DE102012206830A1

DE102012206830A1 - Verfahren zum Verbinden von Polen von Batteriezellen

Info

Publication number: DE102012206830A1
Application number: DE102012206830A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Engler; Sonja Dudziak; Friedhelm Guenter; Reiner Ramsayer; Heinz Neubert; Christoph Bantel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-10-31
Also published as: US20150099152A1; EP2842183A1; WO2013160033A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Polen (13, 14) zweier Batteriezellen (10), mit einem als Litze (15) ausgebildeten, die Pole (13, 14) der Batteriezellen (10) miteinander verbindenden Verbindungselement. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Litze (15) unmittelbar mit einem Pol (13, 14) einer Batteriezelle (10) in einem Schweißbereich (17) mittels eines Laserstrahls (1) zur Ausbildung einer Laserstrahlverschweißung verbunden wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Polen von Batteriezellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In jüngerer Zeit rückt die Verbindung von Polen von Batteriezellen, insbesondere durch den Einsatz von Batteriezellen in Hybridfahrzeugen, mehr und mehr in den Fokus. Dabei besteht eine Aufgabe darin, die üblicherweise innerhalb eines Batteriemoduls angeordneten Einzelzellen elektrisch miteinander zu verbinden und die Batteriemodule ihrerseits wiederum zu einer Gesamtstromquelle zusammen zu schließen bzw. miteinander zu verbinden. Insbesondere besteht dabei der Wunsch, dass beispielsweise mechanische Belastungen auf die einzelnen Batteriezellen in den Batteriemodulen oder auf die Batteriemodule nicht zu einer Beeinträchtigung der Verbindung zwischen den einzelnen Polen der Batteriezellen bzw. zwischen den Batteriemodulen führen. Es ist somit eine gewissermaßen elastische elektrische Verbindung zwischen den Batteriepolen erwünscht. Aus diesem Grund ist beispielsweise aus der DE 10 2009 024 513 A1 ein Verfahren zum Verbinden von Polen von Batteriezellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt geworden, bei der ein Verbindungselement vorgesehen ist, das aus einem als Litze ausgebildeten Abschnitt und mit den jeweiligen Litzenenden verbundenen, starren und plattenförmigen Anschlusselementen besteht. Die Anschlusselemente sind wiederum mit den Polen der Batteriezellen verbunden. Als Litzen werden Aluminiumlitzen, Kupferlitzen, Aluminiumgeflechte oder Kupfergeflechte vorgeschlagen. Weiterhin ist es in der erwähnten Schrift offenbart, die Anschlusselemente, das heißt die plattenförmigen Bereiche des Verbindungselements, mit den Batteriepolen durch ein Laserschweißverfahren zu verbinden. Die aus der genannten Schrift bekannten Verbindungselemente sind durch deren mehrteilige Ausbildung (Litze und plattenförmige Anschlusselemente) relativ aufwändig herzustellen.
Aus der DE 10 2008 035 169 B3 ist ein weiteres Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem, ausgehend von einem litzenförmigen Verbindungselement Kontaktierungsplättchen vorgesehen sind, die wiederum mit den Batteriepolen der Batteriezellen verbunden sind. Hier findet eine Litze Verwendung, die über alle Pole der Batteriezellen reicht, wobei es vorgeschlagen wird, die Verbindungsbereiche zwischen der Litze und dem Kontaktierungsplättchen durch Ultraschallverschweißen herzustellen, wodurch eine homogene Verbindung mit möglichst geringem Übergangswiderstand geschaffen werden soll. Auch das aus der zuletzt genannten Schrift bekannte Verbindungselement ist durch dessen mehrteilige Ausbildung relativ aufwändig und somit kostenintensiv ausgebildet.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von Polen von Batteriezellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine besonders kostengünstige Verbindung zwischen den einzelnen Batteriezellen bei guten elektrischen Eigenschaften erzielt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Verbinden von Polen von Batteriezellen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, das die Litze im Anschlussbereich eines elektrischen Pols der Batteriezelle in einem Schweißbereich mit einer Laserverschweißung verbunden wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das erfindungsgemäße Verfahren als Verbindungselement als einziges Verbindungselement nur noch eine Litze aufweist, so dass sich Verfahrensschritte, die sich auf das Verbinden der Litze mit (plattenförmigen) Elementen zur Verbindung der Litze mit den Batteriepolen entsprechend dem Stand der Technik befassen, eingespart werden können. Dadurch wird eine besonders einfache und kostengünstige elektrische Verbindung zwischen den Polen von Batteriezellen ermöglicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Zur Erzielung eines möglichst geringen Übergangswiderstandes zwischen einem Pol einer Batteriezelle und der Litze ist eine möglichst großflächige bzw. stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Litzenmaterial und dem Pol der Batteriezelle erforderlich. Aufgrund der Ausbildung der Litze, bei der diese üblicherweise aus einem Drahtgeflecht, bestehend aus einer Vielzahl von Einzeldrähten besteht, befinden sich zwischen den Einzeldrähten Lufteinschlüsse, die eine sichere Verbindung zwischen der Litze bzw. dem Litzenmaterial und dem Pol der Batteriezelle sowie das Aufschmelzen des Materials beeinträchtigen. Aus diesem Grund ist es bevorzugt vorgesehen, dass beim Ausbilden der Laserverschweißung zwischen der Litze und dem Pol der Batteriezelle der Laserstrahl im Schweißbereich oszillierend bewegt wird. Unter einer oszillierenden Bewegung wird dabei eine Hin- und Herbewegung des Laserstrahls verstanden, die grundsätzlich sowohl in einer Vorschubrichtung des Laserstrahls, als auch senkrecht oder in einem Winkel zur Vorschubrichtung erfolgen kann. Durch die oszillierende Bewegung des Laserstrahls lassen sich insbesondere die Lufteinschlüsse zwischen den einzelnen Drähten der Litze gewissermaßen austreiben, so dass eine besonders gute Wärmeübertragung und Wärmeeinleitung durch den Laserstrahl erzeugt wird, die zu einer guten Aufschmelzung des Materials der Litze sowie des Pols der Batteriezelle und somit zu einer qualitativ hochwertigen Schweißverbindung führt.
