WO2020187487A1 - Verfahren zur herstellung von elektrischen verbindungen wenigstens zweier batteriezellen für eine batterie eines kraftfahrzeugs, insbesondere eines kraftwagens - Google Patents

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for producing electrical connections of at least two battery cells for a battery of a motor vehicle, in particular a motor vehicle.
  • EP 3 109 925 A1 discloses a battery module and a battery with such a battery module.
  • a secondary battery and a method for producing such a secondary battery are known from US 2010/0247992 A1.
  • US 2011/0195288 A1 discloses a battery and a method for producing such a battery.
  • DE 10 2008 059 963 A1 describes a method for producing a single cell for a battery as known.
  • US 2011/0195288 A1 discloses a battery and a method for producing such a battery.
  • EP 2 372 814 A2 discloses a secondary battery and a secondary battery module.
  • the object of the present invention is to create a method by means of which battery cells of a battery for a motor vehicle can be electrically connected to one another in a particularly advantageous manner.
  • two contact elements formed from a respective metallic material are arranged in mutual overlap or overlap in such a way that a first partial area of a first surface of a first of the contact elements on a second portion of a second surface of the second Contact element, in particular flat, rests.
  • the first sub-area and the second sub-area thus touch one another.
  • the contact elements are so arranged in mutual overlap that at least one of the first
  • the third subarea of the first surface overlaps a fourth subarea of the second surface adjoining the second subarea and is spaced from the fourth subarea.
  • an interspace or a gap is formed between the third sub-area and the fourth sub-area, the interspace or the gap being delimited in a first direction by the third sub-area and a second direction opposite to the first direction by the fourth sub-area
  • a laser beam is then radiated into the space or into the gap and thus between the third sub-area and the fourth sub-area in such a way that the laser beam or its direction of longitudinal extent advantageously runs obliquely to the first sub-area and obliquely to the second sub-area.
  • the first sub-area and the second sub-area extend, for example, in particular in that they touch one another, in a common first plane.
  • the laser beam is introduced into the space in such a way that the laser beam or its direction of longitudinal extent advantageously runs at an angle to the first plane.
  • the third sub-area extends in a second plane which runs obliquely to the first plane.
  • the fourth sub-area can extend in a third plane which coincides with the first plane or runs at an angle to the first plane.
  • the third plane can run obliquely or perpendicular to the second plane.
  • the contact elements are welded to one another by means of the laser beam in order to produce the electrical connection of the battery cells and thereby electrically connected to one another.
  • the laser beam strikes the contact elements, for example, in particular simultaneously.
  • the contact elements are heated by means of the laser beam and thereby at least partially melted, in particular in a welding zone.
  • the respective metallic material of the respective contact element is heated by means of the laser beam and thereby melted, so that the melted materials of the contact elements come together in the welding zone can mix.
  • the contact elements are welded to one another and thus mechanically and materially connected to one another.
  • the contact elements are thereby electrically connected to one another, whereby the battery cells are electrically connected to one another.
  • the invention thus also includes a component and welding arrangement which comprises the contact elements which are arranged relative to one another in the manner described above and are subsequently welded to one another.
  • the component and welding arrangement mentioned is produced by the method according to the invention.
  • the invention is based in particular on the following findings:
  • motor vehicles designed as electric vehicles are highly complex and of great importance, since the current strength is set via the resulting resistances.
  • Different contacts ultimately result in different resistances at the junctions and thus different electrical currents.
  • the contacting of the individual cells is usually made differently between copper and aluminum materials or similarly between copper or aluminum materials in different material thicknesses, so that a favorable mixing ratio of the respective elements must be ensured during welding. Furthermore, in some cases it must be ensured that there are no
  • the invention now makes it possible to manufacture the component and welding arrangement particularly simply and as required.
  • the invention describes the method and said component and welding arrangement for one
  • the method due to the creation of the described gap, compared to conventional I-seams, welding at an overlap joint can be carried out in a very controlled manner, in particular also because the laser beam is advantageously radiated into the gap at an angle to the first plane and thus at an angle of incidence.
  • the angle of incidence is an angle that the laser beam makes with the first plane, the angle being greater than 0 degrees and less than 90 degrees.
  • the method according to the invention enables the contact elements to be welded to one another in a particularly simple and secure manner even if the contact elements have wall thicknesses or wall thicknesses that differ from one another.
  • the aforementioned gap between the third sub-area and the fourth sub-area is also referred to as a joint gap, since the contact elements are welded to one another at the joint gap or in the area of the joint gap and are thereby joined to one another.
  • the method according to the invention enables a special or needs-based adaptation of the contact elements,
  • the third partial area is produced by mechanical processing, in particular by chamfering, in such a way that the third partial area runs at an angle to the first partial area.
  • the third sub-area is produced by producing a phase of the first contact element.
