DE102022004058B3

DE102022004058B3 - Zellverbinder zum elektrischen Kontaktieren eines ersten Pols einer ersten Batteriezelle mit einem zweiten Pol einer zweiten Batteriezelle sowie Batterieanordnung

Info

Publication number: DE102022004058B3
Application number: DE102022004058.1A
Authority: DE
Inventors: Dirk Steffens
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2042-11-01
Also published as: WO2024094341A3; WO2024094341A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zellverbinder (20) zum elektrischen Kontaktieren eines ersten Pols (14) einer ersten Batteriezelle (12) mit einem zweiten Pol (18) einer zweiten Batteriezelle (16), wobei der Zellverbinder (20) zum Anschweißen an die Pole (14, 18) ausgebildet ist, wobei der Zellverbinder (20) im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist und sich mit einem ersten Schenkel (24) der U-Form an dem ersten Pol (14) abstützt und mit einem zweiten Schenkel (26) der U-Form, welcher gegenüberliegend zum ersten Schenkel (24) ausgebildet ist, an dem zweiten Pol (18) abstützt. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterieanordnung (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Zellverbinder zum elektrischen Kontaktieren eines ersten Pols einer ersten Batteriezelle mit einem zweiten Pol einer zweiten Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterieanordnung.
Zur elektrischen Kontaktierung von einzelnen Batteriezellen, insbesondere sogenannten prismatischen Hardcasezellen, zu einem Batteriemodul werden nach aktuellem Stand der Technik flache und großflächige Zellverbinder auf die entsprechenden Zellterminals aufgeschweißt, insbesondere mittels Laserschweißens. Nachteilig ist, dass bei Batteriemodulen ein Zellverbinder vorgesehen ist, welcher außer der elektrischen Kontaktierung von Zellen keine weitere Funktion erfüllt. Darüber hinaus verfügen Batteriemodule über großflächige und somit schwere Rahmenbauteile, welche die Struktur der Module entgegen eines möglichen Zelldickenwachstums oder dergleichen versteifen müssen.
Noch zur Einleitung: Die DE 10 2007 063 177 A1 betrifft einen Zellverbinder zum Verbinden zweier Pole von Zellen von Batterien, insbesondere für Batterien hybridgetriebener Kraftfahrzeuge, der zwei Öffnungen aufweist, wobei im Bereich jeder Öffnung jeweils ein Ausgleichselement zwischen Zellverbinder und Pol angeordnet ist, wobei Ausgleichselement und Zellverbinder sowie Ausgleichselement und Pol jeweils stoffschlüssig miteinander verbindbar sind.
Die JP 2007 323 952 A betrifft eine zusammengesetzte Batterie, bei der mehrere Batterien durch eine Metallleitung verbunden sind, und insbesondere eine zusammengesetzte Batterie optimal für ein Fahrzeug, die in ein Fahrzeug eingebaut wird und einen Motor antreibt, der das Fahrzeug antreibt.
US 2010/ 0 266 889 A1 beschreibt ein Sekundärbatteriemodul mit einer Vielzahl von Batterieeinheiten, die jeweils einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen, und einer Vielzahl von Sammelschienen, die jeweils den ersten Anschluss einer der Batterieeinheiten mit dem zweiten Anschluss einer benachbarten Batterieeinheit elektrisch verbinden, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss jeweils eine erste Kontaktfläche und eine zweite Kontaktfläche gegenüber der ersten Kontaktfläche aufweisen, die Stromschienen einen ersten Kopplungsabschnitt, der mit der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche des ersten Anschlusses einer der Gerätebatterien in Kontakt steht, einen zweiten Kopplungsabschnitt, der mit der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche des zweiten Anschlusses einer benachbarten Gerätebatterie in Kontakt steht, und einen Verbindungsabschnitt, der den ersten und den zweiten Kopplungsabschnitt verbindet, umfassen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zellverbinder sowie eine Batterieanordnung zu schaffen, welche hochfunktional einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Zellverbinder sowie durch eine Batterieanordnung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Zellverbinder zum elektrischen Kontaktieren eines ersten Pols einer ersten Batteriezelle mit einem zweiten Pol einer zweiten Batteriezelle, wobei der Zellverbinder zum Anschweißen an die Pole ausgebildet ist.
Es ist vorgesehen, dass der Zellverbinder im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist und sich mit einem ersten Schenkel der U-Form an dem ersten Pol abstützt und mit einem zweiten Schenkel der U-Form, welche gegenüberliegend zum ersten Schenkel ausgebildet ist, an dem zweiten Pol abstützt.
