WO2021115848A1 - Verfahren zum herstellen eines zellverbinderverbunds, zellverbinderverbund, batteriepaket und vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines zellverbinderverbunds, zellverbinderverbund, batteriepaket und vorrichtung Download PDF

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WO2021115848A1
WO2021115848A1 PCT/EP2020/084124 EP2020084124W WO2021115848A1 WO 2021115848 A1 WO2021115848 A1 WO 2021115848A1 EP 2020084124 W EP2020084124 W EP 2020084124W WO 2021115848 A1 WO2021115848 A1 WO 2021115848A1
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strip
preforms
another
strip material
cell
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PCT/EP2020/084124
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Dennis Mehlo
Christian Trif
Daniel Ott
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a cell connector assembly, a cell connector assembly as such for contacting battery cells in a battery pack, and a battery pack and a device.
  • Batteries for the electrical supply of work devices are usually provided as battery packs or battery packs in which a plurality of battery cells in the form of individual cells contact one another via several cell connectors that are organized in a cell connector assembly be held, whereby an underlying geometry and a necessary contacting scheme must be guaranteed.
  • a conventional cell connector assembly is formed from individual cell connectors manufactured as stamped parts, which are delivered as individual components, for example as bulk goods. Compliance with the required geometrical and contacting structure requires considerable assembly effort.
  • the method according to the invention for producing a cell connector assembly has the advantage that, with the production of the individual cell connectors as stamped parts, the required structure with regard to geometry and contacting can be ensured without any major effort due to their prepositioning that is impressed during production.
  • This is achieved according to the invention in that a method for producing a cell connector assembly with a plurality of cell connectors in the form of Stamped parts from a strip material and for contacting battery cells is created in a battery pack, which has the steps:
  • a material strip is used as the strip material, in particular with a top side and a bottom side which are opposite one another.
  • the handling can also be further improved with regard to a particularly favorable utilization of the material used if, according to another exemplary embodiment of the method according to the invention, the underlying material webs with or made of strip material in an edge region of a or the underlying material strip are additionally or alternatively are or will be formed.
  • the plastic material can be attached to the stamped parts as preforms in very different ways, as long as it is only ensured that the required configuration of stamped parts or preforms assigned to one another for a desired cell connector assembly is retained in terms of relative positioning and therefore future contacting on the battery cells.
  • the plastic material can be applied in a particularly simple manner as punched parts and / or cell connectors that are assigned to one another, directly adjacent and / or prepositioned with one or as a local connecting element, in particular as local injection molding and / or Overmolding on an upper side and / or underside of the strip material and in particular one or the underlying strip of material.
  • plastic material in addition to this essentially local use of the plastic material, it is alternatively or additionally possible, according to another development of the method according to the invention, to embed the plastic material as a flat and in particular a comparatively large-area embedding or as a flat and, in particular, large-area carrier on directly adjacent and / or prepositioned one another
  • preforms and / or cell connectors in particular as a large-area injection molding and / or extrusion coating on an upper side and / or underside of the strip material and in particular one or the underlying material strip.
  • plastic material locally or in the Essentially locally as a tape or potting compound - in particular in strips - on directly adjacent and / or prepositioned stamped parts, preforms and / or cell connectors, in particular on an upper side and / or lower side of the band material and in particular one or the underlying material band .
  • plastic material as a flat and in particular large-area and / or masked film to stamped parts, preforms and / or cell connectors that are assigned to one another, directly adjacent to one another and / or pre-positioned to one another, in particular than on an upper side and / or underside of the band material and in particular one or the underlying material band.
  • the underlying strip material is supplied and made available as a strip of material on a reel (reel) and / or
  • the present invention also relates to a cell connector assembly for contacting battery cells in battery packs as such, specifically with a plurality of cell connectors in the form of stamped parts from a strip material, which is manufactured or can be manufactured using a method designed according to the invention. Furthermore, the present invention creates a battery pack or a battery pack as such, namely with a plurality of battery cells, in which battery cells are electrically connected to one another individually or in groups via several cell connectors and the cell connectors are designed and provided as a cell connector assembly designed according to the invention, in particular for a simplified assembly compared to the conventional procedure.
  • the present invention also creates a device which is designed with an electrically drivable unit and with a battery pack or battery pack configured according to the invention for supplying the unit with electrical energy for its operation.
  • Figures 1 and 2 show schematically on the basis of plan views in combination with one another a cell connector assembly to explain its components and configuration with regard to geometry and contacting.
  • FIGS. 3A to 3D schematically explain, on the basis of top views, various intermediate states that can be achieved in one embodiment of the production method according to the invention.
  • FIGS. 4 to 6 show schematic views of a cell connector assembly designed according to the invention with a large-area use of plastic material as a carrier for the underlying punched parts as preforms.
  • FIGS. 7 and 8 show schematic views of a cell connector assembly designed according to the invention with a local use of plastic material for Relative positioning of the underlying stamped parts as preforms.
  • FIGS. 9 to 11 show schematic views of embodiments of the cell connector assembly designed according to the invention with the use of plastic material in the form of a tape or in the form of a laminated film for relative positioning of the underlying punched parts as preforms.
