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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden von Zellableitern von Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Aus der
US 2003/0111512 A1 sind umgebogene Zellableiter bekannt, welche direkt zusammengeschweißt werden. Dies ist mit oder ohne Umbiegen der Zellableiter eine im Stand der Technik gebräuchliche Methode, Zellableiter von Batterieeinzelzellen, beispielsweise von sogenannten Pouchzellen, bei denen die elektrochemisch aktiven Materialien in einem Folienbeutel eingeschweißt sind, zu verbinden.
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In der Praxis ist es dabei schwierig, die Verbindung mit hoher Qualität herzustellen, insbesondere wenn Mischverbindungen aus Aluminium für den einen Zellpol und Kupfer für den anderen Zellpol realisiert werden müssen. Im Kern gibt es dabei drei Probleme. Ein Problem ist das Durchschweißen durch beide bzw. alle beteiligten Zellverbinder, was zu Problemen mit einer unerwünschten Verbindung oder Beschädigung von darunterliegenden Materialien führen kann. Ein anderes Problem ist eine Spaltbildung, bei welcher die Schweißverbindung nicht ordentlich ausgeführt ist. Ein drittes Problem kann es auch sein, dass, und dies gilt insbesondere beim bevorzugt eingesetzten Laserschweißen, die Schweißnaht unzureichend tief ausgeprägt ist, sodass keine Anbindung oder zumindest keine zuverlässige und dauerhafte Anbindung und elektrische Kontaktierung erreicht werden kann.
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Die
DE 10 2019 007 902 A1 beschreibt eine alternative Lösung, bei welcher ein Hilfselement in Form einer Verbindungschiene eingesetzt wird. Diese Verbindungsschiene weist Schlitze auf, durch welche jeweils ein Zellableiter der jeweiligen Batterieeinzelzelle hindurchgeführt wird. Er wird anschließend mit dem Hilfselement verschweißt. Die Qualität der Schweißverbindung wird hierdurch typischerweise verbessert, allerdings ist die elektrische Verbindung hier im Wesentlichen auf ein Parallelschalten der Einzelzellen beschränkt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Verbinden von Zellableitern von Batterieeinzelzellen mit einem Hilfselement anzugeben, welche einfach und effizient eine sichere und zuverlässige Verbindung der Zellableiter ermöglicht.
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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 ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der Vorrichtung ist es so, dass zum Verbinden von Zellableitern von Batterieeinzelzellen ein Hilfselement eingesetzt wird und die Zellableiter zusammen mit dem Hilfselement gefügt werden. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass das Hilfselement wenigstens eine Öffnung aufweist, welche beispielsweise als nicht durchlaufende Öffnung oder auch als durchgehende Öffnung ausgebildet sein kann. Insbesondere soll sie schlitzförmig ausgebildet sein und etwas größer dimensioniert sein, als wenigstens zwei der Zellableiter, welche in die Öffnung des Hilfselements eingebracht werden. Die beiden in die Öffnung des Hilfselements eingebrachten Zellableiter werden dann miteinander sowie mit dem Hilfselement gefügt, um eine einfache, sichere und insbesondere sehr zuverlässige Fügung zu erreichen, sodass eine gute elektrische Kontaktierung unter annähernd allen Umständen und bei hoher Flexibilität der Verschaltung erzielt werden kann.
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Das Hilfselement kann ebenfalls mehrere Funktionen einnehmen und so neben dem sicheren Verbinden der Zellableiter auch als Zellverbinder dienen. Beispielsweise können auf der einen Seite des Hilfselementes zwei Batteriezellen über ihre zwei Zellableiter miteinander verbunden werden, und bei länglicher Ausprägung des Hilfselementes nochmals zwei oder mehrere Batteriezellen über ihre Zellableiter, sodass über das Hilfselement als Zellverbinder unterschiedliche Serien- und/ oder Parallelverschaltungen zu realisieren sind.
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Das Fügen kann dabei insbesondere durch Verschweißen erfolgen, besonders bevorzugt durch Laserschweißen. Beim Laserschweißen kann hier vorzugsweise das sogenannte Wobbeln oder Wobbelschweißen eingesetzt werden. Hierfür wird der Laserstrahl über einen sogenannten Wobble-Kopf so ausgelenkt, dass er eine relativ große Fläche überstreicht und damit ein zuverlässiges Verschweißen der Zellableiter und des Hilfselements auch dann ermöglicht, wenn ein gewisser Abstand zwischen den Zellableitern vorliegt, also ein Spalt zwischen diesen verbleibt.
