DE102009047490A1

DE102009047490A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung

Info

Publication number: DE102009047490A1
Application number: DE102009047490A
Authority: DE
Inventors: Reiner Ramsayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-09
Also published as: EP2507853A1; US20120302107A1; JP2013513196A; WO2011067025A1; KR20120123025A; JP5638087B2; CN102640324A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung, insbesondere zwischen einem Kontaktstift (30, 32) und einem Querverbinder (34) an Batteriezellen (10) eines Batterie-Packs (12). Die Kontaktstifte (30, 32) werden aus einem Material A und die Querverbinder (34) aus einem Material B, welches vom Material A verschieden ist, hergestellt. Die Kontaktstifte (30) bzw. (32) können auch aus dem Material B und der laschenförmig ausgebildete Querverbinder (34) auch aus dem Material A hergestellt werden. Im Querverbinder (34) werden Öffnungen (35) oder schlitzförmige Öffnungsgeometrien (72) erzeugt. Es wird eine stoffschlüssige Verbindung (52, 58, 60, 64, 76, 78, 80) zwischen den Kontaktstiften (30, 32) und dem laschenförmig ausgebildeten Querverbinder (34) durch Laserschweißen hergestellt.

Description

Stand der Technik
WO 2006/016441 A1 bezieht sich auf eine Batterieanordnung, bei der dünne Metallplatten punktgeschweißt werden. An den dünn ausgebildeten Metallplatten werden durch Laserverschweißen verschiedene Schmelzpunkte erzeugt, wobei das metallische Material, aus dem die Metallplatten gefertigt sind, einen relativ niedrigen Schmelzpunkt aufweist. Die metallischen Platten sind aus Aluminium oder aus Kupfer gefertigt. Die metallischen Platten bilden eine Anordnung im Wesentlichen in laminarer Struktur. Sie sind in Stapelform angeordnet und bilden eine Batterieanordnung als Stapel.
WO 2007/112116 A2 bezieht sich auf ein Batteriemodul für Hybridfahrzeuge. Bei der Batterie handelt es sich um eine Lithiumionen- oder eine Nickelmetallhybridbatterie. Eine jede der Batteriezellen des Batteriemoduls steht miteinander in elektrischer Verbindung, wobei diese als Schweißverbindung ausgebildet ist. Die Schweißverbindung kann durch Widerstandsschweißen, Laserschweißen oder Ultraschallschweißen erzeugt werden. Die einzelnen Batteriezellen sind innerhalb eines isolierenden Rahmens eingelassen. Der isolierende Rahmen hält die einzelnen Zellen mit einem Relativabstand zu einander.
JP 2008-226519 A bezieht sich auf eine Batterieanordnung, die eine Anzahl von quaderförmigen Zellen aufweist. Die Anzahl quaderförmig ausgebildeter Zellen sind auf einem Positivelektrodenanschluss und einem Negativelektrodenanschluss ausgestattet, wobei die einzelnen Zellen in Reihe geschaltet sind. Der positive Elektrodenanschluss einer Zelle ist jeweils mit dem negativen Elektrodenanschluss an der anderen Zelle über Laserschweißen verbunden. Jede der Batteriezellen umfasst ein Sicherheitsventil, das auf der gegenüberliegenden Seite der Batteriezelle angeordnet ist.
Im Bereich der Kontaktierung von Batterien, so zum Beispiel Lithiumionenbatterien, die heute bei Hybridfahrzeugen eingesetzt werden, sind hohe Ströme zu übertragen. Dies erfordert zum einen hohe Querschnitte der Leitungsträger und zum anderen für den Einsatz im Automobil eine sehr hohe Zuverlässigkeit, eine hohe mechanische Festigkeit sowie eine dauerstabile, Erschütterungen aushaltende Verbindungstechnik.
Bei der Kontaktierung von Batteriezellen in einer Stackanordnung müssen die Anoden bzw. die Kathoden der Einzelzellen verbunden werden. Dabei ist einer der Anschlüsse, typischerweise bei einer Lithiumionenbatterie, aus einem Aluminiumwerkstoff hergestellt, und der andere Anschluss umfasst in der Regel einen Kupferwerkstoff. Diese Werkstoffe zeichnen sich beide durch eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aus.
Die einzelnen Batteriezellen des Batteriepacks werden über Aluminium- bzw. Kupferblechstreifen, die auch als Verbinder bezeichnet werden, miteinander kontaktiert und zu einem Stapel verbunden. Um möglichst gute Übergangswiderstände an den Kontaktstellen zu erreichen, werden stoffschlüssige Verbindungstechniken bzw. Fügetechniken bevorzugt.
