DE102017128438A1

DE102017128438A1 - Zellverbinder, energiespeicher für ein fahrzeug sowie herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102017128438A1
Application number: DE102017128438.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Wagner; Alexander Hahn
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-06
Also published as: CN109860491A; CN109860491B

Abstract

Ein Zellverbinder (118) zum elektrisch leitenden Verbinden eines ersten Zellterminals (110) einer ersten Zelle (100) mit jeweils einem Zellterminal (112, 114, 116) von zumindest zwei weiteren Zellen (102, 104, 106), umfasst ein elektrisch leitfähiges Plattenelement (120). In dem Plattenelement (120) sind ausgeformt ein erster Kontaktbereich (122) zum Kontaktieren des ersten Zellterminals (110) und zumindest zwei weitere Kontaktbereiche (124, 126, 128) jeweils zum Kontaktieren jeweils des Zellterminals (112, 114, 116) der zumindest zwei weiteren Zellen (102, 104, 106), zumindest ein den ersten Kontaktbereich (122) abschnittsweise umgreifender erster Ausschnitt (130), der zwischen dem ersten Kontaktbereich (122) und einem benachbarten Kontaktbereich (124, 126, 128) der zumindest zwei weiteren Kontaktbereiche (124, 126, 128) angeordnet ist, wobei der erste Kontaktbereich (122) und die zumindest zwei weiteren Kontaktbereiche (124, 126, 128) jeweils eine kugelsegmentförmige Prägung aufweisen

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellverbinder zum elektrisch leitenden Verbinden eines ersten Zellterminals einer ersten Zelle mit jeweils einem Zellterminal von zumindest einer weiteren Zelle, einen Energiespeicher für ein Fahrzeug, welcher zumindest einen entsprechenden Zellverbinder aufweist, ein Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinders zum elektrisch leitenden Verbinden eines ersten Zellterminals einer ersten Zelle mit jeweils einem Zellterminal von zumindest zwei weiteren Zellen sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers für ein Fahrzeug.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Zellen von Energiespeichern in Kraftfahrzeugen beschrieben. Die Erfindung kann aber in jeder Anwendung genutzt werden, in welcher elektrische Zellen miteinander verbunden werden.
Batterien wie diese beispielsweise als Energiespeicher in (Plug-In-)Hybrid- oder Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, umfassen in der Regel eine Vielzahl von Batteriezellen, die in einer Kurzform auch einfach nur als Zellen bezeichnet werden. Jede Batteriezelle weist wenigstens eine negative Elektrode und eine positive Elektrode auf. Zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezellen weisen die Batteriezellen üblicherweise ein Zellterminal je Elektrode der Batteriezelle auf, welches mit der jeweiligen zugeordneten Elektrode elektrisch leitend verbunden ist. Sogenannte Zellverbinder verbinden einzelne Batteriezellen über die Zellterminals elektrisch miteinander zu einem Batteriemodul. Eine Anzahl von Batteriemodulen kann über entsprechende Zellterminals bzw. Anschlüsse mittels Zellverbinder zu einer auch in der allgemeinen Form als Energiespeicher bezeichneten Batterie oder Batteriepack verschaltet werden.
Ein Ziel bei dem Einsatz der Zellverbinder ist es, den Kontaktübergangswiderstand von dem Zellterminal zu dem Zellverbinder möglichst klein zu halten. Aus diesem Grund werden die Zellverbinder häufig mit den Zellterminals verschweißt. Die Zellterminals können dabei sockelartig auf einem Zellgehäuse ausgeformt sein. Eine Herausforderung des Schweißvorgangs ist die mit diesem einhergehende Hitzeentwicklung, welche die Batteriezellen schädigen kann. So wird teilweise anstelle des verschweißen auch auf ein Durchsetzfügeverfahren zurückgegriffen, um das Zellterminal mit dem Zellverbinder elektrisch leitfähig zu verbinden, wobei eine viel geringere Hitzeentwicklung infolge des Umformens im Vergleich zu einem Schweißvorgang festzustellen ist. Eine weitere Herausforderung sind mechanische Kräfte, welche während des Kontaktierens (unabhängig vom Verbindungsprozess) auf die Zellterminals wirken können.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Anzahl von Zellen eines Energiespeichers zu verbinden, wobei eine Hitzeeinwirkung auf die Zellen verringert wird und gleichzeitig eine sichere Verbindung mit einem geringen Übergangswiderstand zwischen einem Zellverbinder und den damit zu verbindenden Zellen eines Energiespeichers herstellbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
Ein erfindungsgemäßer Zellverbinder zum Verbinden von je einem Zellterminal von zumindest zwei Zellen umfasst ein Plattenelement. In dem Plattenelement sind zumindest zwei Kontaktbereiche, das heißt jeweils ein Kontaktbereich pro zu verbindendem Zellterminal, ausgeformt. Jeder der zumindest zwei Kontaktbereiche weist eine kugelsegmentförmige Prägung auf. Ein erster Kontaktbereich der zumindest zwei Kontaktbereiche ist eingerichtet zum Kontaktieren eines ersten Zellterminals einer ersten Zelle von den zumindest zwei Zellen. Ein zweiter Kontaktbereich der zumindest zwei Kontaktbereiche ist eingerichtet zum Kontaktieren eines zweiten Zellterminals einer zweiten Zelle von den zumindest zwei Zellen. Unter einer Zelle kann eine Batteriezelle für einen Energiespeicher insbesondere für ein Fahrzeug verstanden werden. Die Zellterminals sind jeweils mit einer Elektrode der jeweiligen Zelle verbunden.