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Insbesondere ist es bei dieser Verbindung durch Schweißen, prinzipiell auch durch jede denkbare Schweißtechnik, von entscheidendem Vorteil, dass über das Hilfselement und die in seiner Öffnung quasi mechanisch fixierten Zellableiter ein sehr einfaches und effizientes Schweißen möglich wird. Dabei wird durch das Hilfselement die Schweißung unterstützt, da ein solches speziell beim Schweißen von dünnen Bauteilen, wie es Zellableiter typischerweise sind, das Schweißen erleichtert. Es begünstigt auch den Stromfluss im späteren Betrieb und hilft durch das Aufschmelzen des Hilfelements selbst der beim Schweißen entstehenden Schmelze Legierungselemente beizufügen, welche insbesondere bei Mischverbindungen das Rissrisiko deutlich senken können. Damit ist eine höhere Festigkeit der Verbindung, ein sicheres Kontaktieren und ein deutlich reduziertes Risiko zur Spaltbildung zu beobachten.
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Außerdem eignet sich das Verfahren auch zum Kontaktieren von Batteriezellableitern aus verschiedenen Materialien, wie es bereits erwähnt worden ist. Dies kann ein entscheidender Vorteil sein, da ansonsten häufig Zellableiter aus Hybridmaterialien eingesetzt werden müssen, was den Aufbau aufwändig und teuer macht.
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Durch den Einsatz des Hilfselements wird ferner das Durchschweißen verhindert, sodass in jedem Fall ein verbesserter Schutz für die nicht zu verschweißenden Bauteile vorliegt. Letztlich ist es auch so, dass über das Hilfselement eine sehr einfache Qualitätskontrolle möglich ist, da anhand des mitverschweißten Hilfselements immer sehr gut zu erkennen ist, ob die Schweißnaht die zu verbindenden Bauteile auch alle erfasst hat.
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Die Ableiter können dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit jeweils einem umgebogenen bzw. abgekanteten Abschnitt in die Öffnung eingebracht sein. Wenn die Öffnung beispielsweise ein nicht durchgehender Schlitz ist, lassen sich die Zellableiter zuvor entsprechend abkanten bzw. umbiegen, sodass sie quasi in diese Öffnung eingehängt werden können, beispielsweise ein Zellableiter von der einen Seite der Öffnung aus und ein Zellableiter von der anderen Seite der Öffnung aus. Sie können dann im Berührungsbereich miteinander und mit dem Hilfselement verschweißt werden, um eine sichere und zuverlässige Kontaktierung zu gewährleisten.
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Alternativ dazu kann selbstverständlich auch eine durchgehende Öffnung hierfür eingesetzt werden. Bei der durchgehenden Öffnung ergibt sich außerdem die Möglichkeit, die Zellableiter zuerst in die Öffnung einzubringen und dann entsprechend abzukanten bzw. umzubiegen, sie also quasi in der Öffnung mechanisch vorzufixieren, um dann das sichere und zuverlässige Fügen der beiden Zellableiter und des Hilfselements zu erreichen.
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Selbstverständlich ist es dabei möglich, mehr als zwei Bauteile miteinander zu verbinden. So können beispielsweise die beiden Zellableiter und das Hilfselement sowie, je nach elektrischer Verschaltung, ein weiterer Zellableiter oder mehrere Zellableiter oder ein verschiedene Hilfselemente miteinander verbindender Zellverbinder in die Öffnung eingebracht und untereinander sowie mit dem Hilfselement gefügt bzw. verschweißt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.
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Dabei zeigen:
- 1 zwei Batterieeinzelzellen, ein Hilfselement zum Verbinden ihrer Zellableiter sowie in einer Schnittdarstellung zwei mögliche Ausführungsformen des Hilfselements;
- 2 eine erste Möglichkeit zum Einbringen der Zellableiter und/oder Zellverbinder in das Hilfselement;
- 3 eine zweite Möglichkeit zum Einbringen der Zellableiter und/oder Zellverbinder in das Hilfselement;
- 4 der Aufbau gemäß 2 oder 3 beim Verschweißen in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 5 eine alternative Variante analog zu der in 4 beim Verschweißen; und
- 6 eine weitere ergänzende oder alternative Variante des Verschweißens.
