WO2024032837A1 - Zellverbinder für einen elektrochemischen energiespeicher - Google Patents

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cell
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Tiziano Mascazzini
Marcell BORIÀN
Gabrial MANTA
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Gentherm GmbH
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    • H01M50/583—Devices or arrangements for the interruption of current in response to current, e.g. fuses

Definitions

  • the invention relates to a cell connector for an electrochemical energy storage device according to the preamble of patent claim 1, a cell system according to the preamble of patent claim 15, a method for producing a cell system according to the preamble of patent claim 16 and a method for operating a cell system according to the preamble of patent claim 18 .
  • Electrochemical energy storage devices in particular batteries such as those used to supply electricity in electrically powered vehicles, are often made up of several storage cells.
  • the multiple storage cells are connected to one another to form a cell system by connecting the individual storage cells in series and/or parallel.
  • cell connectors In order to connect the storage cells of an electrochemical energy storage device to one another, cell connectors are used which connect the storage cells in the desired configuration in series via main connecting elements and in parallel via secondary connecting elements.
  • the cell connector in particular its structure, has an influence on the utilization of the individual storage cells, with the aim being to ensure that all storage cells are loaded as evenly as possible in order to increase the service life of the individual storage cells and consequently of the entire energy storage device.
  • the object on which the invention is based is therefore to provide a cell connector which ensures uniform utilization of all interconnected storage cells of an energy storage device, so that the energy storage device can reach its maximum service life in order to prevent premature failure of the energy storage device and the associated costs and environmental impact.
  • connection points being positioned in such a way that a lower current flows through the secondary connection elements than the main connection elements.
  • the main connecting elements can be arranged adjacent to one another.
  • the main connecting elements are preferably arranged spaced apart from one another in a transverse direction.
  • the main connecting elements can be in be arranged offset in their longitudinal direction.
  • the longitudinal directions of the main connecting elements preferably run parallel to one another.
  • the main connecting elements and/or the secondary connecting elements are preferably made of an electrically conductive material.
  • the main connecting elements and/or the secondary connecting elements are preferably made of a metallic material, in particular aluminum or copper.
  • the cell connector and/or the main connecting elements and/or the secondary connecting elements are preferably sheet metal parts, in particular stamped parts and/or bent parts.
  • the cell connector with a plurality of main connecting elements and a plurality of secondary connecting elements is preferably formed in one piece.
  • the main connecting elements are preferably designed as S-connections (busbars) for serial connection of the memory cell poles.
  • the secondary connecting elements are preferably designed as P-connections for the parallel cross-connection of the main connecting elements.
  • the main connecting elements preferably electrically conductively connect the plus pole of a first memory cell to the minus pole of a second memory cell of an electrochemical memory (poles of different electrical polarity).
  • the main connecting elements and the secondary connecting elements can be combined with one another in any way in order to flexibly adapt the cell connector to different types of energy storage devices with different storage cell structures.
  • several storage cells are connected to one another to form a battery pack using the cell connector.
  • the electrochemical energy storage can be, for example, a battery or a rechargeable battery, in particular a lithium-ion battery or a lithium-polymer battery.
  • a main connecting element preferably comprises two contact points and/or two connection points.
  • connection points are positioned such that the electrical potential at the connection points electrically conductively connected to one another via the secondary connection elements is less than 10% during operation of the cell connector. preferably less than 5%, differs from each other. If the electrical potential at the connection points electrically conductively connected to one another via a secondary connection element deviates from one another by a maximum of 10%, preferably a maximum of 5%, then there is only a slight potential difference between the connection points and an electrical voltage between the connection points is minimized. By minimizing the potential difference between the junctions, current flowing across the sub-connectors can be minimized.
  • the connection points are preferably so-called equipotential areas.
  • connection points are positioned in such a way that a current flowing between the connection points connected to one another in an electrically conductive manner through the secondary connection elements during operation of the cell connector is a maximum of 2%, preferably a maximum of 1%, particularly preferably a maximum of 0.3%, is a current flowing through the main connecting elements.
  • the current flowing in the main connecting elements is preferably a nominal current.
  • Preferably the same current flows in all main connecting elements.
  • the current flowing through the secondary connecting elements is a so-called cross current. Cross currents through the secondary connecting elements should be as low as possible in order to achieve uniform utilization of all memory cells involved in order to slow down the aging of the memory cells and thus increase the service life of the memory cells.
  • the current flowing in the secondary connecting elements is particularly preferably a maximum of 0.3% of the nominal current flowing in the main connecting elements.
  • a nominal current is, for example, between 100 amperes and 200 amperes, in particular between 140 and 160 amperes.
  • a current through the secondary connecting elements is preferably a maximum of 0.45 amps, preferably a maximum of 0.35 amps.
  • a current flow path is formed along each of the main connecting elements. Preferably, current does not flow through secondary connecting elements into adjacent current flow paths.
  • at least one main connecting element is designed as a curved flat conductor element, preferably around a vertical axis of the main connecting element, and/or at least one main connecting element is designed as a straight flat conductor element.
  • At least one main connecting element can be curved at least in sections about its vertical axis, for example in order to be able to connect offset memory cell poles. At least one main connecting element can be curved about its vertical axis in one or more sections. The at least one main connecting element can be curved about its vertical axis by between 30 degrees and 160 degrees, preferably between 70 degrees and 110 degrees, particularly preferably by 90 degrees. Preferably, the main connecting element is curved along an axis of curvature. A straight main connecting element is free of curvature around its vertical axis.
  • a cell connector according to the invention is also preferred, in which at least one secondary connection element is designed as a flat conductor element, preferably curved around a vertical axis of the secondary connection element, and/or in which at least one secondary connection element is designed as a straight flat conductor element.
  • At least one secondary connecting element can be curved at least in sections about its vertical axis in order, for example, to be able to connect offset main connecting elements.
  • At least one secondary connecting element can be curved about its vertical axis in one or more sections.
  • the at least one secondary connecting element can be curved about its vertical axis by between 30 degrees and 160 degrees, preferably between 70 degrees and 110 degrees, particularly preferably by 90 degrees.
  • a straight secondary connecting element is free of curvature around its vertical axis.
  • a cell connector according to the invention is advantageous in which the electrical resistances of the main connecting elements differ from one another by less than 1 ohm, preferably by less than 0.5 ohm.
  • the electrical resistances of the main connecting elements differ from each other by less than 0.5%, preferably by less than 0.2% differ.
  • the deviation of the electrical resistance is preferably as small as possible regardless of the shape of the main connecting elements, in particular regardless of a curvature, the material thickness, the length and/or the width of the main connecting elements. The smallest possible deviations in the electrical resistances between the main connecting elements ensure that the currents flowing through the main connecting elements deviate from each other as little as possible.
  • the electrical resistances of the secondary connecting elements differ from one another by less than 1 ohm, preferably by less than 0.5 ohm.
  • the electrical resistances of the secondary connecting elements differ from one another by less than 0.5%, preferably by less than 0.2%.
  • the deviation of the electrical resistance is preferably as small as possible regardless of the shape of the secondary connecting elements, in particular regardless of a curvature, the material thickness, the length and/or the width of the secondary connecting elements.
  • the main connecting elements have a lower electrical resistance than the secondary connecting elements.
  • the direct electrically conductive connections from memory cell pole to memory cell pole have a lower electrical resistance than the parallel cross-connections (secondary connecting elements) between the main connecting elements. Due to the lower electrical resistance of the main connecting elements, a current flows preferably through the main connecting elements and not through the secondary connecting elements. So-called cross currents are minimized so that all storage cells are loaded as evenly as possible.
  • At least one main connecting element has at least one electrical fuse area, wherein a cross section of the main connecting element in the at least one electrical fuse area is reduced, preferably by means of one or more recesses of the main connecting element in the fuse area.
  • the width of the main connecting element is reduced in the at least one securing area.
  • the material thickness of the main connecting element can also be reduced.
  • the one or more recesses of the main connecting element in the securing area are preferably designed as circular or elliptical recesses, for example as drill holes.
  • the one or more recesses of the main connecting element in the securing area can also be designed as notches in the edge area of the main connecting element, for example as semicircular notches.
  • the one or more recesses reduce the current-carrying cross section in sections in the securing area of the main connecting element.
  • the current preferably flows through two edge webs in the security area that act as current bottlenecks and are formed by providing the recesses.
  • a reduced current-carrying cross section increases the local current flow-related resistance in the fuse area.
  • An increased current flow-related resistance increases the current flow-related waste heat in the fuse area. If a limit value of a current flowing through the fuse area is exceeded (overcurrent), the main connecting element in the fuse area melts due to the thermal influence of the waste heat caused by the current flow and the electrochemical energy storage is protected from overcurrent damage.
  • the fuse areas are preferably positioned and/or designed in such a way that they do not damage any storage cells of the energy storage device arranged in the vicinity of the fuse area when they melt.
  • a cell connector according to the invention is also preferred, in which at least one of the contact points is at least one of the Main connecting elements comprise a slot-shaped recess which separates two contact surfaces of the respective contact point from one another. Due to the slot-shaped recess, at least one main connecting element has a fork with two fork prongs at at least one contact point.
  • contact points with a slot-shaped recess are designed to be electrically conductively and cohesively connected to a memory cell pole by means of ultrasonic welding.
  • the slot-shaped recess can also avoid vibration-related damage to the cell connector by ultrasonic welding of the contact point to a memory cell pole.
  • the slot-shaped recess preferably runs in the longitudinal direction of the main connecting element.
  • the slot-shaped recess preferably extends over the entire material thickness of the main connecting element.
  • the contact surfaces of the contact point are designed to contact memory cell poles and to electrically conductively connect the memory cell poles to the main connecting element.
  • the slot-shaped recess ends with a, in particular circular, recess extension.
  • the recess extension of the slot-shaped recess is arranged at the end of the slot-shaped recess facing a further contact point and/or a securing region of the main connecting element and/or at the deepest point of the slot-shaped recess.
  • the slot-shaped recess separates two contact extensions from one another, the contact extensions each being curved or straight, preferably around a transverse axis of the main connecting elements.