Vorteilhafterweise ist ein solcher Zellverbinder eingerichtet, unterschiedliche Höhentoleranzen der Zellen bzw. der zu verbindenden Zellterminals der verschiedenen Zellen auszugleichen. Die kugelsegmentförmige Prägung der einzelnen Kontaktbereiche schafft in einem Punkt einen direkten Kontakt zwischen dem jeweiligen Zellterminal und dem zugeordneten Kontaktbereich des Zellverbinders und um diesen Kontaktpunkt herum einen kleinen Luftspalt, der kleiner oder gleich einer zugelassenen Toleranz für einen anschließenden Schweißprozess zum Verbinden der Kontaktbereiche des Zellverbinders mit den jeweiligen zugeordneten Zellterminals ist.
Der Zellverbinder besitzt über jedem Terminal eine kugelförmige bzw. kugelsegmentförmige Prägung. Unter einer kugelsegmentförmigen Prägung kann auch eine kalottenförmige Prägung oder kalottenförmige Delle verstanden werden. Die Erhebung der kugelsegmentförmigen Prägung auf einer ersten Seite des Plattenelements entspricht somit im Wesentlichen einer Senke auf der gegenüberliegenden Seite des Plattenelements. Dabei ist die Wandstärke über den Kontaktbereich im Wesentlichen unverändert. Durch die Prägung liegt der Zellverbinder bei definierten Punkten auf den Zellterminals auf. Wenn sich der Zellverbinder den unterschiedlich hohen Zellen bzw. Zellterminals anpasst, wird durch das Abrollen der kugelförmigen bzw. kugelsegmentförmigen Prägung ein einseitiges Abheben der Kontaktfläche der Kontaktbereiche verhindert. Zusätzlich werden durch die Prägung auch Toleranzen bezüglich der Parallelität der Zellterminals ausgeglichen. Für den Schweißprozess zum Verbinden des Zellverbinders mit den Zellen ist dadurch sichergestellt, dass bis zu einem bestimmten Radius um den Auflagepunkt der jeweiligen Kontaktbereiche auf den Auflageflächen der Zellterminals ein maximal zulässiger Luftspalt nicht überschritten wird. Durch die im Wesentlichen gleichbleibende Wandstärke des Plattenelements über den Kontaktbereich beziehungsweise über den Bereich der kugelsegmentförmigen Prägung kann im Zusammenspiel mit dem Luftspalt zwischen Kontaktbereich und Zellterminal rund um den Auflagepunkt eine Prozesssicherheit für den Schweißprozess erzielt werden.
Ein Durchmesser der kugelsegmentförmigen Prägung kann einem Durchmesser des zugeordneten Zellterminals im Wesentlichen entsprechen. Dabei kann eine Abweichung von bis zu 20% zulässig sein. Dabei kann der Durchmesser der kugelsegmentförmigen Prägung im Verhältnis zu einem Radius der kugelsegmentförmigen Prägung zumindest 1:5 betragen. Hierbei wird unter Radius ein Radius einer Kugel oder eines Kugelsegments verstanden, welches für eine Prägung für die kugelsegmentförmige Prägung verwendet wird. Unter dem Durchmesser wird der Durchmesser verstanden, welcher sich in dem Plattenelement abzeichnet und somit die Größe des Kontaktbereichs definiert. Gemeint ist also der Radius r der Kugel, die die Prägung definiert, und der Durchmesser D des Kreises, der sich durch die kugelsegmentförmige Prägung auf dem Plattenelement abzeichnet. So kann der Radius der kugelsegmentförmigen Prägung zumindest fünfmal größer sein als der Durchmesser der kugelsegmentförmigen Prägung. Insbesondere kann das Verhältnis 1:10 oder 1:15 oder insbesondere 1:20 betragen. So kann der für einen Schweißprozess zum Verbinden des Zellverbinders mit einem Zellterminal notwendige Luftspalt in einem vordefinierten Toleranzbereich gehalten werden, auch wenn der Zellverbinder gekippt wird, um Höhentoleranzen zwischen Zellen beziehungsweise Zellterminals auszugleichen.
Ein dritter Kontaktbereich der zumindest drei Kontaktbereiche ist eingerichtet zum kontaktieren eines Dritten Zellterminals einer dritten Zelle von den zumindest drei Zellen. Weiterhin ist in dem Plattenelement eine (erste) Aussparung ausgeformt. Die (erste) Aussparung umgreift abschnittsweise den ersten Kontaktbereich. Die (erste) Aussparung ist zwischen dem ersten Kontaktbereich und einem benachbarten Kontaktbereich der zumindest zwei weiteren Kontaktbereiche angeordnet. Mit anderen Worten ist die (erste) Aussparung zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich oder alternativ zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem dritten Kontaktbereich angeordnet, unter der Bedingung, dass der jeweilige Kontaktbereich direkt benachbart zum ersten Kontaktbereich angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind auch nur sehr geringe Kräfte auf die Zellterminals auszuüben, da die Aussparung dazu führt, dass der benachbarte Kontaktbereich in Relation zu dem ersten Kontaktbereich Federn kann und somit eine elastische Verformung einfach erzielt werden kann. So kann der Zellverbinder mit geringen Niederhaltekräften an jedes Zellterminal angedrückt werden und die Zellterminals dabei mechanisch nicht überlastet werden. Wenn erforderlich können Bereiche des Zellverbinders über den elastischen Bereich hinaus plastisch verformt werden.
Der zumindest eine erste Ausschnitt kann halbkreisförmig ausgeformt sein und mehr als den halben Umfang des zugeordneten Kontaktbereichs, d. h. des ersten Kontaktbereichs, umgreifen.
