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DE102022200514A1 - Battery cell assembly for a high-voltage battery system - Google Patents

Battery cell assembly for a high-voltage battery system Download PDF

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Publication number
DE102022200514A1
DE102022200514A1 DE102022200514.7A DE102022200514A DE102022200514A1 DE 102022200514 A1 DE102022200514 A1 DE 102022200514A1 DE 102022200514 A DE102022200514 A DE 102022200514A DE 102022200514 A1 DE102022200514 A1 DE 102022200514A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery cell
busbar
pin
cell assembly
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022200514.7A
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German (de)
Inventor
Kartik Jamadar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to DE102022200514.7A priority Critical patent/DE102022200514A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Batteriezellverband, mit in einer Stapelrichtung (x) hintereinander gestapelten Batteriezellen (1), die in Stapelquerrichtung (y) ausgerichtete Kathoden-Ableiter (3) und Anoden-Ableiter (5) aufweisen, wobei die Kathoden-Ableiter (3) und die Anoden-Ableiter (5) der Batteriezellen (1) mittels eines Busbarsystems (6) nach einem vorgegebenen Verschaltungsschema (Vsoll) miteinander elektrisch verschaltet sind. Erfindungsgemäß ist dem Batteriezellverband ein externes Aktivierungsgerät (37) zugeordnet, mit dem in Abhängigkeit von dem einem einzustellenden Verschaltungsschema (Vsoll) Schalteinheiten (Pin) im Busbarsystem (6) aktivierbar sind, um das Verschaltungsschema (Vsoll) im Batteriezellverband festzulegen.The invention relates to a battery cell assembly, with battery cells (1) stacked one behind the other in a stacking direction (x), which have cathode conductors (3) and anode conductors (5) aligned in the transverse direction (y) of the stack, the cathode conductors (3) and the anode conductors (5) of the battery cells (1) being electrically connected to one another by means of a busbar system (6) according to a predetermined wiring diagram (Vsoll). According to the invention, the battery cell assembly is assigned an external activation device (37) with which switching units (pin) can be activated in the busbar system (6) depending on the wiring scheme (Vsetpoint) to be set, in order to define the wiring scheme (Vsetpoint) in the battery cell assembly.

Description

Die Erfindung betrifft einen Batteriezellverband für ein Hochvoltbatteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Batteriezellverbands nach dem Anspruch 10.The invention relates to a battery cell assembly for a high-voltage battery system according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a battery cell assembly according to claim 10.

Unter einer Busbar wird in gängiger Praxis ein Bauteil verstanden, das an die Ableiter einer Batteriezelle geschweißt wird. Mit Hilfe von Busbars werden die Batteriezellen in einem Batteriezellverband in einem bestimmten Verschaltungsschema in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander elektrisch verschaltet. Die Busbar ist meist als ein Hybridbauteil, bestehend aus Kunststoff und zumindest einem Metallteil, ausgebildet. Je nach gewünschter Parallel- und Reihenschaltung wird das Metallteil (hauptsächlich eine Nickel-Zinn-Legierung) der Busbar auf einen Kunststoffkörper aufgesetzt. Nach dem Verschweißen des Metallteils mit dem jeweiligen Ableiter der Batteriezellen ergibt sich ein Batteriezellverband, etwa ein Batteriemodul, bei dem die Zellen in der gewünschten Parallel- und Reihenschaltung angeschlossen sind.In common practice, a busbar is understood to mean a component that is welded to the arrester of a battery cell. With the help of busbars, the battery cells in a battery cell group are electrically connected to one another in parallel and/or series connection in a specific connection scheme. The busbar is usually designed as a hybrid component consisting of plastic and at least one metal part. Depending on the desired parallel or series connection, the metal part (mainly a nickel-tin alloy) of the busbar is placed on a plastic body. After the metal part has been welded to the respective arrester of the battery cells, the result is a battery cell assembly, such as a battery module, in which the cells are connected in the desired parallel and series circuit.

Ein gattungsgemäßer Batteriezellverband besteht aus in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelten Batteriezellen. Diese weisen quer zur Stapelrichtung Kathoden-Ableiter sowie Anoden-Ableiter auf. Die Kathoden-Ableiter und die Anoden-Ableiter der Batteriezellen sind mittels eines Busbarsystems nach einem vorbestimmten Verschaltungsschema miteinander elektrisch verschaltet.A generic battery cell assembly consists of battery cells stacked one behind the other in a stacking direction. These have cathode conductors and anode conductors transverse to the stacking direction. The cathode collectors and the anode collectors of the battery cells are electrically connected to one another by means of a busbar system according to a predetermined wiring diagram.

Im Stand der Technik ist der Batteriezellenstapel nicht flexibel genug, um sich leicht an neue Parallel- und Reihenschaltungen anzupassen. Wenn zum Beispiel zwölf Pouch- oder prismatische Zellen vorhanden sind und das Modul von einem Verschaltungsschema (zum Beispiel 3P4S) auf ein anderes Verschaltungsschema (zum Beispiel 2P6S) umgestellt werden soll, müssen die nachfolgend beschriebenen, umfangreichen Änderungen vorgenommen werden. Dies ist zeitaufwendig, teuer und fehleranfällig.In the prior art, the battery cell stack is not flexible enough to easily adapt to new parallel and series configurations. If, for example, there are twelve pouch or prismatic cells and the module is to be switched from one wiring scheme (e.g. 3P4S) to another wiring scheme (e.g. 2P6S), the extensive changes described below must be made. This is time consuming, expensive and error prone.

So sind die Zellen bei unterschiedlichen Verschaltungsschemata (zum Beispiel 3P und 2P) unterschiedlich gruppiert. Bei einem 3P-Verschaltungsschema sind auf einer Seite des Batteriezellenstapels beispielhaft drei Aluminium-Ableiter (positiv), dann drei Kupfer-Ableiter (negativ), dann drei Aluminium-Ableiter und dann drei Kupferkollektoren angeordnet. Bei einem 2P-Verschaltungsschema kann dagegen die Reihenfolge wie folgt sein: zwei Aluminium-Ableiter - zwei Kupfer-Ableiter, zwei Aluminium-Ableiter - zwei Kupfer-Ableiter - zwei Aluminium-Ableiter - zwei Kupfer-Ableiter. Wenn die Zellen nicht korrekt übereinander angeordnet sind, muss das Modul verschrottet werden. Bei der obigen Umstellung von 3P nach 2P sind umfangreiche Softwareeingriffe erforderlich, muss die Sichtprüfung geändert werden und muss schließlich auch die Hardware angepasst werden. Daher besteht ein Batteriezellenstapel meist aus einer festen Parallel- und Reihenkombination, die nicht veränderbar ist. Das bedeutet, dass jedes Mal, wenn eine neue Parallel- und Reihenkombination benötigt wird, eine separate Modullinie benötigt wird. Dies erhöht die Kosten der Modulentwicklungslinie immens.The cells are grouped differently for different wiring schemes (e.g. 3P and 2P). In a 3P wiring scheme, for example, three aluminum arresters (positive), then three copper arresters (negative), then three aluminum arresters and then three copper collectors are arranged on one side of the battery cell stack. With a 2P wiring scheme, on the other hand, the order can be as follows: two aluminum arresters - two copper arresters, two aluminum arresters - two copper arresters - two aluminum arresters - two copper arresters. If the cells are not stacked correctly, the module must be scrapped. The above conversion from 3P to 2P requires extensive software intervention, needs to change the visual inspection, and finally needs to adjust the hardware as well. Therefore, a battery cell stack usually consists of a fixed parallel and series combination that cannot be changed. This means that each time a new parallel and series combination is required, a separate line of modules is required. This increases the cost of the module development line immensely.

Zudem ergibt sich im Stand der folgende Sachverhalt: Die Busbar ist mit dem Ableiter so verbunden, dass die Zellen parallel und in Reihe angeordnet sind. Die Busbars sind mit entsprechenden Nuten in der Metallplatte der Sammelschiene versehen. Das bedeutet, dass man für jede neue Parallel- und Reihenschaltung eine separate Busbar benötigt. Dies erfordert einen hohen Lagerbestand und die Wahrscheinlichkeit, dass die falschen Busbars ausgewählt werden, ist hoch. Es ist auch wichtig, dass die Busbars korrekt verwendet werden, da sonst das Modul verschrottet werden muss. Dies bedeutet nicht nur, dass man einen hohen Lagerbestand an verschiedenen Busbars für jede Parallel- und Serienkombination benötigt, sondern auch, dass man überprüfen muss, ob die Busbars richtig platziert sind und das richtige Busbar-Paar ausgewählt wurde.In addition, the following situation arises in the state: The busbar is connected to the arrester in such a way that the cells are arranged in parallel and in series. The busbars have corresponding grooves in the metal plate of the busbar. This means that a separate busbar is required for each new parallel and series connection. This requires a high level of inventory and the chance of picking the wrong busbars is high. It is also important that the busbars are used correctly, otherwise the module will have to be scrapped. Not only does this mean that you need a high inventory of different busbars for each parallel and series combination, but also that you have to check that the busbars are placed correctly and that the right pair of busbars has been selected.

Das metallische Teil einer aus dem Stand der Technik bekannten Busbar besteht ferner aus einer Nickel-Zinn-Legierung. Diese bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kupfer. Jedoch wäre es für einen Aluminium-Ableiter besser, eine Aluminium-Legierung Material zu verwenden. Denn Aluminium kann mit Aluminiumblech verschweißt werden. Da das Metallteil sowohl den Kupfer- als auch den Aluminium-Ableiter verbinden muss, ist es nicht möglich, verschiedene Metallplatten zu verwenden. Die derzeitige Metallplatte der Stromschiene ist in Bezug auf Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit nicht optimal.The metallic part of a busbar known from the prior art also consists of a nickel-tin alloy. This offers good corrosion resistance compared to copper. However, for an aluminum arrester, it would be better to use an aluminum alloy material. Because aluminum can be welded to aluminum sheet. Since the metal part has to connect both the copper and the aluminum conductor, it is not possible to use different metal plates. Current busbar metal plate is not optimal in terms of weldability and corrosion resistance.