  • FIGS. 1 to 11 Embodiments of the invention and the technical background are described in detail below with reference to FIGS. 1 to 11. Identical and equivalent as well as identically or equivalent-acting elements and components are denoted by the same reference symbols. The detailed description of the designated elements and components is not given in every case of their occurrence.
  • Batteries for eBikes and two-wheelers usually consist of a combination of cylindrical individual cells. This combination of individual cells is known as a battery pack.
  • the individual cylindrical cells are in good electrical contact with one another via cell connectors 21, 22.
  • the individual cells are connected in series and in series in a desired and required manner.
  • the total voltage and the total capacity of the battery pack can be influenced by a specific arrangement of these cells to the desired extent.
  • Figures 1 and 2 show schematically on the basis of top views in combination with one another a cell connector assembly 20 to explain its components and configuration with regard to geometry and contacting of the underlying stamped parts 21 and 22, which are electrically isolated from one another must, but must have a predetermined relative positioning to one another in order to correspond to the geometry of the battery pack to be formed.
  • Metal stamped parts 21, 22, among other things, are used for electrical contacting. These can be punched out of a strip material 10, for example a material strip 11 with or from nickel or copper as the base material 12, and contacted to the individual cells by means of a composite process. Resistance welding or laser welding is often used here.
  • the strip material 10 for punched parts 21, 22 can, for example, be delivered on a reel and unrolled into a punching machine on which it is based.
  • the punched parts 21, 22 are punched out completely as preforms 27, 28 and fall as drop parts into a transport container.
  • the parts are stored individually and separately from each other and, if necessary, transported to the other production facility.
  • the punched parts 21, 22 are delivered as bulk goods and must therefore be positioned by means of a robot or manually.
  • This positioning of the cell connectors 21, 22 to form the cell connector assembly 20 is very complex because deviations and tolerances have a direct and possibly strong influence on the quality of the connection to the individual cells and in particular on the welding quality.
  • This invention describes, among other things, a method in which cell connectors 21, 22 are designed and delivered as metal stamped parts 21 ‘, 22‘ as semi-finished products or preforms 27, 28, namely with a still existing contact and material connection via material webs 24 and 25.
  • FIGS. 3A to 3D show schematically on the basis of top views various intermediate states that can be achieved in one embodiment of the production method according to the invention.
  • the strip material 10 is shown in the form of a material strip 11 made of a material 12 with an upper side 11a and a lower side 11b in a state unwound from a roll. In this form unwound from the roll, the strip material 10 is fed to a corresponding punching device.
  • preforms 27 and 8 and 20 of the punched parts 21 ', 22' to be formed later for the cell connectors 21 and 22 are formed.
  • the preforms 27 and 28 are also materially and electrically connected to one another via material webs 24 and 25 in the region of the edges 14 and 15 of the material strip 11.
  • preforms 27, 28 and consequently the stamped parts 21 ', 22' are fixed in their geometrical pre-positioning relative to one another via the material webs 24 and 25 and can basically be positioned fully automatically in this form and without great effort in connection with battery cells to be contacted and connected get connected.
  • this geometric pre-positioning of the preforms 27, 28 of the stamped parts 21, 22 'for the individual cell connectors 21, 22 of the cell connector assembly 20 relative to one another is achieved by applying an electrically insulating plastic material that connects the preforms 27, 28
  • the attachment of the plastic material 30 is in the transition to the intermediate state in FIG. 3C with the attachment of local connecting elements
  • a core aspect of the present invention is therefore the additional material connection of preforms 27, 28 assigned to one another for the stamped parts 2T, 22 'for the cell connectors 21, 22 of the cell connector assembly 20 to be formed with a plastic material 30 before the material webs 24, 25 of the material strip 14 and 14 are separated its edges 14, 15, in order to keep the individual parts in the required geometric arrangement to one another and at the same time to avoid an electrical short circuit between the individual preforms 27, 28 of the cell connectors 21, 22 due to possible inaccurate positioning.
  • the composite 20 of cell connectors 21, 22 in the form of punched parts 2T, 22 'and plastic 30 functioning as preforms 27, 28 can be positioned fully automatically on an arrangement of individual cells and contacted there as a whole, i.e. in material connection with one another.
  • punched parts 2T, 22 are not completely punched out of the strip material 10 according to the invention, but remain initially connected as preforms 27, 28 via webs 24, 25 in the punched grid of the material strip 11 of the strip material 10.
  • this punched grid is completely or partially provided with plastic 30 according to the invention, whereby preforms 27, 28 assigned to one another are connected to one another.
  • This process takes place by encapsulating or injecting the plastic material 30 on one or both sides of the upper side 11a and 11b of the strip material 10 or of the material strip 11.
  • a flat or large-area encapsulation with the plastic material 30 can serve as a carrier material or carrier 32 in which the lead frame with the mutually associated, interconnected preforms 27, 28 is embedded.
  • FIGS. 4 to 6 show schematic views of a cell connector assembly 20 designed according to the invention with a large-area use of plastic material 30 as a carrier 32 for the stamped parts 2T on which it is based,
  • the plastic material 30, if it is applied locally, can also merely serve as a replacement for the removed connecting webs 20, 24.
