WO2024022726A1 - Vorrichtung zum verbinden von batterieeinzelzellen - Google Patents

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WO2024022726A1
WO2024022726A1 PCT/EP2023/067897 EP2023067897W WO2024022726A1 WO 2024022726 A1 WO2024022726 A1 WO 2024022726A1 EP 2023067897 W EP2023067897 W EP 2023067897W WO 2024022726 A1 WO2024022726 A1 WO 2024022726A1
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WO
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rotation
battery cells
cell connectors
individual battery
axes
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PCT/EP2023/067897
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Dirk Steffens
Michael Stocker
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Mercedes-Benz Group AG
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/507—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing comprising an arrangement of two or more busbars within a container structure, e.g. busbar modules
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    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
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    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/514—Methods for interconnecting adjacent batteries or cells

Definitions

  • the invention relates to a device for connecting individual battery cells of a battery module with cell connectors according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • battery modules from a large number of individual battery cells, in particular prismatic individual battery cells, which are stacked to form the battery module, is known from the prior art.
  • Each of the individual battery cells has two battery poles, which must be contacted via cell connectors in accordance with the desired electrical connection.
  • busbar modules the cell connectors, which are referred to there as busbars, are able to compensate for such manufacturing tolerances between two battery cells. Overall, this creates a lot of effort, as a large number of such busbar modules have to be assembled in a complex manner.
  • the object of the present invention is therefore to create an improved device for connecting individual battery cells of a battery module with cell connectors for contacting two battery poles of different individual battery cells, which enables simple and efficient production of the battery module even if the requirements for the manufacturing and positioning tolerances of the components are selected to be moderate.
  • the device according to the invention for connecting individual battery cells of a battery module uses an electrically insulating, i.e. electrically non-conductive frame, in which the cell connectors are arranged for at least some, preferably a large part or all of the battery poles of the battery module to be contacted.
  • the cell connectors themselves are rotatably accommodated in this electrically non-conductive frame. This allows several of the cell connectors to be positioned extremely easily and efficiently together with the frame.
  • the structure also allows good tolerance compensation, since, for example, height tolerances on the surfaces of the individual battery poles can be compensated very well by the rotational mobility of the cell connectors. Since the size of the battery poles in the area in which the cell connectors come into contact with them is typically sufficiently large anyway, the rotational mobility allows tolerance compensation in one direction, for example in the height direction of the battery poles, to be easily implemented during tolerance compensation in the directions transverse to it is easily possible anyway due to the dimensions of the battery poles.
  • the attached cell connectors can then be easily and efficiently joined to the battery poles, preferably using laser welding processes.
  • the axes of rotation lie approximately parallel to a plane in which the battery poles of the individual battery cells end in accordance with their predetermined arrangement.
  • the specified arrangement in this sense means that the theoretical position of the surfaces of the battery poles would be in this plane if the individual battery cells had no manufacturing or positioning tolerances. In practice, these definitely have manufacturing or positioning tolerances in this height direction.
  • Arranging the axis of rotation in a plane perpendicular to this height direction now allows these special critical tolerances to be easily and efficiently compensated for by allowing the corresponding cell connectors to move about their axes of rotation in the direction of the respective battery poles in order to ensure a sufficiently reliable contact surface and stable connection. for example by means of a weld between the cell connectors and the battery poles, largely independent of the exact position of the surface of the battery pole with respect to the plane of its theoretical position.
  • the axis of rotation of prismatic individual battery cells stacked in the battery module is at an angle of 30 to 100 °, preferably at an angle of in runs approximately 90° to the stacking direction of the individual battery cells.
  • the angle would have to be chosen in the order of magnitude of, for example, 60°, so that the battery poles, which are arranged at the lower and upper ends transversely to the stacking direction, are at an angle to the stacking direction to connect with each other. In the special case that the distance between adjacent battery poles in the stacking direction and across the stacking direction were the same, this angle would be 45°.
  • a further very advantageous embodiment of the device according to the invention also provides that the axis of rotation accommodates the cell connectors in the area of their center of gravity.
  • the axis of rotation which can consist, for example, of a pin that protrudes through a hole in the cell connector and is attached to the frame, or a pin that is attached to the cell connector and is mounted in corresponding holes or grooves in the frame, then accommodates the cell connector in such a way that This is in the balance when it has not yet been placed on the battery module and therefore touches both battery poles after placement when the battery poles are perfectly arranged.
  • the correspondingly protruding battery pole will push up the end of the respective cell connector that comes into contact with it, so that the other end adapts accordingly and contacts the neighboring battery pole accordingly. If the axis of rotation is arranged in the area of the center of gravity of the cell connectors, this occurs largely automatically when the device is placed on a battery module prepared for contacting, so that no intervention is necessary here. This makes assembly very efficient.
  • the cell connectors each have a curved shape, so that their ends protrude in the direction of the battery poles in relation to the area of their axis of rotation when used as intended.
  • a curved or slightly curved shape in the side view which in principle could also be realized in the form of a V, a Us or the like, allows, especially together with the arrangement of the axis of rotation in the area of the center of gravity, an ideal adaptation to the position of the individual battery poles, especially at their altitude, largely independent of the height tolerances that occur in the individual battery cells.
  • a further very favorable embodiment of the device according to the invention provides that the frame has two longitudinal sections, between which the axes of rotation are formed.