  • the contact extensions preferably include the contact points and/or contact surfaces of the contact points, which are designed to contact memory cell poles.
  • the contact extensions are like this Transverse axis curved so that the contact points of the main connecting elements have a height offset to areas of the main connecting element arranged beyond the curvature.
  • the longitudinal axis of the main connecting element is preferably aligned orthogonally to the transverse axis of the main connecting element.
  • the main connecting element is preferably aligned orthogonally to the vertical axis of the main connecting element.
  • the vertical axis of the main connecting element is preferably aligned orthogonally to the vertical axis of the main connecting element.
  • Main connecting element is aligned orthogonally to the longitudinal axis of the main connecting element.
  • At least one of the contact points of at least one of the main connecting elements comprises a circular recess.
  • the circular recess is preferably designed as a borehole.
  • the contact point with a circular recess is preferably designed to be electrically conductively and cohesively connected to a memory cell pole by means of laser welding.
  • the contact point with a circular recess is preferably circular and/or semicircular.
  • At least one further of the contact points of at least one of the main connecting elements can be set up to be electrically conductively and cohesively connected to a memory cell pole by means of ultrasonic welding, so that the main connecting element can be connected to memory cell poles at several contact points using several different welding methods.
  • At least one further of the contact points of at least one of the main connecting elements can also be set up to be electrically conductively and cohesively connected to a memory cell pole by means of laser welding, so that the main connecting element can be connected to memory cell poles at several contact points using the same welding process.
  • a cell connector according to the invention is preferred, in which at least one of the contact points of at least one of the main connecting elements in the area of the circular recess has a reduced material thickness.
  • at least one contact point with a circular recess reduces the material thickness of the main connecting element.
  • the area with reduced material thickness preferably functions as a laser welding point for welding the main connecting element to a storage cell pole using laser welding.
  • the object on which the invention is based is further achieved by a cell system of the type mentioned at the outset, the cell connector being designed according to one of the above embodiments.
  • the advantages and modifications of the cell system according to the invention reference is made to the advantages and modifications of the cell connector according to the invention.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for producing a cell system of the type mentioned at the outset, wherein the contact points of the cell connector and the storage cell poles of the electrochemical energy storage are welded together for connection by means of laser welding and/or by means of ultrasonic welding.
  • the contact points of the cell connector and the storage cell poles of the electrochemical energy storage are welded together using a laser welding device and/or using an ultrasonic welding device.
  • at least one contact point of the cell connector is welded to the storage cell poles of the electrochemical energy storage device using laser welding and at least one further contact point of the cell connector is welded to the storage cell poles of the electrochemical energy storage device using ultrasonic welding.
  • the contact points of the cell connector and the storage cell poles of the electrochemical energy storage are connected to one another in an electrically conductive manner by welding.
  • Contact points that are welded using ultrasonic welding preferably include a slot-shaped recess.
  • the slot-shaped recess of contact points, which are welded using ultrasonic welding reduces vibrations caused by ultrasonic welding, so that vibration-related damage to the cell connector, the electrochemical energy storage and other welded connections is prevented.
  • Preferably include Contact points that are welded using laser welding have a circular recess and/or a reduced material thickness.
  • a cell system according to one of the above embodiments is produced using the method.
  • the advantages and modifications of the method according to the invention reference is made to the advantages and modifications of the cell system according to the invention.
  • the contact points of the cell connector are brought into congruence with the storage cell poles of the electrochemical energy storage device for positioning by means of a cell connector positioning element.
  • the cell connector positioning element is preferably designed as a frame and/or as a template.
  • the cell connector positioning element is designed such that the cell connector can be positioned by means of the cell connector positioning element in such a way that the contact points of the cell connector contact the storage cell poles of the electrochemical energy storage, so that the contact points can be welded to the storage cell poles.
  • Positioning using the cell connector positioning element can be done manually by hand.
  • the cell connector can be positioned without a cell connector positioning element using a pick-and-place machine, whereby the positioning can be carried out fully automated, partially automated or manually by an operator using the pick-and-place machine.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for operating a cell system of the type mentioned at the outset, wherein a current flowing through the secondary connecting elements is lower than the current flowing through the main connecting elements.
  • a first contact point of a main connecting element of the cell connector is welded to a first storage cell pole of the electrochemical energy storage by means of laser welding and a second contact point of at least one main connecting element of the cell connector is welded to a second storage cell pole of the electrochemical energy storage device using ultrasonic welding welded.
  • the electrical potential at the connection points electrically conductively connected to one another via the secondary connecting elements differs from one another by less than 10%, preferably less than 5%.
  • the current flowing through the secondary connecting elements is preferably a maximum of 1%, particularly preferably a maximum of 0.3%, of the current flowing through the main connecting elements.
  • a cell system according to one of the above embodiments is operated by means of the method.
  • the advantages and modifications of the method according to the invention reference is made to the advantages and modifications of the cell system according to the invention.
  • Fig. 1 shows a cell connector according to the invention with several main connecting elements and several
  • FIG. 2 shows a straight main connecting element of a cell connector according to the invention in a top view
  • FIG. 3 shows a curved main connecting element of a cell connector according to the invention in a top view
  • FIG. 4 shows a cell connector according to the invention with different current paths shown schematically in a top view
  • FIG. 1 shows a cell connector 10 according to the invention, which comprises a plurality of main connecting elements 12a, 12b and a plurality of secondary connecting elements 14a, 14b.
  • the main connecting elements 12a, 12b and the secondary connecting elements 14a, 14b are designed as flat conductor elements made of an electrically conductive material, for example an aluminum sheet material.
  • the main connecting elements 12a, 12b are designed to connect two storage cell poles of different polarity of a chemical energy storage device to one another in an electrically conductive manner and thus to connect storage cells of the energy storage device in series.
  • the secondary connecting elements 14a, 14b each connect two
  • Main connecting elements 12a, 12b electrically conductive to one another in order to connect memory cells in parallel.
  • the main connecting elements 12a, 12b are arranged next to one another and offset from one another transversely to the longitudinal axis L of the main connecting elements 12a, 12b and offset from one another parallel to the longitudinal axis L.
  • the main connecting elements 12a, 12b each extend along a longitudinal axis L and each have a contact point 16a-16e at one end.
  • the contact points 16a-16e are round and designed to be connected to a memory cell pole using laser welding.
  • the main connecting elements 12a, 12b each have a contact point 16f-16j.
  • the contact points 16f-16j are slotted and designed to be welded to a storage cell pole using ultrasonic welding.
  • the main connecting elements 12b In the area of their end with the slotted contact points 16f-16j, the main connecting elements 12b have a curvature of 90 degrees about a vertical axis H which runs orthogonally to the longitudinal axis L.
  • the main connecting elements 12a have no curvature around the vertical axis H in the area of their end with the slotted contact points 16f-16j.
  • all main connecting elements 12a, 12b are curved in the area of their end with the slotted contact points 16f-16j about a transverse axis Q running orthogonally to the longitudinal axis L.
  • the main connecting elements 12a, 12b each have a safety area 20, by means of which the cell connector 10 and/or storage cells of an energy storage device connected to the cell connector 10 are protected from overloading due to excessive currents flowing.
  • the securing areas 20 are each arranged in the longitudinal direction of the main connecting elements 12a, 12b at a distance from the contact points 16a-16f and the contact points 16f-16j.
  • the secondary connecting elements 14a, 14b are on at both ends
  • Connection points 18 electrically conductive, each with one
  • Main connecting element 12a, 12b connected so that each
  • Main connecting element 12a, 12b with at least one further
  • Main connecting element 12a, 12b is electrically conductively connected.
  • Connection points 18 are positioned in such a way that the electrical potential at all connection points 18 differs as little as possible from one another, so that the smallest possible electrical voltage between the respective main connection elements connected via the secondary connection elements 14a, 14b
  • the secondary connecting elements 14b have a curvature of 90 degrees in the area of their respective ends. Main connecting elements 12a, 12b that are not offset from one another are connected to one another by means of straight secondary connecting elements 14a.
  • FIG. 2 shows a main connecting element 12a of the cell connector 10 from FIG. 1, wherein the cell connector 10 comprises several of the main connecting elements 12a.
  • the main connecting element 12a is designed as a flat conductor element and extends lengthwise along its longitudinal axis L.
  • the main connecting element has a circular contact point 16a.
  • the diameter D1 of the circular contact point corresponds to the width B1 of the main connecting element 12a in the area adjacent to the contact point 16a.
  • the circular contact point 16a has a circular recess 22 in the middle, which is designed as a borehole and extends over the entire material thickness of the main connecting element 12a.
  • the material thickness of the main connecting element 12a in the area of the circular contact point 16a is reduced compared to areas of the main connecting element 16a adjacent to the contact point 16a.
  • the Contact point 16a is designed such that the main connecting element in the area of contact point 16a can be electrically conductively welded to a storage cell pole of an electrochemical energy storage device by means of laser welding.
  • the main connecting element 12a has a contact point 16f.
  • the main connecting element 12a has a slot-shaped recess 24 in the contact area 16f, which extends along the longitudinal axis L over the entire material thickness of the main connecting element 12a through the contact point 16f into the area of the main connecting element 12a adjacent to the contact point 16f.
  • the slot-shaped recess 24 opens at its end facing the contact point 16a into a circular recess extension 32.
  • the slot-shaped recess 24 divides the main connecting element 12a at its left end into two parallel and spaced-apart contact extensions 34, which have two rectangular contact surfaces 30 at their free end the contact point 16f include. Due to a curvature of the contact extensions 34 about the transverse axis Q, the contact surfaces 30 have a height offset compared to the adjacent areas of the main connecting element 12a.
  • the contact area 16f with its contact surfaces 30 is designed to be electrically conductively welded to a storage cell pole of an electrochemical energy storage device using ultrasonic welding. Because the main connecting element 12a has a slot-shaped recess 24 with a recess extension 32 in the area of the contact point 16f, vibrations during ultrasonic welding can be reduced, so that damage to the main connecting element 12a, the cell connector 10, an electrochemical energy storage device and already existing welded connections are prevented.