Da die einzelnen Batteriezellen des Batteriepacks jedoch beim Fügeprozess nicht zu warm werden dürfen, womit eine Beschädigung der Zelle bzw. der sogenannte „Thermal Runaway” induziert werden könnte, ist der Wärmeeintrag beim stoffschlüssigen Fügeprozess möglichst zu minimieren.
Heutzutage werden beispielsweise die Zellen mangels geeigneter Fügeverfahren verschraubt. Jedoch ist diese Verbindungstechnik nicht ausreichend dauerstabil und die Übergangswiderstände bleiben zu hoch, was wiederum zu Verlusten und/oder zu unerwünschten Erwärmungen der Kontaktstellen führen kann.
Unabhängig davon, ob der Verbinder als Aluminium- oder Kupferstreifen ausgeführt wird, kann der Fall auftreten, dass eine Art ungleiche Verbindung Aluminium/Kupfer hergestellt werden muss.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Kontaktierungstechnologie zwischen artgleichen Kombinationen, d. h. Aluminium/Aluminium bzw. Kupfer/Kupfer und artungleichen Kombinationen, d. h. Aluminium/Kupfer, vorgeschlagen. Das Kontakieren erfolgt mittels des Laserschweißens, bei dem ein Querverbinder der Zellen über ein Laserschweißverfahren verbunden wird, sowie eine schweißgeeignete Konstruktion der jeweiligen Verbindungsstelle vorbereitet wird. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist eine prozesssichere Herstellbarkeit einer Verbindungsstelle aus einer artungleichen Kombination, im vorliegenden Zusammenhang Aluminium/Kupfer möglich.
Die artgleiche Kombination Aluminium/Aluminium bzw. Kupfer/Kupfer ist im Wege des stoffschlüssigen Fügeverfahrens einfacher zu beherrschen als das Schmelzschweißen von artungleichen Kombinationen Aluminium/Kupfer aufgrund der sich bildenden intermetallischen Phase sowie in Folge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Kupfer.
Zur Vermeidung der Bildung von intermetallischen Phasen ist es unbedingt notwendig, genau definierte Masseanteile der beiden Werkstoffe Aluminium und Kupfer im Schmelzbad aufzuschmelzen. Dies wird vorzugsweise durch das Laserverfahren, welches sehr präzise zu beherrschen ist und lokal begrenzte Wärme einbringt, möglich.
In einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird ein Pin vorzugsweise runder Geometrie aus einem Werkstoff A in einen Verbinder, der aus einem Werkstoff B gefertigt ist, eingesteckt und mittels Einkopplung von Laserstrahlung lokal aufgeschmolzen. Der Werkstoff des Verbinders, d. h. der Werkstoff B ist dabei vorzugsweise mit dem Werkstoff A des Pins plattiert.
Vorzugsweise wird als Pin-Werkstoff der niedrig schmelzendere Werkstoff verwendet, üblicherweise Aluminium, wobei der Verbinderwerkstoff der höher schmelzende Werkstoff, in der Regel Kupfer, ist. Aus dem Stand der Technik sind Aluminiumwalzplattierte Kupferwerkstoffe bekannt. Des Weiteren kann die Aluminiumbeschichtung auf die Kupferverbindung auch lokal aufgebracht werden.
Die Verbindung eines Pins, welcher aus Kupfer gefertigt ist, mit einem Verbinder aus Aluminium ist kritischer, da der Wärmeabfluss und die thermischen Eigenschaften hinsichtlich der Schmelztemperatur von Aluminium und Kupfer ungünstiger sind.
Diese Verbindungstechnik zweier Werkstoffe mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten ist Gegenstand der DE 103 59 564 B4 .
Wird die Bohrung im Verbinder innen in der Bohrung an der Innenseite einer Öffnung, so zum Beispiel einer Bohrung, mit dem Werkstoff A, d. h. dem Pin-Werkstoff, beschichtet, so kann der Pin auch in der Bohrung versenkt sein. Bei diesem Verfahren wird der Grundwerkstoff des Verbinders nicht aufgeschmolzen oder nur unwesentlich angeschmolzen. Die Verbindung erfolgt durch das Anschmelzen des Pin-Werkstoffes an die Verbinderbeschichtung auf der Innenseite der Öffnung, durch welche sich der Pin erstreckt.
In einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erfolgt eine Pin-Einschweißung, indem der Pin-Werkstoff A und der Verbinderwerkstoff B aufgeschmolzen werden. Hierbei ist dafür Sorge zu tragen, dass die Mischungsverhältnisse Aluminium/Kupfer im Schmelzbad eine Durchmischung ergeben, die keine Risse oder Fehlstellen erzeugt. Vorteilhaft bei dieser Schweißanordnung ist, wenn eine artgleiche Verbindung hergestellt wird, d. h. an einer anderen Kontaktseite des Verbinders, der dann artgleich mit der nächsten Zelle zu verbinden ist. Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Fügegeometrie beschrieben:
Es kann in vorteilhafter Weise eine Schweißverbindung hergestellt werden, die eine Ringnaht aufweist oder eine segmentierte Naht bei rechteckigem Querschnitt darstellt. Die segmentierte Naht hat den Vorteil, dass beim Auftreten von Rissen in der Naht, beispielsweise infolge unzureichender Durchmischung im Schmelzbad, oder aufgrund anderer Prozessstörungen, die Risse nur zum Versagen eines Segments führen können, und die anderen Segmente noch zur Stromübertragung und zur Festigkeitssicherung bereitstehen.
Zum Ausgleich von Toleranzen kann es sinnvoll sein, die eingesetzten Querverbinder nicht über eine Bohrung mit dem Pin zu verbinden, sondern eine Schlitzgeometrie zu wählen. Diese gleicht Längentoleranzen aus und ist mechanisch nicht überbestimmt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nahestehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 Ausführungen von Querverbindungen zwischen einzelnen Batteriezellen eines Batterie-Packs mittels Verschraubung,
2 die Prinzipskizze der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung,
3 eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung mit einem aus einem Werkstoff A gefertigten Kontaktstift und einem aus einem davon verschiedenen Werkstoff B gefertigten Querverbinder mit Durchgangsöffnung
4 eine Umschmelzung des Querverbinders im Kopfbereich des Kontaktstiftes und eine sich ergebende Kontaktzone,
5.1 bis 5.3 Ausführungsvarianten von stoffschlüssigen Verbindungen zwischen Querverbinder und Kontaktstift,
5.4 bis 5.7 Ausführungsvarianten von stoffschlüssigen Verbindungen, insbesondere Schweißnähten als Ringnaht, Segmentnaht oder U-Naht,
6.1 bis 6.3 Ausführungsvarianten von Kontaktverbindungen zwischen Kontaktstift und einem Querverbinder, der eine schlitzförmige Öffnung zum Ausgleich von Längentoleranzen aufweist,
6.4 bis 6.6 Ausführungsvarianten von stoffschlüssigen Verbindungen zwischen einem Querverbinder mit schlitzförmiger Öffnungsgeometrie und einem Kontaktstift mit Punktverschweißung, Segmentnahtverschweißung und O-Nahtverschweißung.
Der Darstellung gemäß 1 ist zu entnehmen, dass eine Anzahl von Batteriezellen 10 zu einem Batterie-Pack oder Batteriemodul 12 zusammengeschlossen sind. Eine jede der Batteriezellen 10 umfasst einen Anschlussstift 14. Die Anschlussstifte 14 von zwei Batteriezellen sind jeweils über eine als Querverbinder dienende Lasche 16 miteinander verschraubt. Die Verschraubung erfolgt mittels Muttern 18, die auf Außengewinde der Anschlussstifte 14 der einzelnen Batteriezellen 10 aufgeschraubt werden und mittels einer Scheibe 20 auf den Laschen 16 aufliegen. In der ebenfalls in 1 dargestellten Explosionsdarstellung ist gezeigt, dass auf den Anschlussstift 14 zunächst ein Schuh 24 aufgebracht wird, der wiederum die als Querverbinder dienende Lasche 16 abstützt. Auf der Oberseite der Lasche 16 liegt ein Kragen 22 auf, der die Scheibe 20 umfängt, die mittels der Mutter 18 verschraubt wird. Die in 1 dargestellte Verschraubung weist jedoch verschiedene Nachteile auf. Zum einen ist diese Verbindungstechnik nicht ausreichend dauerstabil, d. h. aufgrund der im Betrieb auftretenden Erschütterungen können sich die Schrauben lösen, selbst wenn sie gegeneinander fest angezogen sind. Des Weiteren ist ein Nachteil dieser Lösung die sich einstellenden hohen Übergangswiderstände, was zu Verlusten und/oder zu unerwünschten Erwärmungen im Bereich der Kontaktstellen führen kann. Die Werkstoffe insbesondere Kupfer, relaxieren mit der Zeit. Dies bedeutet, dass die Vorspannkraft einer Schraube mit der Zeit abnimmt wodurch sich der Übergangswiderstand erheblich verschlechtert.
Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß 2 ist in schematischer Darstellung ein Verschaltungsaufbau von Batteriezellen 10 zu einem Batterie-Pack oder Batteriemodul 12 zu entnehmen.
Jeder der Batteriezellen 10 umfasst einen ersten Kontaktstift 30, der zum Beispiel aus einem Werkstoff A, so zum Beispiel Aluminium, gefertigt wird, sowie einen weiteren, zweiten Kontaktstift 32, der aus einem Werkstoff B, so zum Beispiel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt ist. Der Werkstoff eines laschenförmig ausgebildeten Querverbinders 34 kann frei gewählt werden. Vorzugsweise handelt es sich beim Werkstoff des Querverbinders 34 um Aluminium oder Kupfer, da im vorliegenden Zusammenhang hohe elektrische Leitfähigkeiten gefordert sind.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können stoffschlüssige Fügestellen geschaffen werden, einerseits zwischen dem ersten Kontaktstift 30 und dem Querverbinder 34 und andererseits zwischen dem Querverbinder 34 und dem zweiten Kontaktstift 32 einer benachbarten Batteriezelle 10. In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden stoffschlüssige Fügestellen für artgleiche Kombinationen, zum Beispiel eine Aluminium/Aluminium-Paarung zwischen Querverbinder 34 und erstem oder zweitem Kontaktstift 30 bzw. 32 oder für eine weitere artgleiche Kombination, so zum Beispiel Kupfer-Kupfer, bereitgestellt, für den Fall dass der erste Kontaktstift 30 sowie der zweite Kontaktstift 32 und der Querverbinder 34 aus Kupfer hergestellt sind. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird neben den obenstehend skizzierten artgleichen Kombinationen an den sich ausbildenden stoffschlüssigen Fügestellen auch eine Kontaktierungstechnologie bereitgestellt, bei der durch Laserschweißen der Querverbinder 34 der einzelnen Batteriezellen 10 untereinander verbunden wird, und eine schweißgeeignete Konstruktion der sich einstellenden stoffschlüssigen Fügestellen, um eine artungleiche Werkstoffkombination, wie zum Beispiel zwischen Aluminium und Kupfer, prozesssicher herzustellen.
Das Schmelzschweißen einer artungleichen Kombination, d. h. einer Werkstoffkombination von Aluminium und Kupfer, ist durch die Bildung von intermetallischen Phasen sowie infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Kupfer äußerst kritisch. Demgegenüber sind artgleiche Kombinationen wie die obenstehend erwähnten Kombinationen Aluminium/Aluminium bzw. Kupfer/Kupfer wesentlich einfacher schweißtechnisch beherrschbar.
In vorteilhafter Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens werden zur Vermeidung von intermetallischen Phasen genau definierte Masseanteile der beiden Werkstoffe, d. h. von Aluminium und Kupfer, im Schmelzbad aufgeschmolzen. Durch die Größe des Fokus und die Lage des Fokuses des Lasers relativ zur Fügezone kann gezielt eine Aufmischung der beiden Fügepartner innerhalb des Schmelzbades herbeigeführt werden. Durch gezielte Wahl der Parameter, bei denen der Laser betrieben wird, so zum Beispiel die Laserleistung, Fokus oder eine zeitliche Strahlmodulation des Laserstrahles oder ein Pendeln beziehungsweise Kreisen desselben, was mit einer räumlichen Strahlmodulation gleichzusetzen ist, kann zudem die Strömung innerhalb des Schmelzbades beeinflusst werden. Dadurch kann erreicht werden, dass sich innerhalb des Schmelzbades die beiden Schmelzen so zum Beispiel Kupfer und Aluminium besonders gut vermischen, d. h. homogenisieren oder sich nur sehr gering ineinander mischen. Abhängig von der Geometrie der eingesetzten Legierungen und der Einspeistiefe beziehungsweise der Einspeisbreite am Bauteil werden die Parameter in Bezug auf die Umwälzung des Schmelzbades eingestellt. Ein Mischungsverhältnis im Bereich von Cu von 0% bis 53%, Rest Aluminium oder Cu von 91% bis 100%, Rest Aluminium ist besonders vorteilhaft. Durch geeignete Wahl der Kupfer- beziehungsweise der Aluminiumlegierung kann das Gefüge in der Schmelzzone weiter stabilisiert werden, so dass intermetallische Phasen zumindest erheblich reduziert werden können und im Idealfall ganz ausgeschlossen bleiben. Die stoffschlüssige Kontaktierung wird bevorzugt durch das Laserschweißverfahren hergestellt, das sehr präzise beherrschbar ist und lokal begrenzte Wärmeeinträge ermöglicht, welche die Batteriezellen nicht beeinträchtigen. Aus der Prinzipskizze gemäß 2 geht hervor, dass zwischen den einzelnen Batteriezellen 10, die durch die laschenartig ausgebildeten Querverbinder 34 stoffschlüssig miteinander verbunden werden, ein Abstand 36 vorliegt. Bei diesem Abstand kann es sich nur um wenige Millimeter handeln, so dass die Packungsdichte in einem Batterie-Pack 12, der in der Regel mehrere Batteriezellen 10, die gemäß dem Verschaltungsschema in 2 miteinander verschaltet sind, entfällt, zu erhöhen.