Das Plattenelement kann zwei Teilplatten umfassen, welche mittels Walzplattierung, Durchsetzfügen, Ultraschallschweißen oder elektromagnetischem Impulsschweißen zusammengefügt sind. So kann eine erste Teilplatte im Wesentlichen ein erstes Material und eine zweite Teilplatte im Wesentlichen ein zweites Material aufweisen. So kann es sich bei dem ersten Material beispielsweise um Kupfer und bei dem zweiten Material um Aluminium handeln. Als Material kann beispielsweise ein Material aus der Gruppe von Kupfer, Aluminium, Edelstahl und Stahlblech mit einer Oberflächenbeschichtung ausgewählt werden. Das erste Material und das zweite Material können dabei an ein Material der Zellterminals angepasst sein. Wenn beispielsweise zwei Zellterminals in Serie und zwei weitere parallel verschaltet werden, und beispielsweise einer ersten Elektrode der Zellen ein Zellterminal mit dem ersten Material und einer zweiten Elektrode der Zellen ein Zellterminal mit dem zweiten Material zugeordnet ist, so kann durch die zwei Teilplatten aus unterschiedlichem Material das Material des Plattenelements bzw. der Kontaktbereiche an das Material der zu kontaktierenden Zellterminals angepasst werden.
Der Zellverbinder kann eine vierte kugelsegmentförmige Prägung aufweisenden, diese dient zum Kontaktieren eines vierten Kontaktbereichs eines vierten Zellterminals einer vierten Zelle. Dabei kann der Zellverbinder einen zweiten Ausschnitt zwischen dem vierten Kontaktbereich und einem hierzu benachbarten Kontaktbereich der zumindest zwei weiteren Kontaktbereiche, d. h. dem zweiten oder dritten Kontaktbereich, aufweisen. Dabei kann der zweite Ausschnitt im Wesentlichen gleich zum ersten Ausschnitt ausgeformt sein. So kann der zweite Ausschnitt halbkreisförmig ausgeformt sein und mehr als den halben Umfang eines zugeordneten Kontaktbereichs, d. h. den vierten Kontaktbereich oder einen hierzu benachbarten Kontaktbereich, umgreifen.
Die Kontaktbereiche des Zellverbinders können in einer Reihe angeordnet sein. So können der erste, zweite, dritte und vierte Kontaktbereich des Zellverbinders in einer Reihe angeordnet sein. Dabei ergeben sich zwei zueinander benachbarte mittlere Kontaktbereiche und zu jeweils einem von den mittleren Kontaktbereichen benachbarte äußere Kontaktbereiche. Dabei können der erste Ausschnitt und der zweite Ausschnitt jeweils zwischen einem der mittleren Kontaktbereiche und dem hierzu benachbarten äußeren Kontaktbereich der beiden äußeren Kontaktbereiche angeordnet sein. Dabei umgreifen der erste und der zweite Ausschnitt jeweils die beiden mittleren Kontaktbereiche.
Bei einem Zellverbinder mit einer geradzahligen Anzahl von Kontaktbereichen bilden die beiden mittleren Kontaktbereiche eine Wippe aus. Die diese beiden umgreifenden Aussparungen können derart ausgeformt sein, dass die an die beiden mittleren Kontaktbereiche jeweils benachbarten äußeren Kontaktbereiche über einen Mittelbereich der Wippe flexibel an diese angebunden sind. Diese flexible Anbindung ermöglicht eine elastische Verformung. Ein Verbindungsabschnitt zwischen einem die Wippe ausbildenden Plattenelementbereich und den äußeren Kontaktbereichen kann über den elastischen Bereich hinausgehend plastisch verformbar sein.
Wenn der Zellverbinder eine geradzahlige Anzahl von Kontaktbereichen und eine geradzahlige Anzahl von Ausschnitten aufweist, so können die Kontaktbereiche zueinander achsensymmetrisch angeordnet sein. So können, wenn der Zellverbinder eine geradzahlige Anzahl von Kontaktbereichen und eine geradzahlige Anzahl von Ausschnitten aufweist, die Kontaktbereiche zu einer Achse entlang der Längserstreckung des Zellverbinders achsensymmetrisch angeordnet sein. Ergänzend oder alternativ können, wenn der Zellverbinder eine geradzahlige Anzahl von Kontaktbereichen und eine geradzahlige Anzahl von Ausschnitten aufweist, die Kontaktbereiche zu einer Achse quer zur Längserstreckung des Zellverbinders, die mittig zwischen den beiden mittleren Kontaktbereichen angeordnet ist, achsensymmetrisch angeordnet sein. Dabei kann eine Außenkontur des Zellverbinders von der Achsensymmetrie abweichen.
Bei den Zellen kann es sich um Energiezellen eines elektrischen Energiespeichers handeln. Der Energiespeicher kann insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug geeignet sein. So ist der Zellverbinder insbesondere geeignet für einen Einsatz in einem Fahrzeug, um Energiezellen eines Energiespeichers zu Batteriemodulen zu verbinden.
Ein Energiespeicher für ein Fahrzeug mit zumindest zwei Zellen welche jeweils zumindest ein Zellterminal aufweisen und welche benachbart zueinander angeordnet sind, umfasst zumindest eine Variante eines hier beschriebenen Zellverbinders, welcher zumindest zwei Zellterminals d. h. jeweils ein Zellterminal der zumindest zwei Zellen, miteinander verbindet. Die Anzahl der zu verbindenden Zellen ist gleich oder kleiner der Anzahl der Kontaktbereiche des Zellverbinders.
Der Energiespeicher kann eine erste Zelle mit einem ersten Zellterminal, eine zweite Zelle mit einem zweiten Zellterminal, eine dritte Zelle mit einem dritten Zellterminal sowie eine vierte Zelle mit einem vierten Zellterminal aufweisen. Die vier Zellen können dabei in einer Reihe bzw. nebeneinander angeordnet sein, sodass die vier Zellterminals in einer Reihe angeordnet sind und mittels des Zellverbinders miteinander verbunden sind.