  • FIGS. 7 and 8 show schematic views of a cell connector assembly 20 designed according to the invention with a local use of plastic material 30 in the manner of a local connecting element 31 for the relative positioning of the underlying punched parts 21 ', 22' as preforms 27, 28 for the cell connectors 21, 22 of the cell connector assembly 20.
  • tape or low-viscosity potting compound as a carrier
  • the material connection of the preforms 27, 28 to the plastic material 30 can take place with what is known as a tape 33 or tape or by means of a low-viscosity potting compound, as is shown schematically in connection with FIG.
  • the tape material 33 and the potting compound can form a permanent connection with the cell connectors 20, 22 of the cell connector assembly 20 and remain permanently on the product.
  • the fixing tape 33 can also only be present temporarily and only serve as a temporary carrier material for fixing during assembly. After successfully connecting the cell connectors 20, 22 in the cell connector assembly 20 to form the product, the tape material 33 can also be removed again according to one embodiment of the present invention.
  • the preforms 27, 28 and thus the stamped parts 21 ', 22' for the cell connectors 21, 22 of the cell connector assembly 20 can also be made using a film 34 as a plastic material 30 and in particular be or will be connected by means of a laminated film or adhesive film.
  • a short circuit between the cell connectors 41, 22 of the cell connector assembly due to imprecise positioning is avoided.
  • the composite 20 of cell connectors a 20 by 22 and plastic 30 in the form of the film 34 can be positioned fully automatically.
  • a double-sided laminating film can also be used for fixing and electrical insulation.
  • the preforms 27, 28 for the cell connectors 20, 22 in the state not yet detached from the strip material 10 are wrapped on both sides 11a and 11b with a film 34 as plastic material 30 and permanently connected under the influence of temperature.
  • a masked film with predefined openings can be used which has corresponding recesses 35 for the cell contacts.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinderverbunds (20) mit einer Mehrzahl von Zellverbindern (21, 22) in Form von Stanzteilen (21 22') aus einem Bandmaterial (10) und zum Kontaktieren von Batteriezellen in einem Batteriepaket, mit den Schritten (i) Ausbilden von über Materialstege (24, 25) des Bandmaterials (10) im Bandmaterial (10) verbundenen und dadurch relativ zueinander vorpositionierten Vorformlingen (27, 28) durch teilweises, nicht vollständiges Ausstanzen von die Vorformlinge (27, 28) bildenden Stanzteilen (21', 22') aus dem Bandmaterial (10), (ii) Verbinden der teilweise ausgestanzten, relativ zueinander vorpositionierten und im Bandmaterial (10) noch verbundenen Vorformlinge (27, 28) miteinander mit einem Kunststoffmaterial (30) zur Fixierung von Relativpositionen der über die Material Stege (24, 25) noch im Bandmaterial (10) verbundenen und relativ zueinander vorpositionierten Vorformlinge (27, 28) und (iii) Trennen und/oder Entfernen der die Vorformlinge (27, 28) im Bandmaterial verbindenden Materialstege (24, 25) und dadurch Heraustrennen und Bereitstellen des Zellverbinderverbunds (20) aus dem Bandmaterial (10) als über das Kunststoff material (30) miteinander verbundene, relativ zueinander vorpositionierten und aus dem Bandmaterial (10) herausgelöste und die einzelnen Zellverbinder (21, 22) bildende Stanzteile (2T, 22').

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinderverbunds, Zellverbinderverbund, Batteriepaket und Vorrichtung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinderverbunds, einen Zellverbinderverbund als solchen für ein Kontaktieren von Batteriezellen in einem Batteriepaket sowie ein Batteriepaket und eine Vorrichtung.
Batterien für die elektrische Versorgung von Arbeitsvorrichtungen, insbesondere im Bereich von eBikes, Pedelecs und dergleichen, werden üblicherweise als Batteriepacks oder Batteriepakete bereitgestellt, bei welchen eine Mehrzahl von Batteriezellen in Form von Einzelzellen über mehrere Zellverbinder, die in einem Zellverbinderverbund organisiert werden, miteinander kontaktiert und gehaltert werden, wobei eine zu Grunde liegende Geometrie und ein erforderliches Kontaktierungsschema gewährleistet werden müssen.
