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Die Erfindung betrifft eine Fügeverbindung zwischen einem Polterminal einer elektrischen Speicherzelle und einem Polverbinder gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 der Erfindung. Ferner betrifft die Erfindung gemäß Anspruch 8 ein Speicherzellen-Pack mit einer Mehrzahl derartiger Speicherzellen sowie gemäß Anspruch 10 ein Verfahren zur Herstellung besagter Fügeverbindung.
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Aus dem Stand der Technik sind seit langem elektrische Leiter, auch als Polverbinder oder Stromschienen bezeichnet, bekannt, um eine Mehrzahl Speicherzellen untereinander zu einem Speicherzellen-Pack zu verbinden bzw. zusammenzuschalten. Besagte Speicherzellen, welches Batterien oder Akkumulatoren sein können, werden dabei parallel und/oder seriell bzw. in Reihe miteinander verbunden, um für einen bestimmten Anwendungsfall eine bestimmte Kapazität, eine höhere Strombelastbarkeit und/oder eine höhere Gesamtspannung zu erreichen. So ist aus der
DE 198 47 190 A1 eine Verbindungsplatte für einen Batteriehalter zur Verbindung einer Mehrzahl Batterien in Reihenschaltung bekannt, wobei die Verbindungsplatte eine Kunstharzplatte umfasst, in welche Stromschienen durch Spritzgießen integral eingegossen sind. Jede Stromschiene ist als ein Plattenteil mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet, durch das ein großer Strom fließen kann. Die Stromschiene weist beidenends je ein Loch zur Befestigung der Stromschiene mittels einer Befestigungsschraube an einem Anschlusspol respektive Polterminal einer anzuschließenden Batterie auf, wobei besagte Befestigungsschraube in eine Gewindebohrung des Anschlusspols eingeschraubt wird. Die
WO 2011/038908 A1 beschreibt einen Zellverbinder in Form von Einfachverbindern zur Verbindung von in Reihenschaltung zu einem Batterie-Pack angeordneten Batteriezellen. Die vorliegend insbesondere mehrfach-bügelartig ausgebildeten Zellverbinder werden aus einem Blechmaterial mit hinreichenden Feder- und Stromleitungseigenschaften, etwa aus Stahlblech, aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und sind auf einer Montageplatte aus elektrisch isolierendem Material festgelegt. In den Scheitelbereichen der Bügel eines Zellverbinders sind Löcher ausgebildet, deren Mittenabstand etwa dem Mittenabstand der mittels des Zellverbinders zusammengeschalteten Zellpole entspricht. Die Lochgeometrie ist kleiner als die Stirnfläche des gegen das Loch im Scheitelbereich andrückenden Zellpols. Etwa koaxial mit jedem Loch weist die Montageplatte Durchgriffsöffnungen auf, durch die und das Loch hindurch die Stirnfläche des Zellpols mit dem Rand des Loches dauerhaft elektrisch leitend, nämlich stofflich durch insbesondere Laserschweißung verbunden wird, wodurch eine niederohmige Verbindung zwischen den Fügepartnern bewirkt wird. Im Wesentlichen wird hierbei eine Kehlnaht erzeugt. Schließlich ist es aus der
DE 10 2010 039 893 A1 bekannt, einen ersten mit einem zweiten Fügepartner, nämlich einem Anschlusspol einer Batterie mit einem Zellverbinder derart mit Überlappstoß vermittels eines Laserschweißverfahrens zu fügen, dass die Schweißnaht wenigstens bereichsweise zwischen den Fügepartnern hin und her oszilliert, wodurch der Wärmeeintrag in die Fügepartner gemindert und eine thermische Schädigung derselben verhindert werden soll. Es ist sozusagen ein oszillierender Einschweißtiefenverlauf zu verzeichnen. Der besagte Einschweißtiefenverlauf wird durch eine Variation der Laserleistung über eine relative Vorschubbewegung des Lasers gegenüber den Fügepartnern erzeugt.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Fügeverbindung zwischen einem Polterminal einer elektrischen Speicherzelle und einem Polverbinder weiter zu optimieren. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es Aufgabe derselben, ein Speicherzellen-Pack mit einer Mehrzahl derartiger Speicherzellen bereitzustellen sowie ein Verfahren zur Herstellung besagter Fügeverbindung anzugeben.