Ein Herstellungsverfahren für einen Zellverbinder zum elektrischen leitenden Verbinden eines ersten Zellterminals einer ersten Zelle mit einem zweiten Zellterminal einer zweiten Zelle umfasst einen Schritt des Bereitstellens sowie einen Schritt des Prägens. Im Schritt des Bereitstellens wird ein elektrisch leitfähiges Plattenmaterial bereitgestellt. Im darauf folgenden Schritt des Prägens werden je auszubildenden Kontaktbereich jeweils eine kugelsegmentförmige Prägung ausgeformt.
Der Zellverbinder kann geeignet sein, zumindest drei Zellen zu verbinden, beziehungsweise zumindest einem dritten Zellterminal einer dritten Zelle. Im Schritt des Prägens wird dann zumindest eine dritte kugelsegmentförmige Prägung angebracht, welche einen dritten Kontaktbereich ausformt. Bei einem Zellverbinder mit zumindest drei Kontaktbereichen kann in einem Schritt des Formens ein den ersten Kontaktbereich abschnittsweise umgreifender erster Ausschnitt zwischen dem ersten Kontaktbereich und einem hierzu benachbarten Kontaktbereich ausgeformt werden. Die Schritte des Prägens und Formens können parallel oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander ausgeführt werden. Im Schritt des Formens kann die Außenkontur des Zellverbinders und ergänzend oder alternativ der erste Ausschnitt als ein Stanzen durchgeführt werden. So kann das Zellterminal in einem Stanzbiegeprozess bzw. in einem Stanzformprozess gefertigt werden.
Ein Herstellungsverfahren für einen Energiespeicher für ein Fahrzeug umfasst die Schritte des Bereitstellens, des Anordnens, des Niederhalten sowie des Schweißens. Im Schritt des Bereitstellens werden eine erste Zelle und eine zweite Zelle bereitgestellt. Die bereitgestellten Zellen weisen jeweils zumindest ein Zellterminal auf. So weist die erste Zelle ein erstes Zellterminal auf, die zweite Zelle ein zweites Zellterminal, usw. Weiterhin wird eine Variante eines hier beschriebenen Zellverbinders bereitgestellt. In einem ersten Schritt des Anordnens werden die bereitgestellten Zellen benachbart zueinander angeordnet. In einem zweiten Schritt des Anordnens wird der bereitgestellte Zellverbinder oberhalb der Zellterminals der benachbart zueinander angeordneten Zellen positioniert. Im darauf folgenden Schritt des Niederhaltens werden die Kontaktbereiche des Zellverbinders in Richtung der darunterliegenden Zellterminals gedrückt, sodass jeweils ein Kontaktbereich in mechanischen Kontakt mit dem zugeordneten Zellterminal gelangt. Wie bereits beschrieben erfolgt dabei eine elastische oder über den elastischen Bereich hinausgehende plastische Verformung von Teilen des Zellverbinders, wenn der Zellverbinder zumindest drei Kontaktbereiche und zumindest einen Ausschnitt aufweist. Die Kontaktbereiche werden nun in dieser Position gehalten um im folgenden Schritt des Schweißens die Kontaktbereiche an die jeweils zugeordneten Zellterminals anzuschweißen.
Durch die geometrische Gestaltung der Kontaktbereiche insbesondere durch die kugelsegmentförmigen Prägungen ist für den Schweißprozess sichergestellt, dass bis zu einem bestimmten Abstand von einem Auflagepunkt des Kontaktbereichs auf dem Zellterminal ein vorab definierter maximaler Luftspalt nicht überschritten wird.
Das Niederhalten der Kontaktbereiche kann durch eine Schweißvorrichtung erfolgen, welche eingerichtet ist, zumindest den Schritt des Niederhaltens sowie den Schritt des Schweißens durchzuführen.
Anstelle des Schritts des Schweißens kann ein Schritt des Verbindens oder Fügens treten in dem der Kontaktbereich mit dem zugeordneten Zellterminal dauerhaft elektrisch und mechanisch verbunden wird.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine dreidimensionale Darstellung von vier Zellen eines Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 eine Seitenansicht von vier Zellen eines Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 eine Aufsicht auf vier Zellen eines Energiespeichers mit einem diese verbindenden Zellverbinder gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Seitenansicht eines Zellterminals einer Zelle und eines Kontaktbereichs eines Zellverbinders gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine dreidimensionale Darstellung von vier Zellen eines Energiespeichers mit einem diese verbindenden Zellverbinder gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
6 eine Seitenansicht eines Zellverbinders gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit Kraftpfeilen zur Simulation von wirkenden Kräften;
7 eine dreidimensionale Darstellung eines Zellverbinders gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Energiespeicher gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
9 ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens für einen Zellverbinder gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
10 ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens für einen Energiespeicher gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung einen Ausschnitt von vier nebeneinander angeordneten Zellen 100, 102, 104, 106 eines Energiespeichers 108. Die vier Zellen 100, 102, 104, 106 weisen jeweils ein Zeltterminal 110, 112, 114, 116 auf, welches an einer Seite der Zellen angeordnet ist und aus dem Gehäuse der Zellen 100, 102, 104, 106 hervorsteht. Jede der Zellen 100, 102, 104, 106 weist wenigstens eine negative Elektrode, d. h. Katode, und eine positive Elektrode, d. h. Anode, auf. Diese sind nicht dargestellt, da sich diese innerhalb des Gehäuses der Zellen 100, 102, 104, 106 befinden. Die dargestellten Zellterminals 110, 112, 114, 116 sind jeweils mit einer Elektrode der Zellen elektrisch leitend verbunden.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das erste Zeltterminal 110 der ersten Zelle 100 sowie das zweite Zellterminal 112 der zweiten Zelle 102 im Wesentlichen aus Aluminium und das dritte Zeltterminal 114 der dritten Zelle 104 sowie das vierte Zellterminal 116 der vierten Zelle 106 im wesentlichen aus Kupfer. So sind das erste Zellterminal 110 und das zweite Zellterminal 112 mit der Anode der jeweiligen Zelle 100, 102 und das dritte Zellterminal 114 sowie das vierte Zellterminal 116 mit der Katode der jeweiligen Zelle 104, 106 verbunden. In anderen Varianten können die beiden Zellterminals einer Zelle auch aus dem gleichen Material gefertigt sein, dies ist vom jeweiligen Zelltyp bzw. Hersteller abhängig.