Insbesondere wird somit ein Zellverbinder vorgeschlagen, welcher neben den Eigenschaften des Stromleitens zusätzlich zumindest einen Teil der strukturellen Gesamtfestigkeit des Batteriemoduls übernimmt. Insbesondere weist dabei der Zellverbinder beispielsweise eine Dicke T von größer gleich 0,5 Millimeter auf, und die U-Form beziehungsweise der sogenannte Kragen ist entsprechend ausgeformt, welcher für einen Formschluss zwischen Zellverbinder und zwei benachbarten, insbesondere mindestens zwei benachbarten, Zellterminals sorgt. Der Kragen des Zellverbinders greift dabei insbesondere quer zur Belastungsrichtung an. Bei Ausdehnung der Batteriezelle wird die Hauptlast von dem Formschluss aufgenommen und nicht von den Kontaktierungsschweißnähten, sodass diese unbeschädigt bleiben. Der Zellverbinder verbindet im Verbund die Batteriezellen auf der Oberseite durch ein Umschließen von mindestens zwei benachbarten Zellterminals mechanisch miteinander, während auf der Unterseite beispielsweise ein reduziert ausgeführtes Bodenprofil eingesetzt werden kann. Der Abstand von Zelle zu Zelle kann über flexibel verformbare Abstandshalter, beispielsweise sogenannte Spannmatten, eine Dichtmasse oder Klebstoff definiert eingestellt werden, sodass der Formschluss der Terminals mit dem Zellverbinder bei der Montage exakt eingestellt werden kann.
Insbesondere führt dies zur Reduzierung von Strukturbauteilen und somit Gewicht von den Batteriemodulen. Des Weiteren hat der Zellverbinder die besondere Eignung, auch bei großen Batteriezellen eingesetzt zu werden, insbesondere wenn die Materialstärke von größer gleich 0,5 Millimeter ist, wobei der Zellverbinder dabei insbesondere aus Aluminium ausgebildet ist. Des Weiteren kann eine vereinfachte Montage sowie Produktion durch den Entfall von Teilen und Fügeaufwänden verzeichnet werden. Ferner kann eine einfache Integration in die aktuellen Produktionsprozesse sowie eine einfache Herstellung der Zellverbinder durch zum Beispiel Biegen beziehungsweise Strangpressen realisiert werden. Der Zellverbinder kann auch zusätzlich als Versteifung in herkömmlichen Batteriemodulen zur Steigerung der Gesamtfestigkeit eingesetzt werden. Insbesondere ist der Zellverbinder für alle Zelltypen geeignet, jedoch ist die besondere Eignung allerdings für das Verbinden von prismatischen Hardcasezellen bevorzugt. Durch den zusätzlichen Formschluss kann die Verbesserung der Stromtragfähigkeit realisiert werden. Insbesondere können der Zellverbinder und das Terminal noch für höhere Festigkeiten zusätzlich auch noch im Kragenbereich gefügt, beispielsweise verklebt, werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zellverbinder rahmenartig ausgebildet ist und im Bereich der Pole eine jeweilige Ausnehmung aufweist. Dabei umschließt die rahmenartige Struktur den ersten Pol mit einer ersten Ausnehmung und den zweiten Pol mit einer zweiten Ausnehmung und die rahmenartige Struktur ist in einer zu der U-Form senkrecht betrachteten Richtung S-förmig ausgebildet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass der Zellverbinder im Bereich des ersten Schenkels und des zweiten Schenkels mit einer Schweißung an dem ersten Pol und dem zweiten Pol angeordnet ist. Insbesondere kann die Schweißung als Laserschweißung ausgebildet sein.
Insbesondere ist somit die Anwendung des Zellverbinders in Rahmenform vorgesehen, welcher das beziehungsweise die Terminals, also Pole, der Batteriezellen komplett oder zumindest teilweise seitlich umgibt beziehungsweise umschließt. Der Zellverbinder kann bevorzugt oben (in z-Richtung) vollflächig oder rahmenartig, ganz oder teilweise auf den Terminals aufliegen und liegt insbesondere seitlich (in x-/y-Richtung) an ihnen an. Dabei kann das Schweißen von Kehl- oder I-Nähten mit geringerer Energie und verbesserter sowie kontrollierter Anbindung in dem neuartigen Fügestoß, beispielsweise bei I-Nähten am Stumpfstoß oder Kehlnähten bei geringer Zellverbinderhöhe, ermöglichen. Die Zellverbinder bieten dabei in den möglichen Formvarianten einen verbesserten Stromfluss. Der Abstand der Terminals zueinander lässt sich je nach Zellverbinderdesign und Abmessungen durch zwischen Zellen applizierte, flexible Abstandshalter, insbesondere sogenannte Spannmatten, Dichtmasse oder Klebstoff definiert und stets exakt identisch einstellen. Dadurch ist es insbesondere ermöglicht, dass eine Bauteil- und Fügeanordnung die Terminalfläche der Batteriezellen stark verkleinert werden, sodass sich neue Konstruktionsmöglichkeiten ergeben. Insbesondere kann dabei ein stabiles und prozesssicheres Verfahren durch je nach Ausführung des Zellverbinders I-Nähte am Stumpf- oder Überlappstoß oder Kehlnähte realisiert werden. Des Weiteren kann eine verbesserte Stromtrageigenschaft zwischen den Zellen durch das neue Design sowie eine vereinfachte Qualitätssicherung und die Vergrößerung der Anbindefläche ermöglicht werden. Ferner sind die Reparaturmöglichkeiten verbessert und insbesondere ist die Applikation mit konventioneller Anlagentechnik umsetzbar, besondere Eignung erfolgt dabei für das Laserscannerschweißen. Ferner hat dies die besondere Eignung für das Verschweißen von metallischen Terminals mit dem Zellverbinder aus zum Beispiel Aluminium und/oder Kupfer, oder artgleich Aluminium-Aluminium und/oder Kupfer beziehungsweise Kupfer oder deren Mischverbindung Aluminium-Kupfer. Der Zellverbinder kann dabei nach außen beliebig in seiner Materialstärke aufgedickt werden. Bei diesem Aspekt handelt es sich insbesondere auch um einen unabhängigen Aspekt der Erfindung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Schenkel mindestens eine Dicke von 0,5 Millimetern aufweisen. Somit kann ein strukturfester Zellverbinder bereitgestellt werden, welcher beispielsweise auch Kräfte bei einem Zelldickenwachstum entsprechend aufnehmen kann.
Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn die Schweißung als Kehlnaht oder als I-Naht ausgebildet ist. Damit kann ein einfaches und dennoch zuverlässiges Schweißen des Zellverbinders an die Pole realisiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform sind die Batteriezellen insbesondere als Hardcasezellen ausgebildet. Insbesondere ist dabei der Zellverbinder somit für Hardcasezellen bereitgestellt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterieanordnung mit einer ersten Batteriezelle mit einem ersten Pol und mit einer zweiten Batteriezelle mit einem zweiten Pol, wobei der erste Pol mit dem zweiten Pol mittels eines Zellverbinders nach dem vorhergehenden Aspekt elektrisch verbunden ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Zellverbinders sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Batterieanordnung anzusehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Batterieanordnung;
2 ein schematisches Ablaufdiagramm zum Erzeugen einer Batterieanordnung; und
3 unterschiedliche Ausgestaltungsformen einer Ausführungsform eines Zellverbinders.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Batterieanordnung 10 mit einer ersten Batteriezelle 12 mit einem ersten Pol 14 sowie mit einer zweiten Batteriezelle 16 mit einem zweiten Pol 18. Es ist selbstverständlich, dass die Batterieanordnung 10 auch weitere Batteriezellen 12, 16 aufweisen kann. Ferner weisen die jeweiligen Batteriezellen zumindest einen weiteren nicht gezeigten Pol auf, wobei die Pole auch als Terminals bezeichnet werden können. Die Batterieanordnung 10 weist zumindest einen Zellverbinder 20 auf, welcher den ersten Pol 14 und den zweiten Pol 18 elektrisch miteinander kontaktiert. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Zellverbinder 20 über entsprechende Schweißnähte 22 mit den Polen 14, 18 verschweißt wird.
Insbesondere ist gezeigt, dass der Zellverbinder 20 im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist, wobei sich der Zellverbinder 20 mit einem ersten Schenkel 24 der U-Form an dem ersten Pol 14 abstützt und mit einem zweiten Schenkel 26 der U-Form, welcher gegenüberliegend zum ersten Schenkel 24 ausgebildet ist, an dem zweiten Pol 18 abstützt. Insbesondere ist gezeigt, dass der Zellverbinder 20 auch im Bereich der zwei Schenkel 24, 26 an dem ersten Pol 14 und dem zweiten Pol 18 angeschweißt werden kann. Insbesondere kann auf Basis eines Laserschweißens wiederum die Schweißnaht erzeugt werden. Bei der Schweißnaht handelt es sich beispielsweise bevorzugt um eine Kehlnaht oder eine I-Naht. Die Batteriezellen 12, 16 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere als Hardcasezellen ausgebildet.
Ferner ist gezeigt, dass die Schenkel 24, 26 beispielsweise eine Dicke 28 von mindestens 0,5 Millimeter aufweisen.
