DE102017220505B4 - Anschlusselement zur mechanischen und elektrischen Verbindung mit einem Kontaktelement einer elektrischen Speicherzelle, insbesondere einer Kontaktfahne einer Pouch-Zelle, sowie elektrisches Speicherzellenmodul - Google Patents

Abstract

Anschlusselement (1) zur mechanischen und elektrischen Verbindung mit einem Kontaktelement (2) einer elektrischen Speicherzelle (3), insbesondere einer Kontaktfahne (5) einer Pouch-Zelle (4), umfassend wenigstens eine in einer Aufsetzrichtung (8) offene Kontaktaufnahme (7) zur Aufnahme wenigstens eines Teils des Kontaktelements (2) und wenigstens ein Klemmorgan (9), das in einer Anpressstellung (10) zumindest abschnittsweise in die Kontaktaufnahme (7) hineinragt, wobei das Klemmorgan (9) aus einer mittels Phasenumwandlung in die Anpressstellung (10) überführbaren Formgedächtnislegierung gebildet ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Anschlusselement zur mechanischen und elektrischen Verbindung mit einem Kontaktelement einer elektrischen Speicherzelle, insbesondere einer Kontaktfahne einer Pouch-Zelle, sowie ein elektrisches Speicherzellenmodul, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Speicherzellen, insbesondere Pouch-Zellen.
• Es sind Batterien (Primärspeicher) und Akkumulatoren (Sekundärspeicher) zur Speicherung elektrischer Energie bekannt, die aus einer oder mehreren elektrischen Speicherzellen aufgebaut sind, in denen beim Anlegen eines elektrischen Verbrauchers chemische Energie in einer elektrochemischen Entladereaktion in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei werden Primärspeicher in der Regel nur einmal aufgeladen und sind nach Entladung zu entsorgen, während Sekundärspeicher mehrere Zyklen von Aufladung durch Anlegen eines Ladestroms und Entladung erlauben.
• In den letzten Jahren gewinnen Primär- und Sekundärspeicher auf der Basis von Lithiumverbindungen an Bedeutung. Diese weisen eine hohe Energiedichte und thermische Stabilität auf, liefern eine konstante Spannung bei geringer Selbstentladung und sind frei vom sogenannten Memory-Effekt.
• Seit einiger Zeit sind Pouch-Zellen aufgrund ihrer hohen Energiedichte im Fokus intensiver Entwicklungsbemühungen unter anderem in der Automobilindustrie, um eine geeignete technologische Plattform für Traktionsbatterien in elektrischen oder hybriden Antriebssystemen zu finden. Pouch-Zellen bestehen typischerweise aus mehreren parallel geschalteten galvanischen Elementen, deren Elektroden aus Folien ausgebildet und durch Separatoren getrennt werden. Diese Anordnung befindet sich innerhalb einer Ummantelung, die auch einen Elektrolyten aufnimmt und so eine Grundeinheit bildet. Diese wird dabei typischerweise derart nach außen abgeschlossen, dass eines oder mehrere ebenfalls aus einer Folie bestehende Ummantelungselemente mittels eines Fügeverfahrens miteinander zu einer Ummantelung verbunden werden, wobei flexible Kontaktfahnen aus der Ummantelung nach außen als Kontaktelemente herausgeführt werden.
• Es ist bekannt, Pouch-Zellen in einen Rahmen zu stapeln und deren Kontaktfahnen entweder in Reihe oder parallel miteinander zu verschalten, um hohe Spannung und/oder hohe Kapazitäten zu erreichen.
• Die DE 10 2009 009 923 A1 betrifft ein Kontaktierungselement zum elektrischen Anschließen eines Kontaktanschlusses einer elektrischen Zelle, insbesondere einer Batteriezelle, umfassend zumindest einen Deformationsabschnitt und zumindest zwei Klemmkanten, die an jeweils gegenüberliegenden Endabschnitten des zumindest einen Deformationsabschnittes abgestützt sind.
• Die DE 10 2009 040 146 A1 behandelt eine Schutzeinrichtung für galvanische Zellen, die über mit Polanschlüssen dieser Zellen in geeigneter Weise verbundene Kontaktelemente zu einer Batterie zusammengeschaltet sind. Die Schutzeinrichtung verfügt über eine Aktivierungseinrichtung zu ihrer Aktivierung. Bei Aktivierung der Schutzeinrichtung, überbrückt diese Schutzeinrichtung die ihr zugeordnete Zelle durch eine Veränderung der Zusammenschaltung und nimmt sie so aus dem Batterieverbund elektrisch heraus. In der Aktivierungseinrichtung bewirkt vorzugsweise ein elektrisch leitendes oder isolierendes Bauelement aus einem Formgedächtnismaterial die Veränderung der Zusammenschaltung durch eine Änderung der Form dieses Bauelements, sobald und/oder solange die Temperatur dieses Bauelements außerhalb eines definierten Temperaturbereichs liegt.
• In der US 2012/0058371 A1 ist eine elektrochemische Zellbatterie offenbart, die Stromsammelanschlüsse aufweist, die als Sicherheitsvorrichtung dienen. Die Batterie enthält eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind. Jede elektrochemische Zelle hat einen Stromsammelanschluss, der die positiven Stromkollektoren miteinander verbindet, und einen Stromsammelpunkt, der die negativen Stromkollektoren miteinander verbindet. Die Stromsammelanschlüsse werden auf die Stromkollektoren gecrimpt und weisen einen aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Verlängerungsarm auf, um zwei benachbarte elektrochemische Zellen miteinander elektrisch zu verbinden.