  • the individual axes of rotation can therefore be formed, for example, via connecting pins between the longitudinal sections, on which the cell connectors are designed to be rotatable.
  • the battery poles can be contacted with one another on one side transversely to the stacking direction of the battery module.
  • the frame has four longitudinal sections, which form two sub-frames, between each of whose two longitudinal sections the axes of rotation are formed, the sub-frames being connected via intermediate webs. This allows two partial frames to be joined together to form an overall frame, which can then be used to contact the entire individual battery cells of the battery module.
  • the longitudinal sections are connected halfway between adjacent axes of rotation via connecting webs. This stabilizes the structure accordingly, since the longitudinal sections are connected to one another not only via the axes of rotation, but also via additional connecting webs. They can then be ladder-shaped, with every second rung either forming a connecting web or, offset from this, every second rung forming an axis of rotation. If there are two sub-frames, these can be connected using intermediate bars. This has the decisive advantage that such a frame consisting of two sub-frames is very stable and that a single such frame with its two sub-frames has to be placed on the battery module in order to contact the cell connectors accordingly.
  • the distance between the axes of rotation is, according to a further very advantageous embodiment of the device according to the invention, twice the thickness of the individual battery cells in the stacking direction.
  • the material thickness of the individual cell connectors can in particular be greater than or equal to 0.5 mm, so that due to the possibility of tolerance compensation via the rotatable mounting of the individual cell connectors, a relatively stable design of the cell connectors can be used, which accordingly ensures good contacting with low electrical resistance within of the cell connector.
  • the frame already described can also consist of a type of flexible film into which the individual cell connectors are incorporated, for example laminated.
  • a plug connection consisting of a hole and a pin from the cell connector to the frame as described above could be omitted, since possible rotational movements of the cell connectors about their axis of rotation can be achieved via slight deformations of the frame.
  • the cell connectors can be welded to the battery poles for electrical contacting, in particular by a laser welding process.
  • this is a very simple and reliable option, which also enables the heat input into the individual battery cells to be minimized due to the rather small melted areas during laser welding and still allows good adhesion.
  • FIG. 1 shows a top view of an embodiment of a device according to the invention in a schematic representation
  • 2 shows a side view of a device according to the invention when arranged on individual battery cells of a cell module;
  • Fig. 3 is a representation analogous to that in Fig. 2 after connecting the cell connectors to the battery poles;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a device analogous to the representation in FIG. 1 on an exemplary battery module
  • Fig. 5 shows an alternative embodiment of the device before it is placed on a battery module.
  • the device 1 shows a device 1 for connecting individual battery cells 2, which are still shown in the following figures, to form a battery module 3 which can be seen in a partial section in FIGS. 4 and 5.
  • the device 1 comprises a frame 4, which is constructed from two longitudinal sections 5. Between these longitudinal sections 5, connections 6 and connecting webs 7 that form alternating axes of rotation extend, so that ultimately a ladder-shaped structure of the frame 6 is created.
  • rotatable cell connectors 8 are arranged so that they can rotate about the axes of rotation A shown with a dash-dotted line.
  • the device 1 comprises four such cell connectors 8.
  • Openings of the cell connectors 8 protrude.
  • the principle could also be reversed so that pins on the cell connectors 8 protrude into openings in the longitudinal sections 5 in order to form the axes of rotation A.
  • Rotary movement of the cell connectors can also be enabled via a deformable frame.
  • FIG. 1 A side view of a section of this structure can now be seen in the illustration in FIG.
  • One of the longitudinal rails 5 can be seen from the frame 4 with a connecting web 7 and two connections 6 forming the axis of rotation A.
  • Cell connectors 8 are rotatably accommodated on these axes of rotation A, which consist of a comparatively thick material with the thickness t, which in particular has a material thickness of 0.5 mm or more.
  • Each of the cell connectors 8 is designed to be rotatable in the area of its center of gravity on the axis of rotation A and is curved so that its ends protrude from the material in the area of its center of gravity in the downward direction in Figure 2. Below this device 1, four individual battery cells 2 of a battery module 3 are shown.
  • each of the individual battery cells 2 In the area of each of the individual battery cells 2, one of its battery poles 9, 10 can be seen, with the battery poles 9 representing, for example, the positive battery pole and the battery poles 10, for example, representing the negative battery pole.
  • the aim of the desired electrical contact as shown in Figure 2 is now a series connection in which the battery pole 9 of the individual battery cell 2 on the far left is to be connected to the battery pole 10 of the neighboring individual battery cell and so on.
  • the individual battery cells 2 can, as can be seen in more detail in FIGS. 4 and 5, be designed as prismatic individual battery cells which are stacked in a stacking direction S.
  • the axes of rotation A now run perpendicular to this stacking direction S and lie in a plane which is parallel to the plane of the surfaces of the battery poles 9, 10, whereby in practice these can and will have a tolerance-related height offset H, which is shown here purely as an example the two individual battery cells 2 shown on the right are shown.
  • each of the battery cells has a distance az from its neighboring individual battery cell, which also takes into account the possible installation of tension mats or adhesives between the individual cells in this value.
  • the distance av between the individual axes of rotation A of the device 1 is twice the distance az of the individual battery cells 2 and is constant for battery modules made from the same individual battery cells 2.
  • the device 1 is now lowered according to the arrow in the illustration in FIG. 2 onto the individual battery cells 2 or their battery poles 9, 10, which are arranged with the height offset H due to the tolerances.