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Gelöst wird die gestellte Aufgabe zunächst mit einer Fügeverbindung zwischen einem Polterminal einer elektrischen Speicherzelle und einem Polverbinder, wobei das Polterminal und der Polverbinder, einen Überlappstoß ausbildend, unter Zuhilfenahme zumindest einer Laserquelle mit Mehrfokustechnik untereinander stoffschlüssig durch Laserschweißung verbunden sind.
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Infolge besagter Mehrfokustechnik ist im Vergleich mit einem herkömmlichen Einzelfokus ein äußerst stabiler Laserschweißprozess realisierbar, der seinerseits vorteilhaft mit einer qualitativ hochwertigen Schweißnaht und hohen Schweißgeschwindigkeiten einhergeht.
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Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist besagte Mehrfokustechnik durch eine Doppelfokustechnik mit in Vorschubrichtung der Fokuspunkte der Laserstrahlen gesehen Parallel- oder Tandemanordnung besagter Fokuspunkte gebildet, wodurch in Abhängigkeit der zu realisierenden Schweißnaht, insbesondere deren Einschweißtiefe und Nahtbreite, der maschinentechnische Aufwand im Verhältnis zur Schweißleistung besonders optimal ist. Demgegenüber ist durch die Erfindung auch eine Fokusmatrixtechnik mit drei oder mehr Fokuspunkten mit erfasst, wodurch der maschinentechnische Aufwand zwar erhöht, jedoch die Schweißleistung noch weiter verbessert ist. Um den punktuellen Wärmeeintrag und somit die thermische Belastung insbesondere der Speicherzelle während des Schweißprozesses zu minimieren, ist zur stoffschlüssigen Verbindung der Fügepartner Polterminal und Polverbinder eine I-Schweißnaht, vorzugsweise eine geradlinige I-Schweißnaht vorgesehen. Ein ausreichend fester Fügeverbund mit einem geringen elektrischen Übergangswiderstand zwischen den Fügepartnern Polterminal und Polverbinder ist erzielbar, wenn eine Schweißnaht ausgebildet ist, deren Tiefe „t” etwa 85% bis etwa 95%, vorzugsweise etwa 91% der Gesamtmaterialstärke „s” der beiden Fügepartner entspricht.
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Bevorzugt sollte die durch die Schweißnaht realisierte unmittelbare Anbindungsfläche „A” mindestens 10 mm2, vorzugweise etwa 15 bis etwa 20 mm2 je 100 A zu gewährleistender Stromtragfähigkeit im Fügebereich der Fügepartner Polterminal und Polverbinder betragen. Dies wirkt sich im Hinblick auf einen zu erzielenden festen Fügeverbund mit einem geringen elektrischen Übergangswiderstand weiter vorteilhaft aus. Gemäß einer einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung der Erfindung sind das Polterminal und der Polverbinder plattenförmig ausgebildet, wodurch zum einen die Komplettierung der Speicherzelle/n mit Polverbindern und zum anderen der Fügeprozess an sich vereinfacht sind. Als Werkstoff für das Polterminal und den Polverbinder wird bevorzugt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gewählt, welcher kostengünstig ist und eine gute Stromleitfähigkeit mit einer guten Schweißeignung bezüglich Laserstrahlschweißung kombiniert.