  • the third sub-area is produced by reshaping, in particular by folding, in such a way that the third sub-area runs at an angle to the first sub-area. This makes it possible, for example, that the first
  • Contact element has the same material thickness or wall thickness, that is to say a constant one, at least in the first sub-area and in the third sub-area
  • the aforementioned angle of incidence is also referred to as the lateral angle, at which welding is carried out in a targeted manner into the gap. This is similar to making a fillet weld and is used instead of a
  • the contact elements can be welded together particularly advantageously.
  • the method according to the invention can prevent the respective contact element from being welded through.
  • the contact elements are through the
  • weld seam welded to one another, the weld seam being produced or formed, for example, in the gap. This enables
  • the method according to the invention can be used to ensure that the connection and contacting of the contact elements by welding, in particular by laser welding, of the metallic materials, the angle of incidence and an angle that the third sub-area includes with the first sub-area, and not the material thickness of the Contact elements depends. This allows the contact elements to be connected to one another in a process-reliable manner.
  • the gap is also referred to as a channel, which is formed, for example, by folding or chamfering at least the third sub-area and / or the fourth sub-area. If, for example, both the second plane and the third plane run obliquely to the first plane, a particularly large overall angle can be created that the second plane and the third plane enclose with one another, with a respective individual angle that the second plane and the third plane include the first level, can be kept low. As a result, the channel can be manufactured particularly easily. A large overall angle makes it possible to beam the laser beam particularly easily into the channel.
  • the feature that the third sub-area is produced by mechanical processing, in particular by chamfering, is to be understood as meaning that material is removed by means of which the third sub-area is produced accordingly.
  • the fourth part remains
  • flat and in the first plane or is also produced at an angle to the first plane.
  • the first sub-area and the second sub-area are in contact with one another, in particular flat, the first sub-area and the second sub-area are also referred to as contact surfaces. It is conceivable that the contact surfaces have the same size, so that the two contact surfaces exactly overlap and the channel also has the same or similar dimensions of the edges. Alternatively, one contact surface can also be used, preferably the flat or non-beveled one
  • Contact surface be made larger than the other, so that the contact surface rests with the sloping edges on the larger contact surface and only covers part of it.
  • the welding and thus the contacting take place in the channel, so that the protrusion on one side of the channel is insignificant.
  • Lateral welding of the contact elements in the channel is preferably provided on both sides, that is to say on both sides of the first and second partial areas and thus the contact surfaces, in order to protect both the mechanical and the electrical
  • connection between the contact elements By connecting the contact surfaces as arresters or electrodes to a battery cell, at least one side is already connected, so that not only the two side surfaces are connected
  • Welding can serve, but also the third side of the contact surface, opposite the respective battery cell, can be welded by an inclined edge corresponding to the sides.
  • Fig. 3 is a schematic representation of a second embodiment of the
  • the motor vehicle thus includes in his fully manufactured state the battery, which is preferably designed as a high-voltage battery (HV battery), the battery cells of which are electrically connected to one another when the battery is completely manufactured.
  • the motor vehicle is designed as a hybrid or electric vehicle and comprises at least one electrical machine by means of which the motor vehicle can be electrically driven. For this purpose, the electrical machine is supplied with electrical energy stored in the battery and thus in the battery cells.
  • Battery cells are electrically connected to one another, arranged in mutual overlap or overlap such that a first partial area T1 of a first surface 14 of the contact element 10 rests against a second partial area T2 of a second surface 16 of the contact element 12, in particular flat.
  • the contact elements 10 and 12 are arranged in mutual overlap or overlap in the first step S1 in such a way that respective third partial areas T3 of the surface 14 adjoining the first partial area T1 and running at an angle to the first partial area T1 and at an angle to the second partial area T2 respective fourth partial areas T4 of the surface 16, which adjoin the second partial area T2, overlap and are spaced apart from the respective fourth partial areas T4.
  • an intermediate space 18, also referred to as a channel or joint gap or gap, is formed, which in a first direction illustrated by an arrow 20 through the respective subarea T3 and in a direction opposite and through the first an arrow 22 illustrated second direction is delimited by the respective sub-area T4.
  • a second step S2 of the method at least or precisely one laser beam 24 is irradiated in the space 18 and thus between the respective subregions T3 and T4 in such a way that the laser beam 24 or its through a solid line 26th
  • the illustrated direction of longitudinal extent advantageously runs obliquely to the subregions T1 and T2.
  • the contact elements 10 and 12 are used for the electrical connection of the battery cells by means of the laser beam 24, in particular in the
  • a preferably uninterrupted and for example at least partially, in particular at least predominantly or completely Welding seam 28 running around the circumference of the contact elements 10 and 12 is produced, by means of which the contact elements 10 and 12 are welded to one another and thereby mechanically and electrically connected to one another.
  • the subregions T1 and T2 run in a first plane because they lie flat against one another.
  • the respective sub-area T3 runs in a respective second plane which encloses an angle ⁇ with the first plane. The angle a is greater than 0 degrees and less than 90 degrees.
  • the respective fourth sub-area T4 can run in a third plane, which coincides with the first plane or runs obliquely to the first plane.