Aus der WO 2019/060047 A1 und aus der WO 2016/053415 A1 sind unterschiedliche Busbarsysteme für einen Batteriezellenverband bekannt.From the WO 2019/060047 A1 and from the WO 2016/053415 A1 different busbar systems for a battery cell assembly are known.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Batteriezellverband für ein Hochvoltbatteriesystem bereitzustellen, der im Hinblick auf die elektrische Verschaltung der Batteriezellen einen im Vergleich zum Stand der Technik größeren Freiheitsgrad ermöglicht.The object of the invention is to provide a battery cell assembly for a high-voltage battery system that allows a greater degree of freedom compared to the prior art with regard to the electrical connection of the battery cells.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 und des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is achieved by the features of claim 1 and claim 10. Preferred developments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Batteriezellverband besteht aus einer Anzahl von in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelten Batteriezellen. Diese weisen quer zur Stapelrichtung Kathoden-Ableiter und Anoden-Ableiter auf. Die Kathoden-Ableiter und die Anoden-Ableiter der Batteriezellen sind nach einem vordefinierten Verschaltungsschema miteinander elektrisch verschaltet und mit einem positiven Zellverband-Terminal sowie einem negativen Zellverband-Terminal verbunden. In dem Batteriezellverband können sämtliche Kathoden-Ableiter auf einer Kathoden-Seite des Batteriezellverbands gruppiert sein, während sämtliche Anoden-Ableiter auf einer Anoden-Seite des Batteriezellverbands gruppiert sein können, die der Kathoden-Seite quer zur Stapelrichtung gegenüberliegt. Auf diese Weise kann ein Stapelfehler beim Zusammenbau des Batteriezellverbands vermieden werden, bei dem aufgrund einer fehlerhaft gestapelten Batteriezelle die Ausrichtung der Kathoden- und Anoden-Ableiter nicht in Übereinstimmung mit dem Verschaltungsschema im Batteriezellverband in Übereinstimmung bringbar ist. Erfindungsgemäß werden dagegen die Batteriezellen unabhängig vom angestrebten Verschaltungsschema im Batteriezellverband stets in gleicher Ausrichtung gestapelt, so dass Stapelfehler aufgrund fehlerhaft gestapelter Batteriezellen vermieden werden können.The battery cell assembly according to the invention consists of a number of battery cells stacked one behind the other in a stacking direction. These have cathode conductors and anode conductors transverse to the stacking direction. The cathode collectors and the anode collectors of the battery cells are electrically connected to one another according to a predefined wiring diagram and connected to a positive cell assembly terminal and a negative cell assembly terminal. In the battery cell assembly, all of the cathode conductors can be grouped on a cathode side of the battery cell assembly, while all of the anode conductors can be grouped on an anode side of the battery cell assembly that is opposite the cathode side across the stacking direction. In this way, a stacking error when assembling the battery cell assembly can be avoided, in which case the alignment of the cathode and anode conductors cannot be brought into line with the wiring diagram in the battery cell assembly due to an incorrectly stacked battery cell. According to the invention, on the other hand, the battery cells are always stacked in the same orientation, regardless of the desired wiring scheme in the battery cell assembly, so that stacking errors due to incorrectly stacked battery cells can be avoided.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist zur Festlegung des Verschaltungsschemas dem Batteriezellverband ein externes Aktivierungsgerät zugeordnet. Mit dem Aktivierungsgerät sind in Abhängigkeit von dem einzustellenden Soll-Verschaltungsschema Schalteinheiten im Busbarsystem aktivierbar, um das Verschaltungsschema im Batteriezellverband festzulegen. Beispielhaft können während eines Batteriezellverband-Fertigungsprozesses die im Batteriezellverband befindlichen Schalteinheiten in ihrer Sperrposition, das heißt deaktiviert bleiben, so dass noch kein Verschaltungsschema festgelegt ist. Erst am Ende des Fertigungsprozesses kann ein Aktivierungsschritt erfolgen, bei dem mittels des Aktivierungsgeräts ein Soll-Verschaltungsschema einstellbar ist. Erfindungsgemäß kann daher unabhängig vom Verschaltungsschema ein Busbarsystem bereitgestellt werden, mit dem der Fertigungsprozess des Batteriezellverbands flexibler gestaltet werden kann. Nach erfolgtem Aktivierungsschritt kann das Aktivierungsgerät vom Busbarsystem des Batteriezellverbands entfernt werden.According to the characterizing part of claim 1, an external activation device is assigned to the battery cell assembly to define the wiring diagram. With the activation device, switching units in the busbar system can be activated depending on the desired wiring scheme to be set, in order to define the wiring scheme in the battery cell assembly. For example, during a battery cell assembly manufacturing process, the switching units located in the battery cell assembly can remain in their blocked position, that is to say deactivated, so that no wiring diagram has yet been defined. Only at the end of the production process can an activation step take place, in which a target interconnection scheme can be set using the activation device. According to the invention, a busbar system can therefore be provided independently of the wiring scheme, with which the manufacturing process of the battery cell assembly can be made more flexible. After the activation step has been completed, the activation device can be removed from the busbar system of the battery cell assembly.

Erfindungsgemäß können unabhängig von der beabsichtigten Parallel- und Reihenschaltung alle Zellen so angeordnet sein, dass sämtliche Anoden-Stromableiter übereinander liegen. Ebenso liegen sämtliche Kathoden-Stromableiter übereinander. Dagegen gibt es keine Aluminium- und Kupfer-Stromableiter, die im Wechsel übereinander liegen. Dadurch werden Fehler beim Zusammenbau der Zellen übereinander vermieden. Dies erleichtert auch den Zusammenbau der Zellen im Modul. Nach jeweils drei Zellen kann ein Kompressionspad folgen. Es ist auch möglich, nach jeder Zelle ein Kompressionspad anzubringen. Das bedeutet, dass die Anodenseite des Zellstapels nur negative Stromableiter (Kupfer) und die Kathodenseite des Zellstapels nur positive Stromableiter (Aluminium) aufweist.According to the invention, regardless of the intended parallel and series connection, all cells can be arranged in such a way that all anode current conductors are located one above the other. Likewise, all cathode current collectors are on top of each other. On the other hand, there are no aluminum and copper current collectors that alternate on top of each other. This avoids errors when assembling the cells one on top of the other. This also makes it easier to assemble the cells in the module. A compression pad can follow after every three cells. It is also possible to add a compression pad after each cell. This means that the anode side of the cell stack has only negative current collectors (copper) and the cathode side of the cell stack has only positive current collectors (aluminum).

Ferner können erfindungsgemäß die anodenseitige Busbar und die kathodenseitige Busbar identisch ausgeführt sein und Nuten bzw. Schlitze aufweisen, in die jeweils die Stromableiter geschweißt werden. Nur die Schlitze bestehen aus Metall und sind in eine Kunststoffabdeckung eingebettet. Es ist wichtig, dass jeder Schlitz elektrisch von den anderen isoliert ist. Daher weisen die erfindungsgemäßen Kathoden- und Anoden-Busbars keine Metallplatte wie bei herkömmlichen Busbars auf, sondern nur metallische Einlegeteile mit Schlitzen, während der Rest des Busbarsystems ein Kunststoffkörper ist. Die einzelnen Schlitze sind von den anderen Schlitzen elektrisch getrennt.Furthermore, according to the invention, the anode-side busbar and the cathode-side busbar can be designed identically and have grooves or slots into which the current conductors are welded. Only the slots are metal and embedded in a plastic cover. It is important that each slot is electrically isolated from the others. Therefore, the cathode and anode busbars according to the invention do not have a metal plate as in conventional busbars, but only metal inserts with slots, while the rest of the busbar system is a plastic body. The individual slots are electrically isolated from the other slots.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht das Busbarsystem aus einem Kunststoffteil mit metallischen Einsätzen, in denen die Schlitze vorgesehen sind. In diese Schlitze wird der Stromableiter eingeschweißt. Zwischen den Schlitzen befindet sich ein metallischer Anschluss, der ebenfalls in die Kunststoffmatrix integriert ist. Zwischen den Schlitzen und einer später beschriebenen Quer-Stromschiene (auch als Kupferstreifen bezeichnet) sind Schalteinheiten integriert. Diese Schalteinheiten können auf der Grundlage von Signalen eines Mikroprozessors des Aktivierungsgeräts ein- und ausgeschaltet werden. Die Schalteinheiten verbinden die einzelnen Steckplätze miteinander und mit den Kupferstreifen dazwischen. Auf diese Weise sind verschiedene parallele Kombinationen möglich. Die Anoden-Busbar, die mit dem Kupfer-Stromableiter (mit Lasche) verbunden ist, hat metallische Einsätze aus einer Nickel-Zinn-Legierung. Die Kathoden-Busbar, auf der der Aluminium-Stromableiter aufgeschweißt ist, hat metallische Einsätze aus einer Aluminiumlegierung.According to a further aspect of the invention, the busbar system consists of a plastic part with metal inserts in which the slots are provided. The current conductor is welded into these slots. There is a metal connection between the slots, which is also integrated into the plastic matrix. Switching units are integrated between the slots and a transverse busbar (also referred to as copper strips) described later. These switching units can be switched on and off based on signals from a microprocessor of the activation device. The switching units connect the individual slots to each other and to the copper strips in between. In this way, different parallel combinations are possible. The anode busbar, which is connected to the copper current collector (with tab), has metallic inserts made from a nickel-tin alloy. The cathode busbar, onto which the aluminum current collector is welded, has metal inserts made from an aluminum alloy.

In der Kathoden-Busbar kann der jeweilige metallische Einsatz aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Da sowohl der positive Aluminium-Stromableiter als auch der metallische Einsatz aus dem gleichen Material bestehen, wird es keine Spannungskorrosion geben. Die Schalteinheiten in der Anoden- und Kathoden-Busbar werden durch ein Aktivierungsgerät aktiviert. In diesem Fall kann die aktivierte Schalteinheit den metallischen Einsatz mit einer Quer-Stromschiene (nachfolgend auch als Kupferband bezeichnet) elektrisch verbinden, so dass der Strom vom Stromableiter zum Kupferband fließen kann. Die Schaltelemente der Schalteinheiten können aus einer Nickel-Zinn-Legierung oder aus Messing gefertigt sein. Nun sind alle parallelen Kombinationen möglich. Durch ein entsprechendes Mikroprozessorsignal des Aktivierungsgeräts kann die Verschaltung des Batteriezellenstapels einfach geändert werden.In the cathode busbar, the respective metal insert can consist of an aluminum alloy. Because both the aluminum positive current collector and the metallic insert are made of the same material, there will be no stress corrosion. The switching units in the anode and cathode busbar are activated by an activation device. In this case, the activated switching unit can electrically connect the metallic insert to a transverse busbar (also referred to below as a copper strip), so that the current can flow from the current arrester to the copper strip. The switching elements of the switching unit ten can be made of a nickel-tin alloy or brass. Now all parallel combinations are possible. The wiring of the battery cell stack can be easily changed by means of a corresponding microprocessor signal from the activation device.

Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass das Busbarsystem nicht nur eine Kathoden-Busbar und eine Anoden-Busbar aufweist, sondern zusätzlich auch eine Mittel-Busbar, die die Kathoden-Busbar und die Anoden-Busbar miteinander verbindet. Die Mittel-Busbar besteht ebenfalls aus einem Kunststoffkörper. Sie weist horizontale und vertikale Kupferstreifen (das heißt Querstromschienen) auf, die in den Kunststoff eingebettet sind. Zwischen den horizontalen und vertikalen Kupferstreifen befinden sich Schalteinheiten. Diese Schalteinheiten können auf der Grundlage eines Mikroprozessorsignals des Aktivierungssignals ein- oder ausgeschaltet werden. Die Schalteinheiten, die Kupferstreifen (das heißt Quer-Stromschienen) verbinden, ergeben verschiedene Reihenkombinationen im Batteriezellverband (das heißt im Batteriemodul). Die Mittel-Busbar, die Kathoden-Busbar und die Anoden-Busbar sind bevorzugt nicht drei separate Bauteile. Vielmehr sind die drei Busbars bevorzugt zu einem gemeinsamen, U-förmigen Bauteil aus Kunststoffmaterial zusammengefasst, in dem Kupferstreifen, Schalteinheiten und Metalleinsätzen (mit Schlitzen) eingebettet sind.A core of the invention is that the busbar system not only has a cathode busbar and an anode busbar, but also a central busbar that connects the cathode busbar and the anode busbar to one another. The central busbar also consists of a plastic body. It has horizontal and vertical copper strips (that is, cross current bars) embedded in the plastic. Switching units are located between the horizontal and vertical copper strips. These switching units can be turned on or off based on a microprocessor signal of the activation signal. The switching units that connect copper strips (i.e. cross busbars) result in different series combinations in the battery cell assembly (i.e. in the battery module). The center busbar, the cathode busbar and the anode busbar are preferably not three separate components. Rather, the three busbars are preferably combined into a common, U-shaped component made of plastic material, in which copper strips, switching units and metal inserts (with slots) are embedded.

Erfindungsgemäß können sich die positiven und negative Terminals jeweils in der Kathoden-Busbar und in der Anoden-Busbar befinden. Alternativ dazu ist es auch möglich, die beiden Terminals in dem Kathoden-Busbar anzuordnen. Hier wird ein zusätzlicher Kupferstreifen benötigt, damit der negative Terminal zur Kathoden-Busbar verlegt werden kann.According to the invention, the positive and negative terminals can be located in the cathode busbar and in the anode busbar, respectively. Alternatively, it is also possible to arrange the two terminals in the cathode busbar. An additional copper strip is needed here so that the negative terminal can be routed to the cathode busbar.