• Beim Stand der Technik werden für jeden Anwendungsfall jedoch unterschiedliche Gehäuse mit Befestigungsrahmen produziert. Dies verursacht einen hohen Konstruktions- und Produktionsaufwand. Außerdem ist die elektrische und mechanische Kontaktierung der flexiblen, nicht formstabilen Kontaktfahnen mit den herkömmlichen Verbindungstechniken wie Verschweißen oder Verschrauben nahezu unmöglich. Zudem verringert der Rahmen die Dichte, mit der einzelne Speicherzellen gestapelt werden können.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Anschlusselement bereitzustellen, mit welchem das Kontaktelement, beispielsweise die Kontaktfahne einer Pouch-Zelle, auf einfache und platzsparende Weise verbunden werden kann, und das höhere Energiedichten ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das eingangs genannte Anschlusselement gelöst, welches wenigstens eine in einer Aufsetzrichtung offene Kontaktaufnahme zur Aufnahme wenigstens eines Teils des Kontaktelements, und wenigstens ein Klemmorgan, das in einer Anpressstellung zumindest abschnittsweise in die Kontaktaufnahme hineinragt, umfasst, wobei das Klemmorgan aus einer mittels Phasenumwandlung in die Anpressstellung überführbaren Formgedächtnislegierung gebildet ist.
• Das eingangs genannte elektrische Speicherzellenmodul löst diese Aufgabe, indem es neben der Mehrzahl von elektrischen Speicherzellen, insbesondere Pouch-Zellen, ferner wenigstens ein Anschlusselement der vorliegenden Erfindung umfasst, in dessen Aufnahme wenigstens ein Teil eines Kontaktelements einer Speicherzelle aufgenommen und das in seiner Anpressstellung mechanisch und elektrisch mit einem Kontaktelement verbunden ist.
• Durch das erfindungsgemäße Anschlusselement können die klassischen Verbindungstechniken umgangen werden. Aufwändige Zusatzelemente wie Befestigungsrahmen werden überflüssig, da sich überraschenderweise gezeigt hat, dass mittels eines aus einer Formgedächtnislegierung gebildeten Klemmorgans auf einfache und zuverlässige Weise eine mechanische und elektrische Verbindung mit dem Kontaktelement einer elektrischen Speicherzelle hergestellt werden kann. Eine solche Verbindung ist auch mit den diesbezüglich problematischen Kontaktfahnen einer Pouch-Zelle in platzsparender Weise zu erreichen, was eine sehr hohe Stapeldichte von elektrischen Speicherzellen in einem elektrischen Speicherzellenmodul und somit eine sehr hohe Energiedichte ermöglicht.
• Die erfindungsgemäße Lösung kann mit den folgenden, jeweils für sich vorteilhaften und beliebig miteinander kombinierbaren Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen weiter verbessert werden.
• In einer Ausführungsform kann das wenigstens eine Klemmorgan aus einer Aufsetzstellung, in der es außerhalb der Kontaktaufnahme angeordnet ist, mittels Phasenumwandlung in die Anpressstellung überführbar ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich ein kraftloser Zusammenbau („Zero Insertion Force“) erreichen, wenn das Anschlusselement in seiner Aufsetzstellung in Aufsetzrichtung auf das Kontaktelement der elektrischen Speicherzelle, beispielsweise der Kontaktfahne einer Pouch-Zelle aufgesetzt wird. In der Aufsetzstellung ist das Klemmorgan außerhalb der Kontaktaufnahme angeordnet, so dass das Anschlusselement kraftlos aufgesetzt werden kann. Danach erfolgt die Phasenumwandlung, beispielsweise durch Erhitzen mittels Anlegens eines Stroms am Klemmorgan, wodurch die Formgedächtnislegierung in die Anpressstellung überführt wird, in der das Klemmorgan in die Kontaktaufnahme hineinragt und eine Anpresskraft auf das Kontaktelement in der Aufnahme ausübt.
• In einer weiteren Ausführungsform kann die Kontaktaufnahme zwischen zwei Klemmbacken angeordnet sein. Die Klemmbacken können eine Anlagefläche, welche in die Aufnahme hinein gerichtet, also der gegenüberliegenden Klemmbacke zugewandt ist, sowie eine der Anlagefläche gegenüberliegende Außenfläche aufweisen. Die Anlagefläche der einen Klemmbacke kann auf diese Weise als ein eine Gegenkraft erzeugender Anschlag für ein in die Kontaktaufnahme hinein ragendes Klemmorgan ausbilden. Die Klemmbacken, insbesondere deren Anlageflächen können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein, was ein sehr kompaktes Design ermöglicht. In dieser Ausgestaltung kann der Abstand zwischen den Klemmbacken, insbesondere zwischen deren Anlageflächen sehr gering sein. Es reicht für einen kraftlosen Zusammenbau aus, wenn der Abstand größer als die Dicke des Teils des Kontaktelements ist, welcher in der Aufnahme aufgenommen wird.