  • This lowered state is shown in the illustration in FIG.
  • the individual cell connectors 8 have rotated about their axes of rotation A in accordance with the rotation arrows shown here, so that despite the height offset H, which is also shown in Figure 3 using the two individual battery cells 2 shown on the right, the surface of the battery poles 9, 10 to touch the adjacent individual battery cells 2 accordingly.
  • the tolerance-related height offset H could be compensated reliably and easily via the rotatable arrangement of the individual cell connectors 8.
  • the actual contacting then takes place by joining, in particular by means of a laser weld seam, as is the case with such and in particular cell connectors shaped in this way are already known from the prior art by the applicant.
  • the possibility of combining the cell connectors 8 in the frame 4 also offers further advantages.
  • the frame 4 shown in FIG to contact the sense already described. Instead of the need to position the cell connectors 8 individually, all that is necessary here is to position the device 1 on the lower row of battery poles 9, 10 transverse to the stacking direction S and once on the upper row, offset by one battery pole.
  • FIG. 4 and FIG. 5 only some of the parts of the device 1 are again provided with reference numbers.
  • the device 1 can also combine several subframes into a frame 4.
  • the battery module 3 can again be seen in dashed lines on the left, while such a frame 4 of the device 1 made up of two sub-frames 4.1 and 4.2 is shown on the right.
  • Each of the subframes 4.1, 4.2 can be designed analogously to the frame 4 already shown.
  • Each of the subframes 4.1, 4.2 therefore has the connections 6 forming the axes of rotation between its longitudinal rails 5 and connecting webs 7 arranged between them.
  • the two subframes 4.1, 4.2 are then connected to one another via intermediate webs 11, in the example in FIG. 5 via three intermediate webs 11.
  • the length of the intermediate webs 11, which lie between two of the longitudinal sections 5 of one subframe 4.1 and the other subframe 4.2, is dimensioned such that it is based on the distance between the battery poles 9, 10 of each of the individual battery cells 2, so that the cell connectors 8 of one Partial frame 4.1 comes to rest over the upper battery poles 9, 10 here transverse to the stacking direction S and the cell connectors 8 of the other subframe 4.2 accordingly lie over the lower battery poles 10,9.
  • one subframe 4.1 is arranged offset from the other subframe 4.2 by a distance az of the individual battery cells 2 in the stacking direction S.
  • the frame 4 or the partial frames 4.1 can be designed in such a way that they consist of one of the longitudinal sections 5, onto which the connections 6 and the Connecting webs 7 are applied accordingly or are already formed in one piece with this longitudinal section.
  • the connections 6 and the connecting webs 7 are preferably designed identically, so that only one of the cell connectors 8 has to be applied to every second one, which preferably has a hole in the area of its center of gravity in the side view.
  • the frame 4 can then be closed accordingly with the second longitudinal section 5, for example by pushing the connections 6 and connecting webs 7 into corresponding openings in a form-fitting manner, locking them with the longitudinal section 5, gluing them, welding them or the like.
  • the intermediate webs 11 can also be designed in a comparable manner, in particular, as can be seen on the right in the illustration in FIG. 5, they can be designed as continuous elements which have the connecting web 7 in one of the subframes 4.1 and the connecting web in the other Subframe 4.2 then accordingly form the connection 6 to form the axis of rotation A, as can be seen, for example, in the middle intermediate web 11 shown on the right in Figure 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum elektrischen Verbinden von Batterieeinzelzellen (2) eines Batteriemoduls (3), wobei jede der Batterieeinzelzellen (2) zwei Batteriepole (9, 10) aufweist, mit Zellverbindern (8) zum elektrischen Kontaktieren von jeweils zwei Batteriepolen (9, 10) verschiedener Batterieeinzelzellen (2). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch isolierender Rahmen (4) vorgesehen ist, in welchem die Zellverbinder (8) um jeweils eine Drehachse (A) drehbeweglich aufgenommen sind.

Description

Vorrichtung zum Verbinden von Batterieeinzelzellen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden von Batterieeinzelzellen eines Batteriemoduls mit Zellverbindern nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Der Aufbau von Batteriemodulen aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, insbesondere prismatischen Batterieeinzelzellen, welche zu dem Batteriemodul gestapelt werden, ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Jede der Batterieeinzelzellen weist dabei zwei Batteriepole auf, welche über Zellverbinder entsprechend der gewünschten elektrischen Verschaltung kontaktiert werden müssen.
Rein beispielhaft kann in diesem Zusammenhang auf die DE 102015 204 111 A1 verwiesen werden. Der dortige Aufbau ist vergleichsweise komplex und erfordert einerseits formgenau passende Batteriepole in hohlzylindrischer Ausgestaltung und andererseits die passenden Zellverbinder, um diese entsprechend in die einzelnen Batteriepole einstecken zu können. Dies sorgt für einen erheblichen Fertigungsaufwand, bei welchem sehr enge Fertigungstoleranzen zwingend eingehalten werden müssen.
Aus diesem Grund ist es in der Praxis häufig auch üblich Zellverbinder einzusetzen, welche mit den Batteriepolen der Batterieeinzelzellen durch Fügeverfahren, beispielsweise Schweißen oder Löten oder auch mechanische Fügeverfahren wie Crimpen oder dergleichen verbunden werden. Hierbei sinkt zwar der Aufwand hinsichtlich der Fertigungstoleranzen der einzelnen Bauteile bis zu einem gewissen Grad, die Montage beim Verbinden der Batterieeinzelzellen ist jedoch weiterhin sehr aufwändig.