Üblicherweise wird ein herkömmlicher Zellverbinderverbund aus einzelnen und als Stanzteile gefertigten Zellverbindern gebildet, welche als vereinzelte Bauteile, zum Beispiel als Schüttgut angeliefert werden. Das Einhalten der erforderlichen geometrischen und Kontaktierungsstruktur erfordert einen erheblichen Montageaufwand.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinderverbunds weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit dem Herstellen der einzelnen Zellverbinder als Stanzteile durch deren bei der Herstellung aufgeprägte Vorpositionierung die erforderliche Struktur hinsichtlich Geometrie und Kontaktierung ohne weiteren größeren Aufwand gewährleistet werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinderverbunds mit einer Mehrzahl von Zellverbindern in Form von Stanzteilen aus einem Bandmaterial und zum Kontaktieren von Batteriezellen in einem Batteriepaket geschaffen wird, welches die Schritte aufweist:
(i) Ausbilden von über Materialstege des Bandmaterials im Bandmaterial verbundenen und dadurch relativ zueinander vorpositionierten Vorformlingen durch teilweises, nicht vollständiges Ausstanzen von die Vorformlinge bildenden Stanzteilen aus dem Bandmaterial,
(ii) Verbinden der teilweise ausgestanzten, relativ zueinander vorpositionierten und im Bandmaterial noch verbundenen Vorformlinge miteinander mit einem Kunststoffmaterial zur Fixierung von Relativpositionen der über die Materialstege noch im Bandmaterial verbundenen und relativ zueinander vorpositionierten Vorformlinge und
(iii) Trennen und/oder Entfernen der die Vorformlinge im Bandmaterial verbindenden Materialstege und dadurch Heraustrennen und Bereitstellen des Zellverbinderverbunds aus dem Bandmaterial als über das Kunststoff material miteinander verbundene, relativ zueinander vorpositionierte und aus dem Bandmaterial herausgelöste und die einzelnen Zellverbinder bildende Stanzteile.
Über die Verwendung von Kunststoffmaterial zur Fixierung der Relativpositionen wird erreicht, dass mit dem vollständigen Vereinzeln der einander für einen Zellverbinderverbund zugeordneten Stanzteile als Vorformlinge die erforderliche geometrische Konfiguration trotz des Herauslösens aus dem Bandmaterial erhalten bleibt, so dass die Montage an den Batteriezellen in vereinfachter weise erfolgen kann, weil auf die gegenseitige Ausrichtung der Stanzteile oder Vorformlinge im bereitgestellten Zellverbinderverbund nunmehr nicht mehr gesondert berücksichtigt werden muss.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders einfache Produktionsverhältnisse stellen sich ein, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Bandmaterial ein Materialband verwendet wird, insbesondere mit einer Oberseite und einer Unterseite, welche einander gegenüberliegen. Dabei lässt sich die Handhabung auch im Hinblick auf eine besonders günstige Ausnutzung des verwendeten Materials weiter verbessern, wenn gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich oder alternativ die zu Grunde liegenden Materialstege mit oder aus Bandmaterial in einem Randbereich eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands gebildet sind oder werden.
Das Kunststoffmaterial lässt sich auf sehr unterschiedliche Weisen an den Stanzteilen als Vorformlingen anbringen, solange nur gewährleistet ist, dass dadurch die für einen gewünschten Zellverbinderverbund vorgegebene und erforderliche Konfiguration einander zugeordneter Stanzteile oder Vorformlinge hinsichtlich relativer Positionierung und mithin zukünftiger Kontaktierung an den Batteriezellen erhalten bleibt.
Dementsprechend kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf besonders einfache Weise das Kunststoff material als mit einem oder als ein lokales Verbindungselement auf einander zugeordnete, direkt benachbarte und/oder zueinander vorpositionierte Stanzteile und/oder Zellverbinder aufgebracht werden, insbesondere als lokale Anspritzung und/oder Umspritzung auf einer Oberseite und/oder Unterseite des Bandmaterials und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands.
Neben diesem im Wesentlichen lokalen Verwenden des Kunststoff materials ist es alternativ oder zusätzlich gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, das Kunststoffmaterial als flächige und insbesondere vergleichsweise großflächige Einbettung oder als flächigen und insbesondere großflächigen Träger auf einander zugeordnete, direkt benachbarte und/oder zueinander vorpositionierte Stanzteile, Vorformlinge und/oder Zellverbinder aufzubringen, insbesondere als großflächige Anspritzung und/oder Umspritzung auf einer Oberseite und/oder Unterseite des Bandmaterials und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands.
Ferner ist es mit einer vereinfachten und materialsparenden Handhabung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens alternativ oder zusätzlich möglich, das Kunststoffmaterial lokal oder im Wesentlichen lokal als Tape oder Vergussmasse - insbesondere streifenförmig - auf einander zugeordnete, direkt benachbarte und/oder zueinander vorpositionierte Stanzteile, Vorformlinge und/oder Zellverbinder aufzubringen, insbesondere auf einer Oberseite und/oder Unterseite des Bandmaterials und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands.
Schließlich kann weiter alternativ oder zusätzlich bei einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens daran gedacht werden, das Kunststoffmaterial als flächige und insbesondere großflächige und/oder maskierte Folie auf einander zugeordnete, direkt benachbarte und/oder zueinander vorpositionierte Stanzteile, Vorformlinge und/oder Zellverbinder aufzubringen, insbesondere als auf einer Oberseite und/oder Unterseite des Bandmaterials und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands.