2 zeigt die vier Zellen 100, 102, 104, 106 des Energiespeichers 108 in einer Seitenansicht. Dabei werden die unterschiedlichen Höhen, die sich aus Fertigungstoleranzen bei den Zellen ergeben deutlich. Diese Höhentoleranzen sind von einem Zellverbinder entsprechend auszugleichen, wenn die entsprechenden Zellen verbunden werden sollen.
3 zeigt in einer Aufsicht einen Zellverbinder 118 zum elektrisch leitenden Verbinden des ersten Zellterminals 110 der ersten Zelle 100, des zweiten Zellterminals 112 der zweiten Zelle 102, des dritten Zellterminals 114 der dritten Zelle 104 sowie des vierten Zellterminals 116 der vierten Zelle 106. Der Zellverbinder 118 ist über den Zellterminals 110, 112, 114, 116 angeordnet. Der Zellverbinder 118 weist ein elektrisch leitfähiges Plattenelement 120 auf. In dem Plattenelement 120 sind vier Kontaktbereiche 122, 124, 126, 128 ausgebildet. Weiterhin weist das Plattenelement 120 zwei Ausschnitte 130, 132 auf. Der erste Kontaktbereich 122 ist eingerichtet zum Kontaktieren des ersten Zellterminals 110, der zweite Kontaktbereich 124 ist eingerichtet zum Kontaktieren des zweiten Zellterminals 112, der dritte Kontaktbereich 126 ist eingerichtet zum Kontaktieren des dritten Zellterminals 114 und der vierte Kontaktbereich 128 ist eingerichtet zum Kontaktieren des vierten Zellterminals 116. Die beiden Ausschnitte 130, 132 sind halbkreisförmig ausgebildet. Die Ausschnitte stellen einen Durchbruch durch das Plattenelement 120 dar. Der erste Ausschnitt 130 umgreift den ersten Kontaktbereich 122, der zweite Ausschnitt 132 umgreift den dritten Kontaktbereich 126. Somit weist eine Öffnung der halbkreisförmigen Ausschnitte 130, 132 zu einander. Der erste Ausschnitt 130 umgreift mehr als den halben Umfang des zugeordneten ersten Kontaktbereichs 122, der zweite Ausschnitt 132 umgreift mehr als den halben Umfang des zugeordneten dritten Kontaktbereichs 126. Somit umgreifen die beiden Ausschnitte 130, 132 abschnittsweise die beiden mittleren Kontaktbereiche 122, 126.
Die Kontaktbereiche 122, 124, 126, 128 weisen jeweils eine kugelsegmentförmige Prägung auf. Somit wölbt sich das Plattenelement 120 im Bereich der Kontaktbereiche 122, 124, 126, 128 in Richtung der Zellterminals 110, 112, 114, 116. Dies ist deutlicher in dem Ausschnitt in 4 ersichtlich.
Wie bereits zu 1 beschrieben sind die Zellterminals 110, 112, 114, 116 aus unterschiedlichem Material, um den Zellverbinder 118 einfach mit den Zellterminals 110, 112, 114, 116 verschweißen zu können, ist es einfacher, wenn das Material des Zellverbinders 118 im jeweiligen Kontaktbereich 122, 124, 126, 128 dem Material des jeweils zugeordneten Zellterminal 110, 112, 114, 116 entspricht. Deshalb umfasst in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel das Plattenelement 120 eine erste Teilplatte 136 sowie eine zweite Teilplatte 138 welche mittels Walzplattierung zusammengefügt sind. Jeweils zwei Kontaktbereiche 122, 124, 126, 128 sind in einer Teilplatte 136, 138 angeordnet. Der erste Kontaktbereich 122 sowie der zweite Kontaktbereich 124 sind in der im Wesentlichen aus Aluminium bestehenden ersten Teilplatte 136 ausgebildet, der dritte Kontaktbereich 126 sowie der vierte Kontaktbereich 128 sind in der im Wesentlichen aus Kupfer bestehenden zweiten Teilplatte 138 ausgebildet.
Wie noch deutlicher in 6 zu erkennen ist das Plattenelement 120 derart ausgeformt, dass die beiden mittleren Kontaktbereiche 122, 126, d. h. der erste Kontaktbereich 122 und der dritte Kontaktbereich 126 eine Wippe 140 ausbilden und die beiden äußeren Kontaktbereiche 124, 128, d. h. der zweite Kontaktbereich 124 und der vierte Kontaktbereich 128 über einen Mittelbereich 142 der Mitte 140 flexibel an die Wippe 140 angebunden sind. Ein Verbindungsabschnitt 144 zwischen dem die Wippe 140 ausbildenden Plattenelementbereich, welcher durch die beiden Ausschnitte 130, 132 begrenzt wird und den ersten Kontaktbereich 122 und den dritten Kontaktbereich 126 umfasst, und den äußeren Kontaktbereichen 124, 128 ist über den elastischen Bereich hinausgehend plastisch verformbar. Dies wird in 6 und 7 auch noch mal deutlicher.