  • the main connecting element 12a comprises a securing area 20, which is in the longitudinal direction of the main connecting element 12a between the Contact point 16a and the contact point 16f is arranged.
  • the main connecting element 12a has a plurality of recesses 26a, 26b, with webs 28 extending parallel to the longitudinal axis L resulting from the recesses 26a, 26b.
  • the recess 26a is elliptical and arranged centrally in the securing area 20.
  • the recesses 26b are designed as notches in the edge area of the securing area 20. All recesses 26a, 26b extend over the entire material thickness of the main connecting element 12a.
  • FIG. 3 shows a main connecting element 12b of the cell connector 10 from FIG. 1, wherein the cell connector 10 comprises several of the main connecting elements 12b.
  • the main connecting element 12a is designed as a flat conductor element extending along the longitudinal axis L, which is curved by 90 degrees along an axis of curvature K about the vertical axis H running orthogonally to the longitudinal axis in the plane of the drawing. Due to the curvature of the main connecting element 12b, memory cell poles which are arranged offset from one another can be connected to one another.
  • the main connecting element has a circular contact point 16e, the diameter D2 of the circular contact point being larger than the width B2 of the main connecting element 12b in the area adjacent to the contact point 16e.
  • the circular contact point 16e has a circular one in the middle Recess 22, which is designed as a borehole and extends over the entire material thickness of the main connecting element 12b. Furthermore, the material thickness of the main connecting element 12b is reduced in the area of the circular contact point 16e compared to areas of the main connecting element 16b adjacent to the contact point 16e.
  • the contact point 16e is designed such that the main connecting element in the area of the contact point 16e can be electrically conductively welded to a storage cell pole of an electrochemical energy storage device by means of laser welding.
  • the main connecting element 12b has a contact point 16j.
  • the main connecting element 12b has a slot-shaped recess 24 in the contact area 16j, which extends along the axis of curvature K over the entire material thickness of the main connecting element 12b through the contact point 16j into the area of the main connecting element 12b adjacent to the contact point 16j.
  • the slot-shaped recess 24 divides the main connecting element 12b at its left curved end into two parallel-curved and spaced-apart contact extensions 34, which comprise two rectangular contact surfaces 30 of the contact point 16f at their free end. Due to a curvature of the contact extensions 34, the contact surfaces 30 have a height offset compared to the adjacent areas of the main connecting element 12b.
  • the contact area 16 j with its contact surfaces 30 is designed to be electrically conductively welded to a storage cell pole of an electrochemical energy storage device using ultrasonic welding. Because the main connecting element 12b has the slot-shaped recess 24 in the area of the contact point 16j, vibrations during ultrasonic welding can be reduced, so that damage to the main connecting element 12b, the cell connector 10, an electrochemical energy storage device and existing welded connections are prevented. Furthermore, the main connecting element 12b comprises a securing area 20, which is arranged in the longitudinal direction of the main connecting element 12b between the contact point 16e and the contact point 16j.
  • the main connecting element 12b has a plurality of recesses 26a, 26b, with webs 28 extending parallel to the longitudinal axis L resulting from the recesses 26a, 26b.
  • the recess 26a is elliptical and arranged centrally in the securing area 20.
  • the recesses 26b are designed as notches in the edge area of the securing area 20. All recesses 26a, 26b extend over the entire material thickness of the main connecting element 12b. A current flowing through the main connecting element 12b between the contact point 16e and the contact point 16j flows through a significantly reduced cross section due to the recesses 26a, 26b in the fuse area 20.
  • the electrical resistance in the fuse area 20 is increased compared to areas of the main connecting element 12b adjacent to the fuse area 20, so that there is increased heat development in the fuse area due to the current flow. If the current flowing exceeds a limit value, the webs 28 melt due to the heat generated, so that storage cells of an energy storage device connected by means of the cell connector 10 are protected from damage caused by overcurrent.
  • FIG. 4 shows a cell connector 10 according to the invention in a top view, with schematic current paths P1-P3 representing different possible current flow scenarios. It is intended that during operation of the cell connector 10, when the contact points 16a-16j come into contact with memory cell poles, as little current as possible flows through the secondary connection elements 14a. Instead, it is intended that currents flow exclusively between the contact points 16a and 16f, between the contact points 16b and 16g, between the contact points 16c and 16h, between the contact points 16d and 16i and between the contact points 16e and 16j, which have the smallest possible deviation from each other. 4 shows an intended current path P1, which shows that a current flows from the contact point 16c through the main connecting element 12a into the contact point 16h.
  • connection points 18 each have the same electrical potential, there is no potential difference between the connection points 18, and therefore no electrical voltage is present between the connection points 18. Consequently, no current or at least a significantly smaller current flows between the connection points 18 through the secondary connection elements 14a than through the main connection elements 12a, 12b.
  • a current flow through the secondary connecting elements 14a is avoided or at least reduced in that the electrical resistance of all main connecting elements 12a, 12b is smaller than the electrical resistance of all secondary connecting elements 14a, 14b.
  • the electrical resistance between the contact point 16c and the contact point 16h is lower than the electrical resistance between the contact point 16c and the contact point 16g, so that the current flows preferably via the current path P1 and not via the current path P2.
  • the electrical resistance of all main connecting elements 12a, 12b and all secondary connecting elements 14a, 14b is the same or only differs slightly from one another.
  • the electrical resistance between the contact points 16c and 16h and the electrical resistance between the contact points 16e and 16j are the same.
  • the electrical resistance between the contact points 16c and 16g and between the contact points 16c and 16i is each the same.
  • connection points (18) are positioned in such a way that a lower current flows through the secondary connection elements (14a, 14b) than the main connection elements (12a, 12b), at least at times. This applies in particular to at least sections of certain periods of time when charging the energy storage device, when discharging it or generally during a purposeful change in the amount of energy stored in the energy storage device.
  • the current per conductor cross-sectional area is also lower.
  • at least one main connecting element involved and at least one secondary connecting element involved have the same material composition and/or are made in one piece from the same base material.
  • the lower current flow is not the result of a higher or specifically higher resistance.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zellverbinder (10) für einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Vielzahl von Hauptverbindungselementen (12a, 12b), welche jeweils zwei Kontaktstellen (16a-16j) umfassen und dazu eingerichtet sind, im Betrieb des Zellverbinders (10) über die Kontaktstellen (16a-16j) zwei Speicherzellen-Pole unterschiedlicher elektrischer Polarität elektrisch leitfähig miteinander zu verbinden, und mit einer Vielzahl von Nebenverbindungselementen (14a, 14b), welche jeweils zwei Hauptverbindungselemente (12a, 12b) über Verbindungsstellen (18) der Hauptverbindungselemente (12a, 12b) elektrisch leitfähig miteinander verbinden.

Description

Zellverbinder für einen elektrochemischen Enerqiespeicher
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Zellverbinder für einen elektrochemischen Energiespeicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , ein Zellsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15, ein Verfahren zum Herstellen eines Zellsystems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16 und ein Verfahren zum Betreiben eines Zellsystems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 18.
Elektrochemische Energiespeicher, insbesondere Akkus, wie sie beispielsweise zur Stromversorgung in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, sind häufig aus mehreren Speicherzellen aufgebaut. Die mehreren Speicherzellen werden zur Realisierung der gewünschten Parameter des Energiespeicher, beispielsweise der Leistung oder der Kapazität, zu einem Zellsystem miteinander verbunden, indem die einzelnen Speicherzellen in Reihe und/oder parallelgeschaltet werden.
Um die Speicherzellen eines elektrochemischen Energiespeichers miteinander zu verbinden, werden Zellverbinder eingesetzt, welche die Speicherzellen in der gewünschten Konfiguration über Hauptverbindungselemente in Reihe und über Nebenverbindungselemente parallel zusammenschalten. Der Zellverbinder, insbesondere sein Aufbau, hat dabei einen Einfluss auf die Auslastung der einzelnen Speicherzellen, wobei eine möglichst gleichmäßige Belastung aller Speicherzellen angestrebt wird, um die Lebensdauer der einzelnen Speicherzellen und folglich des gesamten Energiespeichers zu erhöhen.
Aus dem Stand der Technik sind keine Zellverbinder bekannt, welche alle miteinander verbundenen Speicherzellen so gleichmäßig auslasten, dass die maximal mögliche Lebensdauer des Energiespeichers optimal ausgenutzt werden kann. Werden einzelne Speicherzellen eines Energiespeichers häufiger und/oder stärker belastet als andere Speicherzellen, kann es zu einer unbeabsichtigten schnelleren Alterung dieser einzelnen Speicherzellen kommen, wobei ein Defekt einer einzelnen Speicherzelle häufig für einen Defekt des gesamten Energiespeichers verantwortlich sein kann. Defekte Energiespeicher verursachen hohe Kosten für den Austausch oder de Instandsetzung des Energiespeichers. Außerdem bedeutet die Entsorgung defekter Energiespeicher eine hohe Umweltbelastung.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe liegt somit darin einen Zellverbinder bereitzustellen, welcher für eine gleichmäßige Auslastung aller miteinander verbundenen Speicherzellen eines Energiespeichers sorgt, sodass der Energiespeicher seine maximale Lebensdauer erreichen kann, um den vorzeitigen Ausfall des Energiespeichers und damit verbundene Kosten und Umweltbelastungen zu verhindern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Zellverbinder der eingangs genannten Art, wobei die Verbindungsstellen derart positioniert sind, dass die Nebenverbindungselemente von einem geringeren Strom durchflossen werden als die Hauptverbindungselemente.
Dadurch, dass die Nebenverbindungselemente des Zellverbinders von einem geringeren Strom als die Hauptverbindungselemente durchflossen werden, werden alle mittels des Zellverbinders miteinander verbundenen Speicherzellen des Energiespeichers gleichmäßig ausgelastet. Durch die gleichmäßige Auslastung der Speicherzellen wird verhindert, dass einzelne Speicherzellen schneller altern und einen Defekt des Energiespeichers herbeiführen. Auf diese Weise wird die maximale Lebensdauer des Energiespeichers erreicht, sodass frühzeitige Defekte und somit hohe Kosten für die Instandsetzung oder den Austausch des defekten Energiespeichers vermieden. Außerdem kann die Umweltbelastung durch defekte Energiespeicher reduziert werden.
