilige Unterseite 2.6 des Zellverbinderpols 2.1 und anschließendem gegeneinander Anlegen von Zell- verbinder 2 und Akkumulatorzelle 1 verteilt sich das Lot 3 in den dabei entste- henden Spalt und bildet entsprechend der dosierten Lotmenge letztlich eine Kontaktquerschnittsfläche k aus. Bei einer weiter erhöhten Lotmenge wird sich entsprechend die Kontaktquerschnittsfläche k um das Maß der freien Spaltfläche vergrößern. Ein Austreten des Lotes 3 in den Bereich der Ausnehmung 2.2 ist zunächst auszuschließen, solange weitere Anteile des Kontaktflächenma- ßes v des Zellverbinderpols 2.1 noch von Lot 3 freigehalten sind. Spätestens nach dem Aufschmelzen des Lotes 3 verteilt sich dieses aufgrund er Kapillarkräfte maximal bis zum Rand des Spaltes zwischen dem Zellverbinderpol 2.1 und dem Pol 1.1 , 1.2. Am Rand des Spaltes bildet sich ein Lotkegel, mithin ein sogenannter hydrostatischer Meniskus aus. Dies gilt auch für den Rand der Ausnehmung 2.2. Durch die Menge des Lots 3 kann Einfluss auf die Größe des Lotkegels genommen werden. Die hier dargestellte Ausnehmung 2.2 weist ei- nen Durchmesser a von etwa von etwa 3 mm auf.

Nach Figur 6 ist dargestellt eine Lötvorrichtung im Prinzip bestehend aus einem Laserkopf 5, einem Laserkopfantrieb 5.1 sowie einem am Laserkopf 5 angeordneten Pyrometer 6 und einem Vorspannmittel 4. Nach Auflegen des Zellverbinders 2 auf den Pol 1.1 wird der Laserkopf 5 mit seinem Vorspannmittel 4 nach unten in Richtung z verfahren, so dass das Vorspannmittel 4 den Zellverbinder 2 gegen den Pol 1.1 anlegt. Vorab dieser Anlage ist wie vorgehend geschil- dert auf den Pol 1.1 eine zu bestimmende Menge Lot 3 dosiert, welche in der hier dargestellten Position bereits innerhalb des ausgebildeten Spaltes bzw. Zwischenraumes ausgebreitet ist. Anschließend wird über den Laserkopf 5 und den damit erzeugbaren Laserstrahl 5.2 der Zellverbinderpol 2.1 bzw. dessen Oberseite 2.4 unmittelbar erwärmt, so dass sich die damit eingetragene Wärme auch auf das darunter befindliche Lot 3 ausbreitet. Über das Pyrometer 6 wird über die Ausnehmung 2.2 unmittelbar die Oberflächentemperatur O des Pols 1.1 erfasst. Bei Erreichen einer gewünschten Grenztemperatur G wird der Wärmeeintrag in den Zellverbinderpol 2.1 beendet. Das Lot 3 kühlt ab. Zudem ist eine Düse 8 für Kühlmittel, wie Luft, vorgesehen, mittels der der Zellverbinderpol 2.1 mit Kühlluft beaufschlagt wird. Nach Erreichen der Abkühltemperatur ist mithin eine nicht nur feste, sondern gleichfalls definierte großflä- chige elektrisch leitende Lötverbindung 3 zwischen dem Zellverbinder 2 und der Akkumulatorzelle 1 erreicht. Der Zellverbinder 3 kann ungeachtet der Vorspannung in Richtung z durch das Vorspannelement 4 ebenfalls auch in Richtung der beiden anderen Raumachsen x, y wie nach Figur 3a dargestellt während des Lötvorgangs fixiert werden, um eine Relativbewegung während des Lötvorgangs zu unterbinden. Diese Fixierung, insbesondere in Richtung x, y, kann auch erfolgen durch Anwendung eines Formschlusses zwischen dem Zellverbinder 2 und einem nicht weiter dargestellten Akkumulatorzellen gehäuse 9, in welcher die Akkumulatorzellen 1 gelagert sind.

Nach Figur 7 ist stilisiert dargestellt ein Akkumulatorzellenmodul 10 bestehend aus mehreren Akkumulatorzellen 1 , die über eine nicht dargestellte Aufnahme gelagert sind. Das Akkumulatorzellenmodul 10 ist zu ergänzen durch besagten Zellverbinder 2 in der Art wie beispielsweise für zwei Zellen nach Figur 1 darge stellt. Die Anzahl der zu verbindenden Akkumulatorzellen 1 , mithin die Größe des Zellverbinders 2 und die Anzahl der Zellverbinderpole 2.1 sind der Anzahl der zu verbindenden Akkumulatorzellen 1 entsprechend anzupassen. Die beschriebene Kontaktierung findet sowohl für den hier dargestellten Plus-Pol 1.1 der Akkumulatorzelle 1 als natürlich auch für den nicht zu sehenden Minus- Pol 1.2 statt. Die Akkumulatorzellen 1 können innerhalb eines solchen Akkumulatorzellenmoduls 10 einzeln und/oder auch gruppenweise in Reihe und/oder parallel geschaltet sein. Bezugszeichenliste