• In einer Ausführungsform können die zwei Klemmbacken über ein Joch miteinander verbunden sein. Auf diese Weise erhält man ein einstückig handhabbares Anschlusselement. Das Joch kann im Wesentlichen senkrecht zur Einsetzrichtung verlaufen, wobei eine Aufnahmeöffnung ausgebildet sein kann, welche dem Joch gegenüberliegt und durch welche das Kontaktelement in die Kontaktaufnahme eingeführt werden kann. Das Anschlusselement kann in einer Ausführungsform einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei die beiden Klemmbacken die Schenkel und das Joch die Verbindung des U-förmigen Querschnitts darstellen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das wenigstens eine Klemmorgan an einer der Klemmbacken angeordnet sein, was eine kompakte Bauweise ermöglicht, da das Klemmorgan unmittelbar an den strukturellen Elementen des Anschlusselements angeordnet ist, welche die Kontaktaufnahme begrenzen und ausbilden. Das Klemmorgan kann monolithisch mit der Klemmbacke ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform besteht die komplette Klemmbacke aus einer Formgedächtnislegierung. Da das Material einer Formgedächtnislegierung teuer ist, kann in einer kostenoptimierten Ausführungsform die Klemmbacke mit einer Aussparung versehen sein, in welcher das Klemmorgan eingelegt ist. Eine monolithische Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein zusätzlicher Arbeitsschritt für das Einlegen des Klemmorgans wegfällt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das wenigstens eine Klemmorgan in der Aufsetzstellung in der Ebene der Klemmbacke angeordnet sein, was eine kompakte Bauweise und enge Stapelung ermöglicht, da die Dicke des Anschlusselements in dieser Ausführungsform lediglich der Dicke der beiden Klemmbacken zuzüglich der Höhe der Kontaktaufnahme entspricht.
• Zudem ist es bei dieser Ausführungsform relativ einfach, die Niedertemperaturphase (Martensit), die vorzugsweise der Anpressstellung entspricht, auszubilden, indem das Klemmorgan kalt so deformiert wird, dass es in die Ebene des Klemmorgans hineingepresst wird.
• Es sind auch alternative Ausgestaltungen möglich, wie solche, bei welcher das Klemmorgan aus einer Außenfläche aus der Ebene der Klemmbacke herausragt, beispielsweise herausgewölbt ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform können wenigstens zwei Klemmorgane an einer der Klemmbacken angeordnet sein. Auf diese Weise ist es möglich, den erzeugten Anpressdruck über die Klemmbacke, insbesondere deren Anlagefläche zu verteilen. Beispielsweise können mehrere Klemmorgane quer zur Einsetzrichtung, beispielsweise senkrecht zur Einsetzrichtung an einer Klemmbacke angeordnet sein. Die Klemmorgane können dabei gleichmäßig über die Breite der Klemmplatte verteilt sein, und auf dieser Weise eine gleichmäßige Anpresskraft in der Kontaktaufnahme erzeugen.
• Um die Anpresskraft zu erhöhen, kann wenigstens ein Klemmorgan an jeder der beiden Klemmbacken angeordnet sein. Auf dieser Weise erzeugt das eine Klemmorgan an der einen Klemmbacke eine erste Anpresskraft in der Richtung, in der es in die Kontaktaufnahme hineinragt, und das andere Klemmorgan an der anderen Klemmbacke erzeugt eine dieser entgegengerichteten Anpresskraft von der anderen Klemmbacke aus.
• Die Klemmorgane an den sich gegenüberliegenden Klemmbacken können in einer Ausführungsform symmetrisch miteinander fluchtend angeordnet sein, also spiegelsymmetrisch hinsichtlich eines in der Kontaktaufnahme aufgenommen Teils des Kontaktelements platziert sein. Alternativ ist es möglich, dass die Klemmorgane an den sich gegenüberliegenden Klemmbacken asymmetrisch versetzt zueinander angeordnet sind. Die symmetrische Anordnung ermöglicht es, punktuell besonders hohe Anpresskräfte zu erzielen, wohingegen eine asymmetrisch versetzte Anordnung eine besonders gleichmäßige Verteilung der Anpresskraft über den in der Kontaktaufnahme aufgenommen Teil des Kontaktelements bewirkt.
• Eine gute Verteilung der Anpresskräfte kann auch bei einer weiteren Ausführungsform erreicht werden, in welcher in wenigstens einer Klemmbacke ein Schlitz ausgebildet ist. Der Schlitz verleiht der Klemmbacke eine gewisse Flexibilität, also Verformbarkeit, insbesondere in der von der Klemmbacke aufgespannten Ebene, wodurch sich die Klemmbacke als Reaktion auf die ausgeübten Anpresskräfte anpassen und die Anpresskräfte auf diese Weise besser verteilen kann. In einer Ausführungsform kann sich der Schlitz in Richtung Einsetzöffnung erstrecken, was eine Flexibilität quer zu dem Schlitz verbessert.
• Gemäß einer Ausführungsform können wenigstens zwei Klemmorgane an einer der Klemmbacken angeordnet sein und der Schlitz kann, zumindest abschnittsweise zwischen benachbarten Klemmorganen entlang verlaufen. Auf dieser Weise werden die Klemmorgane einer Klemmbacke hinsichtlich der von ihnen ausgeübten Anpresskräfte teilweise entkoppelt und die insgesamt von allen Klemmorganen, die an einer Klemmbacke angeordnet sind, ausgeübten Anpresskräfte verteilen sich gleichmäßiger über die Klemmbacke, insbesondere deren Anlagefläche.
• In einer Ausführungsform mit zwei Klemmbacken, die über ein Joch miteinander verbunden sind, kann sich der Schlitz von einem die beiden Klemmbacken verbindenden Joch weg, beispielsweise in Richtung Einsetzöffnung erstrecken. Da der Bereich der Klemmbacken, der am Joch angebunden ist, durch diese Anbindung besonders starr ist, erreicht man ein erhöhte Flexibilität bei dieser Ausführungsform genau in den Bereichen der Klemmbacken, in denen sie besonders vorteilhaft ist.