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Aus der Anwendung eines Laserschweißverfahrens in der Batteriefertigung ergeben sich allgemein folgende weitere Vorteile:
- – weniger Bauraumbedarf
- – geringere Toleranzempfindlichkeit
- – geringerer Montageaufwand
- – geringeres Gewicht
- – keine mechanische Belastung der Batteriezellen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Speicherzellen-Pack mit einer Mehrzahl in einem Gehäuse angeordneter und mittels Polverbinder in Parallel- und/oder Reihenschaltung zusammengeschalteter elektrischer Speicherzellen, wobei die Speicherzellen Polterminals aufweisen, die mit einem/dem Polverbinder, einen Überlappstoß ausbildend, unter Zuhilfenahme zumindest einer Laserquelle mit Mehrfokustechnik untereinander stoffschlüssig durch Laserschweißung verbunden sind. Vorteilhaft sind dabei die Polverbinder derart an einer Montageplatte durch Form-, Kraft- und/oder Stoffschluss gehaltert, dass dieselben mittels der Montageplatte mit ihrer einen Seite gleichzeitig auf die betreffenden Polterminals aufsetzbar und von der anderen Seite her durch Laserschweißung mit den betreffenden Polterminals verbindbar sind. Durch diese Maßnahme ist die Komplettierung der Speicherzellen des Speicherzellen-Packs mit besagten Polverbindern vereinfacht.
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Das Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem Polterminal einer elektrischen Speicherzelle und einem Polverbinder zeichnet sich dadurch aus, dass das Polterminal und der Polverbinder, einen Überlappstoß ausbildend, unter Zuhilfenahme zumindest einer Laserquelle mit Mehrfokustechnik untereinander stoffschlüssig durch Laserschweißung verbunden werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Speicherzellen-Packs mit einer Mehrzahl in einem Gehäuse angeordneter und mittels Polverbinder zusammengeschalteter elektrischer Speicherzellen nach dem Stand der Technik,
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2 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Speicherzellen-Packs nach dem Stand der Technik mit einer Montageplatte, mittels derer eine Mehrzahl Polverbinder integral zusammengefasst sind,
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3 eine perspektivische Darstellung eines Speicherzellen-Packs mit einer Montageplatte und mit von derselben gehalterten Polverbindern, unmittelbar vor dem erfindungsgemäßen Fügen der Polterminals der Speicherzellen mit den Polverbindern,
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4 eine perspektivische Einzeldarstellung einer Speicherzelle des Speicherzellen-Packs nach 3,
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5 eine perspektivische Einzeldarstellung einer Montageplatte des Speicherzellen-Packs nach 3 zur Halterung der Polverbinder (Einzelheit „Z” nach 3),
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6 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Speicherzellen-Packs im Endmontagezustand mit Speicherzellen, deren Polterminals mit Polverbindern gefügt sind (Einzelheit „Y” nach 3),
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7a–b äußerst schematisch eine erste Ausführungsform (Einzelfokustechnik) und eine zweite Ausführungsform (Doppelfokustechnik) einer Laserschweißanordnung zum stoffschlüssigen Fügen eines Polterminals einer Speicherzelle mit einem Polverbinder,
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8a–d bezüglich der Doppelfokustechnik äußerst schematisch beispielgebend vier Ausgestaltungen der Laseroptik,
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9a–b bezüglich der Doppelfokustechnik beispielgebend zwei Anordnungen der durch die Laseroptik realisierten Fokuspunkte, und
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10 äußerst schematisch eine perspektivische Schnittansicht einer Fügeverbindung zwischen einem Polterminal einer Speicherzelle und einem Polverbinder, erfindungsgemäß realisiert mit einer Laserquelle mit Doppelfokustechnik.