2 zeigt eine weitere schematische Draufsicht auf eine Herstellung einer Batterieanordnung 10. Insbesondere wird der Zellverbinder 20 bereitgestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere gezeigt, dass der Zellverbinder 20 rahmenartig ausgebildet ist und beispielsweise dann im Bereich der Pole 14, 18 eine Ausnehmung 30 aufweist. Ein solcher rahmenartiger Zellverbinder 20 weist eine obere und eine oder mehrere im Wesentlichen im Winkel von 90 Grad dazu stehende seitliche Rahmenelemente als Stütz- und Kontaktelemente für ein Zellterminal auf. Dabei umschließt in eingebauten Zustand der rahmenartige Zellverbinder 20 ein Zellterminal derart, dass sowohl eine obere Kontaktfläche zwischen Zellverbinder 20 und Zellterminal als auch eine seitliche Kontaktfläche zwischen Zellverbinder 20 und Zellterminal besteht. Die obere Kontaktfläche positioniert den Zellverbinder 20 in z-Richtung und dient auch als Anschlag beim Aufbringen des Zellverbinders 20 und die seitliche Kontaktfläche hat die zusätzliche Funktion, die Zellen in x/y-Richtung zu stabilisieren und zu halten. Des Weiteren zeigt die 2, dass beispielsweise die Pole 14, 18 entsprechende Vorsprünge 32 aufweisen können, auf welchen der Zellverbinder 20 wiederum aufgesetzt werden kann.
Der Zellverbinder 20 wird nun auf die beiden Batteriezellen 12, 16, insbesondere auf die Pole 14, 18, aufgebracht und dann beispielsweise verschweißt. Zwischen den Batteriezellen 12, 16 kann beispielsweise auch ein Abstandshalter 34 ausgebildet sein, welcher beispielsweise als Spannmatte, Dichtmasse oder Klebstoff ausgebildet sein kann. Insbesondere bei einem entsprechenden Zellwachstum kann dies vorteilhaft mit dem entsprechenden Zellverbinder 20 zusammengehalten werden.
3 zeigt eine weitere schematische Draufsicht auf unterschiedliche Ausgestaltungsformen des Zellverbinders 20. Auf der linken Seite ist insbesondere der rahmenartige Zellverbinder 20 gezeigt, wie er bereits in der 2 dargestellt ist. Hierbei ist der Zellverbinder 20 rahmenartig ausgebildet und insbesondere im Bereich der Pole weist dieser dann die Ausnehmung 30 auf. Insbesondere ist die Ausnehmung 30 derart gestaltet, dass diese den ersten Pol 14 sowie den zweiten Pol 18 mit einer einzigen Ausnehmung 30 umschließt.
Der mittlere Teil der 3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform, wobei die rahmenartige Struktur dabei den ersten Pol 14 mit einer ersten Ausnehmung 36 und den zweiten Pol 18 mit einer zweiten Ausnehmung 38 umschließt.
Die rechte Seite der 3 zeigt einen weiteren Zellverbinder 20, wobei insbesondere gezeigt ist, dass die rahmenartige Struktur in einer zu der U-Form senkrecht betrachteten Richtung S-förmig ausgebildet ist und dabei wiederum die erste Ausnehmung 36 sowie die zweite Ausnehmung 38 aufweist.
Insgesamt zeigen die Fig. einen sogenannten Rahmenzellverbinder sowie einen Strukturzellverbinder.

Claims

Zellverbinder (20) zum elektrischen Kontaktieren eines ersten Pols (14) einer ersten Batteriezelle (12) mit einem zweiten Pol (18) einer zweiten Batteriezelle (16), wobei der Zellverbinder (20) zum Anschweißen an die Pole (14, 18) ausgebildet ist, wobei der Zellverbinder (20) im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist und sich mit einem ersten Schenkel (24) der U-Form an dem ersten Pol (14) abstützt und mit einem zweiten Schenkel (26) der U-Form, welcher gegenüberliegend zum ersten Schenkel (24) ausgebildet ist, an dem zweiten Pol (18) abstützt, wobei der Zellverbinder (20) rahmenartig ausgebildet ist und im Bereich der Pole (14, 18) eine Ausnehmung (36, 38) aufweist, wobei die rahmenartige Struktur den ersten Pol (14) mit einer ersten Ausnehmung (36) und den zweiten Pol (18) mit einer zweiten Ausnehmung (38) umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die rahmenartige Struktur in einer zu der U-Form senkrecht betrachteten Richtung S-förmig ausgebildet ist.
Zellverbinder (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbinder (20) im Bereich des ersten Schenkels (24) und des zweiten Schenkels (26) mit einer Schweißung (22) an dem ersten Pol (14) und dem zweiten Pol (18) angeordnet ist.
Zellverbinder (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (24, 26) mindestens eine Dicke (28) von 0,5mm aufweisen.
Zellverbinder (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißung (22) als Kehlnaht oder als I-Naht ausgebildet ist.
Zellverbinder (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (12, 16) als Hardcasezellen ausgebildet sind.
Batterieanordnung (10) mit einer ersten Batteriezelle (12) mit einem ersten Pol (14) und mit einer zweiten Batteriezelle (16) mit einem zweiten Pol (18), wobei der erste Pol (14) mit dem zweiten Pol (18) mittels eines Zellverbinders (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 elektrisch verbunden ist.