Die im Busbarsystem integrierten Schalteinheiten können durch ein externes Aktivierungsgerät aktiviert werden, das ein lokales Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld aktiviert einige Schalteinheiten, die die gewünschte Parallel- und/oder Reihenschaltung realisieren sollen. Das Aktivierungsgerät kann von einem Mikroprozessor gesteuert werden. Zudem wird das Gerät von oben über das Busbarsystem gelegt. Basierend auf der gewünschten Parallel- und/oder Reihenschaltung wird ein Magnetfeld um einen bestimmten Schalter erzeugt. Dieses Magnetfeld löst eine Haltefeder der Verriegelung. Die Schalteinheiten werden auf die Feder gesetzt, die sich nach oben bewegt. Die Schalteinheiten schließen den Stromkreis und verbinden die Zellen in der gewünschten Parallel- oder Reihenschaltung. Diese Aktivierung der Schalteinheiten erfolgt erst, nachdem die Busbar mit dem Stromableiter verschweißt wurde. Normalerweise wird der Stromableiter (mit der Lasche) durch Laserschweißen mit den Metallschlitzen im Kunststoffteil verbunden. Sobald die Busbar verschweißt und die Schalteinheit aktiviert ist, verfügt das Modul über die entsprechende Parallel- und Serienkombination.The switching units integrated in the busbar system can be activated by an external activation device that generates a local magnetic field. This magnetic field activates some switching units that are to implement the desired parallel and/or series connection. The activation device can be controlled by a microprocessor. In addition, the device is laid over the busbar system from above. A magnetic field is generated around a specific switch based on the desired parallel and/or series connection. This magnetic field releases a latch retaining spring. The switching units are placed on the spring, which moves upwards. The switching units complete the circuit and connect the cells in the desired parallel or series configuration. This activation of the switching units only takes place after the busbar has been welded to the current arrester. Typically, the current collector (with the tab) is laser welded to the metal slots in the plastic part. As soon as the busbar is welded and the switching unit is activated, the module has the appropriate parallel and series combination.

Das Schalteinheit-Aktivierungsgerät wird von extern bestromt. Das Schalteinheit-Aktivierungsgerät erzeugt ein lokales Magnetfeld. Dadurch wird die Verriegelung, die den Schalteinheit hält, gelöst. Die Schalteinheit wird durch eine Feder gedrückt. Sobald die Schalteinheit nach unten gedrückt wird, berührt er den Kupferstreifen und erzeugt eine Serien- und Parallelkombination. Der Mikroprozessor bestromt nur die Schalteinheiten, die aktiviert werden müssen. Andere Schalteinheiten erhalten kein Magnetfeld und bleiben daher verriegelt und deaktiviert.The switching unit activation device is powered externally. The switching unit activation device generates a local magnetic field. This releases the latch holding the switch unit. The switching unit is pressed by a spring. As soon as the switching unit is pressed down, it touches the copper strip and creates a series and parallel combination. The microprocessor only energizes the switching units that need to be activated. Other switching units do not receive a magnetic field and therefore remain latched and deactivated.

Die Hauptunterschiede zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik sind die folgenden: So werden die Zellen im Batteriezellenstapel so angeordnet, dass sich alle Kupfer-Stromableiter (negative Anschlüsse) auf einer Seite und alle Aluminium-Stromableiter (positive Anschlüsse) auf der anderen Seite befinden. Die Anoden-Busbar hat Schlitze in metallischen Einsätzen aus einer Nickel-Zinn-Legierung. Kupfer-Stromableiter mit Lasche sind in diesen Schlitzen lasergeschweißt. Jeder Schlitz ist von anderen Schlitzen isoliert. Es gibt keine Metallplatte wie bei derzeitigen Busbars. Die Kathoden-Busbar hat ähnliche Schlitze wie die Anoden-Busbar. Hier sind die Schlitze in einem Aluminium-Verbundeinsatz untergebracht. Hier wird ein Aluminium-Stromableiter mit einer Lasche mit den Schlitzen lasergeschweißt. Jeder Schlitz ist von den anderen Schlitzen isoliert. Es gibt Quer-Stromschienen (das heißt Kupferstreifen), die zwischen den Schlitzen platziert und in den Kunststoffkörper eingebettet sind. Die Kupferstreifen befinden sich in der Anoden- und Kathoden-Busbar. Die Kupferstreifen haben Lücken. In diesen Lücken sind Schalteinheiten positioniert. Wenn die Schalteinheiten aktiviert werden, wird über den Kupferstreifen Strom geführt. Andernfalls bewirkt der Kupferstreifen einen offenen Stromkreis. Kupferstreifen mit Schalteinheiten in den Kathoden- und Anoden-Busbars ergeben eine parallele Kombination.The main differences between the invention and the prior art are as follows: Thus, the cells are arranged in the battery cell stack so that all copper current collectors (negative terminals) are on one side and all aluminum current collectors (positive terminals) are on the other side . The anode busbar has slots in metallic inserts made from a nickel-tin alloy. Copper tabbed conductors are laser welded into these slots. Each slot is isolated from other slots. There is no metal plate like current busbars. The cathode busbar has slots similar to the anode busbar. Here the slots are housed in an aluminum composite insert. Here, an aluminum current arrester is laser-welded to a tab with the slots. Each slot is isolated from the other slots. There are cross busbars (i.e. copper strips) placed between the slots and embedded in the plastic body. The copper strips are in the anode and cathode busbars. The copper strips have gaps. Switching units are positioned in these gaps. When the switching units are activated, current is passed through the copper strips. Otherwise the copper strip will cause an open circuit. Copper strips with switching units in the cathode and anode busbars result in a parallel combination.

Die Schalteinheiten sind aus einer Nickel-Zinn-Legierung oder aus Messing gefertigt. Zwischen den Kathoden- und Anoden-Busbars befindet sich eine Mittel-Busbar. Auch hier sind Kupferstreifen in den Kunststoffkörper eingebettet. Außerdem sind Schalteinheiten in den Kunststoffkörper eingebettet. Wenn die Schalteinheiten aktiviert werden, schließen die Kupferstreifen einen Stromkreis. Kupferstreifen und Schalteinheiten in der Mittel-Busbar bilden eine Reihenschaltung. Die Kathoden- und Anoden-Busbars sowie die Mittel-Busbar bilden zusammen eine gemeinsames Bauteil. Dieses wird so hergestellt, dass ein Metalleinsatz (mit Schlitzen), Kupferstreifen und Schalteinheiten in eine Halterung eingesetzt werden und dann Kunststoff über diese Metallkörper gespritzt wird. Metallischer Einsatz, Schalteinheit (im eingerasteten Zustand) und Kupferstreifen sind elektrisch verbunden und bilden zusammen einen Stromkreis. Der verwendete Kunststoff besteht aus Acryl, Silikon oder hochtemperaturbeständigen Polymeren, die die Schweißwärme aufnehmen können. Die Schalteinheiten werden durch ein Magnetfeld ein- und ausgeschaltet. Das lokale Magnetfeld wird durch einen kontrollierten Strom im Schalteinheitaktivierungsmodul erzeugt. Dieser Strom wird von einem Mikroprozessor gesteuert. Die Aktivierung der Schalteinheiten erfolgt, nachdem die Busbar an den Stromableiter geschweißt wurde.The switching units are made of a nickel-tin alloy or brass. There is a center busbar between the cathode and anode busbars. Here, too, copper strips are embedded in the plastic body. In addition, switching units are embedded in the plastic body. When the switching units are activated, the copper strips complete a circuit. Copper strips and switching units in the central busbar form a series connection. The cathode and anode busbars and the center busbar together form a common component. This is made in such a way that a metal insert (with slots), copper strips and switching units are placed in a holder and then plastic is injected over these metal bodies. Metallic insert, switching unit (when engaged) and copper strips are electrically connected and together form a circuit. The plastic used consists of acrylic, silicone or high-temperature-resistant polymers that can absorb the heat of welding. The switching units are switched on and off by a magnetic field. The local magnetic field is generated by a controlled current in the switching unit activation module. This current is controlled by a microprocessor. The switching units are activated after the busbar has been welded to the current arrester.

Sobald die Schalteinheiten aktiviert sind, bleiben sie während der gesamten Lebensdauer des Moduls permanent in dieser Position. Das Schalteinheit-Aktivierungsgerät ist Teil einer Modulmontagemaschine und wird von dem Busbarsystem entfernt, sobald die Schalteinheiten aktiviert sind. Der Mikroprozessor hat verschiedene Programme, so dass jedes nächste Modul eine andere Parallel- und Reihenschaltung haben kann. Jedes zweite Modul (oder allgemein Batteriezellverband) kann eine andere Parallel- und Reihenschaltung aufweisen. Das Busbarsystem ist unabhängig von der Parallel- und Reihenschaltung gleich. Nur die Aktivierung der Schalteinheiten führt zu einer Parallel- und Reihenschaltung für ein bestimmtes Modul. Dies ermöglicht eine Flexibilität in der Großserienfertigung von Modulen. Das Verschweißen des Stromableiters (mit Lasche) mit dem metallischen Einsatz in der Anoden- und Kathoden-Busbar wird normalerweise durch Laserschweißen durchgeführt. Hier sind auch andere Verfahren wie Löten, Hartlöten, Ultraschallschweißen und Druckguss möglich. Der positive Terminal wird an die Kathoden-Busbar und der negative Terminal an die Anoden-Busbar angeschlossen. Wenn sowohl der positive Terminal als auch der negative Terminal an einer gemeinsamen Busbar angeschlossen werden sollen, ist dies ebenfalls möglich. Hierfür gibt es einen zusätzlichen Kupferstreifen, der von der Anoden-Busbar zur Kathoden-Busbar verlegt ist. Dieser Kupferstreifen leitet den Strom vom negative Terminal zur Anoden-Busbar.Once the switching units are activated, they remain permanently in this position for the entire lifetime of the module. The switching unit activation device is part of a module assembly machine and is removed from the busbar system as soon as the switching units are activated. The microprocessor has different programs, so each next module can have a different parallel and series connection. Every second module (or battery cell group in general) can have a different parallel and series connection. The busbar system is the same regardless of the parallel and series connection. Only the activation of the switching units leads to a parallel and series connection for a specific module. This enables flexibility in the mass production of modules. Welding of the current collector (with tab) to the metallic insert in the anode and cathode busbar is usually done by laser welding. Other processes such as soldering, hard soldering, ultrasonic welding and die casting are also possible here. The positive terminal connects to the cathode busbar and the negative terminal connects to the anode busbar. If both the positive terminal and the negative terminal are to be connected to a common busbar, this is also possible. There is an additional copper strip for this, which is routed from the anode busbar to the cathode busbar. This copper strip carries the current from the negative terminal to the anode busbar.

Das erfindungsgemäß Busbarsystem ist ein Universal-Busbarsystem mit dem beliebige Parallel- und Serienkombinationen erzeugt werden können. Es ist nicht mehr flexibel, sobald die Schalteinheiten vom Aktivierungsgerät aktiviert sind. In diesem Fall ist das Busbarsystem auf ein Verschaltungsschema festgelegt. Die Erfindung ist insbesondere Pouch-Zellen oder auf prismatische Zellen anwendbar.The busbar system according to the invention is a universal busbar system with which any number of parallel and series combinations can be generated. It is no longer flexible once the switching units are activated by the activation device. In this case, the busbar system is set to a wiring scheme. The invention is applicable in particular to pouch cells or to prismatic cells.

Nachfolgend werden wesentliche Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So können die Kathoden-Ableiter und die Anoden-Ableiter der Batteriezellen mittels eines erfindungsgemäßen Busbarsystems miteinander elektrisch verschaltet werden. Das Busbarsystem weist Schalteinheiten auf, mit deren Hilfe unterschiedliche Stromwege zwischen den Batteriezellen freigebbar oder sperrbar sind. Auf diese Weise können die Batteriezellen in unterschiedliche Verschaltungsschemata in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet werden.Significant aspects of the invention are again highlighted in detail below: The cathode collectors and the anode collectors of the battery cells can be electrically connected to one another by means of a busbar system according to the invention. The busbar system has switching units that can be used to enable or disable different current paths between the battery cells. In this way, the battery cells can be connected to one another in different connection schemes in parallel and/or in series.