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1 zeigt zunächst ein Speicherzellen-Pack 1 nach dem Stand der Technik, welches durch eine Mehrzahl in einem Gehäuse 2 angeordneter elektrischer Speicherzellen 3 gebildet ist und insbesondere der Versorgung von Elektrofahrzeugen mit elektrischer Energie dient. Die besagten Speicherzellen 3 sind überwiegend durch Lithium-Ionen-Akkumulatoren gebildet. Jede der vorliegend prismatischen Speicherzellen 3 weist zwei Polterminals 4 (Plus- und Minus-Pol) auf. Die Polterminals 4 sind jeweils durch eine Grundplatte 5 und einen mit derselben verbundenen Stehbolzen in Form eines Gewindebolzens 6, insbesondere eines Schweißbolzens, gebildet. Um die besagten Speicherzellen 3 in Parallel- und/oder Reihenschaltung zusammenschalten zu können, sind sogenannte Polverbinder 7 vorgesehen, die ihrerseits plattenförmig ausgebildet sind und entsprechend der Anzahl untereinander zu verbindender Speicherzellen 3 Aufnahmebohrungen 8 aufweisen. Die Polverbinder 7 sind somit auf die betreffenden Gewindebolzen 6 auffädelbar und werden auf die Grundplatten 5 abgelegt. Mittels auf besagte Gewindebolzen 6 aufgeschraubter Gewindemutter 9 wird ein jeder Polverbinder 7 kraftschlüssig mit den betreffenden Polterminals 4 der Speicherzellen 3 kraftschlüssig verbunden.
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2 zeigt eine Weiterbildung des Speicherzellen-Packs 1 nach dem Stand der Technik dahingehend, dass besagte Polverbinder 7 von einer Montageplatte 10 form-, kraft- und/oder stoffschlüssig gehaltert sind. Es ist ein Modul geschaffen, welches eine schnelle und demgemäß kostengünstige Bestückung der Speicherzellen 3 mit Polverbindern 7 erlaubt. Bevorzugt besteht die Montageplatte 10 aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einem Kunststoff. Vorliegend sind die Polverbinder 7 mit der Montageplatte 10 mittels Clipsverbindung 11 (vgl. insbes. 6) formschlüssig verbunden. Demgegenüber können die Polverbinder 7 auch bei der Herstellung der Montageplatte 10 nach beispielsweise einem Kunststoff-Spritzgießverfahren bereits in dieselbe eingespritzt werden (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Um die Fügeverbindung zwischen einem Polterminal 4 einer elektrischen Speicherzelle 3 und einem Polverbinder 7 weiter zu optimieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Polterminal 4 und der Polverbinder 7, einen Überlappstoß ausbildend, unter Zuhilfenahme zumindest einer Laserquelle 12 mit Mehrfokustechnik untereinander stoffschlüssig durch Laserschweißung verbunden sind (vgl. 7b bis 8d).
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Dazu sind gemäß den 3 und 4 im Gehäuse 2 des Speicherzellen-Packs 1 eine Mehrzahl in Parallel- und/oder Reihenschaltung zusammenzuschaltende Speicherzellen 3 angeordnet, deren Polterminals 4 ausschließlich eben, d. h. plattenförmig ausgebildet sind. Bestückt werden derartige plattenförmige Polterminals 4 mit plattenförmigen Polverbindern 7, die plan auf besagte Polterminals 4 aufgelegt werden. Um die Bestückung der Polterminals 4 mit derartigen Polverbindern 7 zu vereinfachen, sind in Anlehnung an den oben beschriebenen Stand der Technik die Polverbinder 7 ebenfalls integraler Bestandteil einer Montageplatte 10 aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einem Kunststoff, und durch Form-, Kraft- und/oder Stoffschluss an der Montageplatte 10 gehaltert (vgl. 3, 5 und 6).
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Sind die plattenförmigen Polverbinder 7 nunmehr gleichzeitig, d. h. in einem einzigen Montageschritt, mittels der Montageplatte 10 mit ihrer einen Seite auf die betreffenden plattenförmigen Polterminals 4 aufgesetzt, können diese von der anderen Seite her nach dem oben bereits erwähnten Laserschweißverfahren unter Zuhilfenahme zumindest einer Laserquelle 12 mit Mehrfokustechnik mit besagten Polterminals 4 im Überlappstoß stoffschlüssig verbunden werden. Bevorzugt bestehen die Polterminals 4 und Polverbinder 7 aus einem kostengünstigen Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Mit Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung ist ein Werkstoff gewählt, der eine gute Stromleitfähigkeit mit einer guten Schweißeignung bezüglich besagter Laserstrahlschweißung kombiniert.