Die Anordnung der Kontaktbereiche 122, 124, 126, 128 sowie der Ausschnitte 130, 132 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel achsensymmetrisch. Dabei ist der Zellverbinder 118 zu einer in der Bildebene senkrecht stehenden Achse, welche quer zur Längserstreckung des Zellverbinders 118 ausgerichtet ist, achsensymmetrisch ausgeformt. Die Anordnung der Kontaktbereiche 122, 124, 126, 128 sowie der Ausschnitte 130, 132 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch in einer zu der ersten Symmetrieachse quer angeordneten Symmetrieachse entlang der Längserstreckung des Zellverbinders 118 achsensymmetrisch angeordnet. Die Außenkontur des Zellverbinders 118 ist zu dieser zweiten Symmetrieachse nicht vollständig achsensymmetrisch, könnte aber in einem alternativen Ausführungsbeispiel auch hierzu achsensymmetrisch sein.
Die Anordnung der Zellen 100, 102, 104, 106 mit dem Zellverbinder 118 sind Teil eines Energiespeichers 108.
4 zeigt einen Ausschnitt in einer Seitenansicht mit einem Zellterminal 110, 112, 114, 116 und einem daran angeordneten Kontaktbereich 122, 124, 126, 128. Gut zu erkennen ist die kugelsegmentförmige Prägung im Kontaktbereich 122, 124, 126, 128. Der Kontaktbereich 122, 124, 126, 128 liegt in einem definierten Punkt auf dem Zellterminal 110, 112, 114, 116 auf. Zwei senkrechte Markierungen 146 zeigen einen Ort für eine Schweißverbindung an. Diese Markierungen 146 befinden sich in einem definierten Abstand von der Mitte des Zellterminals 110, 112, 114, 116. Hier verbleibt ein dünner Spalt 147, auch als Luftspalt bezeichnet, zwischen dem Zellterminal 110, 112, der schon 114, 116 und dem Kontaktbereich 122, 124, 126, 128 des Zellverbinders 118. Die Breite dieses Spalts 147 ist kleiner einem vordefinierten Toleranzbereich für eine Schweißverbindung zwischen Zellterminal 110, 112, 114, 116 und dem zugeordneten Kontaktbereich 122, 124, 126, 128 des Zellverbinders 118.
Der Durchmesser D der kugelsegmentförmigen Prägung 134 steht in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel in etwa im Verhältnis zu einem Radius r der kugelsegmentförmigen Prägung 134 von 1:15. Hierbei wird unter Radius r ein Radius r einer Kugel oder eines Kugelsegments verstanden, welches für eine Prägung für die kugelsegmentförmige Prägung 134 verwendet wird. Unter dem Durchmesser D wird der Durchmesser D verstanden, welcher sich in dem Plattenelement 120 abzeichnet und somit die Größe des Kontaktbereichs 122 ff definiert. Gemeint ist also der Radius r der Kugel, die die Prägung definiert, und der Durchmesser D des Kreises, der sich durch die kugelsegmentförmige Prägung 134 auf dem Plattenelement 120 abzeichnet. Der Radius r der kugelsegmentförmigen Prägung 134 ist vorteilhafterweise fünfmal größer als der Durchmesser D der kugelsegmentförmigen Prägung 134. Insbesondere kann das Verhältnis 1:10 oder 1:15 oder insbesondere 1:20 betragen.
Die Darstellung in 5 entspricht weitgehend dem Ausschnitt des in 3 gezeigten Energiespeichers 108 in einer perspektivischen Darstellung. Somit ist die Beschreibung zu 3 analog anwendbar.
Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt immer einen Zellverbinder 118 zum Verbinden von vier Zellen 100, 102, 104, 106. Dem Fachmann ist jedoch auch klar, dass dies Prinzip auch für einen Zellverbinder 118 zum Verbinden von drei Zellen oder auch zum Verbinden von mehr als vier Zellen geeignet ist. Zum Verbinden von drei Zellen kann man gedanklich die vierte Zelle 106, den vierten Kontaktbereich 128 und den zweiten Ausschnitt 132 weglassen. Sollen nach der gleichen Idee mehr wie vier Zellen verbunden werden, so ist für jede weitere Zelle auch ein weiterer Ausschnitt erforderlich, welcher die weiter innen liegenden Zellen bis zur gedachten „Mittelachse“ umgreift. D. h. ein solcher Ausschnitt weist einen halbkreisförmigen Bogenabschnitt auf, wobei die beiden Enden dann weiter beispielsweise gerade verlängert sind in Richtung der gedachten „Mittelachse“. So würde beispielsweise bei einem Zellverbinder 118 für sechs Zellen ein dritter Ausschnitt den ersten und den zweiten Kontaktbereich und den ersten Ausschnitt abschnittsweise umgreifen und ein vierter Ausschnitt den dritten und den vierten Kontaktbereich und den zweiten Ausschnitt abschnittsweise umgreifen.
6 zeigt eine Simulation wirkender Kräfte auf einen Zellverbinder 118 unter der Annahme dass er vier Zellen 100, 102, 104, 106 mit Höhentoleranzen, wie diese in 2 dargestellt sind, verbindet. Der Zellverbinder 118 ist in einer Seitenansicht dargestellt. Die vier senkrechten Pfeile repräsentieren Niederhaltekräfte 148, welche durch eine Schweißvorrichtung im Bereich der kugelsegmentförmigen Prägung der Kontaktbereiche 122, 124, 126, 128 wirken.
Gut zu erkennen sind die als funktional als Wippe 140 wirkenden mittleren Kontaktbereiche 122, 126 und die daran elastisch angebundenen äußeren Kontaktbereiche 124, 128. Die beiden äußeren Kontaktbereiche 124, 128 sind flexibel an die Wippe 140 angebunden.