In einer technischen Umsetzung kann das Busbarsystem Quer-Stromschienen aufweisen. Diese erstrecken sich zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite des Batteriezellverbands. Dabei ist zwischen benachbarten Batteriezellen jeweils eine Quer-Stromschiene angeordnet. Jede der Quer-Stromschienen ist an einer Kathoden-Schaltstelle mittels Schalteinheiten mit einem oder mit beiden Kathoden-Ableitern der benachbarten Batteriezellen koppelbar oder entkoppelbar. Alternativ und/oder zusätzlich ist die jeweilige Quer-Stromschiene an einer Anoden-Schaltstelle mittels Schalteinheiten mit einem oder beiden Anoden-Ableitern der benachbarten Batteriezellen koppelbar oder entkoppelbar. Zudem kann die Quer-Stromschiene quer zur Stapelrichtung in Schienensegmente unterteilt sein. Diese sind mit Hilfe zumindest einer Schalteinheit elektrisch koppelbar oder entkoppelbar. Eine an der Batteriezellverband-Stirnseite angeordnete Batteriezelle kann mit ihrem Kathoden-Ableiter mit dem positiven Zellverband-Terminal verbunden sein. Demgegenüber kann die auf der anderen Batteriezellverband-Stirnseite angeordnete Batteriezelle mit ihrem Anoden-Ableiter mit dem negativen Zellverband-Terminal verbunden sein.In a technical implementation, the busbar system can have transverse busbars. These extend between the cathode side and the anode side of the battery cell assembly. In this case, a transverse busbar is arranged between adjacent battery cells. Each of the transverse busbars can be coupled or decoupled at a cathode switching point by means of switching units with one or with both cathode conductors of the adjacent battery cells. Alternatively and/or additionally, the respective transverse busbar can be coupled or decoupled at an anode switching point by means of switching units with one or both anode conductors of the adjacent battery cells. In addition, the transverse busbar can be divided into busbar segments transversely to the stacking direction. These can be electrically coupled or decoupled with the aid of at least one switching unit. A battery cell arranged on the end face of the battery cell assembly can be connected to the positive cell assembly terminal with its cathode conductor. In contrast, the battery cell arranged on the other end of the battery cell assembly can be connected to the negative cell assembly terminal with its anode conductor.

Für eine einfache Handhabung, zum Beispiel einem Verbau des Busbarsystems ist es bevorzugt, wenn die Quer-Stromschienen sowie die Schalteinheiten in einem einteiligen U-förmigen Kunststoffbauteil eingebettet sind. Das U-förmige Kunststoffbauteil kann den Batteriezellverband von oben umgreifen. Zudem kann das U-förmige Kunststoffbauteil aus einer auf der Kathodenseite des Batteriezellverbands angeordneten Kathoden-Busbar, aus einer, auf der Anodenseite des Batteriezellverbands angeordneten Anoden-Busbar sowie aus einer Mittel-Busbar ausgebildet sein, die die Kathoden-Busbar und die Anoden-Busbar miteinander verbinden. Die Mittel-Busbar erstreckt sich bevorzugt auf der Oberseite des Batteriezellverbands.For easy handling, for example installation of the busbar system, it is preferred if the transverse busbars and the switching units are embedded in a one-piece U-shaped plastic component. The U-shaped plastic component can enclose the battery cell assembly from above. In addition, the U-shaped plastic component can be formed from a cathode busbar arranged on the cathode side of the battery cell assembly, from an anode busbar arranged on the anode side of the battery cell assembly, and from a middle busbar, which comprises the cathode busbar and the anode busbar connect with each other. The middle busbar preferably extends on the upper side of the battery cell assembly.

In der Kathoden-Busbar können voneinander elektrisch isolierte Metall-Einlegerteile (das heißt Metalleinsätze) eingebettet sein. Jedes der Metall-Einlegerteile kann einen Aufnahmeschlitz aufweisen, in den jeweils ein Kathoden-Ableiter der Batteriezellen einsteckbar ist und damit elektrisch verbindbar ist. In gleicher Weise können in die Anoden-Busbar voneinander elektrisch isolierte Metall-Einlegerteile (das heißt Metalleinsätze) eingebettet sein. Diese können jeweils einen Aufnahmeschlitz aufweisen, den jeweils ein Anoden-Ableiter der Batteriezellen einsteckbar ist und damit elektrisch verbindbar ist.Metal insert parts (that is to say metal inserts) which are electrically isolated from one another can be embedded in the cathode busbar. Each of the metal insert parts can have a receiving slot into which a cathode conductor of the battery cell len can be plugged in and is thus electrically connected. In the same way, metal insert parts (that is to say metal inserts) which are electrically isolated from one another can be embedded in the anode busbar. These can each have a receiving slot into which an anode conductor of the battery cells can be inserted and can be electrically connected to it.

Im erfindungsgemäßen Busbarsystem sind die mit den Anoden-Ableitern in Kontakt befindlichen Metalleinsätze aus Kupfer-Nickel-Zinn Legierung hergestellt. Die in Kontakt mit den Kathoden-Ableitern befindlichen Metalleinsätzen sind aus einer Aluminium Legierung hergestellt. Demgegenüber ist der aus dem Stand der Technik bekannte Busbar-Metalleinsatz aus Kupfer-Nickel-Zinn Legierung. Die Schaltelemente sind auch aus Kupfer-Nickel-Zinn oder aus Messing hergestellt.In the busbar system according to the invention, the metal inserts that are in contact with the anode conductors are made of a copper-nickel-tin alloy. The metal inserts in contact with the cathode arresters are made of aluminum alloy. In contrast, the busbar metal insert known from the prior art is made of a copper-nickel-tin alloy. The switching elements are also made of copper-nickel-tin or brass.

In Stapelrichtung zwischen benachbarten Einlegerteilen der Kathoden-Busbar und der Anoden-Busbar kann jeweils eine Quer-Stromschiene positioniert sein. In diesem Fall können die Einlegerteile elektrische Kontakte bilden, die über die Schalteinheiten mit der angeordneten Quer-Stromschiene elektrisch koppelbar sind.A transverse busbar can be positioned in each case between adjacent insert parts of the cathode busbar and the anode busbar in the stacking direction. In this case, the insert parts can form electrical contacts, which can be electrically coupled to the arranged transverse busbar via the switching units.

Die Schalteinheiten können jeweils ein, in einem Schaltgehäuse hubverstellbares Schaltelement aufweisen. Nach Fertigstellung des Batteriezellverbands können die Schalteinheiten sich in einer Entkoppelstellung befinden, in der im Busbarsystem eine elektrische Entkopplung hergestellt ist. In der Entkoppelstellung kann das Schaltelement der jeweiligen Schalteinheit mittels Federvorspannung gegen einen, in Verriegelungsposition befindlichen Riegel abgestützt sein. Bei Verstellen des Riegels von seiner Verriegelungsposition in seine Freigabeposition kann das hubverstellbare Schaltelement mittels der Federvorspannung in seine Koppelstellung verbracht werden. In der Koppelstellung kann das Schaltelement im Busbarsystem eine elektrische Kopplung herstellen.The switching units can each have a switching element that can be stroke-adjusted in a switching housing. After completion of the battery cell assembly, the switching units can be in a decoupling position, in which electrical decoupling is produced in the busbar system. In the decoupling position, the switching element of the respective switching unit can be supported by means of spring pretension against a latch that is in the locking position. When the bolt is adjusted from its locking position to its release position, the switch element that can be adjusted in stroke can be brought into its coupling position by means of the spring preload. In the coupled position, the switching element can produce an electrical coupling in the busbar system.

Das Busbarsystem kann eine Vielzahl von Schalteinheiten aufweisen, die in Abhängigkeit von einem angestrebten Verschaltungsschema entweder in der Entkoppelstellung verbleiben oder in die Koppelstellung verstellt werden müssen. Vor diesem Hintergrund ist eine prozesstechnisch einfache Ansteuerung der Schalteinheiten des Busbarsystems von großer Bedeutung. In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Riegel der jeweiligen Schalteinheit mittels Magnetkraft von seiner Verriegelungsposition in seine Freigabeposition verstellt werden. Mit Hilfe des bevorzugt externen Aktivierungsgeräts können in Abhängigkeit von einem einzustellenden Soll-Verschaltungsschema am Busbarsystem lokale Magnetfelder erzeugt werden. Damit können die Riegel der ausgewählten Schalteinheiten über Magnetkraft in die Freigabeposition verstellt werden, um deren Schaltelemente in die Koppelstellung zu bringen.The busbar system can have a large number of switching units which, depending on a desired wiring scheme, either remain in the decoupled position or have to be moved into the coupled position. Against this background, a process-technically simple control of the switching units of the busbar system is of great importance. In a preferred embodiment, the bolt of the respective switching unit can be moved from its locking position to its release position by means of magnetic force. With the help of the preferably external activation device, local magnetic fields can be generated on the busbar system as a function of a target interconnection scheme to be set. The bolts of the selected switching units can thus be moved into the release position via magnetic force in order to bring their switching elements into the coupled position.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

  • 1 bis 3 jeweils Ansichten eines Batteriezellverbands mit zugeordnetem Busbarsystem;
  • 4 das Busbarsystem mit weggelassenem Batteriezellverband;
  • 5 bis 8 jeweils Ansichten, anhand derer der Aufbau und die Funktionsweise von Schalteinheiten veranschaulicht ist;
  • 9 eine Schaltmatrix zur Einstellung unterschiedlicher Verschaltungsschemata im Batteriezellverband;
  • 10a in einer Ansicht entsprechend der 3 den Stromweg bei einem ersten Verschaltungsschema;
  • 10b ein vereinfachtes Schaltbild, das sich für das erste Verschaltungsschema ergibt;
  • 11a und 11b jeweils Ansichten entsprechend der 10a und 10b, die ein zweites Verschaltungsschema betreffen; und
  • 12 bis 22 Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele.
Show it:
  • 1 until 3 each view of a battery cell assembly with associated busbar system;
  • 4 the busbar system with the battery cell assembly omitted;
  • 5 until 8th each views, based on which the structure and operation of switching units is illustrated;
  • 9 a switching matrix for setting different wiring schemes in the battery cell assembly;
  • 10a in a view according to the 3 the current path in a first interconnection scheme;
  • 10b a simplified circuit diagram that results for the first wiring scheme;
  • 11a and 11b each views according to the 10a and 10b , which relate to a second wiring scheme; and
  • 12 until 22 Views of further exemplary embodiments.

In den 1 bis 3 ist ein Batteriezellverband gezeigt, der aus in Stapelrichtung x hintereinander gestapelten Batteriezellen 1 besteht. Die Batteriezellen 1 können beispielhaft Pouchzellen sein, die in Stapelquerrichtung y beidseitig Kathoden-Ableiter 3 und Anoden-Ableiter 5 aufweisen. Erfindungsgemäß sind in den 1 bis 3 sämtliche Kathoden-Ableiter 3 auf der (in den 1 bis 3 rechten) Kathodenseite des Batteriezellverbands gruppiert, während sämtliche Anoden-Ableiter 5 auf der (in den 1 bis 3 linken) Anodenseite des Batteriezellverbands gruppiert sind, die der Kathodenseite in Stapelquerrichtung y gegenüberliegt.In the 1 until 3 a battery cell assembly is shown, which consists of battery cells 1 stacked one behind the other in the stacking direction x. The battery cells 1 can be pouch cells, for example, which have cathode conductors 3 and anode conductors 5 on both sides in the transverse direction y of the stack. According to the invention 1 until 3 all cathode conductors 3 on the (in the 1 until 3 right) cathode side of the battery cell assembly grouped, while all anode arresters 5 on the (in the 1 until 3 left) anode side of the battery cell assembly are grouped, which is opposite the cathode side in the stack transverse direction y.