• In einer weiteren Ausführungsform kann der Schlitz das Joch und beide dadurch verbundenen Klemmbacken durchdringen. Das Anschlusselement erhält durch derartige Schlitze eine kammförmige Ausgestaltung, welche eine gute Flexibilität, insbesondere entlang der Richtung, in die sich das Joch erstreckt, hat.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das wenigstens eine Klemmorgan eine Druckplatte aufweisen. Die Druckplatte kann in der Anpressstellung in die Kontaktaufnahme hinein gewölbt sein. Eine derartige Wölbung konzentriert die Anpresskräfte punktuell und ist zudem konstruktiv einfach herzustellen, indem das Klemmorgan in seiner Hochtemperaturphase (Austenit), welche in der Regel der Anpressstellung entspricht, unter Temperatur und Druck eingeprägt wird.
• Formgedächtnislegierungen sind spezielle Metalle, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen (Phasen) existieren können. Sie werden auch als Memorymetalle bezeichnet, was daher stammt, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender Deformation scheinbar „erinnern“ können.
• Formgedächtnislegierungen haben, in der Regel abhängig von der Temperatur, zwei unterschiedliche Strukturen (Phasen). Die Formwandlung basiert damit auf der temperaturabhängigen Gitterumwandlung zu einer dieser beiden Kristallstrukturen. Es gibt die Austenit genannte Hochtemperaturphase und den Martensit, die Niedertemperaturphasen. Beide Phasen können durch Temperaturänderung ineinander übergehen. In der Regel wird in der Hochtemperaturphase die Anpressstellung des Klemmorgans eingeprägt. Anschließend wird das Klemmorgan kalt derart deformiert, dass es in seine Aufsetzstellung überführt wird.
• Die Strukturumwandlung aus der Aufsetzstellung (Martensit) in die Anpressstellung (Austenit) erfolgt in der Regel thermisch, beispielsweise dadurch, dass das Klemmorgan unter Strom leicht erwärmt wird. Dadurch kehrt es in seine Hochtemperaturphase zurück und wird aus der Aufsetzstellung in die Anpressstellung überführt.
• Durch eine geeignete Legierungsauswahl, welche einen Zweiweg-Effekt ermöglicht, bei welcher sich die Formgedächtnislegierung an beide Formen, Austenit, entsprechend der Anpressstellung, und Martensit, entsprechend der Aufsetzstellung, erinnert, wird es möglich, eine reversible Überführung des Klemmorgan aus der Aufsetzstellung in die Anpressstellung und zurück zu erzielen. Dies ermöglicht einen einfachen Austausch und eine besserte Wartung des erfindungsgemäßen Anschlusselements.
• Gemäß einer Ausführungsform kann das wenigstens eine Klemmorgan aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sein, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Nickel-Titan, Nitinol, Nickel-Titan-Kupfer, Kupfer-Zink, Kupfer-Zink-Aluminium und Kupfer-Zink-Nickel. Die Auswahl des Materials hängt unter anderem von der zu erzeugenden Anpresskraft, oder dem Material des Teils des Kontaktelements, das in der Kontaktaufnahme aufzunehmen ist, ab.
• Um besonders hohe Anpresskräfte zu erzeugen, kann das erfindungsgemäße Anschlusselement in einer weiteren Ausführungsform mit einem Umformungsabschnitt versehen sein, der durch Umformen stoff- und/oder formschlüssig mit dem Teil des Kontaktelement, das in der Kontaktaufnahme aufgenommen ist, verbunden werden kann. Beispielsweise kann das Anschlusselement mit einer Clinchfahne versehen sein. Alternativ können Schweißabschnitte am Anschlusselement, insbesondere dessen sich in Einsetzrichtung verlaufenden Rändern angeordnet sein, und an welchen das Anschlusselement mit einem Teil des Kontaktelements verschweißt werden kann.
• Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Anschlusselements mit einem Klemmorgan, das sich in seiner Hochtemperaturphase in der Anpressstellung befindet, ist, dass das Klemmorgan unter erhöhter Temperatur, und somit unter Stromfluss (bei Be- oder Entladung der Speicherzelle) immer in Richtung Hochtemperaturphase relaxiert, also in seine Anpressstellung ausgerückt wird. Es handelt sich dabei um ein selbst nachstehendes Klemmorgan, das verschleißfest und somit über lange Zeiträume, selbst bei harschen Bedingen, wie sie in Kraftfahrzeugen auftreten, zuverlässig einsatzfähig ist.
• Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Lösung anhand vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die dabei gezeigten Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen können beliebig miteinander kombiniert und weggelassen werden, je nachdem, welche Vorteile im Anwendungsfall erwünscht sind.
• In Folgenden werden für Elemente, die einander in Funktion und/oder Ausgestaltung entsprechen, die gleichen Bezugszeichen verwendet.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische perspektivisch Darstellung eines erfindungsgemäßen Anschlusselement einer ersten Ausführungsform, aufgesetzt auf das Kontaktelement einer elektrischen Speicherzelle;