7 zeigt die in 6 gezeigte Simulation, wobei die auf den Zellverbinder 118 wirkende Belastung in einer isometrischen Perspektive dargestellt ist.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 150 mit einem Energiespeicher 108. Der Energiespeicher 108 umfasst eine Vielzahl von Zellen welche mittels einer Variante eines hier beschriebenen Zellverbinders 118 verbunden sind.
Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den 1 bis 8 als Referenz beibehalten.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens für einen Zellverbinder 118 zum elektrisch leitenden Verbinden von zumindest drei Zellterminals 110, 112, 114, 116. In einem ersten Schritt S1 wird ein elektrisch leitfähiges Plattenmaterial als Plattenelement 120 bereitgestellt. In einem Schritt S2 des Prägens werden kugelsegmentförmige Prägungen in dem Plattenelement 120 eingebracht, wobei je Kontaktbereich 122, 124, 126, 128 je eine kugelsegmentförmige Prägung eingebracht wird. In einem Schritt S3 wird zumindest ein erster Ausschnitt 130 in das Plattenelement 120 ausgebildet, welcher zumindest einen ersten Kontaktbereich 122 abschnittsweise umgreift. Im Schritt des Formens können weitere Ausschnitte 130, 132 ausgeformt werden, je nachdem wie viele Kontaktbereiche ausgebildet werden. So sind für vier Kontaktbereiche 122, 124, 126, 128 zwei Ausschnitte 130, 132 erforderlich.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens für einen Energiespeicher 108 für ein Fahrzeug 150. In einem ersten Schritt S11 wird eine erste Zelle 100, eine zweite Zelle 102 sowie zumindest eine dritte Zelle 104 bereitgestellt. Die Zellen 100, 102, 104, 106 weisen jeweils zumindest ein Zellterminal 110, 112, 114, 116 auf. Die bereitgestellten Zellen 100, 102, 104, 106 werden im darauf folgenden Schritt S12 nebeneinander angeordnet. Weiterhin wird in einem Schritt S13 ein Zellverbinder 118 auf den Zellterminals 110, 112, 114, 116 angeordnet. Die Kontaktbereiche 122, 124, 126, 128 des Zellverbinders 118 werden im Schritt S14 auf die Kontaktbereiche 122, 124, 126, 128 niedergehalten, sodass ein Teil des Kontaktbereichs 122, 124, 126, 128 mit einem Teil des zugeordneten Zellterminals 110, 112, 114, 116 in mechanischen Kontakt ist. Danach wird in einem Schritt S15 der Kontaktbereich 122, 124, 126, 128 mit einem Teil des zugeordneten Zellterminals 110, 112, 114, 116 verschweißt.
Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft
Bezugszeichenliste

100: erste Zelle
102: zweite Zelle
104: dritte Zelle
106: vierte Zelle
108: Energiespeicher
110: erstes Zellterminal
112: zweites Zellterminal
114: drittes Zellterminal
116: viertes Zellterminal
118: Zellverbinder
120: Plattenelement
122: erster Kontaktbereich
124: zweiter Kontaktbereich
126: dritter Kontaktbereich
128: vierter Kontaktbereich
130: erster Ausschnitt, erste Aussparung
132: zweiter Ausschnitt, zweite Aussparung
134: kugelsegmentförmige Prägung
136: erste Teilplatte
138: zweite Teilplatte
140: Wippe
142: Mittelbereich
144: Verbindungsabschnitt
146: Markierung
147: Spalt
148: Niederhaltekraft
150: Fahrzeug
Al: Aluminium
Cu: Kupfer
S1, S2, S3: Verfahrensschritte
S11, S12, S13, S14, S15: Verfahrensschritte

Claims

Zellverbinder (118) zum elektrisch leitenden Verbinden eines ersten Zellterminals (110) einer ersten Zelle (100) mit einem zweiten Zellterminal (112) einer zweiten Zelle (102), umfassend a. ein elektrisch leitfähiges Plattenelement (120), in dem ausgeformt sind: b. ein erster Kontaktbereich (122) zum Kontaktieren des ersten Zellterminals (110) und c. zumindest ein zweiter Kontaktbereich (124) zum Kontaktieren des zweiten Zellterminals (112) der zweiten Zelle (102), d. wobei der erste Kontaktbereich (122) und der zweite Kontaktbereich (124) eine kugelsegmentförmige Prägung aufweisen.
Zellverbinder nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis eines Durchmessers (D) zu einem Radius (r) der kugelsegmentförmigen Prägung 1:5, insbesondere 1:10, insbesondere 1:20 beträgt.
Zellverbinder nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Durchmesser der kugelsegmentförmigen Prägung im Wesentlichen einem Durchmesser des zu kontaktierenden Zellterminals entspricht.
Zellverbinder (118) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Plattenelement (120) zwei Teilplatten (136, 138) aus im Wesentlichen einem unterschiedlichen Material umfasst, insbesondere jeweils aus der Gruppe von Aluminium, Kupfer, Edelstahl oder Stahlblech mit einer Oberflächenbeschichtung, wobei jede Teilplatte (136, 138) zumindest einen der Kontaktbereiche (122, 124, 126, 128) umfasst.
Zellverbinder (118) nach dem vorangegangenen Anspruch, bei dem die beiden Teilplatten mittels Walzplattieren, Durchsetzfügen, Ultraschallschweißen und/oder elektromagnetischem Impulsschweißen zusammengefügt sind.
Zellverbinder nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit a. zumindest einem eine kugelsegmentförmige Prägung aufweisenden weiteren Kontaktbereich (126, 128) zum Kontaktieren eines Zellterminals (114, 116) einer zumindest einen weiteren Zelle (104, 106), und b. zumindest einen den ersten Kontaktbereich (122) abschnittsweise umgreifenden ersten Ausschnitt (130) zwischen dem ersten Kontaktbereich (122) und einem benachbarten Kontaktbereich (124, 126, 128) der zumindest zwei weiteren Kontaktbereiche (124, 126, 128).