Eine weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ergibt sich, wenn auf ein sogenanntes Reel-to-Reel-Konzept zurückgegriffen wird, bei welchem in vorteilhafterweise
(a) das zu Grunde liegende Bandmaterial als Materialband auf einer Rolle (Reel) zugeführt und zur Verfügung gestellt wird und/oder
(b) vor dem Trennen und/oder Entfernen der Materialstege die noch im Bandmaterial über die Materialstege und das Kunststoff material verbundenen und in ihrer Relativposition zueinander fixierten Stanzteile oder Vorformlinge zwischenzeitlich im Verbund in Rollenform aufgewickelt und in Rollenform - gegebenenfalls zwischengelagert und/oder - einem Vorgang des Trennens und/oder Entfernens der Materialstege und/oder einer zugeführt werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Zellverbinderverbund für ein Kontaktieren von Batteriezellen in Batteriepacks als solchen, und zwar mit einer Mehrzahl von Zellverbindern in Form von Stanzteilen aus einem Bandmaterial, welcher mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Verfahren hergestellt oder herstellbar ist. Des Weiteren schafft die vorliegende Erfindung ein Batteriepack oder ein Batteriepaket als solche, und zwar mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, bei welchen Batteriezellen einzeln oder gruppenweise über mehrere Zellverbinder elektrisch miteinander verbunden sind und die Zellverbinder als erfindungsgemäß ausgestalteter Zellverbinderverbund ausgebildet sind und bereitgestellt werden, insbesondere für eine gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen vereinfachter Montage.
Schließlich schafft die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung, welche mit einem elektrisch antreibbaren Aggregat und mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriepack oder Batteriepaket zur Versorgung des Aggregats mit elektrischer Energie zu dessen Betrieb ausgebildet ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
Figuren 1 und 2 zeigen schematisch anhand von Draufsichten in Kombination miteinander einen Zellverbinderverbund zur Erläuterung seiner Bestandteile und Konfiguration hinsichtlich Geometrie und Kontaktierung.
Figuren 3A bis 3D erläutern schematisch anhand von Draufsichten verschiedenen Zwischenzustände, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erreicht werden können.
Figuren 4 bis 6 zeigen schematische Ansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zellverbinderverbunds mit einer großflächigen Verwendung von Kunststoffmaterial als Träger für die zu Grunde liegenden Stanzteile als Vorformlinge.
Figuren 7 und 8 zeigen schematische Ansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zellverbinderverbunds mit einer lokalen Verwendung von Kunststoffmaterial zur Relativpositionierung der zu Grunde liegenden Stanzteile als Vorformlinge.
Figuren 9 bis 11 zeigen schematische Ansichten von Ausführungsformen des erfindungsgemäß ausgebildeten Zellverbinderverbunds mit einer Verwendung von Kunststoff material in Form eines Tapes bzw. in Form einer auflaminierten Folie für eine Relativpositionierung der zu Grunde liegenden Stanzteile als Vorformlinge.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 11 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Batterien für eBikes und Zweiräder bestehen in den meisten Fällen aus einem Verbund von zylindrischen Einzelzellen. Dieser Verbund von Einzelzellen wir als Batteriepack bezeichnet.
Die zylindrischen Einzelzellen werden elektrisch über Zellverbinder 21, 22 guten miteinander kontaktiert. Hierdurch werden die Einzelzellen in einer gewünschten und erforderlichen Weise in Serie und in Reihe geschalten. Durch ein gezieltes Anordnen dieser Zellen in erwünschtem Maße kann die Gesamtspannung sowie die Gesamtkapazität des Batteriepacks beeinflusst werden.
Die Figuren 1 und 2 zeigen dazu schematisch anhand von Draufsichten in Kombination miteinander einen Zellverbinderverbund 20 zur Erläuterung seiner Bestandteile und Konfiguration hinsichtlich Geometrie und Kontaktierung der zu Grunde liegenden Stanzteile 21 und 22, die voneinander elektrisch isoliert sein müssen, aber eine vorgegebene relativ Positionierung zueinander aufweisen müssen, um der Geometrie des zu bildenden Batteriepacks zu entsprechen.
Für die elektrische Kontaktierung kommen unter anderem metallische Stanzteile 21, 22 zum Einsatz. Diese können aus einem Bandmaterial 10, zum Beispiel einem Materialband 11 mit oder aus Nickel oder Kupfer als Grundmaterial 12, ausgestanzt und mittels eines Verbundverfahrens an die Einzelzellen kontaktiert werden. Oft kommt hier Widerstandsschweißen oder Laserschweißen zum Einsatz.
Das Bandmaterial 10 für Stanzteile 21, 22 kann zum Beispiel auf einer Rolle (englisch: Reel) angeliefert und in eine zu Grunde liegende Stanzmaschine abgerollt werden.
Herkömmlicherweise werden dabei die Stanzteile 21, 22 als Vorformlinge 27, 28 komplett ausgestanzt und fallen als Fallteile in einen Transportbehälter. Die Teile werden einzeln und bereits voneinander getrennt gelagert und gegebenenfalls zur weiteren Produktionsstätte transportiert.
Für eine sichere und stabile Verbindung ist eine Positionierung der Stanzteile 21, 22 auf den Einzelzellen sehr wichtig. Die Stanzteile 21, 22 werden als Schüttware angeliefert und müssen daher mittels einem Roboter oder händisch positioniert werden.