• 2 eine Schnittdarstellung des Anschlusselements der 1 entlang der Schnittlinie A-A, also im Querschnitt parallel zur Aufsetzrichtung;
• 3A eine schematische Darstellung eines Anschlusselements einer zweiten Ausführungsform in einer Aufsetzstellung im Querschnitt parallel zur Aufsetzrichtung;
• 3B eine schematische Darstellung des Anschlusselements der zweiten Ausführungsform in einer Anpressstellung im Querschnitt parallel zur Aufsetzrichtung;
• 4A eine schematische Darstellung eines Anschlusselements einer dritten Ausführungsform in einer Aufsetzstellung im Querschnitt parallel zur Aufsetzrichtung;
• 4B eine schematische Darstellung des Anschlusselements der dritten Ausführungsform in einer Anpressstellung im Querschnitt parallel zur Aufsetzrichtung;
• 5A eine schematische Darstellung eines Anschlusselements einer vierten Ausführungsform in einer Aufsetzstellung im Längsschnitt senkrecht zur Aufsetzrichtung;
• 5B eine schematische Darstellung des Anschlusselements der vierten Ausführungsform in einer Anpressstellung im Längsschnitt senkrecht zur Aufsetzrichtung;
• 6A eine schematische Darstellung eines Anschlusselements einer fünften Ausführungsform in einer Aufsetzstellung im Längsschnitt senkrecht zur Aufsetzrichtung;
• 6B eine schematische Darstellung des Anschlusselements der fünften Ausführungsform in einer Anpressstellung im Längsschnitt senkrecht zur Aufsetzrichtung.
• In den 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform eines Anschlusselements 1 zur mechanischen und elektrischen Verbindung mit einem Kontaktelement 2 einer elektrischen Speicherzelle 3 gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform ist die elektrische Speicherzelle 2 eine Pouch-Zelle 4, deren Kontaktelement 2 als flexible Kontaktfahne 5 ausgebildet ist. In den 1 und 2 ist ein elektrisches Speicherzellenmodul 6 schematisch dargestellt, dass eine Mehrzahl, im gezeigten Beispiel drei elektrische Speicherzellen 3 umfasst.
• Das Anschlusselement 1 weist eine Aufnahme 7 auf. Die Aufnahme 7 ist in einer Aufsetzrichtung 8 offen und zur Aufnahme wenigstens eines Teils des Kontaktelements 2 ausgestaltet.
• Zur Orientierung ist in der 1 ein xyz-Koordinatensystem eingezeichnet. Die x-Achse entspricht dabei der Längsrichtung L des Anschlusselements 1. Die y-Achse entspricht der Breite B beziehungsweise Tiefe des Anschlusselements 1. Die Aufsetzrichtung A verläuft parallel zur Breite B und ist in Bezug auf das Koordinatensystem entgegengesetzt zur Richtung der y-Achse in 1 ausgerichtet. Die z-Achse entspricht schließlich der Höhe H des Anschlusselements 1 bzw. dessen Aufnahme 7.
• Das Anschlusselement 1 umfasst ferner wenigstens ein Klemmorgan 9, in der beispielhaft gezeigten Ausführungsform der 1 und 2 sind es vier Klemmorgane 9. Das Klemmorgan 9 ragt in einer Anpressstellung 10 (beispielhaft in den 1, 3B, 4B, 5B und 6B) in die Kontaktaufnahme 7 hinein. In der Anpressstellung 10 übt das Klemmorgan 9 eine Anpresskraft 11 aus, die in Kontaktaufnahme 7 hinein gerichtet ist. Das Klemmorgan 9 übt die Anpresskraft 11 auf das Kontaktelement 2 aus, das in der Kontaktaufnahme 7 platziert ist, so dass das Anschlusselement 1 mechanisch und elektrisch mit dem Kontaktelement 2 der Speicherzelle 3 verbunden ist.
• In der 1 sind beim beispielhaften Speicherzellenmodul 6 auf jeder der beider Kontaktfahnen 5 der drei Pouch-Zellen 4 ein Anschlusselement 1 so aufgesetzt, dass in dessen Kontaktaufnahme 7 ein Teil der Kontaktfahne 5 der Pouch-Zelle 4 aufgenommen und in der Anpressstellung 10 mechanisch und elektrisch mit der Kontaktfahne 5 verbunden ist. Durch die entsprechende Anordnung der verschiedenen Pouch-Zellen zueinander lassen sich auf einfache Weise die Pouch-Zellen 4 sowohl in Reihe als auch parallel zueinander schalten, um ein erwünschtes Speicherzellenmodul 6 auszubilden. Der Stapel der Speicherzellen 3 wird in z-Richtung aufgebaut und es bilden sich zwei Reihen von Kontaktfahnen 5, jeweils mit daran elektrisch und mechanisch verbundenen Anschlusselementen 1.
• Das Klemmorgan 9 des erfindungsgemäßen Anschlusselements 1 ist aus einer Formgedächtnislegierung gebildet, die mittels einer Phasenumwandlung in die Anpressstellung 10 überführbar ist. Das wenigstens eine Klemmorgan 1 kann, um es mechanisch und elektrisch mit dem Kontaktelement 2 der Speicherzelle 3 zu verbinden, aus einer Aufsetzstellung 13, in der es außerhalb der Kontaktaufnahme 7 angeordnet ist, mittels Phasenumwandlung in die Anpressstellung 10, in der es in die Kontaktaufnahme 7 hineinragt, überführbar ausgebildet sein. In 2 ist das erfindungsgemäße Anschlusselement 1 der ersten Ausführungsform in seiner Aufsetzstellung 13 gezeigt, wobei das Klemmorgan 9 dabei beispielhaft nach außen, von der Kontaktaufnahme 7 weg gewölbt ist.
• In der Aufsetzstellung 13 kann das Anschlusselement 1 kraftlos in Aufsetzrichtung 8 auf das distale Ende 12 des Kontaktelements 2 aufgeschoben werden, da die Dicke bzw. Höhe h1 des Kontaktelements 2 geringer als die lichte Weite bzw. Höhe h2 der Kontaktaufnahme 7 ist. Nach Aufsetzen des Anschlusselements 1, so dass wenigstens ein Teil des Kontaktelements 2 in der Kontaktaufnahme 7 aufgenommen ist, wird das Klemmorgan 9 aus seiner Aufsetzstellung 13 in seine Anpressstellung 10 überführt, beispielsweise indem es durch Anlegen eines Stroms leicht erwärmt und dadurch in seine Hochtemperaturphase überführt wird.