Darüber hinaus ist es so, dass beim Einsatz entsprechend robuster Zellverbinder, welche beispielsweise aus metallischen Bauteilen mit einer Materialstärke von 0,5 mm oder mehr hergestellt werden, die Möglichkeiten zum Toleranzausgleich sehr beschränkt sind. Dies erfordert dann wiederum eine relativ geringe Fertigungstoleranz bei den Außenabmessungen der Batterieeinzelzelle, sodass diese beispielsweise gegenüber einem Grundträger nach Möglichkeit immer in derselben Position sind und die Batteriepole allesamt in derselben Ebene liegen. Genau hier, bei den Gehäusen von prismatischen oder runden Batterieeinzelzellen, insbesondere bei Gehäusen von sogenannten Pouchzellen, welche in einen Folienbeutel eingeschweißt sind, sind derartige Toleranzen bei der Fertigung und Positionierung der Batterieeinzelzellen jedoch sehr schwer und dementsprechend nur mit hohem Zeit- und/oder Kostenaufwand überhaupt einzuhalten.
Die DE 102014 118 773 A1 zeigt Stromschienenmodule, der Zellverbinder, die dort als Stromschienen bezeichnet werden, in der Lage sind solche Fertigungstoleranzen zwischen jeweils zwei Batteriezellen auszugleichen. Insgesamt entsteht dabei eine hoher Aufwand, beidem eine Vielzahl derartiger Stromschienenmodule aufwändig montiert werden muss.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Verbinden von Batterieeinzelzellen eines Batteriemoduls mit Zellverbindern zum Kontaktieren von jeweils zwei Batteriepolen verschiedener Batterieeinzelzellen zu schaffen, welche eine einfache und effiziente Fertigung des Batteriemoduls auch dann ermöglicht, wenn die Anforderungen an die Herstellungs- und Positionierungstoleranzen der Bauteile moderat gewählt sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verbinden von Batterieeinzelzellen eines Batteriemoduls nutzt einen elektrisch isolierenden, also elektrisch nicht-leitenden Rahmen, in welchem die Zellverbinder für zumindest einige, vorzugsweise einen Großteil oder alle der zu kontaktierenden Batteriepole des Batteriemoduls angeordnet sind. Die Zellverbinder selbst sind dabei drehbeweglich in diesem elektrisch nicht-leitenden Rahmen aufgenommen. Hierdurch lassen sich zusammen mit dem Rahmen mehrere der Zellverbinder außerordentlich einfach und effizient positionieren. Anders als beim Einsatz einzelner untereinander nicht verbundener Zellverbinder, welche über eine Handhabungseinrichtung beispielsweise jeweils einzeln positioniert werden müssen, entsteht durch das Zusammenfassen mehrerer der Zellverbinder in dem Rahmen ein Aufbau, bei welchem nur der Rahmen entsprechend positioniert werden muss, um so eine Vielzahl von Zellverbindern außerordentlich einfach und effizient in ihre Position zu bringen.
Dadurch, dass die Zellverbinder in der erfindungsgemäßen Vorrichtung drehbeweglich in dem Rahmen aufgenommen sind, erlaubt der Aufbau außerdem einen guten Toleranzausgleich, da beispielsweise Höhentoleranzen bei den Oberflächen der einzelnen Batteriepole durch die Drehbeweglichkeit der Zellverbinder sehr gut ausgeglichen werden können. Da die Größe der Batteriepole in dem Bereich, in dem die Zellverbinder mit ihnen in Kontakt treten, typischerweise ohnehin ausreichend groß ist, lässt sich so durch die Drehbeweglichkeit ein Toleranzausgleich in der einen Richtung, beispielsweise in der Höhenrichtung der Batteriepole einfach umsetzen, während ein Toleranzausgleich in den Richtungen quer dazu aufgrund der Maße der Batteriepole ohnehin einfach möglich ist.