Der Darstellung gemäß 3 ist eine Umschmelzung eines Kontaktstiftes einer Batteriezelle zu entnehmen.
In der Ausführungsvariante gemäß 3 ist der Kontaktstift 30, 32 der nicht dargestellten Batteriezelle 10 aus einem Werkstoff A, so zum Beispiel Aluminium, gefertigt und weist eine vorzugsweise runde Geometrie auf. Der Kontaktstift 30, 32 umfasst eine Durchmesserstufe 40 oberhalb der in axiale Richtung sich der Kontaktstift 30, 32 in seinem Durchmesser verjüngt. Der verjüngte Bereich des Kontaktstiftes 30, 32 ragt in eine korrespondierend ausgebildete Öffnung im laschenförmig ausgebildeten Querverbinder 34, der aus dem Werkstoff B, so zum Beispiel Kupfer, gefertigt wird. Der Werkstoff des Querverbinders 34 ist an einer Oberseite, vergleiche Position 54, mit einer Plattierung oder einer Beschichtung 42 versehen, die aus dem Werkstoff gefertigt wird, aus dem der Kontaktstift 30, 32 gefertigt ist. In der in 3 dargestellten Ausführungsvariante ist die Beschichtung 42 aus dem Werkstoff A, d. h. aus Aluminium, gefertigt. Die Beschichtung kann auch aus einem anderen Werkstoff als der Werkstoff A und/oder der Werkstoff B bestehen. Die Beschichtung ist so herzustellen, dass diese geeignet ist sich mit dem umschmelzenden Werkstoff zu verbinden. Vorteilhaft sind neben den eingesetzten Grundwerkstoffen Al und Cu, Nickel, Silber und Zinn.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird als Werkstoff der Kontaktstifte 30 bzw. 32 bevorzugt der niedrig schmelzendere der Werkstoffe A und B eingesetzt, im vorliegenden Fall Werkstoff A, d. h. Aluminium. Als Werkstoff, aus dem der laschenförmig ausgebildete Querverbinder 34 gefertigt wird, wird in der Regel der höher schmelzende Werkstoff, in diesem Falle Werkstoff B, d. h. Kupfer, gewählt. Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass die in verringertem Durchmesser oberhalb der Durchmesserstufe 40 verbleibende Masse des Kontaktstiftes 30, 32 umgeschmolzen ist, so dass sich eine Kontaktzone 48 zwischen dem laschenförmig ausgebildeten Querverbinder 34 einerseits und einem Hinterschnitt 36 unterhalb eines Pilzes 44 des Kontaktstiftes 30 bzw. 32 einstellt. Die Umschmelzung des Kontaktstiftes 30 bzw. 32 erzeugt einen Hinterschnitt 46, an dem ein Kontakt zwischen den Werkstoffen der Beschichtung 42, d. h. im vorliegenden Falle des Werkstoffes A, d. h. Aluminium, und dem Werkstoff des Kontaktstiftes 30, 32 in der Kontaktzone 48, d. h. ebenfalls Werkstoff A, d. h. Aluminium, ergibt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene, im Zusammenhang mit den 3 und 4 erzeugten stoffschlüssigen Verbindungen werden sehr gute Übergangswiderstände an den Kontaktstellen erreicht im Vergleich zu den in 1 beschriebenen Verschraubungen zwischen den Kontaktstiften und den Querverbindern.
In der Darstellung gemäß 5.1 ist eine Versenkung des Kontaktstiftes 30, 32 in einer Öffnung des laschenförmig ausgebildeten Querverbinders 34 dargestellt. In dieser Ausführungsvariante besteht die Möglichkeit, bei einer Verkürzung des sich in axiale Richtung erstreckenden Bereiches mit verringertem Durchmesser oberhalb der Durchmesserstufe 40 den Kontaktstift 30 bzw. 32 in der Öffnung des laschenförmig ausgebildeten Querverbinders 34 zu versenken. Bevorzugt ist in der Ausführungsvariante gemäß 5.1 an den Seitenflächen der Öffnung im laschenförmig ausgebildeten Querverbinder 34 eine Beschichtung versehen, die aus dem Werkstoff gefertigt ist, aus dem der Kontaktstift 30 bzw. 32 selbst gefertigt ist, so dass sich eine identische Werkstoffpaarung im Bereich der in 4 dargestellten Kontaktzone 48 einstellt.