  • the plane normal of the first plane is designated by 30. It can be seen from FIG. 2 that the laser beam 24 or its direction of longitudinal extent advantageously runs obliquely to the subregions T1 and T2 and thus obliquely to the first plane, so that the laser beam 24 or its
  • Plane normal 30 encloses a second angle ⁇ .
  • ß is greater than 0 degrees and less than 90 degrees. It is preferably provided that the angle ⁇ is larger than the angle ⁇ and smaller than 90 degrees.
  • the weld seam 28 does not run approximately in the first plane or parallel thereto, but rather the weld seam 28 is also angled.
  • the laser beam 24 is irradiated into the intermediate space 18 in one direction of irradiation, with the contact element 10 above the
  • the contact element 10 is an upper one
  • contact element while the contact element 12 is a lower contact element.
  • One of the contact elements 10 and 12 is made of aluminum or copper, for example, the other contact element 12 or 10 also being made of aluminum or copper.
  • the contact element 10 is made of aluminum and the contact element 12 is made of copper.
  • contact element 10 is also a first
  • the contact element 12 has a second Material thickness t2, which is also referred to as the second wall thickness or second wall thickness.
  • the material thickness t1 is constant.
  • the material thickness t2 is constant. In the first embodiment, for example, the upper contact element experiences a fold under the constant material thickness t1, in particular by bending or another method, as a result of which the angle a arises or is formed.
  • FIG. 3 illustrates a second embodiment in which the angle a is produced by mechanical, in particular cutting, processing and thereby, for example, by removing material from the contact element 10. That shows
  • Contact element 10 in sub-area t1 has the first material thickness t1, which in the second embodiment is not constant when viewed over sub-areas T1 and T3 of contact element 10, in contrast to the first embodiment.
  • the folding and the mechanical processing are component adaptations for realizing the angle a.
  • the component adaptation in combination with the lower contact element and, in particular, when the contact elements 10 and 12 are clamped generates the interspace 18 formed as a local joint gap at the angle a.
  • the contact elements 10 and 12 are clamped together after the first step S1 and before the second step S2 and are thereby held together.
  • the respective component adaptation based on the contact elements 10 and 12 can only be carried out on
  • Contact element 10 only on contact element 12 or on both contact elements 10 and 12. Connections of several components, such as so-called three-sheet connections, can also be made using the method.
  • the contact elements 10 and 12 can now be welded to one another by means of the laser beam 24. In contrast to conventional methods, this does not take place with a perpendicular incidence of the beam, but the laser beam 24 also falls under this as
  • Angle of incidence or lateral angle designated angle ⁇ into the joint gap.
  • the angle ⁇ is preferably smaller than the angle ⁇ , which is also referred to as the component angle.
  • the homogeneous contacting of the contact elements 10 and 12 resulting from the controllable weld also proves to be very positive
  • the welding process can be carried out by the arrangement described without a filler material and does not require any change from the conventional one

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Verbindungen zweier Batteriezellen für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit: Anordnen von zwei aus einem metallischen Werkstoff gebildeten Kontaktelementen (10, 12) in gegenseitiger Überlappung derart, dass ein erster Teilbereich (T1) einer ersten Oberfläche (14) eines ersten der Kontaktelemente (10, 12) an einem zweiten Teilbereich (T2) einer zweiten Oberfläche (16) des zweiten Kontaktelementes (12) anliegt und ein sich an den ersten Teilbereich (T1) anschließender und schräg zu dem ersten und zweiten Teilbereich (T1, T2) verlaufender dritter Teilbereich (T3) der ersten Oberfläche (14) einen sich an den zweiten Teilbereich (T2) anschießenden vierten Teilbereich (T4) der zweiten Oberfläche (16) überlappt und von dem vierten Teilbereich (T4) beabstandet ist; und Einstrahlen eines Laserstrahls (24) zwischen den dritten und vierten Teilbereich (T3, T4) derart, dass der Laserstrahl (24) vorteilsmäßig schräg zu dem ersten und zweiten Teilbereich (T1, T2) verläuft, wodurch die Kontaktelemente (10, 12) mittels des Laserstrahls (24) miteinander verschweißt und dadurch elektrisch miteinander verbunden werden.

Description

Verfahren zur Herstellung von elektrischen Verbindungen wenigstens zweier Batteriezellen für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Verbindungen wenigstens zweier Batteriezellen für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens.