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Die Mehrfokustechnik gemäß den 7b, 8a–d dient im Vergleich zur herkömmlichen Einzelfokustechnik gemäß 7a (ein Fokuspunkt 13) im Wesentlichen der Prozessstabilisierung beim Laserschweißen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen mittels Laserstrahl 14; 14a, 14b, insbesondere zur Stabilisierung der sich beim Schweißen ausbildenden Dampfkapillare 15. Durch das gleichzeitige Verwenden mehrerer Fokuspunkte 13a, 13b (7b) gelingt es im Vergleich zur Einzelfokustechnik (7a), den Durchmesser der besagten Dampfkapillare 15 zu vergrößern, auf diese Weise ein nachteiliges Einschnüren der Dampfkapillare 15 zu verhindern und schließlich das ungehinderte Abströmen des sich beim Schweißen ausbildenden Metalldampfes zu gewährleisten. Das Abströmen des Metalldampfes stellt die Grundvoraussetzung für einen stabilen Laserschweißprozess dar. Die insbesondere bei Aluminium auftretenden laserspezifischen Schweißnahtfehler in Form von Prozessporen und Schmelzbadauswürfen können stark reduziert oder sogar vermieden werden. Im Ergebnis ist eine qualitativ hochwertige Schweißnaht 16 zu verzeichnen (6 und 10).
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Die 8a–d stellen ohne Anspruch auf Vollständigkeit äußerst schematisch vier bevorzugte Ausgestaltungen der Laseroptik/en 17 von Laserquellen 12 mit bevorzugter Doppelfokustechnik dar. So zeigt 8a zwei getrennte Bearbeitungs- respektive Laseroptiken 17a, 17b, denen je eine Laserquelle 12a, 12b zugeordnet ist. Hier ist eine sogenannte Addition der Laserstrahlen 14a, 14b zu verzeichnen, bei der die Fokuspunkte 13a, 13b während des Laserschweißprozesses mit einem bestimmten Fokusdurchmesser dF” und in einem bestimmten Fokusabstand „a” in Längs- bzw. Tandemanordnung (9a) oder in Parallelanordnung (9b) in Vorschubrichtung 18 relativ zu den Fügepartnern Polterminal 4 und Polverbinder 7 geführt werden. Gemäß 8b wird demgegenüber eine sogenannte Doppelfaser benutzt. Bei der Doppelfaser werden die Laserstrahlen 14a, 14b aus zwei Laserquellen 12a, 12b in ein Lichtleiterkabel 19 mit zwei Kernen 20a, 20b eingekoppelt und anschließend über ein und dieselbe Laseroptik 17 fokussiert. Des Weiteren ist es bei entsprechend hoher Laserleistung beispielsweise auch möglich, mittels optischer Keilplatte 21 (8c) oder eines geteilten Spiegels 22 (8d) einen Laserstrahl 14 zu teilen und somit zwei Fokuspunkte 13a, 13b zu erzeugen.
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Die vorstehend näher beschriebenen Ausführungen zu den Laseroptiken 17; 17a, 17b beziehen sich auf besagte Doppelfokustechnik mit im Ergebnis zwei Fokuspunkten 13a, 13b. Durch die Erfindung mit erfasst ist jedoch auch eine sogenannte Fokusmatrix mit drei oder mehr Fokuspunkten 13a, 13b, 13c, ... in verschiedensten Anordnungen zueinander (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Gemäß den 6 und 10 ist vorliegend zur stoffschlüssigen Verbindung der Fügepartner Polterminal 4 und Polverbinder 7 im Überlappstoß eine I-Schweißnaht 16, vorzugsweise eine geradlinige I-Schweißnaht 16 ausgebildet, wodurch ein überwiegend punktueller Wärmeeintrag in die besagten Fügepartner Polterminal 4 und Polverbinder 7 vermieden und eine etwaige thermische Überbelastung insbesondere der Speicherzelle 3 während des Schweißprozesses vermieden sind. Ferner kann bei einer I-Schweißnaht 16, die im Nachhinein als nicht in Ordnung eingeschätzt wird, einfacher eine zweite I-Schweißnaht 16 aufgebracht werden, als bei einer durch den Stand der Technik favorisierten Kehlnaht.