Den Darstellungen gemäß den 5.2 und 5.3 sind stoffschlüssige Verbindungen zwischen dem laschenförmig ausgebildeten Querverbinder 34 und dem Kontaktstift 30 bzw. 32 zu entnehmen.
Beiden umlaufend ausgebildeten stoffschlüssigen Verbindungen 52 ist gemeinsam, dass bei dieser Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen stoffschlüssigen Fügestellen der Grundwerkstoff des laschenförmig ausgebildeten Querverbinders 34 nicht aufgeschmolzen oder nur unwesentlich angeschmolzen wird. Die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung selbst im Rahmen der umlaufend ausgebildeten Naht 52 erfolgt durch das Einschmelzen des Werkstoffes des Kontaktstiftes 30, 32 an die Verbinderbeschichtung, d. h. an die Schicht, die an der Innenseite der Öffnung des laschenförmig ausgebildeten Querverbinders 34 aufgebracht ist. Wie vorstehend erwähnt, wird dazu bevorzugt der Werkstoff gewählt, aus dem der Kontaktstift 30 bzw. 32 selbst gefertigt ist.
Bei den 5.3. und 5.3 dargestellten Ausführungsvarianten wird eine umlaufende Schweißnaht 52 gesetzt, welche die stoffschlüssige Fügestelle zwischen dem Kontaktstift 30 bzw. 32 und dem laschenförmig ausgebildeten Querverbinder 34 darstellt. In den Ausführungsvarianten der 5.2 und 5.3 wird der Werkstoff des Kontaktstiftes 30 bzw. 32, so zum Beispiel Aluminium, und der Werkstoff des laschenförmig ausgebildeten Querverbinders, Werkstoff B, zum Beispiel Kupfer, aufgeschmolzen. Bei der Herstellung einer derartigen artungleichen Kombination Aluminium/Kupfer ist Sorge dafür zu tragen, dass die Mischungsverhältnisse Aluminium/Kupfer im Schmelzbad eine Durchmischung ergeben und sich keine Risse oder Fehlstellen einstellen. Vorteilhaft bei dieser Schweißanordnung ist eine artgleiche Kombination der miteinander zu fügenden Komponenten.
Aus den Darstellungen gemäß den 5.4 bis 5.7 gehen Geometrievariationen der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Kontaktstift und dem laschenförmig ausgebildeten Querverbinder näher hervor.
5.4 zeigt eine umlaufende, als Ringnaht ausgebildete stoffschlüssige Verbindung an der Oberseite des laschenförmig ausgebildeten Querverbinders 34, in 5.5. ist eine kontinuierlich ausgebildete Ringnaht 58 dargestellt, die sich auf der Oberseite 54 des laschenförmig ausgebildeten Querverbinders erstreckt. 5.6 zeigt eine segmentierte Naht 60, die ein im Wesentlichen quadratisches Aussehen hat, wobei in diesem Falle der Kontaktstift 30 bzw. 32 ebenfalls einen quadratischen Querschnitt aufweist. Die segmentierte Naht 60 umfasst einzelne Nahtsegmente 66, die an freibleibenden Ecken 62 nicht zusammenstoßen, sondern jede für sich eine stoffschlüssige Verbindung darstellt. Die segmentierte Naht 60 hat den Vorteil, dass beim Auftreten von Rissen in der Naht, so zum Beispiel infolge unzureichender Durchmischung im Schmelzbad oder bei anderen Prozessstörungen, die Risse nur zum Versagen eines der Nahtsegmente 66 führen können und die verbleibenden Nahtsegmente 66 nach wie vor zur Stromübertragung und zur Festigkeitssicherung bereitstehen.
In der Ausführungsvariante gemäß 5.7 ist eine Konfiguration einer segmentierten Naht 60 zu entnehmen, die im Wesentlichen eine U-Form aufweist und zwischen einem Kontaktstift 30, 32 ausgebildet ist, der eine rechteckige Querschnittsfläche aufweist und mit einem laschenförmig ausgebildeten Querverbinder 34 gefügt wird, der eine schlitzförmige Öffnung 72 aufweist. Die in der Darstellung gemäß 5.7 ausgebildete Nahtgeometrie verbindet das Material des Kontaktstiftes 30 bzw. 32 an drei Anlageseiten mit der schlitzförmigen Öffnungsgeometrie 72 des laschenförmigen Querverbinders 34.