1 Akkumulatorzelle

1.1 Plus-Pol

1.2 Minus-Pol

1.3 Oberfläche

2 Zellverbinder

2.1 Verbinderpolsegment, Zellverbinderpol, Ausformung

2.2 Ausnehmung

2.3 Polzone

2.4 Oberseite

2.5 Aussparung

2.6 Unterseite

3 Lötverbindung, Lot

4 Vorspannmittel

5 Laserkopf

5.1 Laserkopfantrieb

5.2 Laserstrahl

6 Pyrometer

7 Beschichtung

8 Düse

9 Gehäuse

10 Akkumulatorzellenmodul

Amin Minimum von k

A-Pol Maximum von k

a Breite von 2.2, Durchmesser

d Abstand

G Grenzwert für O [°C]

k Kontaktquerschnittsfläche [mm²]

m Maß

O Oberflächentemperatur [°C]

p Kontaktflächenmaß [mm²] von 1.1 , 1.2

S Temperatur [°C] V Kontaktflächenmaß [mm²] von 2.1 x Richtung im kartesischen Koordinatensystem y Richtung im kartesischen Koordinatensystem z Richtung im kartesischen Koordinatensystem

Claims

Patentansprüche Akkumulatorzellenmodul (10) bestehend aus mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Akkumulatorzellen (1) mit jeweils einem Plus- Pol (1.1) und einem Minus-Pol (1.2), wobei die Plus-Pole (1.1) und die Mi- nus-Pole (1.2) jeweils über mindestens einen Zellverbinder (2) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei der jeweilige Zellverbinder (2) ein Verbinderpolsegment (2.1) mit einem Kontaktflächenmaß v aufweist, wo- bei das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) an dem jeweili- gen Minus-Pol (1.2) oder dem jeweiligen Plus-Pol (1.1) durch eine

Lötverbindung (3) befestigt ist, wobei die Lötverbindung (3) den einzigen elektrischen Kontakt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder (2) und der jeweiligen Akkumulatorzelle (1) bildet,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Verbinderpolsegment (2.1) einen Zellverbinderpol 2.1 mit dem Kontaktflächenmaß v aufweist, wobei das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) mindestens eine Ausnehmung (2.2) aufweist, durch die eine Temperatur des jeweiligen Pols (1.1 , 1.2) während des Lötvorgangs erfassbar ist, wobei die Ausnehmung (2.2) im Randbereich des

Verbinderpolsegments (2.1) und/oder auf Höhe des Randbereichs des jeweiligen Pols (1.1 , 1.2) platziert ist.

2. Akkumulatorzellenmodul (10) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Lötverbindung (3) eine Kontaktquerschnittsfläche k aufweist, die mit einer maßgebenden Reduktion des elektrischen Widerstands der Lötverbindung (3) einhergeht, wobei für die Kontaktquerschnittsfläche k folgende Bedingung gilt:

Amin <= k <= Amax, mit

Amin = Wert der Wertegruppe

{5 mm; 7 mm²; 13 mm²; 30 mm²; 50 mm²; 80 mm²; 150 mm²} und

Amax = Wert aus Wertegruppe {p; v}.

3. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die Ausnehmung (2.2) eine Breite a aufweist, wobei die Breite a mindestens 1 bis 2 mm groß ist.

4. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass der Zellverbinder (2) eine Oberseite (2.4) und auf der Oberseite (2.4) im Bereich des Verbinderpolsegments (2.1) eine Polzone (2.3) aufweist, wobei zumindest die Polzone (2.3) eine Aufrauung, eine Satinierung und/oder eine Beschichtung (7) aufweist, die eine verminderte Reflexion und/oder einen verbesserten Wärmeeintrag bewirkt.

5. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass der jeweilige Pol (1.1, 1.2) eine Oberfläche (1.3) und derZellverbin- der (2) eine Unterseite (2.6) aufweist, wobei die Oberfläche (1.3) und/oder die Unterseite (2.6) zumindest im Bereich des Verbinderpolsegments (2.1) aufgeraut ist.

6. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) als tellerförmi- ge Ausformung ausgebildet ist und einen erhabenen Zellverbinderpol (2.1) mit dem Kontaktflächenmaß v ausbildet, wobei der Zellverbinderpol (2.1) relativ zu der Unterseite (2.6) mindestens um ein Maß m vorsteht, mit

0,3 mm <= m <= 1 ,9 mm oder 0,7 mm <= m <= 1 ,3 mm.

7. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass der Zellverbinder (2) aus Kupfer, aus Messing oder aus Aluminium gebildet ist.

8. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelagert in einem Gehäuse (9),

dadurch gekennzeichnet,

dass der Zellverbinderpol (2.1) relativ zu der Unterseite (2.6) um ein Maß m vorsteht, so dass der Zellverbinder (2) mit Ausnahme des

Zellverbinderpols (2.1) einen Abstand d zum Gehäuse (9) aufweist, wobei der Abstand d mindestens 0,05 mm oder 0,1 mm beträgt.

9. Verfahren zum Kontaktieren von mehreren in Reihe und parallel geschal- teten Akkumulatorzellen (1) mit jeweils einem Plus-Pol (1.1) und einem Minus-Pol (1.2) über einen Zellverbinder (2), wobei der Zellverbinder (2) mehrere Verbinderpolsegmente (2.1) aufweist, wobei das jeweilige Verbinderpolsegment (2.1) auf einer ersten Oberseite (2.4) eine

Polzone (2.3) aufweist, wobei die Plus-Pole (1.1) und die Minus-Pole (1.2) jeweils überden Zellverbinder (2) miteinander elektrisch leitend verbunden werden, wobei das Verbinderpolsegment (2.1) an dem jeweiligen Minus- Pol (1.2) oder dem jeweiligen Plus-Pol (1.1 ) durch eine Lötverbindung (3) befestigt wird, wobei die Lötverbindung (3) als einziger elektrischer Kon- takt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder (2) und der jeweiligen

Akkumulatorzelle (1) angewendet wird und mit einer

Kontaktquerschnittsfläche k ausgestattet wird,

- wobei der Zellverbinder (2) mit dem Verbinderpolsegment (2.1) gegen den zu kontaktierenden Minus-Pol (1.2) oder Plus-Pol (1.1) gehalten wird,

- wobei zwischen dem Verbinderpolsegment (2.1) und dem zu kontaktierenden Minus-Pol (1.2) oder Plus-Pol (1.1) Lot vorgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Polzone (2.3) mittels eines Laserstrahls erwärmt wird, bis das Verbinderpolsegment (2.1) auf einer Unterseite (2.6) mindestens eine Temperatur S aufweist, ab der das Lot schmilzt,

- wobei eine Oberflächentemperatur O des jeweiligen Minus-Pols (1.2) oder des jeweiligen Plus-Pols (1.1) überwacht wird und ein Wärmeeintrag durch den Laser gestoppt wird, wenn die Oberflächentemperatur O einen vorgegebenen Grenzwert G erreicht.

10. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Verbinderpolsegment (2.1) eine Ausnehmung (2.2) aufweist, durch die die Temperatur des jeweiligen Minus-Pols (1.2) oder des jeweiligen Plus-Pols (1.1) ermittelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein Laserkopf (5) mit einem Laserkopfantrieb (5.1) vorgesehen wird, mittels dem der Laserkopf (5) in Richtungen x, y, z verfahren wird, wobei ein Vorspannmittel (4) vorgesehen ist, mittels dem das

Verbinderpolsegment (2.1) beim Lötvorgang mittel- oder unmittelbar ge- gen den zu kontaktierenden Minus-Pol (1.2) oder Plus-Pol (1.1) in eine Richtung z angelegt wird, wobei das Vorspannmittel (4) mittel- oder unmit- telbar am Laserkopfantrieb (5.1) befestigt ist und gleichzeitig mit einer Fokussierbewegung des Laserkopfs (5) in Richtung z das Vorspannmit- tel (4) gegen den Zellverbinder (2) angelegt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Zellverbinder (2) und die Akkumulatorzelle (1) während des Lötvorgangs gegen eine Relativbewegung in eine Richtung x und eine Richtung y gesichert werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein viskoses Lot Anwendung findet, das tröpfchenweise auf den jeweiligen Pol (1.1, 1.2) derart aufgetragen wird, dass das Lot durch das Auflegen des Zellverbinders (2) über das Verbinderpolsegment (2.1) und den jeweiligen Pol (1.1 , 1.2) verteilt wird oder

dass das Lot auf den Zellverbinder (2) dünn aufgetragen wird, wobei mit der Auftragung die Positionierung und die Verteilung des Lots beim späte- ren Auflegen auf den jeweiligen Pol (1.1, 1.2) vorbestimmt wird, wobei der jeweilige Pol (1.1, 1.2) im Bereich der Ausnehmung (2) weitest- gehend frei gehalten wird von Lot.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Düse (8) für ein Kühlmedium vorgesehen wird, wobei nach Er reichen des Grenzwertes G für die Oberflächentemperatur O der Zellver- binder (2) im Bereich des Zellverbinderpols 2.1 mit Kühlmedium beauf- schlagt wird.

15. Verwendung eines Zellverbinders (2) mit einem tellerförmig ausgeformten Verbinderpolsegment (2.1), das relativ zu der Unterseite (2.6) vorsteht und einen erhabenen Zellverbinderpol 2.1 ausbildet zum Kontaktieren von mehreren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen (1) mit de- ren jeweiligen Plus-Pol (1.1) und/oder mit deren jeweiligen Minus-Pol (1.2) durch Löten.