Die Hauptverbindungselemente können benachbart zueinander angeordnet sein. Die Hauptverbindungselemente sind vorzugsweise in einer Querrichtung beabstandet zueinander angeordnet. Die Hauptverbindungselemente können in ihrer Längsrichtung versetzt angeordnet sein. Die Längsrichtungen der Hauptverbindungselemente verlaufen vorzugsweise parallel zueinander. Die Hauptverbindungselemente und/oder die Nebenverbindungselemente sind vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Die Hauptverbindungselemente und/oder die Nebenverbindungselemente sind vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer, ausgebildet. Der Zellverbinder und/oder die Hauptverbindungselemente und/oder die Nebenverbindungselemente sind vorzugsweise Blechteile, insbesondere Stanzteile und/oder Biegeteile. Der Zellverbinder mit mehreren Hauptverbindungselementen und mehreren Nebenverbindungselementen ist vorzugsweise einstückig ausgebildet. Die Hauptverbindungselemente sind vorzugsweise als S-Verbindungen (Busbars) zur seriellen Verbindung der Speicherzellen-Pole ausgebildet. Die Nebenverbindungselemente sind vorzugsweise als P-Verbindungen zur parallelen Querverbindung der Hauptverbindungselemente ausgebildet.
Die Hauptverbindungselemente verbinden vorzugsweiseweise den Plus-Pol einer ersten Speicherzelle mit dem Minus-Pol einer zweiten Speicherzelle eines elektrochemischen Speichers elektrisch leitfähig miteinander (Pole unterschiedlicher elektrischer Polarität). Vorzugsweise können die Hauptverbindungselemente und die Nebenverbindungselemente beliebig miteinander kombiniert werden, um den Zellverbinder flexibel an verschiedene Typen von Energiespeichern mit unterschiedlichem Aufbau der Speicherzellen anzupassen. Vorzugsweise werden mittels des Zellverbinders mehrere Speicherzellen zu einem Batteriepack miteinander verbunden. Der elektrochemische Energiespeicher kann beispielsweise eine Batterie oder ein Akku, insbesondere ein Lithium-Ionen-Akku oder ein Lithium-Polymer-Akku, sein. Ein Hauptverbindungselement umfasst vorzugsweise zwei Kontaktstellen und/oder zwei Verbindungsstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellverbinders sind die Verbindungsstellen derart positioniert, dass das elektrische Potential an den über die Nebenverbindungselemente elektrisch leitfähig miteinander verbundenen Verbindungsstellen im Betrieb des Zellverbinders weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, voneinander abweicht. Weicht das elektrische Potential an den über ein Nebenverbindungselement elektrisch leitfähig miteinander verbundenen Verbindungsstellen maximal 10%, vorzugsweise maximal 5%, voneinander ab, so ergibt sich nur eine geringfügige Potentialdifferenz zwischen den Verbindungsstellen und eine elektrische Spannung zwischen den Verbindungsstellen wird minimiert. Durch das Minimieren der Potentialdifferenz zwischen den Verbindungsstellen kann ein fließender Strom über die Nebenverbindungselemente minimiert werden. Die Verbindungsstellen sind vorzugsweise sogenannte Äquipotentialbereiche.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellverbinders sind die Verbindungsstellen derart positioniert sind, dass ein zwischen den elektrisch leitfähig miteinander verbundenen Verbindungsstellen durch die Nebenverbindungselemente fließender Strom im Betrieb des Zellverbinders maximal 2%, vorzugsweise maximal 1%, besonders bevorzugt maximal 0,3%, eines jeweils durch die Hauptverbindungselemente fließender Strom ist. Der jeweils in den Hauptverbindungselementen fließende Strom ist vorzugsweise ein Nominalstrom. Vorzugsweise fließt in allen Hauptverbindungselementen jeweils der gleiche Strom. Der durch die Nebenverbindungselemente fließende Strom ist ein sogenannter Querstrom. Querströme durch die Nebenverbindungselemente sollten so gering wie möglich sein, um eine gleichmäßige Auslastung von allen beteiligten Speicherzellen zu erreichen, um die Alterung der Speicherzellen zu verlangsamen und somit die Lebensdauer der Speicherzellen zu erhöhen. Der jeweils in den Nebenverbindungselementen fließende Strom beträgt besonders bevorzugt maximal 0,3 % des jeweils in den Hauptverbindungselementen fließenden Nominalstroms. Ein Nominalstrom beträgt beispielsweise zwischen 100 Ampere und 200 Ampere, insbesondere zwischen 140 und 160 Ampere. Ein Strom durch die Nebenverbindungselemente beträgt vorzugsweise maximal 0,45 Ampere, vorzugsweise maximal 0,35 Ampere. Entlang der Hauptverbindungselemente bildet sich jeweils ein Stromflusspfad aus. Vorzugsweise fließt Strom nicht durch Nebenverbindungselemente in benachbarte Stromflusspfade. In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zellverbinders ist zumindest ein Hauptverbindungselement als, vorzugsweise um eine Hochachse des Hauptverbindungselements, gekrümmtes Flachleiterelement ausgebildet und/oder ist zumindest ein Hauptverbindungselement als gerades Flachleiterelement ausgebildet. Zumindest ein Hauptverbindungselement kann zumindest abschnittsweise um seine Hochachse gekrümmt sein, um beispielsweise versetzt angeordnete Speicherzellen-Pole verbinden zu können. Zumindest ein Hauptverbindungselement kann in einem oder mehreren Abschnitten um seine Hochachse gekrümmt sein. Das zumindest eine Hauptverbindungselement kann zwischen 30 Grad und 160 Grad, vorzugsweise zwischen 70 Grad und 110 Grad, besonders bevorzugt um 90 Grad, um seine Hochachse gekrümmt sein. Vorzugsweise ist das Hauptverbindungselement entlang einer Krümmungsachse gekrümmt. Ein gerades Hauptverbindungselement ist krümmungsfrei um seine Hochachse.
Es ist weiterhin ein erfindungsgemäßer Zellverbinder bevorzugt, bei welchem zumindest ein Nebenverbindungselement als, vorzugsweise um eine Hochachse des Nebenverbindungselements, gekrümmtes Flachleiterelement ausgebildet ist und/oder bei welchem zumindest ein Nebenverbindungselement als gerades Flachleiterelement ausgebildet ist. Zumindest ein Nebenverbindungselement kann zumindest abschnittsweise um seine Hochachse gekrümmt sein, um beispielsweise versetzt angeordnete Hauptverbindungselemente verbinden zu können. Zumindest ein Nebenverbindungselement kann in einem oder mehreren Abschnitten um seine Hochachse gekrümmt sein. Das zumindest eine Nebenverbindungselement kann zwischen 30 Grad und 160 Grad, vorzugsweise zwischen 70 Grad und 110 Grad, besonders bevorzugt um 90 Grad, um seine Hochachse gekrümmt sein. Ein gerades Nebenverbindungselement ist krümmungsfrei um seine Hochachse.
Ferner ist ein erfindungsgemäßer Zellverbinder vorteilhaft, bei welchem die elektrischen Widerstände der Hauptverbindungselemente um weniger als 1 Ohm, vorzugsweise um weniger als 0,5 Ohm, voneinander abweichen. Alternativ oder zusätzlich weichen die elektrischen Widerstände der Hauptverbindungselemente um weniger als 0,5 %, vorzugsweise um weniger als 0,2 %, voneinander abweichen. Die Abweichung des elektrischen Widerstands ist vorzugsweise unabhängig von der Gestalt der Hauptverbindungselemente, insbesondere unabhängig von einer Krümmung, von der Materialstärke, der Länge und/oder der Breite der Hauptverbindungselemente, möglichst gering. Durch möglichst geringe Abweichungen der elektrischen Widerstände zwischen den Hauptverbindungselementen wird sichergestellt, dass die durch die Hauptverbindungselemente fließenden Ströme jeweils möglichst wenig voneinander abweichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsmäßen Zellverbinders, weichen die elektrischen Widerstände der Nebenverbindungselemente um weniger als 1 Ohm, vorzugsweise um weniger als 0,5 Ohm, voneinander ab. Alternativ oder zusätzlich weichen die elektrischen Widerstände der Nebenverbindungselemente um weniger als 0,5 %, vorzugsweise um weniger als 0,2 %, voneinander ab. Die Abweichung des elektrischen Widerstands ist vorzugsweise unabhängig von der Gestalt der Nebenverbindungselemente, insbesondere unabhängig von einer Krümmung, von der Materialstärke, der Länge und/oder der Breite der Nebenverbindungselemente, möglichst gering.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zellverbinders weisen die Hauptverbindungselemente einen geringeren elektrischen Widerstand als die Nebenverbindungselemente auf. Vorzugsweise haben die direkten elektrisch leitfähigen Verbindungen von Speicherzellen-Pol zu Speicherzellen-Pol (Hauptverbindungselemente) einen geringeren elektrischen Widerstand als die parallelen Querverbindungen (Nebenverbindungselemente) zwischen den Hauptverbindungselementen. Durch den geringeren elektrischen Widerstand der Hauptverbindungselemente fließt ein Strom bevorzugt durch die Hauptverbindungselemente und nicht durch die Nebenverbindungselemente. So werden sogenannte Querströme minimiert, sodass alle Speicherzellen möglichst gleichmäßig belastet werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellverbinders weist zumindest ein Hauptverbindungselement zumindest einen elektrischen Sicherungsbereich auf, wobei ein Querschnitt des Hauptverbindungselements in dem zumindest einen elektrischen Sicherungsbereich, vorzugsweise mittels einer oder mehrerer Ausnehmungen des Hauptverbindungselements im Sicherungsbereich, reduziert ist. Vorzugsweise ist in dem zumindest einen Sicherungsbereich die Breite des Hauptverbindungselements reduziert. In dem zumindest einen Sicherungsbereich kann zudem die Materialstärke des Hauptverbindungselements reduziert sein. Die eine oder die mehreren Ausnehmungen des Hauptverbindungselements im Sicherungsbereich sind vorzugsweise als kreisrunde oder elliptische Ausnehmungen, beispielsweise als Bohrlöcher, ausgebildet sein. Die eine oder die mehreren Ausnehmungen des Hauptverbindungselements im Sicherungsbereich können zudem als Einkerbungen im Randbereich des Hauptverbindungselements, beispielsweise als halbkreisförmige Einkerbungen, ausgebildet sein. Durch die eine oder die mehreren Ausnehmungen wird der stromdurchflossene Querschnitt im Sicherungsbereich des Hauptverbindungselements abschnittsweise reduziert.