In den Ausführungsvarianten der 5.4 bis 5.7 kann der laschenförmig ausgebildete Querverbinder 34 sowohl aus dem Werkstoff A, d. h. Aluminium, als auch aus dem Werkstoff B, d. h. Kupfer, gefertigt sein. Gleiches gilt für den Kontaktstift 30 bzw. 32, der ebenfalls sowohl aus dem Werkstoff A, d. h. Aluminium, wie auch aus dem Werkstoff B, d. h. Kupfer, gefertigt werden kann, so dass sich eine artungleiche Kombination bei den skizzierten Ausführungsvarianten einer stoffschlüssigen Verbindung ergibt. Unerheblich ist des Weiteren, ob der Kontaktstift 30 bzw. 32 einen runden Querschnitt oder, wie in Zusammenhang mit den 5.6 und 5.7 dargestellt, einen eckigen Querschnitt aufweist.
In der Figurensequenz der 6.1 bis 6.3 wird eine Ausführungsvariante einer nicht geschweißten Verbindung zwischen dem Kontaktstift 30 bzw. 32 und einem hier gekröpft ausgebildeten laschenförmigen Querverbinder 34 gezeigt. Der laschenförmige Querverbinder 34 umfasst zum Beispiel die Schlitzgeometrie 72 seiner Öffnung, so dass Längentoleranzen zwischen benachbarten Batteriezellen 10 eines herzustellenden Batterie-Packs 12 ausgeglichen werden können. Die in den 6.1 bis 6.3 ungeschweißt ausgebildete Verbindung, wie auch die in den 6.4 bis 6.6 dargestellte geschweißt ausgebildete Verbindung zwischen dem Kontaktstift 30 bzw. 32 und dem im Wesentlichen gekröpft ausgebildeten laschenförmigen Querverbinder stellt eine Ausführungsvariante zur Bohrung dar, welche bei den vorstehenden Ausführungsvarianten der 3 bis 5.5. beschrieben wurde. Bei dem Kontaktstift 30 bzw. 32 gemäß 6.1 befindet sich unterhalb einer kopfförmigen Abdeckung 70 eine Umlaufnut 68, in welche die schlitzförmige Öffnungsgeometrie 72 des gekröpft ausgebildeten laschenförmigen Querverbinders 34 hineinragt. 6.2 zeigt eine Ansicht von unter auf die in 6.1 dargestellte Verbindungsvariante, während die Darstellung gemäß 6.3 eine Draufsicht auf die ungeschweißte Verbindung gemäß der Darstellung in 6.1 wiedergibt.
Auch bei den in 6.1 bis 6.3 dargestellten ungeschweißten Verbindungen zwischen dem laschenförmig ausgebildeten Querverbinder 34 und dem Kontaktstift 30 bzw. 32 besteht die Möglichkeit einer artgleichen Kombination, d. h. einer Aluminium/Aluminium-Verbindung, oder einer Kupfer/Kupfer-Verbindung oder einer artungleichen Verbindung, d. h. einer Aluminium/Kupfer- oder einer Kupfer/Aluminium-Verbindung.
Die 6.4 bis 6.6 zeigen in Weiterbildung der ungeschweißten Ausführungsvarianten gemäß den 6.1 bis 6.3, dass die Verbindung zum Ausgleich von Längentoleranzen, wie vorstehend im Zusammenhang mit den 6.1, 6.2 und 6.3 skizziert, auch als eine stoffschlüssige Arretierung, d. h. als stoffschlüssige Verbindung ausgebildet werden kann. Dazu ist gemäß der 6.4 eine Punktverschweißung 76 vorgesehen, bei welcher die Abdeckung 70 mit dem in die Umlaufnut 68 hineinragenden Material des gekröpft und laschenförmig ausgebildeten Querverbinders 34 verschweißt wird. Anstelle der in 6.4 dargestellten Punktschweißens 76 besteht die Möglichkeit, eine Segment-Durchschweißung 78 vorzunehmen, bei welcher eine Segmentnaht 60, wie in 5.6 angedeutet, an lediglich drei Seiten durchverschweißt wird, so dass sich eine den Kontaktstift 30 bzw. 32 umschließende, jedoch nicht mit dem Umfang des verjüngten Abschnitts des Kontaktstiftes 30 bzw. 32 gefügte, stoffschlüssige Verbindung erreichen lässt.