Die aufgesetzten Zellverbinder können dann, vorzugsweise über Laserschweißverfahren, mit den Batteriepolen einfach und effizient gefügt werden.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass die Drehachsen in etwa parallel zu einer Ebene liegen, in welcher die Batteriepole der Batterieeinzelzellen gemäß ihrer vorgegebenen Anordnung enden. Die vorgegebene Anordnung in diesem Sinn bedeutet, dass in dieser Ebene die theoretische Lage der Oberflächen der Batteriepole wäre, wenn die Batterieeinzelzellen keine Fertigungs- oder Positionierungstoleranzen hätten. In der Praxis ist es so, dass diese in dieser Höhenrichtung durchaus Fertigungs- oder Positionierungstoleranzen aufweisen. Eine Anordnung der Drehachse in einer Ebene senkrecht zu dieser Höhenrichtung erlaubt es nun, ebendiese besonderen kritischen Toleranzen einfach und effizient auszugleichen, indem die entsprechenden Zellverbinder sich um ihre Drehachsen in Richtung der jeweiligen Batteriepole bewegen können, um so eine ausreichend zuverlässige Auflagefläche und stabile Verbindung, beispielsweise mittels einer Schweißnaht, zwischen den Zellverbindern und den Batteriepolen, weitgehend unabhängig von der exakten Lage der Oberfläche des Batteriepols bezüglich der Ebene seiner theoretischen Lage, zu erlauben.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann es dabei vorgesehen sein, dass die Drehachse bei in dem Batteriemodul aufgestapelten prismatischen Batterieeinzelzellen in einem Winkel von 30 bis 100°, bevorzugt in einem Winkel von in etwa 90° zur Stapelrichtung der Batterieeinzelzellen verläuft. Eine solche Anordnung mit einer Winkellage von 90°, und zusätzlich vorzugsweise mit einer Lage in der oben beschriebenen Ebene erlaubt nun beispielsweise eine Reihenschaltung der einzelnen Batterieeinzelzellen in dem Batteriemodul, wenn diese mit jeweils abwechselnd angeordneten Batteriepolen gestapelt werden. Würden sie mit gleichsinnig angeordneten Batteriepolen gestapelt werden, dann müsste je nach Abstand der Batteriepole einer der Batterieeinzelzellen zueinander der Winkel in einer Größenordnung von beispielsweise 60° gewählt werden, um so die jeweils am unteren und oberen Ende quer zur Stapelrichtung angeordneten Batteriepole schräg zur Stapelrichtung entsprechend miteinander zu verbinden. Für den Spezialfall, dass der Abstand benachbarter Batteriepole in Stapelrichtung und quer zur Stapelrichtung gleich wäre, würde dieser Winkel 45° betragen.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es ferner vor, dass die Drehachse die Zellverbinder im Bereich ihres Schwerpunkts aufnimmt. Eine solche Anordnung der Drehachse, welche beispielsweise aus einem durch eine Bohrung des Zellverbinders ragenden am Rahmen befestigten Pin, oder einem am Zellverbinder befestigten Pin, welcher in entsprechenden Bohrungen oder Nutens des Rahmens gelagert ist, bestehen kann, nimmt dann den Zellverbinder so auf, dass dieser im noch nicht auf das Batteriemodul aufgelegten Zustand sich in der Waage befindet und damit bei perfekten angeordneten Batteriepolen nach dem Aufsetzen beide Batteriepole berührt. Muss ein Toleranzausgleich erfolgen, so wird der entsprechend überstehende Batteriepol das mit ihm in Kontakt kommende Ende des jeweiligen Zellverbinders nach oben schieben, sodass das andere Ende sich entsprechend anpasst und den benachbarten Batteriepol entsprechend kontaktiert. Bei einer Anordnung der Drehachse im Bereich der Schwerpunkte der Zellverbinder erfolgt dies beim Aufsetzen der Vorrichtung auf ein zur Kontaktierung vorbereitetes Batteriemodul weitgehend selbsttätig, sodass hier kein Eingreifen notwendig ist. Dies macht die Montage sehr effizient.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es ferner vorgesehen sein, dass die Zellverbinder jeweils eine gebogene Form aufweisen, sodass deren Enden im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Batteriepole gegenüber dem Bereich ihrer Drehachse überstehen. Eine solche in der Seitenansicht gebogene oder leicht gebogene Form, welche prinzipiell auch in Form eines Vs, eines Us oder dergleichen realisiert werden könnte, erlaubt, insbesondere zusammen mit der Anordnung der Drehachse im Bereich des Schwerpunkts eine ideale Anpassung an die Lage der einzelnen Batteriepole, insbesondere an deren Höhenlage weitgehend unabhängig von den auftretenden Höhentoleranzen der Batterieeinzelzellen.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es vor, dass der Rahmen zwei Längsabschnitte aufweist, zwischen welchen die Drehachsen ausgebildet sind. Die einzelnen Drehachsen können also beispielsweise über Verbindungspins zwischen den Längsabschnitten ausgebildet werden, auf welchen die Zellverbinder drehbeweglich ausgestaltet sind. Hierdurch lassen sich dann beispielsweise wiederum beim Beispiel der aufgestapelten prismatischen Batterieeinzelzellen die Batteriepole auf einer Seite quer zur Stapelrichtung des Batteriemoduls untereinander kontaktieren.
Alternativ dazu kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch vorgesehen sein, dass der Rahmen vier Längsabschnitte aufweist, welche zwei Teilrahmen ausbilden, zwischen deren jeweils zwei Längsabschnitte die Drehachsen ausgebildet sind, wobei die Teilrahmen über Zwischenstege verbunden sind. Hierdurch können zwei Teilrahmen zu einem Gesamtrahmen zusammengefügt werden, welcher dann zur Kontaktierung der gesamten Batterieeinzelzellen des Batteriemoduls eingesetzt werden kann.