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In der Darstellung der 1 sind rechts und links in der Figur zwei jeweils mit 1 bezeichnete Batterieeinzelzellen schematisch angedeutet. Sie verfügen über jeweils einen hier jeweils mit 2 bezeichneten Zellableiter. Diese Zellableiter 2 sollen nun miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt werden. Dazu dient ein mit 3 bezeichnetes Hilfselement. In der in der Mitte oben der 1 gezeigten dreidimensionalen Darstellung dieses Hilfselements 3 ist zu erkennen, dass dieses quaderförmig ausgebildet ist und eine zentrale Öffnung 4, welche hier in Form eines Schlitzes dargestellt ist, aufweist. Die Öffnung 4 kann dabei, wie es in den unter der Darstellung des Hilfselements gemäß der Schnittlinie X-X dargestellten Schnitten erkennbar ist, entweder durchgehend ausgebildet sein oder als nicht durchgehende Öffnung realisiert sein, wie es in der unteren Schnittdarstellung zu sehen ist.
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Zum Verbinden der beiden Zellableiter 2, welche beispielsweise bei einer Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen 1 aus unterschiedlichen Materialien, Kupfer einerseits und Aluminium andererseits, bestehen können, werden diese Zellableiter 2 bei der in 2 angedeuteten Variante zuerst umgebogen bzw. abgekantet und dann, wie es durch die Pfeile angedeutet ist, in die Öffnung 4 eingebracht. Alternativ werden die beiden Zellableiter 2 direkt in die Öffnung 4 hineingebogen. Die Öffnung 4 umfasst in diesem Fall also die beiden Zellableiter 2 von benachbarten Batterieeinzelzellen 1, welche in der Darstellung der 2 nicht nochmals dargestellt sind. Diese Variante lässt sich sowohl bei einer nicht durchgehenden Öffnung 4 als auch bei einer durchgehenden Öffnung 4 einsetzen.
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Analog zur Darstellung in 2 ist in der Darstellung der 3 das Hilfselement mit seiner Öffnung 4 nochmals zu erkennen. Hier ist die Öffnung 4 nun als durchgehende Öffnung ausgebildet. Die beiden Zellableiter 2 werden im hier dargestellten Ausführungsbeispiel von unten in die Öffnung 4 eingeschoben und werden dann, wie es durch die beiden Pfeile angedeutet ist, nach dem Einschieben in die Öffnung 4 abgekantet.
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Egal ob der Aufbau nun gemäß der in 2 oder in 3 beschriebenen Variante umgesetzt wird, liegen in jedem Fall nach dem Einstecken und Abkanten bzw. nach dem Einstecken der beiden Zellableiter 2 in die Öffnung 4 zwei mechanisch innerhalb des Hilfselements 3 vorfixierte Zellableiter 2 vor. Diese können nun einfach, wie es in der Darstellung der 4 angedeutet ist, über einen angedeuteten Laserstrahl 5 miteinander verschweißt werden, wobei die Schweißnaht 6 für ein Aufschmelzen des Materials beider Zellableiter 2 und eines Teils des Hilfselements 3 sorgt, sodass hier eine zuverlässige Verbindung gewährleistet ist.
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Anstelle der Verbindung von zwei der Zellableiter 2 kann auch ein weiterer Zellableiter oder mehrere weitere Zellableiter oder eine Anschlussfahne 7 eines weiteren Elements, beispielsweise einer Elektronikkomponente oder eines Zellverbinders zum Verschalten der beiden miteinander verbundenen Einzelzellen 2, mit vorgesehen werden. In der Darstellung der 5 ist dies analog zur Darstellung in 4 angedeutet. Hier ist neben dem Hilfselement 3 und den beiden Zellableitern 2 eine zusätzliche Anschlussfahne 7 mit in die Öffnung 4 des Hilfselements 3 eingebracht und wird zusätzlich zu den beiden Zellableitern 2 und dem Hilfselement 3 verschweißt, um so eine elektrische Kontaktierung aller vier Elemente 2, 3, 7 zu realisieren.
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Neben einem konventienellen Laserschweißen über eine lineare Schweißnaht, wie es meist üblich ist, lässt sich außerdem ein sogenanntes Wobbeln bzw. eine Wobbelverschweißung einsetzen. In der Darstellung der 6 ist dies schematisch angedeutet. Der Laserstrahl 5 wird dazu seitlich bezogen auf die Längsachse der Öffnung 4 ausgelenkt, sodass eine entsprechend breitere Schweißnaht 6' realisiert werden kann, was das Verschweißen und Kontaktieren der Bauteile 2, 3 sowie gegebenenfalls 7, was hier analog zur Darstellung in 5 ebenfalls denkbar wäre, gewährleistet.
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Selbstverständlich sind dabei auch weitere Elemente über die mit 7 bezeichnete Anschlussfahne hinaus denkbar, sodass beispielsweise vier oder fünf Elemente in die Öffnung 4 eingebracht und allesamt untereinander und mit dem Hilfselement 3 verschweißt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0111512 A1 [0002]
- DE 102019007902 A1 [0004]