6.6 zeigt eine Anlageverschweißung 80, bei der der Querverbinder 34 in drei Seiten anlageähnlich wie in Ausführungsvariante gemäß 5.7 mit den Seitenflächen des hier quadratisch konfigurierten Abschnittes des Kontaktstiftes 30 bzw. 32 stoffschlüssig gefügt ist, der eine geringere Seitenlänge aufweist, verglichen zum übrigen Material des Kontaktstiftes 30 bzw. 32.
Auch für die Ausführungsvarianten der 6.4 bis 6.6 gilt, dass eine artgleiche oder eine artungleiche Kombination der Werkstoffe Aluminium/Aluminium, Kupfer/Kupfer bzw. eine artungleiche Werkstoffkombination Aluminium/Kupfer bzw. Kupfer/Aluminium vorgenommen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/016441 A1 [0001]
WO 2007/112116 A2 [0002]
JP 2008-226519 A [0003]
DE 10359564 B4 [0016]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung, insbesondere zwischen einem Kontaktstift (30) bzw. (32) und einem Querverbinder (34) an Batteriezellen (10) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) dem Herstellen des Kontaktstiftes (30, 32) aus einem Material A und dem Herstellen des Querverbinders (34) aus einem von Material A verschiedenen Material B oder b) dem Herstellen des Kontaktstiftes (30, 32) aus dem Material B und des Querverbinders (34) aus dem Material A, c) dem Erzeugen einer Öffnung (35) im Querverbinder (34) und d) dem Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung (52, 58, 60, 64, 76, 78, 80) zwischen den Kontaktstiften (30, 32) und dem Querverbinder (34) durch Laserverschweißen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material A eine Aluminiumlegierung ist und dass das Material B Kupfer oder eine Kupferlegierung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (30, 32) bevorzugt in runder Geometrie ausgeführt und aus dem niedrig schmelzenderen Werkstoff A und B gefertigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querverbinder (34) aus dem Werkstoff der Werkstoffe A und B gefertigt wird, welcher der höher schmelzendere Werkstoff ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querverbinder (34) mit einer Beschichtung (42) desjenigen Werkstoffes der Werkstoffe A und B versehen ist, aus dem der Kontaktstift (30) bzw. (32) selbst gefertigt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (35) am Querverbinder (34) mit einer Beschichtung (42) desjenigen der Werkstoffe A, B versehen ist, aus denen der Kontaktstift (30, 32) gefertigt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt d) definierte Massenanteile der Werkstoffe A, B im Schmelzbad aufgeschmolzen werden, wobei der Massenanteil von Cu von 0% bis 53%, Rest Aluminium oder der Massenanteil von Cu von 91% bis 100%, Rest Aluminium beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Pilzform (44) gestaltete Umschmelzung des Querverbinders (34) an einer Durchmesserstufe (40) des Kontaktstiftes (30) bzw. (32) vorgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung gemäß Verfahrensschritt d) als Ringnaht (58) oder als segmentierte Naht (60) oder als U-Naht (64), als punktförmige Durchschweißung (76) oder als Segmentdurchschweißung (78) oder als Anlage-Schweißung (80) ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die punktförmige Durchschweißung (76) zwischen einer Abflachung (70) des Kontaktstiftes (30) bzw. (32) und einer schlitzförmigen Öffnung (72) im Querverbinder (34) erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentdurchschweißung (78) zwischen einzelnen Nahtsegmenten (66) der Segmentnaht (60) und einer schlitzförmigen Öffnung (72) im laschenförmig ausgebildeten Querverbinder (34) erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage-Schweißung (80) entlang einer Umlaufnut (68) der Kontaktstifte (30) bzw. (32) und einer schlitzförmigen Öffnung (72) des laschenförmig ausgebildeten Querverbinders (34) erzeugt wird.
Elektrische Kontaktierung zwischen einem Kontaktstift (30, 32) und einem Querverbinder (34), insbesondere zwischen Batteriezellen (10) eines Batterie-Packs (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (30) bzw. (32) mit einem laschenförmig ausgebildeten Querverbinder (34), der eine Öffnung (35) oder eine schlitzförmige Öffnungsgeometrie (72) aufweist, durch Laserschweißen stoffschlüssig gefügt ist, wobei die stoffschlüssige Verbindung (52) als Ringnaht (58), als segmentierte Naht (60), als U-Naht (64), als Punkt-Durchschweißung (76), als Segmentdurchschweißung (78) oder als Anlageverschweißung (80) zwischen dem laschenförmigen Querverbinder (34) und dem Kontaktstift (30) bzw. (32) ausgeführt ist.