Vorzugsweise fließt der Strom durch zwei als Strom-Engpass fungierende Randstege im Sicherungsbereich, welche durch das Vorsehen der Ausnehmungen ausgebildet werden. Ein reduzierter stromdurchflossener Querschnitt erhöht den lokalen stromflussbedingten Widerstand im Sicherungsbereich. Ein erhöhter stromflussbedingter Widerstand erhöht die stromflussbedingte Abwärme im Sicherungsbereich. Wird ein Grenzwert eines durch den Sicherungsbereich fließenden Stroms überschritten (Überstrom) schmilzt das Hauptverbindungselement im Sicherungsbereich durch den thermischen Einfluss der stromflussbedingten Abwärme und der elektrochemische Energiespeicher wird vor Überstromschäden geschützt. Die Sicherungsbereiche sind vorzugsweise derart positioniert und/oder derart ausgebildet, dass sie beim Schmelzen keine im Nahbereich des Sicherungsbereichs angeordneten Speicherzellen des Energiespeichers beschädigen.
Es ist außerdem ein erfindungsgemäßer Zellverbinder bevorzugt, bei welchem zumindest eine der Kontaktstellen zumindest eines der Hauptverbindungselemente eine schlitzförmige Ausnehmung umfasst, welche zwei Kontaktflächen der jeweiligen Kontaktstelle voneinander trennt. Durch die schlitzförmige Ausnehmung weist zumindest ein Hauptverbindungselement an zumindest einer Kontaktstelle eine Gabelung mit zwei Gabelzinken auf. Vorzugsweise sind Kontaktstellen mit schlitzförmiger Ausnehmung dazu eingerichtet, mittels Ultraschall-Schweißen mit einem Speicherzellen-Pol elektrisch leitfähig und stoffschlüssig verbunden zu werden. Die schlitzförmige Ausnehmung kann zudem vibrationsbedingte Beschädigungen des Zellverbinders durch Ultraschall-Schweißen der Kontaktstelle an einen Speicherzellen-Pol vermeiden. Vorzugsweise verläuft die schlitzförmige Ausnehmung in Längsrichtung des Hauptverbindungselements. Vorzugsweise erstreckt sich die schlitzförmige Ausnehmung über die gesamte Materialstärke des Hauptverbindungselements. Die Kontaktflächen der Kontaktstelle sind dazu eingerichtet, Speicherzellen-Pole zu kontaktieren und die Speicherzellen-Pole elektrisch leitfähig mit dem Hauptverbindungselement zu verbinden.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zellverbinders schließt die schlitzförmige Ausnehmung mit einer, insbesondere kreisförmigen, Ausnehmungserweiterung ab. Vorzugsweise ist die Ausnehmungserweiterung der schlitzförmigen Ausnehmung an dem einer weiteren Kontaktstelle und/oder einem Sicherungsbereich des Hauptverbindungselements zugewandten Ende der schlitzförmigen Ausnehmung und/oder an der tiefsten Stelle der schlitzförmigen Ausnehmung angeordnet. Durch die Ausnehmungserweiterung wird die Übertragung von Vibrationen beim Ultraschall-Schweißen weiter reduziert, um Speicherzellen und/oder bereits vorhandene Schweißverbindungen vor Beschädigungen zu schützen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellverbinders trennt die schlitzförmige Ausnehmung zwei Kontaktfortsätze voneinander trennt, wobei die Kontaktfortsätze jeweils, vorzugsweise um eine Querachse der Hauptverbindungselemente, gekrümmt oder gerade ausgebildet sind. Vorzugsweise umfassen die Kontaktfortsätze die Kontaktstellen und/oder Kontaktflächen der Kontaktstellen, welche dazu eingerichtet sind, Speicherzellen- Pole zu kontaktieren. Vorzugsweise sind die Kontaktfortsätze derart um ihre Querachse gekrümmt, dass die Kontaktstellen der Hauptverbindungselemente einen Höhenversatz zu jenseits der Krümmung angeordneten Bereichen des Hauptverbindungselements aufweisen. Die Längsachse des Hauptverbindungselements ist vorzugsweise orthogonal zu der Querachse des Hauptverbindungselements ausgerichtet. Die Querachse des
Hauptverbindungselements ist vorzugsweise orthogonal zu der Hochachse des Hauptverbindungselements ausgerichtet Die Hochachse des
Hauptverbindungselements ist orthogonal zu der Längsachse des Hauptverbindungselements ausgerichtet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellverbinders umfasst zumindest eine der Kontaktstellen zumindest eines der Hauptverbindungselemente eine kreisförmige Ausnehmung. Die kreisförmige Ausnehmung ist vorzugsweise als Bohrloch ausgebildet. Die Kontaktstelle mit kreisförmiger Ausnehmung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, mittels Laser- Schweißen mit einem Speicherzellen-Pol elektrisch leitfähig und stoffschlüssig verbunden zu werden. Die Kontaktstelle mit kreisförmiger Ausnehmung ist vorzugsweise kreisförmig und/oder halbkreisförmig ausgebildet. Zumindest eine weitere der Kontaktstellen zumindest eines der Hauptverbindungselemente kann dazu eingerichtet sein, mittels Ultraschall-Schweißen mit einem Speicherzellen- Pol elektrisch leitfähig und stoffschlüssig verbunden zu werden, sodass das Hauptverbindungselement mittels mehrerer verschiedener Schweißverfahren an mehreren Kontaktstellen mit Speicherzellen-Polen verbunden werden kann. Zumindest eine weitere der Kontaktstellen zumindest eines der Hauptverbindungselemente kann ebenfalls dazu eingerichtet sein, mittels Laser- Schweißen mit einem Speicherzellen-Pol elektrisch leitfähig und stoffschlüssig verbunden zu werden, sodass das Hauptverbindungselement mittels eines gleichen Schweißverfahrens an mehreren Kontaktstellen mit Speicherzellen- Polen verbunden werden kann.
Ferner ist ein erfindungsgemäßer Zellverbinder bevorzugt, bei welchem zumindest eine der Kontaktstellen zumindest eines der Hauptverbindungselemente im Bereich der kreisförmigen Ausnehmung eine reduzierte Materialstärke aufweist. Vorzugsweise ist in einem kreisförmigen Bereich um die kreisförmige Ausnehmung herum an zumindest einer Kontaktstelle mit kreisförmiger Ausnehmung die Materialstärke des Hauptverbindungselements reduziert. Der Bereich mit reduzierter Materialstärke fungiert vorzugsweise als Laser-Schweiß-Stelle zum Verschweißen des Hauptverbindungselements mit einem Speicherzellen-Pol mittels Laser- Schweißen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin durch ein Zellsystem der eingangs genannten gelöst, wobei der Zellverbinder nach einer vorstehenden Ausführungsformen ausgebildet ist. Hinsichtlich der Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Zellsystems wird auf die Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Zellverbinders verwiesen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Herstellen eines Zellsystems der eingangs genannten gelöst, wobei die Kontaktstellen des Zellverbinders und die Speicherzellen-Pole des elektrochemischen Energiespeichers zum Verbinden mittels Laser-Schweißen und/oder mittels Ultraschall-Schweißen miteinander verschweißt werden. Vorzugsweise werden die Kontaktstellen des Zellverbinders und die Speicherzellen-Pole des elektrochemischen Energiespeichers mittels einer Laser-Schweißvorrichtung und/oder mittels einer Ultraschall-Schweißvorrichtung miteinander verschweißt. Vorzugsweise wird zumindest eine Kontaktstelle des Zellverbinders mittels Laserschweißen und zumindest eine weitere Kontaktstelle des Zellverbinders mittels Ultraschall-Schweißen mit den Speicherzellen-Polen des elektrochemischen Energiespeichers verschweißt. Vorzugsweise werden die Kontaktstellen des Zellverbinders und die Speicherzellen-Pole des elektrochemischen Energiespeichers durch das Verschweißen elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Vorzugsweise umfassen Kontaktstellen, welche mittels Ultraschall-Schweißen geschweißt werden, eine schlitzförmige Ausnehmung auf. Durch die schlitzförmige Ausnehmung von Kontaktstellen, welche mittels Ultraschall-Schweißen geschweißt werden, werden durch das Ultraschall- Schweißen verursachte Vibrationen vermindert, sodass vibrationsbedingte Beschädigungen des Zellverbinders, des elektrochemischen Energiespeichers und anderer Schweißverbindungen verhindert werden. Vorzugsweise umfassen Kontaktstellen, welche mittels Laser-Schweißen geschweißt werden, eine kreisförmige Ausnehmung und/oder eine reduzierte Materialstärke auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels des Verfahrens ein Zellsystem nach einer der vorstehenden Ausführungsformen hergestellt. Hinsichtlich der Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Zellsystems verwiesen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kontaktstellen des Zellverbinders zum Positionieren mittels eines Zellverbinderpositionierelements mit den Speicherzellen-Polen des elektrochemischen Energiespeichers in Deckung gebracht. Vorzugsweise ist das Zellverbinderpositionierelement als Rahmen und/oder als Schablone ausgebildet. Vorzugsweise ist das Zellverbinderpositionierelement derart gestaltet, dass der Zellverbinder mittels des Zellverbinderpositionierelements so positioniert werden kann, dass die Kontaktstellen des Zellverbinders die Speicherzellen-Pole des elektrochemischen Energiespeichers kontaktieren, sodass die Kontaktstellen mit den Speicherzellen-Polen verschweißt werden können. Das Positionieren mittels des Zellverbinderpositionierelements kann manuell per Hand erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Positionieren des Zellverbinders ohne Zellverbinderpositionierelement mittels einer Pick-and-Place-Maschine erfolgen, wobei das Positionieren mittels der Pick-and-Place-Maschine vollautomatisiert, teilautomatisiert oder manuell von einem Bediener ausgeführt werden kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betreiben eines Zellsystems der eingangs genannten gelöst, wobei ein durch die Nebenverbindungselemente fließender Strom geringer als der durch die Hauptverbindungselemente fließender Strom ist. Vorzugsweise wird eine erste Kontaktstelle eines Hauptverbindungselements des Zellverbinders mittels Laserschweißen mit einem ersten Speicherzellen-Pol des elektrochemischen Energiespeichers verschweißt und eine zweite Kontaktstelle zumindest eines Hauptverbindungselements des Zellverbinders mittels Ultraschall-Schweißen mit einem zweiten Speicherzellen-Polen des elektrochemischen Energiespeichers verschweißt. Das elektrische Potential an den über die Nebenverbindungselemente elektrisch leitfähig miteinander verbundenen Verbindungsstellen weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, voneinander abweicht. Vorzugsweise beträgt der durch die Nebenverbindungselemente fließende Strom maximal 1%, besonders bevorzugt maximal 0,3% des durch die Hauptverbindungselemente fließenden Stroms.