In einer bevorzugten Variante der Bewegung des Laserstrahls wird vorgeschlagen, dass der Laserstrahl oszillierend senkrecht zu der Vorschubrichtung des Laserstrahls bewegt wird. Dadurch wird bei relativ geringen Prozesszeiten eine relativ breite Schweißnaht erzeugt, die aufgrund ihrer großen Fläche einen geringen elektrischen Widerstand aufweist.
Zur Verbesserung der Schweißverbindung kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Laserstrahl die Schweißnaht mehrfach überstreicht. Dadurch kann insbesondere eine relativ gleichmäßige Erwärmung des Schweißbereichs erfolgen, weil thermische Spannungsspitzen beim Erzeugen der Schweißnaht vermieden bzw. reduziert werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn als Litze ein Litzenband verwendet wird. Ein derartiges Litzenband weist (im Gegensatz zu einer Litze, die einen runden Querschnitt aufweist) bezogen auf ihre Breite eine relativ geringe Dicke auf, so dass bereits relativ geringe Energieeinträge in das Litzenband eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Litze und dem Pol der Batteriezelle ermöglicht, da der Laserstrahl nur eine relativ dünne Materialschicht (des Litzenbands) erwärmen muss.
Vorrichtungstechnisch lassen sich die Schweißstellen, die von dem Laserstrahl erzeugt werden besonders genau und einfach herstellen, wenn der Laserstrahl durch eine Optikeinrichtung bewegt wird. Diese Optikeinrichtung sorgt zum einen für die benötigte Vorschubbewegung des Laserstrahls, und zum anderen (falls vorgesehen) gleichzeitig für die oszillierende Bewegung des Laserstrahls.
Die Erfindung ist sowohl dafür geeignet, einzelne Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls miteinander elektrisch zu verbinden, als auch Batteriepole von miteinander zu verbindenden Batteriemodulen.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Die zeigt in:
1 eine vereinfachte Darstellung einer aus mehreren Batteriemodulen mit jeweils mehreren Batteriezellen bestehenden Batterieeinheit, deren Pole mit Litzen miteinander verbunden sind,
2 in Draufsicht den Verbindungsbereich zweier Pole von einander anschließenden Batteriezellen gemäß 1,
3 den Schweißbereich an einem Pol einer Batteriezelle in vergrößerter Einzeldarstellung zur Erläuterung der oszillierenden Bewegung des Laserstrahls und
4 eine vereinfachte Darstellung einer Laserstrahleinrichtung zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 sind zwei beispielhaft nebeneinander angeordnete Batteriemodule 11, 12 dargestellt, wie sie vorzugsweise, jedoch nicht einschränkend, als Bestandteil einer Stromversorgungseinheit in einem Hybridfahrzeug dienen. Selbstverständlich kann es auch vorgesehen sein, dass eine derartige Stromversorgungseinheit mehr als zwei Batteriemodule 11, 12 umfasst. Jedes der Batteriemodule 11, 12 beinhaltet mehrere vorzugsweise gleich ausgebildete Batteriezellen 10, wobei beispielhaft und vereinfachend davon ausgegangen wird, dass in dem Batteriemodul 11 sechs Batteriezellen 10 nebeneinander angeordnet sind. Ergänzend wird erläutert, dass eine derartige Energieversorgungseinheit in einem Hybridfahrzeug insgesamt in etwa einhundert Batteriezellen 10 umfassend kann, die auf entsprechende Batteriemodule 11, 12 aufgeteilt sind.