• In der gezeigten Ausführungsform weist das Klemmorgan 9 eine Druckplatte 20 auf, die in der Anpressstellung 10 in die Kontaktaufnahme 7 hinein gewölbt ist. In der beispielhaften Ausführungsform der 1 und 2 ist die Druckplatte 20 in der Aufsetzstellung 13 aus der Außenfläche der Klemmbacke 14 herausgewölbt.
• Die vom Formgedächtnislegierung, aus der das Klemmorgan 9 gebildet ist, kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe von Gruppe von Nickel-Titan, Nitinol, Nickel-Titan-Kupfer, Kupfer-Zink, Kupfer-Zink-Aluminium und Kupfer-Zink-Nickel, je nachdem aus welchem Material das Kontaktelement 2 besteht bzw. welche elektrischen und mechanischen Eigenschaften erwünscht sind.
• In den gezeigten Ausführungsformen ist die Kontaktaufnahme 7 beispielhaft zwischen zwei Klemmbacken 14, 14a des Anschlusselements 1 angeordnet. Die Klemmbacken 14, 14a weisen eine Anlagefläche 15 auf, die in die Kontaktaufnahme 7 hinein weist, sowie eine dieser Anlagefläche 15 gegenüberliegende Außenfläche 16, die nach außen von der Kontaktaufnahme 7 weg weist. Die beiden Klemmbacken 14, 14a sind als Klemmplatten ausgeformt und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Sie können, so wie in den beispielhaften Ausführungsformen gezeigt, über ein Joch 17 miteinander verbunden sein. Das Joch 17 verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Aufsetzrichtung 8, also in Längsrichtung L und ist der Einsetzöffnung 18, durch welche das distale Ende 12 des Kontaktelements 2 in die Kontaktaufnahme 7 eingeführt wird, entgegengesetzt. Wie in 2 und den folgenden Figuren gezeigt, kann das Anschlusselement 1 somit einen U-förmigen Querschnitt aufweisen und nach Art einer Spange bzw. Klemme aufgebaut sein, bei der die beiden Klemmbacken 14, 14a über das Joch 17 verbunden und in Höhenrichtung H elastisch auslenkbar sind.
• Das Klemmorgan 9 ist an einer der Klemmbacken, in dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 und 2 an der Klemmbacke 14 angeordnet. Dabei kann das aus einer Formgedächtnislegierung gebildete Klemmorgan 9 monolithisch mit der Klemmbacke 14 aufgebaut sein. In diesem Fall ist die komplette Klemmbacke 14 aus einer Formgedächtnislegierung aufgebaut. Es ist auch möglich, einen Einsatz (Inlay) einer Formgedächtnislegierung in Aussparungen (nicht gezeigt) der Klemmbacke 14 einzusetzen, um Material der Formgedächtnislegierung einzusparen bzw. die Möglichkeit zu haben ein anderes Material als eine Formgedächtnislegierung für die Klemmbacken 14, 14a zu verwenden, um bestimmte Voraussetzungen (Härte, Elastizität, Resistenz gegen bestimmte Substanzen etc.) zu erfüllen.
• Es können wenigstens zwei Klemmorgane 9 an einer Klemmbacke 14, 14a angeordnet sein. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 sind insgesamt vier Klemmorgane 9 an der Klemmbacke 14 angeordnet. Die vier Klemmorgane 9 sind quer zur Einsetzrichtung 8, nämlich in Längsrichtung L nebeneinander angeordnet. Die Klemmorgane 9 können über die gesamte Klemmbacke 14 gleichmäßig verteilt werden, um eine möglichst gleichmäßige Anpresskraft 11 zu erzeugen.
• Sind das oder die Klemmorgane 9 an wenigstens einer der Klemmbacken 14 angeordnet, wohingegen die andere, dieser gegenüberliegende Klemmbacke 14 keine Klemmorgane aufweist (beispielhafte Ausführungsform der 1 und 2) wird die der Anpresskraft 11 entgegenwirkende Gegenkraft durch die gegenüberliegende Klemmbacke 14a ausgeübt. In der gezeigten Ausführungsform wird die Gegenkraft aufgrund der klammer- bzw. spangenförmigen Ausgestaltung und des damit verbundenen Federdesigns begünstigt.
• Werden besonders hohe Druckkräfte zum mechanischen und elektrischen Verbinden benötigt, kann das Anschlusselement zusätzlich mit einem Clinch-, Crimp- bzw. Schweißabschnitt (nicht gezeigt) versehen sein, mit welchem das Anschlusselement zusätzlich zur Anpresskraft 11 mit dem Kontaktelement form- und/oder stoffschlüssig verbindbar ausgestaltet ist. Die Abschnitte zum Clinchen, Crimpen oder Verschweißen können vorzugsweise an den Randbereichen der Klemmbacken 14, 14a angeordnet sein, die in bzw. entgegen der Längsrichtung L weisen.
• Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, kann in der Klemmbacke 14 des Anschlusselements 1 ein Schlitz 19 ausgebildet sein. Der Schlitz kann sich beispielsweise in Einsetzrichtung 8 erstrecken. In der Ausführungsform der 1 und 2 ist jeweils ein Schlitz 19 zwischen zwei benachbarten Klemmorganen 9 der Klemmbacke 14 angeordnet. Auf diese Weise erreicht man eine gleichmäßigere Verteilung der Anpresskräfte 11 der Klemmorgane 9, weil der Klemmbacke 14 durch die Schlitze 19 Flexibilität in ihrer Ebene, die von der Länge L und Breite B aufgespannt wird, verliehen wird.