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels des Verfahrens ein Zellsystem nach einer der vorstehenden Ausführungsformen betrieben. Hinsichtlich der Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Zellsystems verwiesen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zellverbinder mit mehreren Hauptverbindungselementen und mehreren
Nebenverbindungselementen in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 2 ein gerade ausgebildetes Hauptverbindungselement eines erfindungsgemäßen Zellverbinders in einer Draufsicht;
Fig. 3 ein gekrümmt ausgebildetes Hauptverbindungselement eines erfindungsgemäßen Zellverbinders in einer Draufsicht; und
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Zellverbinder mit unterschiedlichen schematisch dargestellten Strompfaden in einer Draufsicht;
Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Zellverbinder 10, welcher mehrere Hauptverbindungselemente 12a, 12b und mehrere Nebenverbindungselemente 14a, 14b umfasst. Die Hauptverbindungselemente 12a, 12b und die Nebenverbindungselemente 14a, 14b sind als Flachleiterelemente aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, beispielsweise aus einem Aluminiumblechwerkstoff, ausgebildet. Die Hauptverbindungselemente 12a, 12b sind dazu eingerichtet, jeweils zwei Speicherzellen-Pole unterschiedlicher Polarität eines chemischen Energiespeichers elektrisch leitfähig miteinander zu verbinden und somit Speicherzellen des Energiespeichers in Reihe zu schalten. Die Nebenverbindungselemente 14a, 14b verbinden jeweils zwei
Hauptverbindungselemente 12a, 12b elektrisch leitfähig miteinander, um Speicherzellen parallel zu schalten. Die Hauptverbindungselemente 12a, 12b sind nebeneinander und quer zur Längsachse L der Hauptverbindungselemente 12a, 12b beabstandet voneinander sowie parallel zur Längsachse L versetzt zueinander angeordnet.
Die Hauptverbindungselemente 12a, 12b erstrecken sich jeweils entlang einer Längsachse L und weisen an einem Ende jeweils eine Kontaktstelle 16a-16e auf. Die Kontaktstellen 16a-16e sind rund ausgebildet und dazu eingerichtet, mittels Laser-Schweißen jeweils mit einem Speicherzellen-Pol verbunden zu werden. An dem entlang der Längsachse L dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende weisen die Hauptverbindungselemente 12a, 12b jeweils eine Kontaktstelle 16f- 16j auf. Die Kontaktstellen 16f-16j sind geschlitzt ausgebildet und dazu eingerichtet, mittels Ultraschall-Schweißen jeweils mit einem Speicherzellen-Pol verschweißt zu werden. Die Hauptverbindungselemente 12b weisen im Bereich ihres Endes mit den geschlitzten Kontaktstellen 16f-16j eine Krümmung um 90 Grad um eine orthogonal zur Längsachse L verlaufenden Hochachse H auf. Die Hauptverbindungselemente 12a weisen im Bereich ihres Endes mit den geschlitzten Kontaktstellen 16f-16j keine Krümmung um die Hochachse H auf. Zudem sind alle Hauptverbindungselemente 12a, 12b im Bereich ihres Endes mit den geschlitzten Kontaktstellen 16f-16j um eine orthogonal zur Längsachse L verlaufenden Querachse Q gekrümmt.
Zudem weisen die Hauptverbindungselemente 12a, 12b jeweils einen Sicherungsbereich 20 auf, mittels welchem der Zellverbinder 10 und/oder mit dem Zellverbinder 10 verbundene Speicherzellen eines Energiespeichers vor einer Überbelastung durch zu hohe fließende Ströme geschützt werden. Die Sicherungsbereiche 20 sind jeweils in Längsrichtung der Hauptverbindungselemente 12a, 12b beabstandet zu den Kontaktstellen 16a-16f und den Kontaktstellen 16f-16j angeordnet. Die Nebenverbindungselemente 14a, 14b sind an ihren beiden Enden an
Verbindungsstellen 18 elektrisch leitfähig mit jeweils einem
Hauptverbindungselement 12a, 12b verbunden, sodass jedes
Hauptverbindungselement 12a, 12b mit zumindest einem weiteren
Hauptverbindungselement 12a, 12b elektrisch leitfähig verbunden ist. Die
Verbindungsstellen 18 sind derart positioniert, dass das elektrische Potential an allen Verbindungsstellen 18 möglichst wenig voneinander abweicht, sodass eine möglichst kleine elektrische Spannung zwischen den jeweiligen über die Nebenverbindungselemente 14a, 14b verbundenen Hauptverbindungselementen
12a, 12b anliegt. Durch eine möglichst kleine elektrische Spannung zwischen den Hauptverbindungselementen 12a, 12b kann verhindert werden, dass im Betrieb des Zellverbinders 10 Ströme über die Nebenverbindungselemente 14a, 14b zwischen den Hauptverbindungselementen 12a, 12b fließen. Um die versetzt angeordneten benachbarten Hauptverbindungselemente 12a, 12b miteinander zu verbinden, weisen die Nebenverbindungselemente 14b im Bereich ihrer jeweiligen Enden eine Krümmung um 90 Grad auf. Nicht versetzt zueinander angeordnete Hauptverbindungselemente 12a, 12b werden mittels gerade verlaufender Nebenverbindungselemente 14a miteinander verbunden.
Die Fig. 2 zeigt ein Hauptverbindungselement 12a des Zellverbinders 10 aus der Fig. 1 , wobei der Zellverbinder 10 mehrere der Hauptverbindungselemente 12a umfasst. Das Hauptverbindungselement 12a ist als Flachleiterelement ausgebildet und erstreckt sich längs entlang seiner Längsachse L.
An dem rechten Ende des Hauptverbindungselements 12a weist das Hauptverbindungselement eine kreisförmige Kontaktstelle 16a auf. Der Durchmesser D1 der kreisförmigen Kontaktstelle entspricht der Breite B1 des Hauptverbindungselements 12a im an die Kontaktstelle 16a angrenzenden Bereich. Die kreisförmige Kontaktstelle 16a weist mittig eine kreisförmige Ausnehmung 22 auf, welche als Bohrloch ausgebildet ist und sich über die gesamte Materialstärke des Hauptverbindungselements 12a erstreckt. Zudem ist die Materialstärke des Hauptverbindungselements 12a im Bereich der kreisförmigen Kontaktstelle 16a im Vergleich zu an die Kontaktstelle 16a angrenzenden Bereichen des Hauptverbindungselements 16a reduziert. Die Kontaktstelle 16a ist derart ausgebildet, dass das Hauptverbindungselement im Bereich der Kontaktstelle 16a mittels Laser-Schweißen mit einem Speicherzellen- Pol eines elektrochemischen Energiespeichers elektrisch leitfähig verschweißt werden kann.
An dem in Längsrichtung des Hauptverbindungselements 12a der Kontaktstelle 16a gegenüberliegenden Ende des Hauptverbindungselements 12a weist das Hauptverbindungselement 12a eine Kontaktstelle 16f auf. Das Hauptverbindungselements 12a weist im Kontaktbereich 16f eine schlitzförmige Ausnehmung 24 auf, welche sich entlang der Längsachse L über die gesamte Materialstärke des Hauptverbindungselements 12a durch die Kontaktstelle 16f bis in den an die Kontaktstelle 16f angrenzenden Bereich des Hauptverbindungselements 12a erstreckt. Die schlitzförmige Ausnehmung 24 mündet an ihrem der Kontaktstelle 16a zugewandten Ende in einer kreisförmigen Ausnehmungserweiterung 32. Die schlitzförmige Ausnehmung 24 teilt das Hauptverbindungselement 12a an seinem linken Ende in zwei parallel und beabstandet voneinander verlaufende Kontaktfortsätze 34, welche an ihrem freien Ende zwei rechteckig ausgebildete Kontaktflächen 30 der Kontaktstelle 16f umfassen. Die Kontaktflächen 30 weisen durch eine Krümmung der Kontaktfortsätze 34 um die Querachse Q einen Höhenversatz im Vergleich zu den angrenzenden Bereichen des Hauptverbindungselements 12a auf.
Der Kontaktbereich 16f mit seinen Kontaktflächen 30 ist dazu eingerichtet, mittels Ultraschall-Schweißen mit einem Speicherzellen-Pol eines elektrochemischen Energiespeichers elektrisch leitfähig verschweißt zu werden. Dadurch, dass das Hauptverbindungselement 12a im Bereich der Kontaktstelle 16f eine schlitzförmige Ausnehmung 24 mit einer Ausnehmungserweiterung 32 aufweist, können Vibrationen beim Ultraschall-Schweißen vermindert werden, sodass Beschädigungen des Hauptverbindungselements 12a, des Zellverbinders 10, eines elektrochemischen Energiespeichers sowie bereits vorhandenen Schweißverbindungen verhindert werden.