In der 3 ist der Batteriezellverband in einer Explosionsdarstellung gezeigt, in der eine, auf der rechten Kathodenseite angeordnete Kathoden-Busbar 7 und eine, auf der linken Anodenseite angeordnete Anoden-Busbar 9 von dem Batteriezellenstapel gelöst dargestellt sind sowie um 90° geschwenkt dargestellt sind, so dass deren Innenseiten zu sehen sind, die im Zusammenbauzustand dem Batteriezellenstapel zugewandt sind. Die Kathoden-Busbar 7 sowie die Anoden-Busbar 9 sind in der 2 über eine Mittel-Busbar 11 miteinander verbunden, die sich über die Oberseite des Batteriezellverbands erstreckt. Die Kathoden-Busbar 7, die Anoden-Busbar 9 sowie die Mittel-Busbar 11 sind Bestandteile eines erfindungsgemäßen Busbarsystems 6 (2), das später beschriebene Schalteinheiten Pin aufweist, mit deren Hilfe unterschiedliche Stromwege I (10a oder 11a) zwischen den Batteriezellen 1 freigebbar oder sperrbar sind, so dass die Batteriezellen 1 in beliebigen Verschaltungsschemata in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltbar sind. In der 2 ist das erfindungsgemäße Busbarsystem 6 als ein U-förmiges Kunststoffbauteil realisiert, das den Batteriezellverband von oben umgreift.In the 3 the battery cell assembly is shown in an exploded view, in which a cathode busbar 7 arranged on the right cathode side and an anode busbar 9 arranged on the left anode side are shown detached from the battery cell stack and pivoted by 90° so that their Inner sides can be seen, which face the battery cell stack in the assembled state. The cathode busbar 7 and the anode busbar 9 are in the 2 via a central bus bar 11 with each other bound, which extends over the top of the battery cell assembly. The cathode busbar 7, the anode busbar 9 and the central busbar 11 are components of a busbar system 6 according to the invention ( 2 ), which has switching units Pin described later, with the help of which different current paths I ( 10a or 11a) between the battery cells 1 can be released or blocked, so that the battery cells 1 can be connected to one another in any connection scheme in parallel and/or in series. In the 2 the busbar system 6 according to the invention is implemented as a U-shaped plastic component which encompasses the battery cell assembly from above.

Wie aus der 4a hervorgeht, weist die Kathoden-Busbar 7 voneinander elektrisch isolierte Metall-Einlegerteile 13 mit Aufnahmeschlitzen 15 (in der 3 gezeigt) auf. In die Aufnahmeschlitze 15 der Einlegerteile 13 ist jeweils ein korrespondierender Kathoden-Ableiter 3 der Batteriezellen 1 einsteckbar und damit verschweißbar, das heißt damit elektrisch verbindbar. In gleicher Weise sind auch in der Anoden-Busbar 9 voneinander elektrisch isolierte Einlegerteile 17 (4) mit Aufnahmeschlitzen 15 (3) eingebettet, in die die Anoden-Ableiter 5 der Batteriezellen 1 einsteckbar sowie verschweißbar sind, um eine elektrische Verbindung herzustellen.How from the 4a shows, the cathode busbar 7 has metal insert parts 13 that are electrically insulated from one another and have receiving slots 15 (in Fig 3 shown) on. A corresponding cathode conductor 3 of the battery cells 1 can be inserted into the receiving slots 15 of the insert parts 13 and can be welded thereto, ie electrically connected thereto. In the same way, insert parts 17 ( 4 ) with receiving slots 15 ( 3 ) Embedded, in which the anode conductor 5 of the battery cells 1 can be inserted and welded in order to establish an electrical connection.

In der 4a ist das Busbarsystem 6 mit weggelassenem Batteriezellenstapel gezeigt. Die Kathoden-Busbar 7, die Mittel-Busbar 11 und die Anoden-Busbar 9 sind in der 4a nicht zueinander U-förmig ausgerichtet dargestellt, sondern vielmehr allesamt in einer gemeinsamen Zeichenebene gezeigt. Demzufolge weist das Busbarsystem 6 Quer-Stromschienen 19 auf, die sich in der Stapel-Querrichtung y zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite des Batteriezellverbands erstrecken. Zwischen benachbarten Batteriezellen 1 ist jeweils eine der Quer-Stromschienen 19 angeordnet. In der Stapelrichtung x betrachtet sind die Quer-Stromschienen 19 jeweils zwischen benachbarten Einlegerteilen 13, 17 in der Anoden-Busbar 9 sowie in der Kathoden-Busbar 7 positioniert. Die Quer-Stromschienen 19 erstrecken sich dabei in Stapel-Querrichtung y über den Mittel-Busbar 11 hinaus bis in den Kathoden-Busbar 7 sowie in den Anoden-Busbar 9.In the 4a the busbar system 6 is shown with the battery cell stack omitted. The cathode busbar 7, the central busbar 11 and the anode busbar 9 are in the 4a are not shown aligned in a U-shape with one another, but rather are all shown in a common drawing plane. Accordingly, the busbar system 6 has transverse busbars 19 which extend in the transverse direction y of the stack between the cathode side and the anode side of the battery cell assembly. In each case one of the transverse busbars 19 is arranged between adjacent battery cells 1 . Viewed in the stacking direction x, the transverse busbars 19 are each positioned between adjacent insert parts 13 , 17 in the anode busbar 9 and in the cathode busbar 7 . The transverse busbars 19 extend in the transverse direction y of the stack beyond the middle busbar 11 into the cathode busbar 7 and into the anode busbar 9.

Die Einlegerteile 13, 17 bilden elektrische Kontakte, die über die Schalteinheiten Pin mit der jeweiligen Quer-Stromschiene 19 elektrisch koppelbar sind. Die Schalteinheiten Pin sind in der 4a durch Kreisflächen jeweils nur grob schematisch angedeutet. Wie aus der 4a weiter hervorgeht, weist der Kathoden-Busbar 7 einen positiven Zellverband-Terminal 21 auf, während der Anoden-Busbar 9 einen negativen Zellverband-Terminal 23 aufweist. Die beiden Terminals 21, 23 sind jeweils mit einem Kathoden-Ableiter 3 bzw. Anoden-Ableiter 5 einer jeweiligen stirnseitigen Batteriezelle 1 elektrisch verbunden.The insert parts 13, 17 form electrical contacts which can be electrically coupled to the respective transverse busbar 19 via the switching units Pin. The switching units are in the pin 4a indicated only roughly schematically by circular areas. How from the 4a As can further be seen, the cathode busbar 7 has a positive cell assembly terminal 21 , while the anode busbar 9 has a negative cell assembly terminal 23 . The two terminals 21, 23 are each electrically connected to a cathode conductor 3 or anode conductor 5 of a respective battery cell 1 on the end face.

Wie aus der 4a weiter hervorgeht, ist jede der Quer-Stromschienen 19 in der Stapel-Querrichtung y jeweils in vier Einzel-Schienensegmente unterteilt, die an insgesamt drei Mittel-Schaltstellen mit Hilfe von Schalteinheiten Pin elektrisch koppelbar oder entkoppelbar sind.How from the 4a As can further be seen, each of the transverse busbars 19 is divided into four individual busbar segments in the stack transverse direction y, which can be electrically coupled or decoupled at a total of three central switching points using switching units Pin.

Alternativ zur 4a ist in der 4b ein Busbarsystem 6 gezeigt, das weitgehend identisch wie das in der 4a gezeigte Busbarsystem 6 ist. Im Unterschied zur 4a sind in der 4b die positiven und negative Terminals 21, 23 in der Kathoden-Busbar 7 angeordnet. Hierzu ist im Busbarsystem 6 eine zusätzliche Quer-Stromschiene 19 verlegt, die den Anoden-Ableiter 5 der oberen stirnseitigen Batteriezelle 1 mit dem negativen Terminal 23 verbindet.Alternatively to 4a is in the 4b a busbar system 6 is shown, which is largely identical to that in FIG 4a shown busbar system 6 is. In contrast to 4a are in the 4b the positive and negative terminals 21, 23 are arranged in the cathode busbar 7. For this purpose, an additional transverse busbar 19 is installed in the busbar system 6 , which connects the anode arrester 5 of the upper end-side battery cell 1 to the negative terminal 23 .

Nachfolgend werden anhand der 5 bis 8 der Aufbau sowie die Funktionsweise der Schalteinheiten Pin beschrieben. So ist die in der 5 gezeigte Schalteinheit Pin ebenfalls in dem Busbarsystem 6 eingebettet, und zwar insbesondere in dem Kunststoffmaterial des U-förmigen Kunststoffbauteils. Die Schalteinheit Pin weist ein Schaltgehäuse 25 auf, in dem ein hubverstellbares Schaltelement 27 geführt ist. Gemäß den 4 bis 6 ist das Schaltelement 27 in dem Schaltgehäuse 25 mittels einer Feder 29 vorgespannt. Zudem ist im Schaltgehäuse 25 quer zum Schaltelement 27 ein Riegel 31 querverstellbar gelagert. Der Riegel 31 ist in der 5 mittels einer Druckfeder 33 in seine Verriegelungsposition gedrückt. In der Verriegelungsposition (5) stützt sich das Schaltelement 27 gegen den Riegel 31 ab, wodurch zwischen den Kontaktstellen K1, K2 im Busbarsystem 6 eine elektrische Entkopplung hergestellt ist. Der Riegel 31 weist gemäß den 4 bis 7 einen ferromagnetischen Bestandteil 35 auf. Durch Applizieren eines lokalen Magnetfelds auf die Schalteinheit Pin kann daher der Riegel 31 entgegen der Druckfederkraft in eine Freigabeposition (6) verstellt werden. In dieser Freigabeposition (6) ist das Schaltelement 27 mittels der Federvorspannung in seine Koppelstellung bringbar, in der das Schaltelement 27 zwischen den beiden Kontaktstellen K1, K2 im Busbarsystem 6 eine elektrische Kopplung herstellt.The following are based on the 5 until 8th the structure and function of the pin switching units are described. That's the one in the 5 Switching unit Pin shown also embedded in the busbar system 6, in particular in the plastic material of the U-shaped plastic component. The switching unit Pin has a switching housing 25 in which a stroke-adjustable switching element 27 is guided. According to the 4 until 6 the switching element 27 is prestressed in the switching housing 25 by means of a spring 29 . In addition, a bolt 31 is mounted in the switch housing 25 so that it can be adjusted transversely to the switching element 27 . The bolt 31 is in the 5 pressed by a compression spring 33 in its locking position. In the locked position ( 5 ) the switching element 27 is supported against the bolt 31, as a result of which an electrical decoupling is produced between the contact points K1, K2 in the busbar system 6. The bolt 31 has according to the 4 until 7 a ferromagnetic component 35 on. By applying a local magnetic field to the switching unit Pin, the latch 31 can therefore move into a release position ( 6 ) can be adjusted. In this release position ( 6 ) the switching element 27 can be brought into its coupling position by means of the spring preload, in which the switching element 27 produces an electrical coupling between the two contact points K1, K2 in the busbar system 6.