Zur Stabilisierung der Rahmen oder Teilrahmen kann es dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Längsabschnitte auf halbem Abstand zwischen benachbarten Drehachsen über Verbindungsstege verbunden sind. Hierdurch wird der Aufbau entsprechend stabilisiert, da die Längsabschnitte nicht nur über die Drehachsen, sondern über zusätzliche Verbindungsstege miteinander verbunden sind. Sie können dann leiterförmig ausgebildet sein, wobei jede zweite Sprosse entweder einen Verbindungssteg oder versetzt hierzu jede zweite Sprosse eine Drehachse ausbildet. Handelt es sich dabei um zwei Teilrahmen, können diese wiederum über Zwischenstege entsprechend verbunden werden. Dies hat nun den entscheidenden Vorteil, dass ein solcher Rahmen aus zwei Teilrahmen in sich sehr stabil ist und dass ein einziger derartiger Rahmen mit seinen zwei Teilrahmen auf das Batteriemodul aufgesetzt werden muss, um die Zellverbinder entsprechend zu kontaktieren. Der Aufwand gegenüber dem Aufsetzen vieler einzelner untereinander noch nicht vormontierter Zellverbinder sinkt damit erheblich. Das ermöglicht eine sehr viel kürzere Fertigungszeit zusammen mit einer zuverlässigen und reproduzierbareren Fertigung, sodass einerseits Kosten über die Fertigungszeit und andererseits Kosten durch die Verringerung von Ausschuss und/oder Nacharbeit eingespart werden können. Der Abstand der Drehachsen beträgt bei prismatischen Batterieeinzelzellen dabei gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Doppelte der Dicke der Batterieeinzelzellen in Stapelrichtung. Die Materialstärke der einzelnen Zellverbinder kann insbesondere größer oder gleich 0,5 mm sein, sodass also aufgrund der Möglichkeit des Toleranzausgleichs über die drehbare Lagerung der einzelnen Zellverbinder eine relativ stabile Ausgestaltung der Zellverbinder genutzt werden kann, welche dementsprechend eine gute Kontaktierung bei geringem elektrischen Widerstand innerhalb des Zellverbinders ermöglicht.
Weiterhin alternativ kann der bereits beschriebene Rahmen ebenfalls aus einer Art flexiblen Folie bestehen, in welche die einzelnen Zellverbinder eingearbeitet, beispielsweise laminiert sind. In diesem Fall könnte eine oben beschriebene Steckverbindung aus Bohrung und Pin von Zellverbinder zu Rahmen entfallen, da mögliche Drehbewegungen der Zellverbinder um ihre Drehachse über leichte Deformationen des Rahmens zu realisieren sind. Die weiterhin beschriebenen Funktionalitäten hinsichtlich der Auflage der Zellverbinder sowie deren exakter Positionierung durch den Rahmen sind auch mit einer derartiger Ausführungsform erfüllt.
Wie oben bereits erwähnt, können die Zellverbinder mit den Batteriepolen zur elektrischen Kontaktierung verschweißt werden, insbesondere durch ein Laserschweißverfahren. Dies ist neben anderen denkbaren Möglichkeiten zum Fügen der Zellverbinder mit den Batteriepolen eine sehr einfache und zuverlässige Möglichkeit, welche darüber hinaus eine Minimierung des Wärmeeintrags in die Batterieeinzelzellen aufgrund der eher geringen aufgeschmolzenen Bereiche beim Laserschweißen ermöglicht und dennoch eine gute Anhaftung erlaubt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung; Fig. 2 eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung bei der Anordnung auf Batterieeinzelzellen eines Zellmoduls;
Fig. 3 eine Darstellung analog zu der in Fig. 2 nach dem Verbinden der Zellverbinder mit den Batteriepolen;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung analog zur Darstellung in Fig. 1 auf einem beispielhaften Batteriemodul; und
Fig. 5 eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung vor dem Aufsetzen auf ein Batteriemodul.
In der Darstellung der Figur 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Verbinden von in den folgenden Figuren noch dargestellten Batterieeinzelzellen 2 zu einem in einem Teilausschnitt in den Figuren 4 und 5 erkennbaren Batteriemodul 3 dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Rahmen 4, welcher aus zwei Längsabschnitten 5 aufgebaut ist. Zwischen diesen Längsabschnitten 5 erstrecken sich abwechselnd als Drehachsen ausbildende Verbindungen 6 und Verbindungsstege 7, sodass letztlich ein leiterförmiger Aufbau des Rahmens 6 entsteht. Auf den die Drehachsen ausbildenden Verbindungen 6 sind drehbar um die mit strichpunktierter Linie eingezeichneten Drehachsen A drehbewegliche Zellverbinder 8 angeordnet. Die Vorrichtung 1 umfasst in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel bzw. Abschnitt dieser Vorrichtung 1 dabei vier derartige Zellverbinder 8. Die Drehaschen A könnten alternativ zu dem Beispiel der Figur 1 auch in Form von zwei Pins an den Längsabschnitte 5 des Rahmens 4 ausgebildet sein, welche in Öffnungen der Zellverbinder 8 ragen. Das Prinzip ließe sich auch umkehren, so dass Pins an dem Zellverbindern 8 in Öffnungen der Längsabschnitte 5 ragen um die Drehachsen A aus zu bilden. Ebenfalls lässt sich eine Drehbewegung der Zellverbinder über einen verformbaren Rahmen ermöglichen.