Die EP 3 109 925 A1 offenbart ein Batteriemodul und eine Batterie mit einem solchen Batteriemodul. Aus der US 2010/0247992 A1 sind eine Sekundärbatterie und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Sekundärbatterie bekannt. Die
US 2011/0195288 A1 offenbart eine Batterie und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Batterie. Der DE 10 2008 059 963 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für eine Batterie als bekannt zu entnehmen. Außerdem ist aus der
EP 2 372 814 A2 eine Sekundärbatterie und ein Sekundärbatteriemodul bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem Batteriezellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft elektrisch miteinander verbunden werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von elektrischen Verbindungen wenigstens zweier Batteriezellen für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, werden zwei aus einem jeweiligen metallischen Werkstoff gebildete Kontaktelemente derart in gegenseitiger Überlappung beziehungsweise Überdeckung angeordnet, dass ein erster Teilbereich einer ersten Oberfläche eines ersten der Kontaktelemente an einem zweiten Teilbereich einer zweiten Oberfläche des zweiten Kontaktelements, insbesondere flächig, anliegt. Somit berühren sich der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich gegenseitig. Außerdem werden die Kontaktelemente derart in gegenseitiger Überlappung angeordnet, dass wenigstens ein sich an den ersten
Teilbereich anschließender und schräg zu dem ersten Teilbereich und schräg zu dem zweiten Teilbereich verlaufender dritter Teilbereich der ersten Oberfläche einen sich an den zweiten Teilbereich anschließenden vierten Teilbereich der zweiten Oberfläche überlappt und von dem vierten Teilbereich beabstandet ist. Dadurch wird zwischen dem dritten Teilbereich und dem vierten Teilbereich ein Zwischenraum oder ein Spalt, insbesondere ein Luftspalt, gebildet, wobei der Zwischenraum beziehungsweise der Spalt in eine erste Richtung durch den dritten Teilbereich und eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung durch den vierten Teilbereich begrenzt ist
beziehungsweise wird. Dies bedeutet, dass sich der dritte Teilbereich und der vierte Teilbereich nicht gegenseitig berühren.
Daraufhin wird ein Laserstrahl in den Zwischenraum beziehungsweise in den Spalt und somit zwischen den dritten Teilbereich und den vierten Teilbereich derart eingestrahlt, dass der Laserstrahl beziehungsweise dessen Längserstreckungsrichtung vorteilhaft schräg zu dem ersten Teilbereich und schräg zu dem zweiten Teilbereich verläuft. Der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich erstrecken sich beispielsweise insbesondere dadurch, dass sie sich gegenseitig berühren, in einer gemeinsamen ersten Ebene. Dabei wird der Laserstrahl in dem Zwischenraum derart eingebracht, dass der Laserstrahl beziehungsweise dessen Längserstreckungsrichtung vorteilhaft schräg zu der ersten Ebene verläuft. Es ist denkbar, dass sich der dritte Teilbereich in einer zweiten Ebene erstreckt, welche schräg zur ersten Ebene verläuft. Alternativ oder zusätzlich kann sich der vierte Teilbereich in einer dritten Ebene erstrecken, welche mit der ersten Ebene zusammenfällt oder schräg zur ersten Ebene verläuft. Dabei kann die dritte Ebene schräg oder senkrecht zur zweiten Ebene verlaufen.
Durch Einstrahlen des Laserstrahls ist den Zwischenraum werden zur Herstellung der elektrischen Verbindung der Batteriezellen die Kontaktelemente mittels des Laserstrahls miteinander verschweißt und dadurch elektrisch miteinander verbunden. Hierzu trifft der Laserstrahl beispielsweise, insbesondere gleichzeitig, auf die Kontaktelemente auf.
Hierdurch werden die Kontaktelemente mittels des Laserstrahls erwärmt und dadurch jeweils zumindest teilweise aufgeschmolzen, insbesondere in einer Schweißzone. Mit anderen Worten wird der jeweilige metallische Werkstoff des jeweiligen Kontaktelements mittels des Laserstrahls erwärmt und dadurch aufgeschmolzen, sodass sich die aufgeschmolzenen Werkstoffe der Kontaktelemente in der Schweißzone miteinander vermischen können. Dadurch werden die Kontaktelemente miteinander verschweißt und somit mechanisch und stoffschlüssig miteinander verbunden. Außerdem werden dadurch die Kontaktelemente elektrisch miteinander verbunden, wodurch die Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden werden.
Zur Erfindung gehört somit auch eine Bauteil- und Schweißanordnung, welche die auf die zuvor beschriebene Weise relativ zueinander angeordneten und in der Folge miteinander verschweißten Kontaktelemente umfasst. Mit anderen Worten wird die genannte Bauteil- und Schweißanordnung durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt. Der
Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Die gleichmäßige, insbesondere elektrische, Kontaktierung von Batteriezellen für
beispielsweise als Elektrofahrzeuge ausgebildete Kraftfahrzeuge ist hochkomplex und von großer Bedeutung, da über die sich ergebenden Widerstände die Stromstärke eingestellt wird. Aus unterschiedlichen Kontaktierungen ergeben sich schließlich unterschiedliche Widerstände an den Übergängen und damit unterschiedliche elektrische Ströme. Die Kontaktierung der einzelnen Zellen wird in der Regel artfremd zwischen Kupfer- und Aluminiumwerkstoffen oder artgleich zwischen Kupfer- oder Aluminiumwerkstoffen in unterschiedlichen Materialstärken hergestellt, sodass beim Schweißen ein günstiges Durchmischungsverhältnis der jeweiligen Elemente sicherzustellen ist. Weiterhin ist es in einigen Fällen zu gewährleisten, dass an dem unteren Fügepartner keine
Durchschweißung auftritt. Besonders bei Fügepartnern unterschiedlicher Dicke stellt diese eine enorme Herausforderung dar.