Unmittelbar nach Fertigstellung des Batteriezellverbands befinden sich sämtliche Schalteinheiten Pin des Busbarsystems 6 in ihrer Entkoppelstellung (5). Um dem Batteriezellverband ein Soll-Verschaltungsschema Vsoll (8) aufzuprägen, kann ein Aktivierungsgerät 37 (8) bereitgestellt werden. Mit Hilfe des Aktivierungsgeräts 37 können in Abhängigkeit von dem einzustellenden Soll-Verschaltungsschema Vsoll am Busbarsystem 6 lokale Magnetfelder erzeugt werden. Mit deren Hilfe können die Riegel 31 ausgewählter Schaltelemente Pin in die Freigabeposition verstellt werden, damit deren Schaltelemente Pin in die Koppelstellung (6 und 7) umschalten. Nach Aufhebung der lokalen Magnetfelder wird der Riegel 31 mittels der Druckfeder 33 wieder in seine Verriegelungsposition rückgestellt ( 7). In diesem Fall greift der Riegel 31 formschlüssig in eine korrespondierende Aussparung 39 ein, die am Schaltelement 27 ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine unbeabsichtigte Rückverlagerung des Schaltelements 27 in seine Entkoppelstellung (5) unterbunden.Immediately after completion of the battery cell assembly, all switching units Pin of the busbar system 6 are in their decoupling position ( 5 ). In order to provide the battery cell assembly with a target wiring diagram V is ( 8th ) an activation device 37 ( 8th ) to be provided. With the help of the activation device 37, in Local magnetic fields are to be generated on the busbar system 6 as a function of the target wiring diagram V to be set. With their help, the latches 31 of selected switching elements Pin can be moved to the release position so that their switching elements Pin are in the coupled position ( 6 and 7 ) toggle. After the local magnetic fields have been eliminated, the bolt 31 is returned to its locking position by means of the compression spring 33 ( 7 ). In this case, the bolt 31 engages in a form-fitting manner in a corresponding recess 39 which is formed on the switching element 27 . In this way, an unintentional shift back of the switching element 27 into its decoupling position ( 5 ) prevented.

Im Batteriezellverband sind unterschiedliche Verschaltungsschemata realisierbar, die in der Schaltmatrix der 9 aufgelistet sind und auf deren oberer Zeile sämtliche Schaltelemente Pin aufgetragen sind. Mit „1“ ist eine Koppelstellung des jeweiligen Schaltelements Pin symbolisiert, während mit „0“ eine Entkoppelstellung des jeweiligen Schaltelements symbolisiert ist. Auf der rechten Seite der Schaltmatrix sind zwei Spalten mit „P“ und „S“ bezeichnet, die das jeweils eingestellte Verschaltungsschema betreffen, wobei „P“ die Anzahl von Parallelschaltungen im Batteriezellverband wiedergibt, während „S“ die Anzahl von Reihenschaltungen im Batteriezellverband wiedergibt.Different wiring schemes can be implemented in the battery cell group 9 are listed and on the top line all switching elements Pin are applied. “1” symbolizes a coupled position of the respective switching element Pin, while “0” symbolizes a decoupled position of the respective switching element. On the right-hand side of the switching matrix, two columns are labeled "P" and "S", which relate to the wiring scheme that is set in each case, with "P" reflecting the number of parallel connections in the battery cell array, while "S" reflects the number of series connections in the battery cell array.

Beispielhaft ist in der 10a und 10b der Stromweg I gezeigt, der sich beim ersten Verschaltungsschema 1 P6S ergibt. Alternativ dazu ist in den 11a und 11b der Stromweg I gezeigt, der sich bei einem zweiten Verschaltungsschema 2P3S ergibt. In gleicher Weise können auch die weiteren Verschaltungsschemata 3P2S, 2P2S, 4P1S und 6P1S gebildet werden.An example is in the 10a and 10b the current path I shown, which results from the first wiring diagram 1 P6S. Alternatively, in the 11a and 11b the current path I shown, which results in a second wiring scheme 2P3S. The other interconnection schemes 3P2S, 2P2S, 4P1S and 6P1S can also be formed in the same way.

Nachfolgend ist anhand der 12 bis 22 weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Demzufolge sind die Schalteinheiten Pin als Verbindungselemente, zum Beispiel als Verbindungsstifte, realisiert. Die Stifte Pin sind vor Durchführung des Aktivierungsschrittes auf dem Aktivierungsgerät 37 angeordnet. Die Freigabe der Stifte Pin wird durch eine externe Stromversorgung aktiviert, die ein lokales Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld wird erzeugt, indem der Bereich in der Nähe des Schalters, der betätigt werden soll, mit Strom versorgt wird. Das Aktivierungsgerät 37 wird wiederum von einem Mikroprozessor gesteuert. Jeder Stift Pin ist von Schaltern umgeben, die den Stromfluss in der Nähe des Stiftes Pin steuern. Diese Vorrichtung ist um das Busbarsystem 6 herum angebracht. Je nachdem, welcher Schalter betätigt wird, wird ein Magnetfeld um bestimmte Stifte Pin erzeugt. Dieses Magnetfeld löst die Stifte Pin aus und bringt sie in eine stromleitende Koppelstellung. Die aktivierten Stifte Pin schließen daher den Stromkreis und verbinden die Zellen 1 in der gewünschten Parallel- oder Reihenkombination. Dieser Aktivierungsschritt erfolgt erst, nachdem das Busbarsystem 6 mit den Kathoden- und Anoden-Ableitern 3, 5 verschweißt worden sind. Normalerweise wird der Ableiter 3, 5 mittels Laserschweißen mit den Metallschlitzen 15 im Busbarsystem 6 verschweißt. Sobald das Busbarsystem 6 mit den Kathoden- und Anoden-Ableitern 3, 5 der Batteriezellen 1 verschweißt ist und anschließend der Aktivierungsschritt erfolgt ist, verfügt der Batteriezellverband über die entsprechende Parallel- und Serienkombination. Jedes weitere Busbarsystem 6 kann eine andere Parallel- und Reihenkombination aufweisen. Das Aktivierungsgerät 37 wird nach Abschluß des Aktivierungsschrittes vom Batteriezellverband entfernt. Nach dem Aktivierungsschritt folgt ein Befestigungsschritt, bei dem die Verbindungsstifte Pin dauerhaft in dem Busbarsystem 6 fixiert werden.The following is based on the 12 until 22 further embodiments of the invention described. Accordingly, the switching units Pin are implemented as connecting elements, for example as connecting pins. The pins Pin are arranged on the activation device 37 before the activation step is carried out. The release of the pins Pin is activated by an external power supply that creates a local magnetic field. This magnetic field is created by energizing the area near the switch that is intended to be actuated. The activation device 37 is in turn controlled by a microprocessor. Each pin is surrounded by switches that control the flow of current near the pin. This device is fitted around the busbar system 6 . Depending on which switch is actuated, a magnetic field is created around certain pins. This magnetic field releases the pins and brings them into a current-conducting coupled position. The activated pins Pin therefore complete the circuit and connect the cells 1 in the desired parallel or series combination. This activation step only takes place after the busbar system 6 has been welded to the cathode and anode conductors 3, 5. Normally, the arrester 3, 5 is welded to the metal slots 15 in the busbar system 6 by means of laser welding. As soon as the busbar system 6 has been welded to the cathode and anode conductors 3, 5 of the battery cells 1 and the activation step has then taken place, the battery cell assembly has the corresponding parallel and series combination. Each additional busbar system 6 can have a different parallel and series combination. The activation device 37 is removed from the battery cell assembly after the activation step has been completed. The activation step is followed by a fastening step in which the connecting pins Pin are permanently fixed in the busbar system 6 .

Im obigen Aktivierungsschritt sendet der Mikroprozessor des Aktivierungsgeräts 37 nur Strom an die Bereiche in der Nähe der Stifte Pin, die aktiviert werden müssen. Andere Stifte Pin, die kein Magnetfeld erhalten, werden nicht gedrückt und bleiben außer Betrieb. Es ist hervorzuheben, dass die Aktivierung der Verbindungsstifte Pin mittels Magnetkraft nur eine Möglichkeit darstellt, die Stifte Pin in die Koppelstellung zu bringen. Dabei gibt das Aktivierungsgerät 37 den Stift Pin durch eine lokale Auslösung eines Magnetfelds frei, so dass der Stift Pin in eine Stiftaufnahme 40 (13) zwischen Metalleinsätzen 41 und in den Raum zwischen den beiden Kontakten K1 und K2 gedrückt wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Variante beschränkt. Vielmehr können die Verbindungsstifte Pin auch auf beliebig andere Weise in die Koppelstellung verbracht werden.In the activation step above, the microprocessor of the activation device 37 only sends power to the areas near the pins Pin that need to be activated. Other pins Pin that do not receive a magnetic field are not pressed and remain inoperative. It should be emphasized that the activation of the connecting pins Pin by means of magnetic force is only one way of bringing the pins Pin into the coupled position. The activation device 37 releases the pin Pin by locally triggering a magnetic field, so that the pin Pin can be inserted into a pin receptacle 40 ( 13 ) between metal inserts 41 and into the space between the two contacts K1 and K2. However, the invention is not limited to this variant. Rather, the connecting pins Pin can also be brought into the coupling position in any other way.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verbindungsstift Pin aus Vollmaterial gebildet, etwa aus Kupfer oder aus Bronze.In the illustrated embodiment, the connecting pin Pin is made of solid material, such as copper or bronze.

Wie aus der 13 und 14 hervorgeht, wird der Verbindungsstift Pin in der Stiftaufnahme 40 des Busbarsystems 6 bis in seine Koppelstellung (14) eingefahren. In der Koppelstellung liegt der Verbindungsstift-Kopf seitlich an den Metalleinsätzen 41 an, deren obere Hälfte 43 aus Aluminium und deren untere Hälfte 45 aus Bronze oder Kupfer gebildet ist. In der dargestellten Koppelstellung (14) verbindet der Verbindungsstift Pin die beiden Kontakte K1 und K2 im Busbarsystem 6.How from the 13 and 14 shows, the connecting pin Pin in the pin receptacle 40 of the busbar system 6 is pushed into its coupling position ( 14 ) retracted. In the mating position, the connector pin head bears laterally against metal inserts 41, the upper half 43 of which is formed of aluminum and the lower half 45 of bronze or copper. In the coupled position shown ( 14 ) the connecting pin connects the two contacts K1 and K2 in the busbar system 6.

Anschließend erfolgt ein Laserschweißschritt (15 und 16). Das Laserschweißen wird verwendet, um den Stift Pin mit den Metalleinsätzen 41 dauerhaft zu verbinden. Wie bereits erwähnt, besteht die obere Hälfte 43 der Metalleinsätze 41 aus Aluminium und die untere Hälfte 45 aus einer Kupferlegierung (zum Beispiel Bronze). Im Laserschweißschritt wird nur die obere Metalleinsatz-Hälfte 43 aus Aluminium (Schmelztemperatur im Bereich von 660°C) geschmolzen (siehe Schmelzbad 46 in der 16), während die untere Metalleinsatz-Hälfte 45 aus Kupfer (Schmelztemperatur im Bereich von 1084°C) im festen Zustand verbleibt. Bei Aluminium handelt es sich also um ein Schweiß-, bei Kupfer um ein Lötverfahren. Durch eine kontrollierte Wärmezufuhr während des Prozesses kann die Nahtbreite der intermetallischen Verbindungen verringert werden, was zu einer homogeneren Grenzfläche mit guten mechanischen, korrosiven und elektrischen Eigenschaften führt. Das Laserlötverfahren basiert auf dem Prinzip des Laser-Keyhole-Schweißens. Der Strahl wird von der Laserschweißvorrichtung 50 (16 oder 18) mit einer Energiedichte von mindestens 1 MW/cm2 auf die Materialoberfläche fokussiert, wodurch das Aluminiummaterial der Metalleinsätze 41 schmilzt und verdampft. Das verdampfte Metall bildet ein Loch, in dem der Laser mehrfach reflektiert wird, wodurch die Energieaufnahme des Metalls erhöht wird. Dieser hohe Energieeintrag ermöglicht einen schnellen Prozess und ein selektives Aufschmelzen des oberen Aluminiums, während das untere Kupfer in festem Zustand verbleibt, weshalb der Prozess als Hartlötprozess bezeichnet wird. Die realisierte Schmelzschichtdicke zwischen Al und Cu kann auf unter 5 µm reduziert werden. Die Bildung einer intermetallischen Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer wird minimiert, wodurch eine duktile Metallverbindung mit reduziertem elektrischem Widerstand entsteht. Argon hilft, die Schweißnaht vor Verunreinigungen durch die Atmosphäre zu schützen.This is followed by a laser welding step ( 15 and 16 ). Laser welding is used to permanently connect the pin to the metal inserts 41 . As already mentioned, there is the upper half 43 of the metal inserts 41 in aluminum and the lower half 45 in a copper alloy (e.g. bronze). In the laser welding step only the upper metal insert half 43 made of aluminum (melting temperature in the range of 660°C) is melted (see melt pool 46 in Fig 16 ), while the lower metal insert half 45 of copper (melting temperature in the range of 1084°C) remains in the solid state. Aluminum is therefore a welding process, while copper is a soldering process. By controlling the heat input during the process, the seam width of the intermetallic compounds can be reduced, resulting in a more homogeneous interface with good mechanical, corrosive and electrical properties. The laser soldering process is based on the principle of laser keyhole welding. The beam is emitted from the laser welding device 50 ( 16 or 18 ) is focused onto the material surface with an energy density of at least 1 MW/cm 2 , thereby melting and evaporating the aluminum material of the metal inserts 41 . The vaporized metal forms a hole in which the laser reflects multiple times, increasing the energy absorption of the metal. This high energy input allows for a fast process and selective melting of the upper aluminum while leaving the lower copper in the solid state, which is why the process is called the brazing process. The realized melt layer thickness between Al and Cu can be reduced to less than 5 µm. The formation of an intermetallic compound between aluminum and copper is minimized, resulting in a ductile metal compound with reduced electrical resistance. Argon helps protect the weld from contamination from the atmosphere.