In der Darstellung der Figur 2 ist nun eine Seitenansicht eines Ausschnitts aus diesem Aufbau zu erkennen. Von dem Rahmen 4 ist dabei eine der Längsschienen 5 erkennbar mit einem Verbindungssteg 7 sowie zwei die Drehachse A ausbildenden Verbindungen 6. Auf diese Drehachsen A sind drehbeweglich Zellverbinder 8 aufgenommen, welche aus einem vergleichsweise dicken Material mit der Dicke t bestehen, welches insbesondere eine Materialstärke von 0,5 mm oder mehr aufweisen kann. Jeder der Zellverbinder 8 ist dabei im Bereich seines Schwerpunkts auf der Drehachse A drehbeweglich ausgebildet und ist gebogen ausgeformt, um so in der in Figur 2 nach unten weisenden Richtung an seinen Enden gegenüber dem Material im Bereich seines Schwerpunkts überzustehen. Unterhalb dieser Vorrichtung 1 sind vier Batterieeinzelzellen 2 eines Batteriemoduls 3 dargestellt. Im Bereich jeder der Batterieeinzelzellen 2 ist dabei einer ihrer Batteriepole 9, 10 zu erkennen, wobei die Batteriepole 9 beispielsweise den positiven Batteriepol und die Batteriepole 10 beispielsweise den negativen Batteriepol darstellen sollen. Ziel der gewünschten elektrischen Kontaktierung gemäß der Darstellung in Figur 2 ist nun also eine Reihenschaltung, bei welcher der Batteriepol 9 der Batterieeinzelzelle 2 ganz links mit dem Batteriepol 10 der benachbarten Batterieeinzelzelle verbunden werden soll und so weiter. Die Batterieeinzelzellen 2 können dabei, wie es in den Figuren 4 und 5 näher zu erkennen ist, als prismatische Batterieeinzelzellen ausgebildet sein, welche in einer Stapelrichtung S gestapelt sind. Die Drehachsen A verlaufen nun senkrecht zu dieser Stapelrichtung S und liegen in einer Ebene, welche parallel zu der Ebene der Oberflächen der Batteriepole 9, 10 liegt, wobei diese in der Praxis einen toleranzbedingten Höhenversatz H aufweisen können und werden, welcher hier rein beispielhaft an den beiden rechts dargestellten Batterieeinzelzellen 2 eingezeichnet ist.
In der Stapelrichtung S weist jede der Batteriezellen zu ihrer benachbarten Batterieeinzelzelle einen Abstand az auf, welcher den möglichen Verbau von Spannmatten oder Klebstoffen zwischen den einzelnen Zellen ebenfalls in diesem Wert berücksichtigt. Der Abstand av zwischen den einzelnen Drehachsen A der Vorrichtung 1 beträgt dabei das Doppelte des Abstandes az der Batterieeinzelzellen 2 und ist für Batteriemodule aus denselben Batterieeinzelzellen 2 konstant.
Die Vorrichtung 1 wird nun gemäß des Pfeils in der Darstellung der Figur 2 auf die, aufgrund der Toleranzen mit dem Höhenversatz H angeordneten Batterieeinzelzellen 2 bzw. deren Batteriepole 9, 10 abgesenkt. In der Darstellung der Figur 3 ist dieser abgesenkte Zustand dargestellt. Die einzelnen Zellverbinder 8 haben sich dabei um ihre Drehachsen A entsprechend der hier eingezeichneten Drehbewegungspfeile entsprechend gedreht, um so trotz des Höhenversatzes H, welcher auch in Figur 3 wieder anhand der beiden rechts dargestellten Batterieeinzelzellen 2 eingezeichnet ist, jeweils die Oberfläche der Batteriepole 9, 10 der jeweils benachbarten Batterieeinzelzellen 2 entsprechend zu berühren. Über die drehbewegliche Anordnung der einzelnen Zellverbinder 8 konnte so also der toleranzbedingte Höhenversatz H zuverlässig und einfach ausgeglichen werden.
Wie es durch die schwarzen Dreiecke angedeutet ist, erfolgt das eigentliche Kontaktieren dann durch Fügen, insbesondere durch eine Laserschweißnaht, wie sie bei derartigen, und insbesondere auch derartig ausgeformten Zellverbindern bereits aus dem Stand der Technik seitens der Anmelderin bekannt ist.
Daneben bietet auch die Möglichkeit des Zusammenfassens der Zellverbinder 8 in dem Rahmen 4 weitere Vorteile. So kann der beispielsweise in Figur 1 dargestellte Rahmen 4 gemäß der Darstellung in Figur 4, einen Blick von oben auf das hier gestrichelt angedeutete Batteriemodul 3 einfach und effizient auf die quer zur Stapelrichtung S untere Reihe der Batteriepole 9, 10 aufgesetzt werden, um diese im bereits beschriebenen Sinn zu kontaktieren. Anstelle der Notwendigkeit, die Zellverbinder 8 einzeln zu positionieren, ist hier also lediglich die Positionierung der Vorrichtung 1 auf die quer zur Stapelrichtung S untere Reihe der Batteriepole 9, 10 und einmal auf die obere Reihe entsprechend um einen Batteriepol versetzt notwendig. Dabei sind in Figur 4 sowie in Figur 5 lediglich einige der Teile der Vorrichtung 1 erneut mit Bezugszeichen versehen.