Diese Positionierung der Zellverbinder 21, 22 zur Ausbildung des Zellverbinderverbunds 20 ist sehr aufwendig, weil Abweichungen und Toleranzen einen direkten und gegebenenfalls starken Einfluss auf die Qualität der Verbindung zu den Einzelzellen und insbesondere auf die Schweißqualität haben.
Zusätzlich muss ein elektrischer Kontakt der Zellverbinder 21 und 22 untereinander ausgeschlossen werden da dies zu einem sicherheitskritischen Kurzschluss führen kann.
Die Forderung an eine exakte und präzise Positionierung der Zellverbinder 21,
22 im Auszubildenden Zellverbinderverbund 20 bringt beim herkömmlichen Vorgehen der Herstellung und Montage einen großen technischen und kommerziellen Aufwand mit sich.
Dies wird erfindungsgemäß vermieden.
Reel-to-Reel Verfahren
Diese Erfindung beschreibt unter anderem ein Verfahren, in welchem Zellverbinder 21, 22 als metallischen Stanzteile 21 ‘, 22‘ als Halbzeuge oder Vorformlinge 27, 28 ausgebildet und angeliefert werden, nämlich mit einem noch bestehenden Kontakt und materiellen Zusammenhang über Materialstege 24 und 25.
In diesem Zusammenhang zeigen die Figuren 3A bis 3D erläutern schematisch anhand von Draufsichten verschiedenen Zwischenzustände, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erreicht werden können.
In der Figur 3A ist das Bandmaterial 10 in Form eines Materialbands 11 aus einem Material 12 mit einer Oberseite 11a und einer Unterseite 11b in einem von einer Rolle abgewickelten Zustand dargestellt. In dieser von der Rolle abgewickelten Form wird das Bandmaterial 10 einer entsprechenden Stanzvorrichtung zugeführt.
Im Übergang zu dem in Figur 3B gezeigten Zwischenzustand erfolgt ein teilweises jedoch nicht vollständiges Stanzen, wobei unter Ausbildung von Ausnehmungen oder Lücken 13 im Materialband 11 des Bandmaterials 10 Vorformlinge 27 und 8 und 20 der später Auszubildenden Stanzteile 21 ‘, 22‘ für die Zellverbinder 21 und 22 ausgebildet werden. Die Vorformlinge 27 und 28 sind noch über Materialstege 24 und 25 im Bereich der Ränder 14 und 15 des Materialbands 11 miteinander materiell und elektrisch verbunden.
Diese Vorformlinge 27, 28 und mithin die Stanzteile 21 ‘, 22‘ sind über die Materialstege 24 und 25 in ihrer geometrischen Vorpositionierung relativ zueinander fixiert und können grundsätzlich in dieser Form und ohne großen Aufwand im Zusammenhang mit zu kontaktierenden und zu verbindenden Batteriezellen vollautomatisch positioniert und verbunden werden. Erfindungsgemäß wird diese geometrische Vorpositionierung der Vorformlinge 27, 28 der Stanzteile 21 22‘ für die einzelnen Zellverbinder 21, 22 des Zellverbinderverbunds 20 relativ zueinander durch das Aufbringen eines die Vorformlinge 27, 28 verbindenden und elektrisch isolierenden Kunststoffmaterials
30 zusätzlich fixiert und damit gesichert, wobei erst anschließend zur besseren Handhabung eines einzelnen Zellverbinderverbunds eine Trennung der Vorformlinge 27, 28 der Stanzteile 2T, 22‘ von den Materialstegen 24, 25 und damit ein vollständiges Herauslösen aus dem Materialband 11 und dessen Rändern 14, 15 erfolgt.
Das Anbringen des Kunststoffmaterials 30 ist im Übergang zum Zwischenzustand der Figur 3C mit der Anbringung lokaler Verbindungselemente
31 aus Kunststoffmaterial 30 zur materiellen Verbindung aber elektrischen Isolation einander zugeordneter Vorformlinge 27 und 28 für die Zellverbinder 21 , 22 des Zellverbinderverbunds 20 dargestellt.
Anspritzen von Hart- oder Weichkunststoff
Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung ist also die zusätzliche materielle Verbindung einander zugeordneter Vorformlinge 27, 28 für die Stanzteile 2T, 22‘ für die Zellverbinder 21 , 22 des auszubildenden Zellverbinderverbunds 20 mit einem Kunststoffmaterial 30 vor der Trennung der Materialstege 24, 25 des Materialbands 14 und seiner Ränder 14, 15, um dadurch die Einzelteile in der erforderlichen geometrischen Anordnung zueinander zu halten und gleichzeitig einen elektrischen Kurzschluss zwischen den einzelnen Vorformlingen 27, 28 der Zellverbinder 21, 22 durch eine mögliche ungenaue Positionierung zu vermeiden. Der Verbund 20 aus Zellverbindern 21 , 22 in Form von als Vorformlinge 27, 28 fungierenden Stanzteilen 2T, 22‘ und Kunststoff 30 kann als Ganzes, also in materieller Verbindung miteinander, vollautomatisch an einer Anordnung von Einzelzellen positioniert und dort kontaktiert werden.