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Wie bereits oben ausgeführt, wurde in umfangreichen Versuchen zum Gegenstand der Erfindung gefunden, dass ein ausreichend fester Fügeverbund mit geringem elektrischen Übergangswiderstand zwischen den Fügepartnern Polterminal 4 und Polverbinder 7 erzielbar ist, wenn die Schweißnaht 16 eine Tiefe „t” von etwa 85% bis etwa 95%, vorzugsweise von etwa 91% der Gesamtmaterialstärke „s” der beiden Fügepartner Polterminal 4 und Polverbinder 7 aufweist (10). Bevorzugt beträgt die durch die Schweißnaht 16 realisierte unmittelbare Anbindungsfläche „A” mindestens 10 mm2, vorzugweise etwa 15 bis etwa 20 mm2 je 100 A zu gewährleistender Stromtragfähigkeit im Fügebereich der Fügepartner Polterminal 4 und Polverbinder 7. Dies wirkt sich im Hinblick auf einen zu erzielenden festen Fügeverbund mit geringem elektrischen Übergangswiderstand weiter vorteilhaft aus.
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Gemäß einer bevorzugten Laserschweißanordnung sind im Hinblick auf eine Doppelfokusoptik bei einem Fokusabstand „a” von etwa 0,6 mm, einer parallelen Fokusanordnung, einer Laserleistung von 4.200 bis 4.300 W und einer Vorschubgeschwindigkeit des Lasers von 3 m/min hohe Einschweißtiefen „t” von ≥ 3,5 mm erzielbar. Bei einer Materialstärke „s1” des Polterminals 4 aus Aluminium von 1,8 mm und einer Materialstärke „s2” des Polverbinders 7 aus Aluminium von 2,5 mm ergab sich im Versuch konkret eine Einschweißtiefe „t” von 3,9 mm. Die Breite „b” der Anbindungsfläche „A” betrug dabei 2 mm.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Speicherzellen-Pack
- 2
- Gehäuse
- 3
- Speicherzelle
- 4
- Polterminal
- 5
- Grundplatte
- 6
- Gewindebolzen
- 7
- Polverbinder
- 8
- Aufnahmebohrung
- 9
- Gewindemutter
- 10
- Montageplatte
- 11
- Clipsverbindung
- 12
- Laserquelle
- 12a, b
- Laserquellen
- 13
- Fokuspunkt
- 13a, b
- Fokuspunkte
- 14
- Laserstrahl
- 14a, b
- Laserstrahlen
- 15
- Dampfkapillare
- 16
- Schweißnaht
- 17
- Laseroptik
- 17a, b
- Laseroptiken
- 18
- Vorschubrichtung
- 19
- Lichtleitkabel
- 20a, b
- Kerne (Lichtleitkabel 19)
- 21
- optische Keilplatte
- 22
- geteilter Spiegel
- „dF”
- Fokusdurchmesser
- „a”
- Fokusabstand
- „t”
- Einschweißtiefe
- „s”
- Gesamtmaterialstärke der Fügepartner Polterminal 4 und Polverbinder 7
- „s1”
- Materialstärke Polterminal 4
- „s2”
- Materialstärke Polverbinder 7
- „A”
- durch die Schweißnaht 16 realisierte Anbindungsfläche zwischen den Fügepartnern Polterminal 4 und Polverbinder 7 (Stoffschluss)
- „b”
- Breite der Anbindungsfläche „A”
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19847190 A1 [0002]
- WO 2011/038908 A1 [0002]
- DE 102010039893 A1 [0002]