Die Erfindung ermöglicht es nun, die Bauteil- und Schweißanordnung besonders einfach und bedarfsgerecht hersteilen zu können. Mit anderen Worten beschreibt die Erfindung das Verfahren und die genannte Bauteil- und Schweißanordnung für einen
Laserschweißprozess, in dessen Rahmen die Kontaktelemente auf die beschriebene Weise miteinander verschweißt und dadurch elektrisch miteinander verbunden werden.
Bei dem Verfahren kann aufgrund der Erzeugung des beschriebenen Spalts im Vergleich zu herkömmlichen I-Nähten an einem Überlappstoß sehr kontrolliert eingeschweißt werden, insbesondere auch dadurch, dass der Laserstrahl vorteilsmäßig schräg zu der ersten Ebene und somit unter einem Einstrahlwinkel in den Spalt eingestrahlt wird. Der Einstrahlwinkel ist ein Winkel, den der Laserstrahl mit der ersten Ebene einschließt, wobei der Winkel größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist. Insbesondere ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, die Kontaktelemente auch dann besonders einfach und sicher miteinander verschweißen zu können, wenn die Kontaktelemente voneinander unterschiedliche Wanddicken beziehungsweise Wandstärken aufweisen. Der zuvor genannte Spalt zwischen dem dritten Teilbereich und dem vierten Teilbereich wird auch als Fügespalt bezeichnet, da die Kontaktelemente an dem Fügespalt beziehungsweise im Bereich des Fügespalts miteinander verschweißt und dadurch miteinander gefügt werden. Dabei ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine spezielle beziehungsweise bedarfsgerechte Anpassung der Kontaktelemente,
insbesondere deren Geometrien, zur Erzeugung des Fügespalts. Beispielsweise wird der dritte Teilbereich durch mechanisches Bearbeiten, insbesondere durch Anfasen, derart hergestellt, dass der dritte Teilbereich schräg zu dem ersten Teilbereich verläuft. Mit anderen Worten wird beispielsweise der dritte Teilbereich durch Herstellen einer Phase des ersten Kontaktelements hergestellt. Durch mechanisches Bearbeiten wird somit eine in einem Ausgangszustand und somit vor dem mechanischen Bearbeiten vorliegende Wanddicke oder Material stärke des ersten Kontaktelements verändert, insbesondere reduziert, um dadurch den dritten Teilbereich herzustellen.
Ferner ist es denkbar, dass der dritte Teilbereich durch Umformen, insbesondere durch Abkanten, derart hergestellt wird, dass der dritte Teilbereich schräg zu dem ersten Teilbereich verläuft. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass das erste
Kontaktelement zumindest in dem ersten Teilbereich und in dem dritten Teilbereich die gleiche Materialstärke beziehungsweise Wanddicke, das heißt eine konstante
Materialstärke beziehungsweise Wanddicke aufweist. Der zuvor genannte Einstrahlwinkel wird auch als Lateralwinkel bezeichnet, unter welchem gezielt in den Spalt eingeschweißt wird. Dies ist ähnlich einer Herstellung einer Kehlnaht und wird anstelle einer
herkömmlichen I-Naht am Überlappstoß hergestellt, wodurch die Kontaktelemente besonders vorteilhaft miteinander verschweißt werden können. Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden, dass das jeweilige Kontaktelement durchgeschweißt wird. Beispielsweise werden die Kontaktelemente durch das
erfindungsgemäße Verfahren unter Herstellung wenigstens oder genau einer
Schweißnaht miteinander verschweißt, wobei die Schweißnaht beispielsweise in dem Spalt hergestellt beziehungsweise ausgebildet ist. Dabei ermöglicht das
erfindungsgemäße Verfahren, die Kontaktelemente unter Ausbildung wenigstens oder genau einer durchgängigen Schweißnaht miteinander zu verbinden, sodass die
Kontaktelemente zeit- und kostengünstig sowie besonders fest miteinander verbunden werden können. Insbesondere weist das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Vorteile auf:
- günstiges Durchmischungsverhältnis der Kontaktelemente beziehungsweise der
Werkstoffe und damit gute elektrische Kontaktierung - Flexibilität gegenüber Bauteilen und deren Anzahl und Anordnung
- hohe Prozessstabilität
- Risiko einer Durchschweißung wird erheblich gesenkt, da das Verfahren deutlich
kontrollierbarer als herkömmliche Verfahren ist
Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden, dass das Verbinden und Kontaktieren der Kontaktelemente durch Schweißen, insbesondere durch Laserschweißen, von den metallischen Werkstoffen, dem Einstrahlwinkel und einem Winkel, den der dritte Teilbereich mit dem ersten Teilbereich einschließt, und nicht von der Materialstärke der Kontaktelemente abhängt. Dadurch können die Kontaktelemente prozesssicher miteinander verbunden werden.