In den 17 und 18 ist ein alternativer Laserschweißschritt gezeigt. Demnach sind die Metalleinsätze 41 komplett aus einer Materialart gebildet, nämlich Kupfer oder einer Kupferlegierung, wie Bronze. Das Laserschweißen wird ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt. Das bedeutet, dass der Stift Pin aus Kupferlegierung und der Metalleinsatz 41 (Kupferlegierung) an der Schnittstelle schmelzen und den Stift Pin dauerhaft mit dem metallischen Einsatz verbinden. Die Form des Stifts Pin ist hier dieselbe wie beim Laserlöten, wie bereits erläutert, nur ist hier kein Zusatzwerkstoff erforderlich.In the 17 and 18 an alternative laser welding step is shown. Thus, the metal inserts 41 are formed entirely of one type of material, namely copper or a copper alloy such as bronze. Laser welding is carried out without additional material. This means that the copper alloy pin Pin and the metal insert 41 (copper alloy) melt at the interface and permanently bond the pin Pin to the metal insert. The shape of the pin is the same as in laser soldering, as already explained, but no additional material is required here.

In den 17 und 18 erfolgt das Laserschweißen an der Schnittstelle zwischen dem Stift Pin und dem Metalleinsatz 41 (der ebenfalls aus einer Kupferlegierung besteht). Hier wird die Schnittstelle unter Argon-Atmosphäre geschmolzen und erstarrt dann zu einer dünnen Schweißnaht. Auf diese Weise wird der Stift Pin dauerhaft mit dem Metalleinsatz 41 verbunden. Die Wärme wird lokal an der Schnittstelle zwischen dem Metalleinsatz 41 und dem Stift Pin aufgebracht, so dass der umgebende Kunststoffkörper 47 des Busbarsystems 6 von dieser Wärme nicht beeinträchtigt wird. Da Kupfer ein starker Wärmereflektor ist, ist es ratsam, einen grünen Laser zu verwenden.In the 17 and 18 laser welding occurs at the interface between the pin and the metal insert 41 (which is also made of a copper alloy). Here the interface is melted under an argon atmosphere and then solidifies into a thin weld seam. In this way the pin Pin is permanently connected to the metal insert 41 . The heat is applied locally at the interface between the metal insert 41 and the pin, so that the surrounding plastic body 47 of the busbar system 6 is not affected by this heat. Since copper is a strong heat reflector, it is advisable to use a green laser.

Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf eine Schweißanbindung der Verbindungsstifte Pin in dem Busbarsystem 6 beschränkt ist. Vielmehr können die Verbindungsstifte Pin auch in beliebig anderer Weise in dem Busbarsystem 6 permanent befestigt werden. Beispielhaft erfolgt in den 19 bis 22 die permanente Befestigung der Verbindungsstifte Pin im Busbarsystem 6 mittels einer Schraubverbindung. Gemäß der 19 wird der Verbindungsstift Pin mittels des Aktivierungsgeräts 37 bis in die Nähe des Raums zwischen den Kontakten K1 und K2 im Busbarsystem 6 gebracht. Der Verbindungstift Pin ist durch Magnetkraft mit dem des Aktivierungsgeräts 37 verbunden. Das Aktivierungsgerät 37 gibt den Verbindungstift Pin durch eine lokale Auslösung eines Magnetfelds frei. Dadurch wird der Verbindungstift Pin in den Stift-Aufnahmeraum des Busbarsystem 6 und zwischen die Kontakte K1, K2 gedrückt. Im Unterschied zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind Metalleinsätze 41 nicht erforderlich.It should be emphasized that the invention is not limited to a welded connection of the connecting pins Pin in the busbar system 6 . Rather, the connecting pins Pin can also be permanently fastened in the busbar system 6 in any other manner. Example takes place in the 19 until 22 the permanent attachment of the connecting pins Pin in the busbar system 6 by means of a screw connection. According to the 19 the connecting pin Pin is brought into the vicinity of the space between the contacts K1 and K2 in the busbar system 6 by means of the activation device 37 . The connecting pin Pin is connected to that of the activation device 37 by magnetic force. The activation device 37 releases the connection pin Pin by a local triggering of a magnetic field. As a result, the connecting pin Pin is pressed into the pin-receiving space of the busbar system 6 and between the contacts K1, K2. In contrast to the previous embodiment, metal inserts 41 are not required.

Der Verbindungsstift Pin weist ein Schraubloch 49 auf, das in der 21 mit einer Schraube 48 durchsetzt ist. Alternativ dazu kann der Verbindungsstift Pin gemäß der 22 auch mittels mehrere Schrauben 48 am Kunststoffkörper 47 des Busbarsystems 6 verschraubt sind.The connecting pin Pin has a screw hole 49 in the 21 is interspersed with a screw 48. Alternatively, the connecting pin according to the Pin 22 are also screwed to the plastic body 47 of the busbar system 6 by means of several screws 48 .

Beim Montageprozess wird der Verbindungstift Pin nach unten bewegt, bis er mit dem unteren Kunststoffkörper 47 des Busbarsystems 6 in Kontakt kommt. Anschließend wird eine Schraube 48 durch die Mitte des Verbindungstifts Pin geführt und dann in den Kunststoffkörper 47 eingeschraubt. Auf diese Weise ist der Verbindungstift Pin dauerhaft mit dem Busbarsystem 6 verbunden. Der Verbindungstift Pin verbindet dabei die beiden Kontakte K1, K2 des Busbarsystems 6.During the assembly process, the connecting pin Pin is moved downwards until it comes into contact with the lower plastic body 47 of the busbar system 6 . A screw 48 is then passed through the center of the connecting pin Pin and then screwed into the plastic body 47 . The connecting pin Pin is permanently connected to the busbar system 6 in this way. The connecting pin connects the two contacts K1, K2 of the busbar system 6.

Zudem kann eine Isolierplatte 53 (22) aus flexiblem Kunststoff (zum Beispiel Polyurethan) auf die Oberseite des Verbindungsstifts Pin gelegt werden. Anschließend wird der der Verbindungstift Pin mit der Isolierplatte 53 und dem oberen Kunststoffkörper 47 verschraubt. In addition, an insulating plate 53 ( 22 ) made of flexible plastic (e.g. polyurethane) can be placed on top of the connecting pin Pin. The connecting pin Pin is then screwed to the insulating plate 53 and the upper plastic body 47 .

Die Isolierplatte 53 verhindert, dass Strom über den Verbindungstift Pin zum Außenkörper fließt. Hier muss der Verbindungstift Pin nicht mit dem unteren Kunststoffkörper 47 verbunden sein. Normalerweise wird der Verbindungstift Pin in diesem Fall mit der Isolierplatte 53 verbunden, bevor er in das Busbarsystem 6 eingesetzt wird. Die Isolierplatte 53 kann mit einer mittleren Schraube 48 befestigt werden, wobei die vollständige Montage des Verbindungstifts Pin mit der Isolierplatte 53 durch das Aktivierungsgerät 37 per Vakuum erfolgt. Es ist auch möglich, für alle Verbindungstifte Pin eine Isolierplatte 53 zu verwenden.The insulating plate 53 prevents current from flowing to the outer body via the connection pin Pin. Here the connection pin Pin does not have to be connected to the lower plastic body 47 . In this case, the connecting pin Pin is normally connected to the insulating plate 53 before it is inserted into the busbar system 6 . The insulating plate 53 can be fixed with a central screw 48, the complete assembly of the connecting pin Pin with the insulating plate 53 being carried out by the activation device 37 by vacuum. It is also possible to use an insulating plate 53 for all connecting pins Pin.

BezugszeichenlisteReference List

11
Batteriezellenbattery cells
33
Kathoden-AbleiterCathode Arrester
55
Anoden-Ableiteranode arrester
66
Busbarsystembusbar system
77
Kathoden-Busbarcathode busbar
99
Anoden-Busbaranode busbar
1111
Mittel-BusbarCentral bus bar
1313
kathodenseitige Einlegerteilecathode-side insert parts
1515
Aufnahmeschlitzereceiving slots
1717
anodenseitige Einlegerteileanode-side insert parts
1919
Quer-Stromschienencross busbars
2121
positiver Zellverband-Terminalpositive cell cluster terminal
2323
negativer Zellverband-Terminalnegative cell cluster terminal
2525
Schaltgehäuseswitch housing
2727
Schaltelementswitching element
2929
Schaltelement-Federswitching element spring
3131
Riegelbars
3333
Riegel-Druckfederlatch compression spring
3535
ferromagnetischer Bestandteilferromagnetic component
3737
Aktivierungsgerätactivation device
3939
Aussparungrecess
4040
Stiftaufnahmepin receptacle
4141
Metalleinsätzemetal inserts
4343
obere Metalleinsatz-Hälfteupper metal insert half
4545
untere Metalleinsatz-Hälftelower metal insert half
4646
Schmelzbadmelt pool
4747
Kunststoffkörperplastic body
4848
Schraubenscrews
4949
Schraublochscrew hole
5050
Laserschweißvorrichtunglaser welding device
5353
Isolierplatteinsulating panel
K1, K2K1, K2
Kontaktstellencontact points
PinPin code
Schalteinheitenswitching units
xx
Stapelrichtungstacking direction
yy
Stapelquerrichtungcross-stack direction
ze.g
Hochrichtungvertical direction
II
Stromwegcurrent path
Vsollvs
Soll-Verschaltungsschematarget interconnection scheme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2019/060047 A1 [0008]WO 2019/060047 A1 [0008]
  • WO 2016/053415 A1 [0008]WO 2016/053415 A1 [0008]

Claims (10)