Anstelle von Stanzteilen 2T, 22‘ als Einzelteile werden erforderliche Zellverbinder 21, 22 erfindungsgemäß also nicht komplett aus dem Bandmaterial 10 gestanzt, sondern verbleiben als Vorformlinge 27, 28 über Stege 24, 25 miteinander im Stanzgitter des Materialbands 11 des Bandmaterials 10 zunächst verbunden. Bevor die Stege 24, 25 gemäß dem Übergang zu dem in Figur 3D gezeigten Zwischenzustand über einen weiteren Stanzschritt entfernt werden, wird dieses Stanzgitter erfindungsgemäß vollständig oder partiell mit Kunststoff 30 versehen, wodurch einander zugeordnete Vorformlinge 27, 28 Material miteinander verbunden werden.
Dieser Vorgang erfolgt durch umspritzen oder Anspritzen mit dem Kunststoff material 30 auf einer oder beiden Seiten der Oberseite 11a und 11b des Bandmaterials 10 bzw. des Materialbands 11.
Dadurch wird eine mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Vorformlingen 27, 28 der Zellverbinder 21, 22 erreicht.
Eine flächige oder großflächige Umspritzung mit dem Kunststoffmaterial 30 kann dabei als Trägermaterial oder Träger 32 dienen, in welchem das Stanzgitter mit den einander zugeordneten miteinander verbundenen Vorformlingen 27, 28 eingebettet ist.
Die Figuren 4 bis 6 zeigen dazu schematische Ansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zellverbinderverbunds 20 mit einer großflächigen Verwendung von Kunststoff material 30 als Träger 32 für die zu Grunde liegenden Stanzteile 2T,
22‘ als Vorformlinge 27, 28 für die Zellverbinder 21 , 22 des Zellverbinderverbunds 20.
Gemäß der Darstellung der Figur 3C kann das Kunststoffmaterial 30, wenn es lokal appliziert wird, auch lediglich als Ersatz für die entfernten Verbindungsstege fielen 20, 24 dienen.
Dazu zeigen die Figuren 7 und 8 noch schematische Ansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zellverbinderverbunds 20 mit einer lokalen Verwendung von Kunststoffmaterial 30 nach Art eines lokalen Verbindungselements 31 zur Relativpositionierung der zu Grunde liegenden Stanzteile 21 ‘, 22‘ als Vorformlinge 27, 28 für die Zellverbinder 21 , 22 des Zellverbinderverbunds 20.
Tape oder niederviskose Vergussmasse als Träger Weiter alternativ kann die materielle Verbindung der Vorformlinge 27, 28 mit dem Kunststoffmaterial 30 mit einem sogenannten Tape 33 oder Band oder mittels einer niederviskoser Vergussmasse erfolgen, wie dies im Zusammenhang mit der Figur 9 schematisch dargestellt ist.
Auch durch diese Maßnahmen werden ein materieller Zusammenhang einander zugeordneter Vorformlinge 27, 28 sowie eine elektrische Trennung zwischen den entsprechenden Zellverbindern 41, 22 des Zellverbinderverbunds 20 durch Realisieren einer genauen Positionierung gewährleistet. Der Verbund 20 aus Zellverbindern 21 und Tape 33 und/oder Vergussmasse kann vollautomatisch positioniert werden.
Das Tapematerial 33 sowie die Vergussmasse können eine dauerhafte Verbindung mit den Zellverbindern einen 20, 22 des Zellverbinderverbunds 20 eingehen und dauerhaft am Produkt verbleiben.
Alternativ dazu kann das Fixierungstape 33 auch nur temporär vorhanden sein und lediglich als temporäreres Trägermaterial zur Fixierung während der Montage dienen. Nach erfolgreichem Verbinden der Zellverbinder einen 20, 22 im Zellverbinderverbund 20 zum Produkt kann das Tapematerial 33 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch wieder entfernt werden.
Partielles Laminieren (zweiseitig) oder kleben (einseitig) mit maskierter Kunststofffolie
Gemäß einerweiteren Alternative der vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit den Figuren 10 und 11 dargestellt ist, können die Vorformlinge 27, 28 und also die Stanzteile 21 ‘, 22‘ für die Zellverbinder 21, 22 des Zellverbinderverbunds 20 auch mittels einer Folie 34 als Kunststoffmaterial 30 und insbesondere mittels einer laminierten Folie oder Klebefolie verbunden sein oder werden. Dadurch wird ein Kurzschluss zwischen den Zellverbindern 41, 22 des Zellverbinderverbunds durch eine ungenaue Positionierung vermieden. Der Verbund 20 aus Zellverbindern ein 20 mal 22 und Kunststoff 30 in Form der Folie 34 kann vollautomatisch positioniert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch einer zweiseitige Laminierfolie zur Fixierung und elektrischen Isolation verwendet werden. Hierzu werden die Vorformlinge 27, 28 für die Zellverbinder ein 20, 22 im noch nicht aus dem Bandmaterial 10 herausgelösten Zustand von beiden Seiten 11a und 11b mit einer Folie 34 als Kunststoffmaterial 30 umhüllt und unter Einfluss von Temperatur dauerhaft verbunden.