• In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der Schlitz 19 von dem Joch 17 ausgehend in Richtung Einsetzöffnung 18. Der Klemmbacke 14 wird somit ein kamm-artiges Design durch die Schlitze 19 verpasst, was eine gewisse Flexibilität der Klemmbacke 14 auch in dem ansonsten eher starren Bereich am Joch 17 verleiht. Alternativ wäre auch ein mäander-förmiger Aufbau möglich, bei welchem beispielsweise der mittlere Schlitz 19 von der Einsetzöffnung 18 ausgehend in Richtung des Jochs 17 in Einsetzrichtung 8 verläuft.
• Die Flexibilität des Anschlusselements 1 in der durch die Längen- und Breitenrichtung gebildeten Ebene kann ferner dadurch begünstigt werden, dass der Schlitz 19 sowohl das Joch 19 als auch beide Klemmbacken 14, 14a durchdringt.
• Das erfindungsgemäße Anschlusselement 1 ermöglicht somit eine effektive und platzsparende mechanische und elektrische Verbindung von Kontaktelementen 2 einer Speicherzelle 3, beispielsweise den Kontaktfahnen 5 einer Pouch-Zelle 4. Dadurch können die Speicherzellen 3 in einem Speicherzellenmodul sehr dicht gepackt und ein Speicherzellenmodul 6 mit einer hohen Energiedichte bereitgestellt werden.
• Nachfolgend wird unter Bezugnahme insbesondere auf die 3A bis 6B näher auf die Phasenumwandlung und die Überführung des Klemmorgans 9 aus seiner Aufsetzstellung 13 in seine Anpressstellung 10 eingegangen.
• In den 3A und 3B ist ein Anschlusselement 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform im Querschnitt gezeigt. In der 3A befindet sich das Anschlusselement 1 in seiner Aufsetzstellung 13, bei welcher die Klemmorgane 9 in der Ebene der Klemmbacken 14 bzw. 14a angeordnet sind.
• In 3B ist das Anschlusselement 1 in Anpressstellung 10 gezeigt, in welcher die Klemmorgane 9 in die Kontaktaufnahme 7 hineinragen, nachdem eine Phasenumwandlung der Formgedächtnislegierung stattgefunden hat.
• In der Ausführungsform der 3A und 3B ist an jeder der Klemmbacken 14, 14a jeweils ein Klemmorgan 9 angeordnet. Die beiden Klemmorgane 9 üben somit von beiden Seiten eine Anpresskraft 11 aktiv auf das Kontaktelement 2 in der Kontaktaufnahme 7 aus.
• Um der Formgedächtnislegierung die erwünschte räumliche Ausgestaltung der Klemmorgane 9 sowohl in der Aufsetzstellung 13 als auch der Anpressstellung 10 zu geben, kann dem Klemmorgan 9 zunächst unter Temperatur und Druck seine Konfiguration der Anpressstellung 10, in welcher es in die Kontaktaufnahme 7 hineinragt, eingeprägt werden. Diese Konfiguration entspricht der Hochtemperaturphase.
• Anschließend wird das Klemmorgan 9 kalt so deformiert, dass es aus der Kontaktaufnahme 7 heraus verformt wird, in der Ausführungsform der 3A und 3B beispielsweise so, dass es in die Ebene der Klemmbacken 14, 14a hineingeformt ist. Diese Konfiguration entspricht der Kalttemperaturphase.
• Um eine Rückkehr des Klemmorgans 9 aus der Kalttemperaturphase in die Hochtemperaturphase zu erreichen, kann das Klemmorgan unter Strom leicht erwärmt werden, wodurch innere Spannungen in der Formgedächtnislegierung abgebaut und der Phasenübergang bewerkstelligt wird.
• In den 4A und 4B ist eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines Anschlusselements 1 gezeigt.
• Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform der 1 und 2, mit der einzigen Ausnahme, dass das Klemmorgan 9 bei der Ausführungsform der 4A und 4B in seiner Aufsetzstellung 13 in der Ebene der Klemmbacke 14 angeordnet ist, und nicht wie bei Ausführungsform der 1 und 2 nach außen herausgewölbt ist.
• In den 3B und 4B ist der Raum der Kontaktaufnahme 7, welcher durch die Klemmbacken 14, 14a in der Kalttemperaturphase, also der 3A und 4A gebildet ist, teilweise durch eine gestrichelte Linie dargestellt, welche veranschaulicht, dass das Klemmorgan 9 in der Anpressstellung 10 in die Kontaktaufnahme 7 hineinragt, beispielsweise hineingewölbt ist.
• Abschließend wird unter Bezugnahme auf die 5A bis 6B auf weitere beispielhafte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Anschlusselemente 1 eingegangen. In den 5A bis 6B werden die Anschlusselemente 1 im Längsschnitt, also geschnitten in Längsrichtung L gezeigt dargestellt. Zudem wurde das Kontaktelement 2 in den 5A bis 6B weggelassen
• Bei diesen Ausführungsformen ist jede der Klemmbacken 14 mit mehren Klemmorganen 9 versehen, so dass beidseitig aktiv eine Anpresskraft 11 in die Kontaktaufnahme 7 hinein gerichtet ist, wenn sich das Anschlusselement in seiner Anpressstellung 10 befindet.
• Bei der Ausführungsform der 5A und 5B sind die Klemmorgane 9 an sich gegenüberliegenden Klemmbacken 14, 14a symmetrisch fluchtend miteinander angeordnet. Dadurch sind die Anpresskräfte 11 gegenüberliegender Klemmorgane 9 im Wesentlichen so entgegengerichtet, dass sie sich in einem gemeinsamen Punkt treffen.
• Im Unterschied dazu sind bei der beispielhaften Ausführungsform der 6A und 6B die Klemmorgane 9 an sich gegenüberliegenden Klemmbacken 14, 14a asymmetrisch versetzt zueinander angeordnet, wodurch eine gleichmäßigere Verteilung der Anpresskräfte 11 über die Kontaktaufnahme 7 erreicht wird.
• Bezugszeichen