Ferner umfasst das Hauptverbindungselement 12a einen Sicherungsbereich 20, welcher in Längsrichtung des Hauptverbindungselements 12a zwischen der Kontaktstelle 16a und der Kontaktstelle 16f angeordnet ist. In dem Sicherungsbereich 20 weist das Hauptverbindungselement 12a mehrere Ausnehmungen 26a, 26b auf, wobei sich durch die Ausnehmungen 26a, 26b sich parallel zur Längsachse L erstreckende Stege 28 ergeben. Die Ausnehmung 26a ist ellipsenförmig ausgebildet und mittig im Sicherungsbereich 20 angeordnet. Die Ausnehmungen 26b sind als Einkerbungen im Randbereich des Sicherungsbereichs 20 ausgebildet. Alle Ausnehmungen 26a, 26b erstrecken sich über die gesamte Materialstärke des Hauptverbindungselements 12a. Ein durch das Hauptverbindungselement 12a zwischen der Kontaktstelle 16a und der Kontaktstelle 16f fließender Strom fließt aufgrund der Ausnehmungen 26a, 26b im Sicherungsbereich 20 durch einen deutlich verringerten Querschnitt. Durch den verringerten stromdurchflossenen Querschnitt im Sicherungsbereich 20 ist der elektrische Widerstand im Sicherungsbereich 20 im Vergleich zu an den Sicherungsbereich 20 angrenzen Bereichen des Hauptverbindungselements 12a erhöht, sodass es im Sicherungsbereich eine erhöhte stromflussbedingte Wärmeentwicklung kommt. Übersteigt der fließende Strom einen Grenzwert, schmelzen die Stege 28 aufgrund der Wärmeentwicklung, sodass mittels des Zellverbinder 10 verbundene Speicherzellen eines Energiespeichers vor Beschädigungen durch Überstrom geschützt werden.
Die Fig. 3 zeigt ein Hauptverbindungselement 12b des Zellverbinders 10 aus der Fig. 1, wobei der Zellverbinder 10 mehrere der Hauptverbindungselemente 12b umfasst. Das Hauptverbindungselement 12a ist als sich entlang der Längsachse L erstreckendes Flachleiterelement ausgebildet, welches um die orthogonal zur Längsachse in die Zeichnungsebene verlaufende Hochachse H um 90 Grad entlang einer Krümmungsachse K gekrümmt ausgebildet ist. Durch die Krümmung des Hauptverbindungselements 12b können Speicherzellen-Pole miteinander verbunden werden, welche versetzt zueinander angeordnet sind.
An dem rechten Ende des Hauptverbindungselements 12b weist das Hauptverbindungselement eine kreisförmige Kontaktstelle 16e auf, wobei der Durchmesser D2 der kreisförmigen Kontaktstelle größer als die Breite B2 des Hauptverbindungselements 12b im an die Kontaktstelle 16e angrenzenden Bereich ist. Die kreisförmige Kontaktstelle 16e weist mittig eine kreisförmige Ausnehmung 22 auf, welche als Bohrloch ausgebildet ist und sich über die gesamte Materialstärke des Hauptverbindungselements 12b erstreckt. Weiterhin ist die Materialstärke des Hauptverbindungselements 12b im Bereich der kreisförmigen Kontaktstelle 16e im Vergleich zu an die Kontaktstelle 16e angrenzenden Bereichen des Hauptverbindungselements 16b reduziert. Die Kontaktstelle 16e ist derart ausgebildet, dass das Hauptverbindungselement im Bereich der Kontaktstelle 16e mittels Laser-Schweißen mit einem Speicherzellen- Pol eines elektrochemischen Energiespeichers elektrisch leitfähig verschweißt werden kann.
An dem in Längsrichtung des Hauptverbindungselements 12b der Kontaktstelle 16e gegenüberliegenden Ende des Hauptverbindungselements 12b weist das Hauptverbindungselement 12b eine Kontaktstelle 16j auf. Das Hauptverbindungselements 12b weist im Kontaktbereich 16j eine schlitzförmige Ausnehmung 24 auf, welche sich entlang der Krümmungsachse K über die gesamte Materialstärke des Hauptverbindungselements 12b durch die Kontaktstelle 16j bis in den an die Kontaktstelle 16j angrenzenden Bereich des Hauptverbindungselements 12b erstreckt. Die schlitzförmige Ausnehmung 24 teilt das Hauptverbindungselement 12b an seinem linken gekrümmten Ende in zwei parallelkurvenförmig und beabstandet voneinander verlaufende Kontaktfortsätze 34, welche an ihrem freien Ende zwei rechteckig ausgebildete Kontaktflächen 30 der Kontaktstelle 16f umfassen. Die Kontaktflächen 30 weisen durch eine Krümmung der Kontaktfortsätze 34 einen Höhenversatz im Vergleich zu den angrenzenden Bereichen des Hauptverbindungselements 12b auf.
Der Kontaktbereich 16 j mit seinen Kontaktflächen 30 ist dazu eingerichtet, mittels Ultraschall-Schweißen mit einem Speicherzellen-Pol eines elektrochemischen Energiespeichers elektrisch leitfähig verschweißt zu werden. Dadurch, dass das Hauptverbindungselement 12b im Bereich der Kontaktstelle 16 j die schlitzförmige Ausnehmung 24 aufweist, können Vibrationen beim Ultraschall-Schweißen vermindert werden, sodass Beschädigungen des Hauptverbindungselements 12b, des Zellverbinders 10, eines elektrochemischen Energiespeichers sowie bereits vorhandenen Schweißverbindungen verhindert werden. Ferner umfasst das Hauptverbindungselement 12b einen Sicherungsbereich 20, welcher in Längsrichtung des Hauptverbindungselements 12b zwischen der Kontaktstelle 16e und der Kontaktstelle 16j angeordnet ist. In dem Sicherungsbereich 20 weist das Hauptverbindungselement 12b mehrere Ausnehmungen 26a, 26b auf, wobei sich durch die Ausnehmungen 26a, 26b sich parallel zur Längsachse L erstreckende Stege 28 ergeben. Die Ausnehmung 26a ist ellipsenförmig ausgebildet und mittig im Sicherungsbereich 20 angeordnet. Die Ausnehmungen 26b sind als Einkerbungen im Randbereich des Sicherungsbereichs 20 ausgebildet. Alle Ausnehmungen 26a, 26b erstrecken sich über die gesamte Materialstärke des Hauptverbindungselements 12b. Ein durch das Hauptverbindungselement 12b zwischen der Kontaktstelle 16e und der Kontaktstelle 16j fließender Strom fließt aufgrund der Ausnehmungen 26a, 26b im Sicherungsbereich 20 durch einen deutlich verringerten Querschnitt. Durch den verringerten stromdurchflossenen Querschnitt im Sicherungsbereich 20 ist der elektrische Widerstand im Sicherungsbereich 20 im Vergleich zu an den Sicherungsbereich 20 angrenzen Bereichen des Hauptverbindungselements 12b erhöht, sodass es im Sicherungsbereich eine erhöhte stromflussbedingte Wärmeentwicklung kommt. Übersteigt der fließende Strom einen Grenzwert, schmelzen die Stege 28 aufgrund der Wärmeentwicklung, sodass mittels des Zellverbinder 10 verbundene Speicherzellen eines Energiespeichers vor Beschädigungen durch Überstrom geschützt werden.
Die Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Zellverbinder 10 in einer Draufsicht, wobei schematische Strompfade P1-P3 unterschiedliche mögliche Stromflussszenarien darstellen. Es ist beabsichtigt, dass im Betrieb des Zellverbinders 10, bei Kontakt der Kontaktstellen 16a-16j mit Speicherzellen- Polen, möglichst wenig Strom durch die Nebenverbindungselemente 14a fließt. Stattdessen ist es beabsichtigt, dass ausschließlich jeweils zwischen der Kontaktstelle 16a und 16f, zwischen der Kontaktstelle 16b und 16g, zwischen der Kontaktstelle 16c und 16h, zwischen der Kontaktstelle 16d und 16i sowie zwischen der Kontaktstelle 16e und 16j Ströme fließen, welche eine möglichst geringe Abweichung voneinander aufweisen. In der Fig. 4 ist ein beabsichtigter Strompfad P1 dargestellt, welcher darstellt, dass ein Strom von der Kontaktstelle 16c durch das Hauptverbindungselement 12a in die Kontaktstelle 16h fließt. Es ist hingegen nicht beabsichtigt, dass Ströme von der Kontaktstelle 16c benachbarten Strompfaden P2 und/oder P3 über Nebenverbindungselemente 14a in benachbarte Hauptverbindungselemente 12a, 12b zu den Kontaktstellen 16g und/oder 16i folgen. Dadurch, dass die Verbindungsstellen 18 jeweils das gleiche elektrische Potential aufweisen, herrscht zwischen den Verbindungsstellen 18 keine Potentialdifferenz, wobei somit keine elektrische Spannung zwischen den Verbindungsstellen 18 anliegt. Folglich fließt zwischen den Verbindungsstellen 18 durch die Nebenverbindungselemente 14a kein Strom oder zumindest ein deutlich kleinerer Strom als durch die Hauptverbindungselemente 12a, 12b.
Weiterhin wird ein Stromfluss durch die Nebenverbindungselemente 14a dadurch vermieden oder zumindest verringert, dass der elektrische Widerstand jeweils aller Hauptverbindungselemente 12a, 12b kleiner ist als der elektrische Widerstand jeweils aller Nebenverbindungselemente 14a, 14b. So ist beispielsweise der elektrische Widerstand zwischen der Kontaktstelle 16c und der Kontaktstelle 16h geringer als der elektrische Widerstand zwischen der Kontaktstelle 16c und der Kontaktstelle 16g, sodass der Strom bevorzugt über den Strompfad P1 und nicht über den Strompfad P2 fließt. Zudem ist der elektrische Widerstand aller Hauptverbindungselemente 12a, 12b und aller Nebenverbindungselemente 14a, 14b jeweils gleich groß oder weicht nur geringfügig voneinander ab. Beispielsweise ist der elektrische Widerstand zwischen den • Kontaktstellen 16c und 16h und der elektrische Widerstand zwischen den Kontaktstellen 16e und 16j gleich groß. Weiterhin ist beispielsweise der elektrische Widerstand zwischen den Kontaktstellen 16c und 16g und zwischen den Kontaktstellen 16c und 16i jeweils gleich groß.