Zur Kontaktierung der Zellen kann eine maskierte Folie mit vordefinierten Öffnungen verwendet werden, welche entsprechende Ausnehmungen 35 für die Zellkontakte aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinderverbunds (20) mit einer Mehrzahl von Zellverbindern (21, 22) in Form von Stanzteilen (21 22‘) aus einem Bandmaterial (10) und zum Kontaktieren von Batteriezellen in einem Batteriepaket, mit den Schritten:
(i) Ausbilden von über Materialstege (24, 25) des Bandmaterials (10) im Bandmaterial (10) verbundenen und dadurch relativ zueinander vorpositionierten Vorformlingen (27, 28) durch teilweises, nicht vollständiges Ausstanzen von die Vorformlinge (27, 28) bildenden Stanzteilen (21 ‘, 22‘) aus dem Bandmaterial (10),
(ii) Verbinden der teilweise ausgestanzten, relativ zueinander vorpositionierten und im Bandmaterial (10) noch verbundenen Vorformlinge (27, 28) miteinander mit einem Kunststoffmaterial (30) zur Fixierung von Relativpositionen der über die Materialstege (24, 25) noch im Bandmaterial (10) verbundenen und relativ zueinander vorpositionierten Vorformlinge (27, 28) und
(iii) Trennen und/oder Entfernen der die Vorformlinge (27, 28) im Bandmaterial verbindenden Materialstege (24, 25) und dadurch Heraustrennen und Bereitstellen des Zellverbinderverbunds (20) aus dem Bandmaterial (10) als über das Kunststoffmaterial (30) miteinander verbundene, relativ zueinander vorpositionierte und aus dem Bandmaterial (10) herausgelöste und die einzelnen Zellverbinder (21, 22) bildende Stanzteile (21‘, 22‘).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem als Bandmaterial (10) ein Materialband (11) mit einer Oberseite (11a) und einer Unterseite (11b) verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem Materialstege (24, 25) mit oder aus Bandmaterial (10) in einem Randbereich (14, 15) eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands (11) gebildet sind oder werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Kunststoffmaterial (30) als mit einem oder als ein lokales Verbindungselement (31) direkt benachbarter zueinander vorpositionierter Stanzteile (21 22‘) und/oder Zellverbinder (21, 22) aufgebracht wird, insbesondere als lokale Anspritzung und/oder Umspritzung auf einer Oberseite (11a) und/oder Unterseite (11b) des Bandmaterials (10) und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands (11).
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Kunststoff material (30) als großflächige Einbettung oder als großflächiger Träger (32) direkt benachbarter zueinander vorpositionierten Stanzteile (2T, 22‘) und/oder Zellverbinder (21, 22) aufgebracht wird, insbesondere als großflächige Anspritzung und/oder Umspritzung auf einer Oberseite (11a) und/oder Unterseite (11b) des Bandmaterials (10) und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands (11).
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Kunststoff material (30) lokal als Tape (33) oder Vergussmasse - insbesondere streifenförmig - auf direkt benachbarte und zueinander vorpositionierte Stanzteile (2T, 22‘) und/oder Zellverbinder (21, 22) aufgebracht wird, insbesondere auf einer Oberseite (11a) und/oder Unterseite (11b) des Bandmaterials (10) und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands (11).
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Kunststoffmaterial (30) als großflächige und/oder maskierte Folie (34) auf direkt benachbarte und zueinander vorpositionierte Stanzteile (2T, 22‘) und/oder Zellverbinder (21, 22) aufgebracht wird, insbesondere auf einer Oberseite (11a) und/oder Unterseite (11b) des Bandmaterials (10) und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands (11).
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem:
- das zu Grunde liegende Bandmaterial (10) als Materialband (11) auf einer Rolle zugeführt und zur Verfügung gestellt wird und/oder
- vor dem Trennen und/oder Entfernen der Materialstege (24, 25) die noch im Bandmaterial (10) über die Materialstege (24, 25) und das Kunststoff material (30) verbundenen und in ihrer Relativposition zueinander fixierten Vorformlinge (27, 28) zwischenzeitlich im Verbund in Rollenform aufgewickelt und in Rollenform dem Vorgang des Trennens und/oder Entfernens der Materialstege (24, 25) zugeführt werden.
9. Zellverbinderverbund (20) für ein Kontaktieren von Batteriezellen in Batteriepacks mit einer Mehrzahl von Zellverbindern (21, 22) in Form von Stanzteilen (2T, 22‘) aus einem Bandmaterial (10), welcher mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt oder herstellbar ist.
10. Batteriepaket mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, bei welchem
- Batteriezellen einzeln oder gruppenweise über mehrere Zellverbinder (21, 22) elektrisch miteinander verbunden sind und
- die Zellverbinder (21, 22) als Zellverbinderverbund (20) nach Anspruch 9 ausgebildet sind.
11. Vorrichtung, mit einem elektrisch antreibbaren Aggregat und mit einem Batteriepaket nach Anspruch 10 zur Versorgung des Aggregats mit elektrischer Energie zu dessen Betrieb.
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