Um hier den Fertigungsaufwand und die Anfälligkeit hinsichtlich Fehlern noch weiter zu reduzieren, kann die Vorrichtung 1 auch mehrere Teilrahmen zu einem Rahmen 4 zusammenfassen. In der Darstellung der Figur 5 ist links wieder das Batteriemodul 3 in gestrichelter Darstellung zu erkennen, während rechts ein derartiger Rahmen 4 der Vorrichtung 1 aus zwei Teilrahmen 4.1 und 4.2 entsprechend dargestellt ist. Jeder der Teilrahmen 4.1 , 4.2 kann dabei analog zu dem bisher bereits gezeigten Rahmen 4 ausgebildet sein. Jeder der Teilrahmen 4.1 , 4.2 weist also die die Drehachsen ausbildenden Verbindungen 6 zwischen seinen Längsschienen 5 und dazwischen angeordnete Verbindungsstege 7 auf. Die beiden Teilrahmen 4.1, 4.2 sind dann über Zwischenstege 11, im Beispiel der Figur 5 über drei Zwischenstege 11 miteinander verbunden. Die Länge der Zwischenstege 11 , welche zwischen zwei der Längsabschnitte 5 des einen Teilrahmens 4.1 und des anderen Teilrahmens 4.2 liegen, ist dabei so bemessen, dass sie sich am Abstand der Batteriepole 9, 10 jeder der Batterieeinzelzellen 2 orientiert, sodass die Zellverbinder 8 des einen Teilrahmens 4.1 über den hier quer zur Stapelrichtung S oberen Batteriepolen 9, 10 zu liegen kommen und die Zellverbinder 8 des anderen Teilrahmens 4.2 dementsprechend über den unteren Batteriepolen 10,9. Um die beispielhaft angesprochene Reihenschaltung bei gespiegelter Anordnung benachbarter Batterieeinzelzellen 2 zu realisieren, ist der eine Teilrahmen 4.1 gegenüber dem anderen Teilrahmen 4.2 um einen Abstand az der Batterieeinzelzellen 2 in Stapelrichtung S versetzt angeordnet.
Der Rahmen 4 bzw. die Teilrahmen 4.1 können dabei so ausgebildet sein, dass sie aus einem der Längsabschnitte 5 bestehen, auf welche dann die Verbindungen 6 und die Verbindungsstege 7 entsprechend aufgebracht werden oder bereits einteilig mit diesem Längsabschnitt ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Verbindungen 6 und die Verbindungsstege 7 dabei identisch ausgebildet, sodass lediglich auf jeden zweiten einer der Zellverbinder 8 aufgebracht werden muss, welcher vorzugsweise im Bereich seines Schwerpunkts in der Seitenansicht eine Bohrung aufweist. Nach dem Aufstecken der Zellverbinder 8 lässt sich der Rahmen 4 dann mit dem zweiten Längsabschnitt 5 entsprechend verschließen, beispielsweise indem die Verbindungen 6 und Verbindungsstege 7 formschlüssig in entsprechende Öffnungen geschoben werden, mit dem Längsabschnitt 5 verrastet, verklebt, verschweißt werden oder dergleichen. Auch die Zwischenstege 11 können in der vergleichbaren Art ausgebildet sein, insbesondere können sie, wie es in der Darstellung der Figur 5 rechts zu erkennen ist, als durchgängige Elemente ausgebildet sein, welche in dem einen der Teilrahmen 4.1 den Verbindungssteg 7 und in dem anderen der Teilrahmen 4.2 dann dementsprechend die Verbindung 6 zur Ausbildung der Drehachse A ausbilden, wie es beispielsweise an dem in der Figur 5 rechts dargestellten mittleren Zwischensteg 11 erkennbar ist.

Claims

Patentansprüche Vorrichtung (1) zum elektrischen Verbinden von Batterieeinzelzellen (2) eines Batteriemoduls (3), wobei jede der Batterieeinzelzellen (2) zwei Batteriepole (9, 10) aufweist, mit Zellverbindern (8) zum elektrischen Kontaktieren von jeweils zwei Batteriepolen (9, 10) verschiedener Batterieeinzelzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch isolierender Rahmen (4) vorgesehen ist, in welchem die Zellverbinder (8) um jeweils eine Drehachse (A) drehbeweglich aufgenommen sind. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen (A) parallel zu einer Ebene liegen, in welcher die Längsrichtungen der Oberflächen der Batteriepole (9, 10) der Batterieeinzelzellen
(2) gemäß ihrer vorgegebenen Anordnung liegen. Verbindung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen (A) bei in dem Batteriemodul
(3) gestapelten prismatischen Batterieeinzelzellen (2) in einem Winkel von 30° bis 100°, bevorzugt in einem Winkel von in etwa 90°, zur Stapelrichtung (S) verlaufen. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen (A) im Bereich des Schwerpunkts der Zellverbinder (8) in ihrer Seitenansicht entlang der Drehachse (A) angeordnet sind. Vorrichtung (1) nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellverbinder (8) in ihrer Seitenansicht entlang der Drehachse (A) eine gebogene Form aufweisen, sodass die Enden der Zellverbinder (8) im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Batteriepole (9, 10) gegenüber dem Bereich der Drehachse (A) überstehen. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (4) zwei Längsabschnitte (5) aufweist, zwischen welchen die Drehachsen (A) ausgebildet sind. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (4) vier Längsabschnitte (5) aufweist, welche zwei Teilrahmen (4.1,
4.2) ausbilden, wobei zwischen den jeweils zwei Längsabschnitte (5) der Teilrahmen (4.1, 4.2) die Drehachsen (A) ausgebildet sind, und wobei die Teilrahmen (4.1, 4.2) über Zwischenstege (11) verbunden sind. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsabschnitte (5) auf halbem Weg zwischen benachbarten Drehachsen (6) über Verbindungsstege verbunden sind. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Drehachsen bei prismatischen Batterieeinzelzellen des doppelten Zellabstandes (az) der Batterieeinzelzellen (2) in Stapelrichtung (S) entspricht. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellverbinder (8) eine Materialdicke (t) von zumindest 0,5 mm aufweisen.
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