Der Spalt wird auch als Rinne bezeichnet, welche beispielsweise durch Abkanten oder Anfasen zumindest des dritten Teilbereichs und/oder des vierten Teilbereichs gebildet wird. Verlaufen beispielsweise sowohl die zweite Ebene als auch die dritte Ebene schräg zur ersten Ebene, so kann ein besonders großer Gesamtwinkel geschaffen werden, den die zweite Ebene und die dritte Ebene miteinander einschließen, wobei ein jeweiliger Einzelwinkel, den die zweite Ebene beziehungsweise die dritte Ebene mit der ersten Ebene einschließt, gering gehalten werden kann. Dadurch kann die Rinne besonders einfach hergestellt werden. Ein großer Gesamtwinkel ermöglicht es, den Laserstrahl besonders einfach in die Rinne einstrahlen zu können. Unter dem Merkmal, dass der dritte Teilbereich durch mechanisches Bearbeiten, insbesondere durch Anfasen, hergestellt wird, ist zu verstehen, dass eine Materialabtragung erfolgt, durch welche der dritte Teilbereich entsprechend hergestellt wird. Der vierte Teilbereich bleibt
beispielsweise flächig und dabei in der ersten Ebene oder wird ebenfalls schräg zur ersten Ebene hergestellt.
Da der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich, insbesondere flächig, aneinander anliegen, werden der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich auch als Kontaktflächen bezeichnet. Dabei ist es denkbar, dass die Kontaktflächen die gleiche Größe aufweisen, sodass sich die beiden Kontaktflächen genau überdecken und die Rinne auch gleiche beziehungsweise ähnliche Abmessungen der Ränder hat. Alternativ kann auch die eine Kontaktfläche, vorzugsweise die flache beziehungsweise nicht abgeschrägte
Kontaktfläche, größer als die andere ausgeführt sein, sodass die Kontaktfläche mit den schrägen Kanten auf der größeren Kontaktfläche aufliegt und nur ein Teil dieser überdeckt. Hierbei finden die Verschweißung und damit die Kontaktierung in der Rinne statt, sodass der Überstand auf einer Seite der Rinne unerheblich ist. Vorzugsweise ist eine seitliche Verschweißung der Kontaktelemente in der Rinne auf beiden Seiten, das heißt beidseitig des ersten und zweiten Teilbereichs und somit der Kontaktflächen vorgesehen, um sowohl die mechanische als auch die elektrische
Verbindung zwischen den Kontaktelementen über eine besonders große Länge beziehungsweise Fläche erzeugen zu können. Durch die Verbindung der Kontaktflächen als Ableiter beziehungsweise Elektroden mit einer Batteriezelle ist zumindest eine Seite bereits verbunden, sodass aber auch nicht nur die beiden Seitenflächen zur
Verschweißung dienen können, sondern auch die dritte Seite der Kontaktfläche, gegenüber der jeweiligen Batteriezelle, kann durch eine schräge Kante entsprechend der Seiten verschweißt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung des Verfahrens; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des
Verfahrens.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Anhand von Fig. 1 wird im Folgenden eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zum elektrischen Verbinden wenigstens zweier, in den Fig. nicht dargestellter Batteriezellen für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs erläutert. Das Kraftfahrzeug umfasst somit in seinem vollständig hergestellten Zustand die vorzugsweise als Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) ausgebildete Batterie, deren Batteriezellen in vollständig hergestelltem Zustand der Batterie elektrisch miteinander verbunden sind. Das Kraftfahrzeug ist dabei als Hybrid oder Elektrofahrzeug ausgebildet und umfasst wenigstens eine elektrische Maschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann. Hierzu wird die elektrische Maschine mit in der Batterie und somit in den Batteriezellen gespeicherter elektrischer Energie versorgt.
Bei einem ersten Schritt S1 des Verfahrens werden zwei aus einem jeweiligen
metallischen Werkstoff gebildete Kontaktelemente 10 und 12, mittels welchen die
Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden werden, in gegenseitiger Überlappung beziehungsweise Überdeckung derart angeordnet, dass ein erster Teilbereich T1 einer ersten Oberfläche 14 des Kontaktelements 10 an einem zweiten Teilbereich T2 einer zweiten Oberfläche 16 des Kontaktelements 12, insbesondere flächig, anliegt. Außerdem werden dem ersten Schritt S1 die Kontaktelemente 10 und 12 derart in gegenseitiger Überlappung beziehungsweise Überdeckung angeordnet, dass jeweilige, sich an den ersten Teilbereich T1 anschließende und schräg zu dem ersten Teilbereich T1 und schräg zu dem zweiten Teilbereich T2 verlaufende dritte Teilbereiche T3 der Oberfläche 14 jeweilige, sich an den zweiten Teilbereich T2 anschließende vierte Teilbereiche T4 der Oberfläche 16 überlappen und von den jeweiligen vierten Teilbereichen T4 beabstandet sind. Hierdurch wird zwischen den jeweiligen, sich gegenseitig überlappenden Teilbereich T3 und T4 ein auch als Rinne oder Fügespalt oder Spalt bezeichneter Zwischenraum 18 gebildet, welcher in eine durch einen Pfeil 20 veranschaulichte erste Richtung durch den jeweiligen Teilbereich T3 und in eine der ersten Richtung entgegengesetzte und durch einen Pfeil 22 veranschaulichte zweite Richtung durch den jeweiligen Teilbereich T4 begrenzt wird.