Zellverbinder (118) nach dem vorangegangenen Anspruch, bei dem der zumindest eine erste Ausschnitt (130) halbkreisförmig ausgeformt ist und mehr als den halben Umfang des zugeordneten Kontaktbereichs (122, 124, 126, 128) umgreift.
Zellverbinder (118) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, mit einem eine kugelsegmentförmige Prägung aufweisenden vierten Kontaktbereich (128) zum Kontaktieren eines vierten Zellterminals (116) einer vierten Zelle (106) und mit einem zweiten Ausschnitt (132) zwischen dem vierten Kontaktbereich (128) und einem benachbarten Kontaktbereich (124, 126) der zumindest zwei weiteren Kontaktbereiche (124, 126).
Zellverbinder (118) nach dem vorangegangenen Anspruch, bei dem die vier Kontaktbereiche (122, 124, 126, 128) in einer Reihe angeordnet sind und die beiden Ausschnitte (130, 132) jeweils zwischen den beiden mittleren Kontaktbereichen (122, 124, 126, 128) und einem benachbarten Kontaktbereich (122, 124, 126, 128) der beiden äußeren Kontaktbereiche (122, 124, 126, 128) angeordnet sind, wobei die beiden Ausschnitte (130, 132) jeweils die beiden mittleren Kontaktbereiche (122, 124, 126, 128) umgreifen.
Zellverbinder (118) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die mittleren beiden Kontaktbereiche (122, 124, 126, 128) eine Wippe (140) ausbilden und die beiden Ausschnitte (130, 132) derart ausgeformt sind, dass die beiden äußeren Kontaktbereiche (122, 124, 126, 128) über einen Mittelbereich (142) der Wippe (140) flexibel an die Wippe (140) angebunden sind, wobei ein Verbindungsabschnitt (144) zwischen einem die Wippe (140) ausbildenden Plattenelementbereich und den äußeren Kontaktbereichen (122, 124, 126, 128) über den elastischen Bereich hinausgehend plastisch verformbar ist.
Zellverbinder (118) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, mit einer geradzahligen Anzahl von Kontaktbereichen (122, 124, 126, 128) und Ausschnitten (130, 132), die zueinander achsensymmetrisch angeordnet sind.
Zellverbinder (118) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, zum Einsatz in einem Fahrzeug (150) und/oder bei dem die Zellen (100, 102, 104, 106) Energiezellen eines elektrischen Energiespeichers (108) sind.
Energiespeicher (108) für ein Fahrzeug (150) mit einer ersten Zelle (100) und einer zweiten Zelle (102), die jeweils zumindest ein Zellterminal (110, 112) aufweisen und benachbart zueinander angeordnet sind und die Zellterminals (110, 112) mittels eines Zellverbinders (118) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche miteinander verbunden sind.
Energiespeicher (108) nach dem vorangegangenen Anspruch, mit einer dritten Zelle (104) und einer vierten Zelle (106), wobei ein erstes Zellterminal (110) der ersten Zelle (100), ein zweites Zellterminal (112) der zweiten Zelle (102), ein drittes Zellterminal (114) der dritten Zelle (104) sowie ein viertes Zellterminal (116) der vierten Zelle (106) in einer Reihe angeordnet sind und mittels des Zellverbinders (118) miteinander verbunden sind.
Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinders (118) zum elektrisch leitenden Verbinden eines ersten Zellterminals (110) einer ersten Zelle (100) mit einem Zellterminal (112, 114, 116) von zumindest einer weiteren Zellen (102, 104, 106), mit den folgenden Schritten: a. Bereitstellen (S1) eines elektrisch leitfähigen Plattenmaterials für ein Plattenelement (120); b. Prägen (S2) von zumindest zwei kugelsegmentförmigen Prägungen, um einen ersten Kontaktbereich (122) und zumindest einen weiteren Kontaktbereiche (124, 126, 128) zum Kontaktieren der Zellterminals (110, 112, 114, 116) auszuformen.
Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, bei dem im Schritt des Prägen zumindest eine dritte kugelsegmentförmige Prägung als zumindest dritter Kontaktbereich (126) ausgeformt wird und mit einem Schritt des Formen (S3) von zumindest einem den ersten Kontaktbereich (122) abschnittsweise umgreifenden ersten Ausschnitt (130) zwischen dem ersten Kontaktbereich (122) und einem benachbarten Kontaktbereich (124, 126, 128) der zumindest zwei weiteren Kontaktbereiche (124, 126, 128).
Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers (108) für ein Fahrzeug (150), mit den folgenden Schritten: a. Bereitstellen (S11) einer ersten Zelle (100) und einer zweiten Zelle (102), die zumindest ein Zellterminal (110, 112, 114, 116) aufweist sowie eines Zellverbinders (118) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8; b. Anordnen (S12) der zumindest zwei Zellen (100, 102, 104) benachbart zueinander; c. Anordnen (S13) des Zellverbinders (118) oberhalb der Zellterminals (110, 112, 114, 116) der benachbart zueinander angeordneten Zellen (100, 102, 104, 106); d. Niederhalten (S14) der Kontaktbereiche (122, 124, 126, 128) des Zellverbinders (118), sodass je ein Kontaktbereich (122, 124, 126, 128) in mechanischem Kontakt mit einem zugeordneten Zellterminal (110, 112, 114, 116) ist; und e. Schweißen (S15) der Kontaktbereiche (122, 124, 126, 128) an die jeweils zugeordneten Zellterminals (110, 112, 114, 116).