Dadurch, dass keine Querströme über die Nebenverbindungselemente 14a, 14b zwischen den Hauptverbindungselementen 12a, 12b fließen, ist der Strom in allen Hauptverbindungselementen 12a, 12b gleichmäßig groß, sodass alle mit dem Zellverbinder 10 verbundenen Speicherzellen eines elektrochemischen Energiespeichers gleichmäßig belastet werden. Durch eine gleichmäßige Belastung aller Speicherzellen wird die Lebensdauer der Speicherzellen und somit des gesamten Energiespeichers maximiert. Wichtig ist, dass die Verbindungsstellen (18) derart positioniert sind, dass die Nebenverbindungselemente (14a, 14b) zumindest zeitweise von einem geringeren Strom durchflossen werden als die Hauptverbindungselemente (12a, 12b). Das betrifft insbesondere zumindest Abschnitte bestimmter Zeiträume beim Laden des Energiespeichers, bei seinem Entladen oder allgemein während einer zweckgerichteten Veränderung der gespeicherten Energie-Menge im Energiespeicher. Vorzugsweise ist dabei auch der Strom pro Leiter- Querschnittsfläche geringer. Vorzugsweise weisen mindestens ein beteiligtes Hauptverbindungselement und mindestens ein beteiligtes Nebenverbindungselement die gleiche Materialzusammensetzung auf und/oder sind aus demselben Basis-Material einstückig hergestellt.
Vorzugsweise ist der geringere Stromfluss nicht das Ergebnis eines höheren oder spezifisch höheren Widerstands.
Der Grund ist vielmehr ein geringerer bis nicht vorhandener Unterschied im elektrischen Potential zwischen den beiden Verbindungsstellen (18) eines Nebenverbindungselements (14, 14a, 14b)
Bezuqszeichen
10 Zellverbinder
12a, 12b Hauptverbindungselement
14a, 14b Nebenverbindungselement
16a-16j Kontaktstelle
18 Verbindungsstelle
20 Sicherungsbereich
22 Ausnehmung
24 Ausnehmung
26a, 26b Ausnehmung
28 Stege
30 Kontaktflächen
32 Ausnehmungserweiterung
34 Kontaktfortsätze
B1 , B2 Breite
D1 , D2 Durchmesser
H Hochachse
K Krümmungsachse
L Längsachse
P1-P3 Strompfad
Q Querachse

Claims

Ansprüche Zellverbinder (10) für einen elektrochemischen Energiespeicher, mit einer Vielzahl von Hauptverbindungselementen (12a, 12b), welche jeweils zwei Kontaktstellen (16a-16j) umfassen und dazu eingerichtet sind, im Betrieb des Zellverbinders (10) über die Kontaktstellen (16a- 16j) zwei Speicherzellen-Pole unterschiedlicher elektrischer Polarität elektrisch leitfähig miteinander zu verbinden; und einer Vielzahl von Nebenverbindungselementen (14a, 14b), welche jeweils zwei Hauptverbindungselemente (12a, 12b) über
Verbindungsstellen (18) der Hauptverbindungselemente (12a, 12b) elektrisch leitfähig miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen (18) derart positioniert sind, dass die Nebenverbindungselemente (14a, 14b) zumindest zeitweise von einem geringeren Strom durchflossen werden als die Hauptverbindungselemente (12a, 12b). Zellverbinder (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen (18) derart positioniert sind, dass das elektrische Potential an den über die Nebenverbindungselemente (14a, 14b) elektrisch leitfähig miteinander verbundenen Verbindungsstellen (18) im Betrieb des Zellverbinders (10) weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, voneinander abweicht. Zellverbinder (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen (18) derart positioniert sind, dass ein zwischen den elektrisch leitfähig miteinander verbundenen Verbindungsstellen (18) durch die Nebenverbindungselemente (14a, 14b) fließender Strom im Betrieb des Zellverbinders (10) maximal 2%, vorzugsweise maximal 1%, besonders bevorzugt maximal 0,3%, eines jeweils durch die Hauptverbindungselemente (12a, 12b) fließender Strom ist. Zellverbinder (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hauptverbindungselement (12b) als, vorzugsweise um eine Hochachse des Hauptverbindungselements (12b), gekrümmtes Flachleiterelement ausgebildet ist; und/oder zumindest ein Hauptverbindungselement (12a) als gerades Flachleiterelement ausgebildet ist. Zellverbinder (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Nebenverbindungselement (14b) als, vorzugsweise um eine Hochachse des Nebenverbindungselements (14b), gekrümmtes Flachleiterelement ausgebildet ist; und/oder zumindest ein Nebenverbindungselement (14a) als gerades Flachleiterelement ausgebildet ist. Zellverbinder (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstände der Hauptverbindungselemente (12a, 12b) um weniger als 1 Ohm, vorzugsweise um weniger als 0,5 Ohm, voneinander abweichen. Zellverbinder (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstände der Nebenverbindungselemente (14a, 14b) um weniger als 1 Ohm, vorzugsweise um weniger als 0,5 Ohm, voneinander abweichen. Zellverbinder (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptverbindungselemente (12a, 12b) einen geringeren elektrischen Widerstand als die Nebenverbindungselemente (14a, 14b) aufweisen. Zellverbinder (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hauptverbindungselement (12a, 12b) zumindest einen elektrischen Sicherungsbereich (20) aufweist, wobei ein Querschnitt des Hauptverbindungselements (12a, 12b) in dem zumindest einen elektrischen Sicherungsbereich (20), vorzugsweise mittels einer oder mehrerer Ausnehmungen (26a, 26b) des
Hauptverbindungselements (12a, 12b) im Sicherungsbereich (20), reduziert ist.
10. Zellverbinder (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kontaktstellen (16f-16j) zumindest eines der Hauptverbindungselemente (12a, 12b) eine schlitzförmige Ausnehmung (24) umfasst, welche zwei Kontaktflächen (30) der jeweiligen Kontaktstelle (16f-16j) voneinander trennt.
11. Zellverbinder (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmige Ausnehmung (24) mit einer, insbesondere kreisförmigen, Ausnehmungserweiterung (32) abschließt.
12. Zellverbinder (10) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmige Ausnehmung (24) zwei Kontaktfortsätze (34) voneinander trennt, wobei die Kontaktfortsätze (34) jeweils, vorzugsweise um eine Querachse (Q) der Hauptverbindungselemente (12a, 12b), gekrümmt oder gerade ausgebildet sind.
13. Zellverbinder (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kontaktstellen (16a-16e) zumindest eines der Hauptverbindungselemente (12a, 12b) eine kreisförmige Ausnehmung (22) umfasst.
14. Zellverbinder (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kontaktstellen (16a-16e) zumindest eines der Hauptverbindungselemente (12a, 12b) im Bereich der kreisförmigen Ausnehmung (22) eine reduzierte Materialstärke aufweist.
15. Zellsystem, mit zumindest einem elektrochemischen Energiespeicher, welcher mehrere Speicherzellen umfasst, und zumindest einem Zellverbinder (10), welcher die mehreren Speicherzellen elektrisch leitfähig miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbinder (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
16. Verfahren zum Herstellen eines Zellsystems, insbesondere eines Zellsystems nach Anspruch 15, mit den Schritten:
Bereitstellen eines mehrere Speicherzellen umfassenden elektrochemischen Energiespeichers,
Bereitstellen zumindest eines Zellverbinders (10),
Positionieren von Kontaktstellen (16a-16j) des Zellverbinders (10) und Speicherzellen-Polen des elektrochemischen Energiespeichers relativ zueinander, und
Verbinden der Kontaktstellen (16a-16j) des Zellverbinders (10) mit den Speicherzellen-Polen des elektrochemischen Energiespeichers, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (16a-16j) des Zellverbinders (10) und die Speicherzellen-Pole des elektrochemischen Energiespeichers zum Verbinden mittels Laser-Schweißen und/oder mittels Ultraschall-Schweißen miteinander verschweißt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (16a-16j) des Zellverbinders (10) zum Positionieren mittels eines Zellverbinderpositionierelements mit den Speicherzellen-Polen des elektrochemischen Energiespeichers in Deckung gebracht werden. Verfahren zum Betreiben eines Zellsystems, insbesondere eines Zellsystems nach Anspruch 15, mit einem elektrochemischen Energiespeicher und einem Zellverbinder (10), insbesondere mit einem Zellverbinder (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei
Hauptverbindungselemente (12a, 12b) des Zellverbinders (10) über Kontaktstellen ( 16a-16j) des Zellverbinders (10) zwei Speicherzellen- Pole des elektrochemischen Energiespeichers mit unterschiedlicher elektrischer Polarität elektrisch leitfähig miteinander verbinden, durch das Verbinden der Speicherzellen-Pole mit unterschiedlicher elektrischer Polarität eine elektrische Spannung zwischen den Kontaktstellen (16a-16j) des Zellverbinders (10) anliegt, sodass ein Strom durch die Hauptverbindungselemente (12a, 12b) fließt, und Nebenverbindungselemente (14a, 14b) des Zellverbinders (10) jeweils zwei Hauptverbindungselemente (12a, 12b) über
Verbindungstellen der Hauptverbindungselemente (12a, 12b) elektrisch leitfähig miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Nebenverbindungselemente (14a, 14b) fließender Strom geringer als der durch die
Hauptverbindungselemente (12a, 12b) fließender Strom ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102019212678A1 (de) * 2019-08-23 2021-02-25 Robert Bosch Gmbh Verbindungselement zur elektrisch leitenden Verbindung mehrerer elektrischer Energiespeichereinheiten sowie elektrisches Energiespeichersystem
DE102020110012A1 (de) * 2020-04-09 2021-10-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Elektrische Energiespeichereinrichtung und Kraftfahrzeug

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