Wie in Zusammenschau mit Fig. 2 erkennbar ist, wird bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wenigstens oder genau ein Laserstrahl 24 in dem Zwischenraum 18 und dadurch zwischen die jeweiligen Teilbereiche T3 und T4 derart eingestrahlt, dass der Laserstrahl 24 beziehungsweise dessen durch eine durchgezogene Linie 26
veranschaulichte Längserstreckungsrichtung vorteilsmäßig schräg zu den Teilbereichen T1 und T2 verläuft. Hierdurch werden zum elektrischen Verbinden der Batteriezellen die Kontaktelemente 10 und 12 mittels des Laserstrahls 24, insbesondere in dem
Zwischenraum 18, miteinander verschweißt und dadurch elektrisch miteinander verbunden. Besonders gut aus Fig. 1 ist erkennbar, dass in dem Zwischenraum 18, welcher beispielsweise in Umfangsrichtung der Kontaktelemente 10 und 12 zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, umläuft, eine vorzugsweise unterbrechungsfreie und beispielsweise zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in Umfangsrichtung der Kontaktelemente 10 und 12 umlaufende Schweißnaht 28 hergestellt, mittels welcher die Kontaktelemente 10 und 12 miteinander verschweißt und dadurch mechanisch und elektrisch miteinander verbunden werden. Die Teilbereiche T1 und T2 verlaufen dadurch, dass sie flächig aneinander anliegen, in einer ersten Ebene. Der jeweilige Teilbereich T3 verläuft in einer jeweiligen zweiten Ebene, welche mit der ersten Ebene einen Winkel a einschließt. Der Winkel a ist dabei größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad. Der jeweilige vierte Teilbereich T4 kann in einer dritten Ebene verlaufen, welche mit der ersten Ebene zusammenfällt oder schräg zur ersten Ebene verläuft.
In Fig. 2 ist die Ebenennormale der ersten Ebene mit 30 bezeichnet. Dabei ist aus Fig. 2 erkennbar, dass der Laserstrahl 24 beziehungsweise dessen Längserstreckungsrichtung vorteilsmäßig schräg zu den Teilbereichen T1 und T2 und somit schräg zu der ersten Ebene verläuft, sodass der Laserstrahl 24 beziehungsweise dessen
Längserstreckungsrichtung mit der ersten Ebene beziehungsweise mit der
Ebenennormalen 30 einen zweiten Winkel ß einschließt. Dabei ist ß größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Winkel a größer als der Winkel ß und kleiner als 90 Grad ist. Außerdem ist aus Fig. 1 und 2 erkennbar, dass die Schweißnaht 28 nicht etwa in der ersten Ebene oder parallel dazu verläuft, sondern die Schweißnaht 28 ist ebenfalls abgewinkelt.
Der Laserstrahl 24 wird in einer Einstrahlrichtung in den Zwischenraum 18 eingestrahlt, wobei bezogen auf diese Abstrahlrichtung das Kontaktelement 10 über dem
Kontaktelement 12 angeordnet ist. Somit ist das Kontaktelement 10 ein oberes
Kontaktelement, während das Kontaktelement 12 ein unteres Kontaktelement ist. Eines der Kontaktelemente 10 und 12 ist beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer gebildet, wobei das andere Kontaktelement 12 beziehungsweise 10 ebenfalls aus Aluminium oder Kupfer gebildet ist. Vorliegend ist beispielsweise das Kontaktelement 10 aus Aluminium und das Kontaktelement 12 aus Kupfer gebildet.
Aus Fig. 1 ist ferner erkennbar, dass das Kontaktelement 10 eine auch als erste
Materialstärke bezeichnete erste Wanddicke oder erste Wandstärke aufweist, wobei die erste Materialstärke mit t1 bezeichnet ist. Das Kontaktelement 12 weist eine zweite Materialstärke t2 auf, welche auch als zweite Wanddicke oder zweite Wandstärke bezeichnet wird. Dabei ist die Materialstärke t1 konstant. Alternativ oder zusätzlich ist die Materialstärke t2 konstant. Bei der ersten Ausführungsform erfährt beispielsweise das obere Kontaktelement unter der konstanten Material stärke t1 eine Abkantung, insbesondere durch Biegen oder ein anderes Verfahren, wodurch der Winkel a entsteht beziehungsweise gebildet wird.