1

Anschlusselement

2

Kontaktelement

3

elektrische Speicherzelle

4

Pouch-Zelle

5

Kontaktfahne

6

elektrisches Speicherzellenmodul

7

Kontaktaufnahme

8

Aufsetzrichtung

9

Klemmorgan

10

Anpressstellung

11

Anpresskraft

12

distales Ende des Kontaktelements

13

Aufsetzstellung

14, 14a

Klemmbacken

15

Anlagefläche

16

Außenfläche

17

Joch

18

Einsetzöffnung

19

Schlitz

20

Druckplatte

A

Aufsetzrichtung

B

Breite/Tiefe

H

Höhe

h1

Höhe des Kontaktelements

h2

Höhe der Kontaktaufnahme

L

Längsrichtung

X

x-Achse

Y

y-Achse

Z

z-Achse

Claims (15)

1. Anschlusselement (1) zur mechanischen und elektrischen Verbindung mit einem Kontaktelement (2) einer elektrischen Speicherzelle (3), insbesondere einer Kontaktfahne (5) einer Pouch-Zelle (4), umfassend wenigstens eine in einer Aufsetzrichtung (8) offene Kontaktaufnahme (7) zur Aufnahme wenigstens eines Teils des Kontaktelements (2) und wenigstens ein Klemmorgan (9), das in einer Anpressstellung (10) zumindest abschnittsweise in die Kontaktaufnahme (7) hineinragt, wobei das Klemmorgan (9) aus einer mittels Phasenumwandlung in die Anpressstellung (10) überführbaren Formgedächtnislegierung gebildet ist.
2. Anschlusselement (1) gemäß Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Klemmorgan (9) aus einer Aufsetzstellung (13), in der es außerhalb der Kontaktaufnahme (7) angeordnet ist, mittels Phasenumwandlung in die Anpressstellung (10) überführbar ausgebildet ist.
3. Anschlusselement (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Kontaktaufnahme (7) zwischen zwei Klemmbacken (14, 14a) angeordnet ist.
4. Anschlusselement (1) gemäß Anspruch 3, wobei das wenigstens eine Klemmorgan (9) an einer der Klemmbacken (14, 14a) angeordnet ist.
5. Anschlusselement (1) gemäß Anspruch 4, wobei das wenigstens eine Klemmorgan (9) in der Aufsetzstellung (10) in der Ebene der Klemmbacke (14, 14a) angeordnet ist.
6. Anschlusselement (1) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei wenigstens zwei Klemmorgane (9) an einer der Klemmbacken (14, 14a) angeordnet sind.
7. Anschlusselement (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ein Klemmorgan (9) an jeder der beiden Klemmbacken (14, 14a) angeordnet ist.
8. Anschlusselement (1) gemäß Anspruch 7, wobei die Klemmorgane (9) an den sich gegenüberliegenden Klemmbacken (14, 14a) symmetrisch miteinander fluchtend oder asymmetrisch versetzt zueinander angeordnet sind.
9. Anschlusselement (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei in wenigstens einer Klemmbacke (14, 14a) ein Schlitz ausgebildet ist.
10. Anschlusselement (1) gemäß Anspruch 9, wobei wenigstens zwei Klemmorgane (9) an einer der Klemmbacken (14, 14a) angeordnet sind und der Schlitz (19) zwischen benachbarten Klemmorganen (9) entlang verläuft.
11. Anschlusselement (1) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei sich der Schlitz (19) von einem die beiden Klemmbacken verbindenden Joch (17) in Aufsetzrichtung (8) erstreckt.
12. Anschlusselement (1) gemäß Anspruch 11, wobei der Schlitz (19) das Joch (17) und beide Klemmbacken (14, 14a) durchdringt.
13. Anschlusselement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das wenigstens eine Klemmorgan (9) eine Druckplatte (20) aufweist, die in der Anpressstellung (10) in die Kontaktaufnahme (7) hineingewölbt ist.
14. Anschlusselement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das wenigstens eine Klemmorgan (9) aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Nickel-Titan, Nitinol, Nickel-Titan-Kupfer, Kupfer-Zink, Kupfer-Zink-Aluminium und Kupfer-Zink-Nickel.
15. Elektrisches Speicherzellenmodul (6), umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Speicherzellen (3), insbesondere Pouch-Zellen (4) sowie wenigstens ein Anschlusselement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, in dessen Kontaktaufnahme (7) wenigstens ein Teil des Kontaktelements (2) einer Speicherzelle (3) aufgenommen und das in seiner Anpressstellung (10) mechanisch und elektrisch mit dem Kontaktelement (2) verbunden ist.

Images