Batteriezellverband, mit in einer Stapelrichtung (x) hintereinander gestapelten Batteriezellen (1), die in Stapelquerrichtung (y) ausgerichtete Kathoden-Ableiter (3) und Anoden-Ableiter (5) aufweisen, wobei die Kathoden-Ableiter (3) und die Anoden-Ableiter (5) der Batteriezellen (1) mittels eines Busbarsystems (6) nach einem vorgegebenen Verschaltungsschema (Vsoll) miteinander elektrisch verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass dem Batteriezellverband ein Aktivierungsgerät (37) zugeordnet ist, mit dem in Abhängigkeit von einem einzustellenden Verschaltungsschema (Vsoll) Schalteinheiten (Pin) im Busbarsystem (6) aktivierbar sind, um das Verschaltungsschema (Vsoll) im Batteriezellverband festzulegen.Battery cell assembly, with battery cells (1) stacked one behind the other in a stacking direction (x) and having cathode conductors (3) and anode conductors (5) aligned in the transverse direction (y) of the stack, the cathode conductors (3) and the anode conductors Arresters (5) of the battery cells (1) are electrically connected to one another by means of a busbar system (6) according to a predetermined wiring diagram (V set ), characterized in that the battery cell assembly is assigned an activation device (37) with which, depending on a wiring diagram to be set (V target ) switching units (pin) can be activated in the busbar system (6) in order to define the wiring scheme (V target ) in the battery cell assembly. Batteriezellverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fertigungsprozesses des Bastteriezellverbands die Schalteinheiten (Pin) in ihrer Entkoppelstellung, das heißt deaktiviert sind, so dass noch kein Verschaltungsschema festgelegt ist, und dass am Ende des Fertigungsprozesses ein Aktivierungsschritt erfolgt, bei dem mittels des Aktivierungsgeräts (37) vorbestimmte Schalteinheiten (Pin) in ihre Koppelstellung bringbar sind, das heißt aktivierbar sind, so dass das Verschaltungsschema (Vsoll) im Batteriezellverband festgelegt ist, und dass insbesondere nach erfolgtem Aktivierungsschritt das Aktivierungsgerät (37) vom Busbarsystem (6) des Batteriezellverbands entfernbar ist.battery cell group claim 1 , characterized in that during the manufacturing process of the battery cell assembly, the switching units (pin) are in their decoupling position, i.e. deactivated, so that no wiring diagram has yet been defined, and that at the end of the manufacturing process there is an activation step in which the activation device (37) predetermined switching units (pin) can be brought into their coupling position, i.e. can be activated, so that the wiring diagram (V set ) is fixed in the battery cell assembly, and that, in particular, after the activation step has taken place, the activation device (37) can be removed from the busbar system (6) of the battery cell assembly. Batteriezellverband nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der im Busbarsystem (6) befindlichen Schalteinheiten (Pin) unterschiedliche Stromwege (I) zwischen den Batteriezellen (1) freigebbar oder sperrbar sind, so dass die Batteriezellen (1) in unterschiedliche Verschaltungsschemata in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltbar sind, und/oder dass in dem Batteriezellverband sämtliche Kathoden-Ableiter (3) auf einer Kathoden-Seite des Batteriezellverbands und sämtliche Anoden-Ableiter (5) auf einer Anoden-Seite des Batteriezellverbands angeordnet sind, die der Kathoden-Seite quer zur Stapelrichtung (x) gegenüberliegt.battery cell group claim 1 or 2 , characterized in that different current paths (I) between the battery cells (1) can be enabled or blocked by means of the switching units (pin) located in the busbar system (6), so that the battery cells (1) can be connected in parallel and/or in series in different connection schemes can be connected to one another and/or that in the battery cell assembly all the cathode arresters (3) are arranged on a cathode side of the battery cell assembly and all anode arresters (5) are arranged on an anode side of the battery cell assembly, which is perpendicular to the cathode side Stacking direction (x) opposite. Batteriezellverband nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Busbarsystem (6) Quer-Stromschienen (19) aufweist, die sich zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite des Batteriezellverbands erstrecken, und dass in Stapelrichtung (x) betrachtet zwischen benachbarten Batteriezellen (1) jeweils eine Quer-Stromschiene (19) angeordnet ist, und dass die Quer-Stromschiene (19) mittels Schalteinheiten (Pin) mit einem oder beiden Kathoden-Ableitern (3) der beiden benachbarten Batteriezellen (1) koppelbar oder entkoppelbar ist, und/oder dass die Quer-Stromschiene (19) mittels Schalteinheiten (Pin) mit einem oder beiden Anoden-Ableitern (5) der beiden benachbarten Batteriezellen (1) koppelbar oder entkoppelbar ist.battery cell group claim 3 , characterized in that the busbar system (6) has transverse busbars (19) which extend between the cathode side and the anode side of the battery cell assembly, and that viewed in the stacking direction (x) between adjacent battery cells (1) in each case a transverse busbar ( 19) is arranged, and that the transverse busbar (19) can be coupled or decoupled to one or both cathode conductors (3) of the two adjacent battery cells (1) by means of switching units (pin), and/or that the transverse busbar ( 19) can be coupled or decoupled to one or both anode conductors (5) of the two adjacent battery cells (1) by means of switching units (pin). Batteriezellverband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quer-Stromschiene (19) quer zur Stapelrichtung (x) in Schienensegmente unterteilt ist, die mit Hilfe zumindest einer Schalteinheit (Pin) elektrisch koppelbar oder entkoppelbar sind, und/oder dass eine an der Batteriezellverband-Stirnseite angeordnete Batteriezelle (1) mit ihrem Kathoden-Ableiter (3) mit einem positiven Zellverband-Terminal (21) verbunden ist, und dass die auf der anderen Batteriezellverband-Stirnseite angeordnete Batteriezelle (1) mit ihrem Anoden-Ableiter (5) mit einem negativen Zellverband-Terminal (23) verbunden ist.battery cell group claim 4 , characterized in that the transverse conductor rail (19) is divided transversely to the stacking direction (x) into rail segments, which can be electrically coupled or decoupled with the aid of at least one switching unit (pin), and/or that a battery cell arranged on the end face of the battery cell assembly (1) is connected with its cathode arrester (3) to a positive cell assembly terminal (21), and that the battery cell (1) arranged on the other end of the battery cell assembly has its anode arrester (5) connected to a negative cell assembly terminal Terminal (23) is connected. Batteriezellverband nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Quer-Stromschienen (19) und die Schalteinheiten (Pin) in einem U-förmigen Kunststoffbauteil eingebettet sind, das den Batteriezellverband von oben umgreift, und dass insbesondere das U-förmige Kunststoffbauteil aus einer Kathoden-Busbar (7), einer Anoden-Busbar (9) sowie einer die Kathoden-Busbar (7) und die Anoden-Busbar (9) miteinander verbindende Mittel-Busbar (11) ausgebildet ist, und dass insbesondere die Kathoden-Busbar (7) voneinander elektrisch isolierte Einlegerteile (13) aufweist, die jeweils mit einem korrespondierenden Kathoden-Ableiter (3) elektrisch verbindbar sind, und/oder dass die Anoden-Busbar (9) voneinander isolierte Einlegerteile (17) aufweist, die jeweils mit einem korrespondierenden Anoden-Ableiter (5) elektrisch verbindbar sind, und das insbesondere in Stapelrichtung (x) zwischen benachbarten Einlegerteilen (13) der Anoden-Busbar (9) und zwischen benachbarten Einlegerteilen (17) der Kathoden-Busbar (7) jeweils eine Quer-Stromschiene (19) angeordnet ist, und dass insbesondere die Einlegerteile (13, 17) elektrische Kontakte bilden, die über die Schalteinheiten (Pin) mit der Quer-Stromschiene (19) elektrisch koppelbar sind.Battery cell assembly according to one of Claims 4 or 5 , characterized in that the transverse busbars (19) and the switching units (pin) are embedded in a U-shaped plastic component which encompasses the battery cell assembly from above, and in that in particular the U-shaped plastic component consists of a cathode busbar (7) , an anode busbar (9) and a central busbar (11) connecting the cathode busbar (7) and the anode busbar (9) to one another, and that in particular the cathode busbar (7) has insert parts that are electrically insulated from one another (13), each of which can be electrically connected to a corresponding cathode conductor (3), and/or that the anode busbar (9) has insert parts (17) that are insulated from one another and each have a corresponding anode conductor (5) are electrically connectable, and that a transverse busbar (19) is arranged between adjacent insert parts (13) of the anode busbar (9) and between adjacent insert parts (17) of the cathode busbar (7), in particular in the stacking direction (x), and that in particular the insert parts (13, 17) form electrical contacts which can be electrically coupled to the transverse busbar (19) via the switching units (pin). Batteriezellverband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schalteinheiten (Pin) ein Schaltgehäuse (25) mit einem hubverstellbaren Schaltelement (27) aufweist, und dass in einem deaktivierten Zustand sich die Schalteinheiten (Pin) in der Entkoppelstellung befinden, und dass insbesondere das Schaltelement (27) der jeweiligen Schalteinheit (Pin) in der Entkoppelstellung mittels Federvorspannung gegen einen in Verriegelungsposition befindlichen Riegel (31) abgestützt ist, und dass bei Verstellen des Riegels (31) in seine Freigabeposition das Schaltelement (27) mittels der Federvorspannung in seine Koppelstellung bringbar ist, in der das Schaltelement (27) eine elektrische Kopplung im Busbarsystem (6) herstellt, und dass insbesondere der Riegel (31) mittels Magnetkraft von seiner Verriegelungsposition in seine Freigabeposition verstellbar ist, und dass insbesondere mittels des Aktivierungsgeräts (37) in Abhängigkeit vom einzustellenden Verschaltungsschema (Vsoll) lokale Magnetfelder erzeugbar sind, mit deren Hilfe die Riegel (31) vorbestimmter Schalteinheiten (Pin) in die Freigabeposition verstellbar sind, um deren Schaltelemente (27) in die elektrisch leitende Koppelstellung zu bringen.Battery cell assembly according to one of the preceding claims, characterized in that each of the switching units (pin) has a switching housing (25) with a stroke-adjustable switching element (27), and that in a deactivated state the switching units (pin) are in the decoupling position, and that in particular the switching element (27) of the respective switching unit (pin) is supported in the decoupling position by means of spring pretension against a bolt (31) in the locking position, and that when the bolt (31) is adjusted into its release position the switching element (27) by means of the spring pretension in his coupling position can be brought in the the switching element (27) creates an electrical coupling in the busbar system (6), and that in particular the bolt (31) can be moved from its locking position to its release position by means of magnetic force, and that in particular by means of the activation device (37) depending on the wiring scheme to be set (V is intended ) local magnetic fields can be generated, with the help of which the bolt (31) of predetermined switching units (pin) can be moved into the release position in order to bring their switching elements (27) into the electrically conductive coupling position. Batteriezellverband nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Schalteinheit (Pin) als ein Verbindungsstift ausgebildet ist, und dass der Verbindungsstift (Pin) vor Durchführung eines Aktivierungsschrittes am Aktivierungsgerät (37) gehaltert ist, und dass im Aktivierungsschritt der Verbindungsstift (Pin) von dem Aktivierungsgerät (37) freigebbar und in eine stromleitende Koppelstellung bringbar ist, in der elektrische Kontakte (K1, K2) im Busbarsystem (6) elektrisch geschlossen sind.Battery cell assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the respective switching unit (pin) is designed as a connecting pin, and that the connecting pin (pin) is held on the activation device (37) before an activation step is carried out, and in that in the activation step the connecting pin (pin ) can be released by the activation device (37) and brought into a current-conducting coupling position, in which electrical contacts (K1, K2) in the busbar system (6) are electrically closed. Batteriezellverband nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aktivierungsschritt ein Befestigungsschritt erfolgt, in dem die aktivierten Verbindungsstifte (Pin) dauerhaft in ihrer Koppelstellung fixierbar sind, etwa durch Schweißverbindung oder durch Schraubverbindung.battery cell group claim 8 , characterized in that the activation step is followed by a fastening step in which the activated connecting pins (pin) can be permanently fixed in their coupled position, for example by a welded connection or by a screw connection. Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellverbands nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Fertigungsprozesses die im Batteriezellverband befindlichen Schalteinheiten (Pin) in ihrer Entkoppelstellung, das heißt deaktiviert sind, so dass im Batteriezellverband noch kein Verschaltungsschema festgelegt ist, und wobei am Ende des Fertigungsprozesses ein Aktivierungsschritt erfolgt, bei dem mittels eines externen Aktivierungsgeräts (37) ein einzustellendes Verschaltungsschema (Vsoll) im Batteriezellverband festgelegt wird.Method for producing a battery cell assembly according to one of the preceding claims, wherein during the manufacturing process the switching units (pin) located in the battery cell assembly are in their decoupled position, i.e. deactivated, so that no wiring diagram is yet defined in the battery cell assembly, and wherein an activation step is carried out at the end of the manufacturing process takes place, in which an external activation device (37) is used to set a wiring diagram (V set ) that is to be set in the battery cell assembly.
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