Fig. 3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform, bei welcher der Winkel a durch mechanisches, insbesondere spanendes, Bearbeiten und dadurch beispielsweise durch Materialabtragung des Kontaktelements 10 hergestellt wird. Dabei weist das
Kontaktelement 10 in dem Teilbereich t1 die erste Material stärke t1 auf, welche bei der zweiten Ausführungsform über die Teilbereiche T1 und T3 des Kontaktelements 10 betrachtet nicht konstant ist, im Gegensatz zur ersten Ausführungsform. Das Abkanten und das mechanische Bearbeiten sind Bauteilanpassungen zum Realisieren des Winkels a. Sowohl bei der ersten Ausführungsform als auch bei der zweiten Ausführungsform generiert die Bauteilanpassung in Kombination mit dem unteren Kontaktelement und dabei insbesondere in verspanntem Zustand der Kontaktelemente 10 und 12 den als lokaler Fügespalt ausgebildeten Zwischenraum 18 unter dem Winkel a. Beispielsweise werden die Kontaktelemente 10 und 12 nach dem ersten Schritt S1 und vor dem zweiten Schritt S2 miteinander verspannt und dadurch aneinander gehalten. Die jeweilige Bauteilanpassung kann bezogen auf die Kontaktelemente 10 und 12 nur am
Kontaktelement 10, nur am Kontaktelement 12 oder an beiden Kontaktelementen 10 und 12 vorgenommen werden. Auch Verbindungen mehrerer Bauteile, so zum Beispiel sogenannte Dreiblechverbindungen, können durch das Verfahren hergestellt werden.
Die Kontaktelemente 10 und 12 können nun mittels des Laserstrahls 24 miteinander verschweißt werden. Anders als bei herkömmlichen Verfahren erfolgt dies nicht unter senkrechtem Strahleinfall, sondern der Laserstrahl 24 fällt unter dem auch als
Einstrahlwinkel oder Lateralwinkel bezeichneten Winkel ß in den Fügespalt ein.
Vorzugsweise ist der Winkel ß kleiner als der auch als Bauteilwinkel bezeichnete Winkel a. Als weiterhin sehr positiv erweist sich die aus der kontrollierbaren Schweißung resultierende, homogene Kontaktierung der Kontaktelemente 10 und 12. Der
Schweißprozess kann durch die beschriebene Anordnung ohne einen Zusatzwerkstoff durchgeführt werden und erfordert keine Veränderung von herkömmlicher
Anlagentechnik. Außerdem können Durchschweißungen der Kontaktelemente 10 und 12 sicher vermieden werden. Bezugszeichenliste
10 Kontaktelement
12 Kontaktelement
14 Oberfläche
16 Oberfläche
18 Zwischenraum
20 Pfeil
22 Pfeil
24 Laserstrahl
26 durchgezogene Linie
28 Schweißnaht
30 Ebenennormale t1 Materialstärke t2 Materialstärke
T1 Teilbereich
T2 Teilbereich
T3 Teilbereich
T4 Teilbereich a Winkel
ß Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Verbindungen wenigstens zweier
Batteriezellen für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten:
- Anordnen von zwei aus einem jeweiligen metallischen Werkstoff gebildeten Kontaktelementen (10, 12) in gegenseitiger Überlappung derart, dass ein erster Teilbereich (T1) einer ersten Oberfläche (14) eines ersten der Kontaktelemente (10, 12) an einem zweiten Teilbereich (T2) einer zweiten Oberfläche (16) des zweiten Kontaktelementes (12) anliegt und wenigstens ein sich an den ersten Teilbereich (T1) anschließender und schräg zu dem ersten und zweiten
Teilbereich (T 1 , T2) verlaufender dritter Teilbereich (T3) der ersten Oberfläche (14) einen sich an den zweiten Teilbereich (T2) anschießenden vierten
Teilbereich (T4) der zweiten Oberfläche (16) überlappt und von dem vierten Teilbereich (T4) beabstandet ist; und
- Einstrahlen eines Laserstrahls (24) zwischen den dritten und vierten Teilbereich (T3, T4) derart, dass der Laserstrahl (24) vorteilsmäßig schräg zu dem ersten und zweiten Teilbereich (t1 , T2) verläuft, wodurch zum elektrischen Verbinden der Batteriezellen die Kontaktelemente (10, 12) mittels des Laserstrahls (24) miteinander verschweißt und dadurch elektrisch miteinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der dritte Teilbereich (T3) durch mechanisches Bearbeiten, insbesondere durch Anfasen, derart hergestellt wird, dass der dritte Teilbereich (T3) schräg zu dem ersten Teilbereich (T1) verläuft.
3. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der dritte Teilbereich (T3) durch Umformen, insbesondere durch Abkanten, derart hergestellt wird, dass der dritte Teilbereich (T3) schräg zu dem ersten Teilbereich (T1) verläuft.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelemente (10, 12) aus voneinander artfremden oder artgleichen Werkstoffen gebildet sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eines der Kontaktelemente (10, 12) aus Aluminium und das andere
Kontaktelemente (12, 10) aus Kupfer gebildet ist.
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