Jede Batteriezelle 10 weist einen Pluspol 13 und einen Minuspol 14 auf. Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass die einzelnen Batteriezellen 10 in den Batteriemodulen 11, 12 hintereinander geschaltet sind, d.h., dass jeweils ein Pluspol 13 einer ersten Batteriezelle 10 mit einem Minuspol 14 einer zweiten Batteriezelle 10 elektrisch verbunden wird. Die Batteriemodule 11, 12 können elektrisch wiederum ebenfalls in Reihe oder parallel verschaltet sein.
Die Verbindung zumindest zwischen den einzelnen Polen 13, 14 zwischen zwei Batteriezellen 10 in einem Batteriemodul 11, 12, vorzugsweise jedoch auch die elektrische Verbindung zwischen zwei Batteriemodulen 11, 12, erfolgt mittels als Verbindungselementen dienender Litzen 15. Die Litzen 15 bestehen bevorzugt zumindest im Wesentlichen aus Kupfer oder Aluminium und weisen eine Vielzahl von miteinander in Form eines Drahtgeflechtes oder ähnlichem miteinander verwobenen Einzeldrähten (Litzendrähten) auf. Die Litzen 15 sind jeweils besonders bevorzugt als Flachlitze ausgebildet, d.h., dass sie einen rechteckigen Querschnitt aufweisen mit einer relativ großen Breite und einer gegenüber der Breite relativ geringen Dicke. Mittels der Litzen 15 wird nicht nur die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Batteriezellen 10 bzw. den Batteriemodulen 11, 12 hergestellt, vielmehr dient die Litze 15 auch einem (flexiblen) Bewegungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen 10 bzw. zwischen den Batteriemodulen 11, 12.
Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass die Pole 13, 14 Anbindungsbereiche 16 aufweisen (2), die aus einem derartigen Material bestehen bzw. derart ausgebildet sind, dass zwischen dem jeweiligen Anbindungsbereich 16 und der Litze 15 eine Schweißverbindung mittels eines Laserstrahls 1 ausgebildet werden kann. Der Laserstrahl 1 wird entsprechend der 4 mittels einer Laserstrahleinrichtung 100 erzeugt, wobei die Position des Laserstrahls 1 zumindest im Anbindungsbereich 16 mittels einer Scanneroptik 110 in der Ebene des Anbindungsbereichs 16 verändert bzw. die Bewegung des Laserstrahls 1 gesteuert werden kann.
Durch Aufschmelzen des Materials der Litze 15 und des Anbindungsbereichs 16 in einem Schweißbereich 17 durch den Laserstrahl 1 wird die gewünschte stoffschlüssige Verbindung zwischen der Litze 15 und dem Verbindungsbereich 16 der Batteriezelle 10 hergestellt. In der 3 ist der Anbindungsbereich 16 sowie der Schweißbereich 17 an einer Batteriezelle 10 näher dargestellt, wobei auf die Darstellung der Litze 15 verzichtet wurde. Hierbei ist erkennbar, dass der Laserstrahl 1 in Überdeckung mit der Litze 15 einen serpentinenartigen Vorschubweg 18 aufweist, um den der Laserstrahl 1 oszillierend hin- und herbewegt wird. Durch eine derartige Bewegung des Laserstrahls 1 wird eine großflächige Erwärmung des Materials der Litze 15 und des Anbindungsbereichs 16 im Schweißbereich 17 erzielt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl 1 oszillierend senkrecht zur Vorschubrichtung des Laserstrahls 1 bewegt. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Laserstrahl 1, in Bezug auf die Vorschubrichtung des Laserstrahls 1, in Längsrichtung des Vorschubwegs 18 hin- und herbewegt wird. Wesentlich dabei ist, dass durch die angesprochene oszillierende Bewegung des Laserstrahls 1 innerhalb des Drahtgeflechts der Litze 15 vorhandene Lufteinschlüsse ausgetrieben werden können, so dass eine besonders gute Wärmeübertragung des Laserstrahls 1 auf die Litze 15 und auf den Anbindungsbereich 16 erzielt wird. Es genügt somit, die Litze 15 mit einer relativ geringen Niederhalte- bzw. Anlagekraft auf den Anbindungsbereich 16 zu positionieren bzw. zu drücken, um die gewünschte stoffschlüssige Verbindung zwischen der Litze 15 und dem Pol 13, 14 der Batteriezelle 10 zu erzeugen.
Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere ist die Wahl der geeigneten Laserstrahleinrichtung 100 sowie des verwendeten Materials für die Litze 15 und deren geometrische Dimensionierung von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängig. Auch wird die Form und Größe der Schweißverbindung zwischen der Litze 15 und dem Anbindungsbereich 16 gegebenenfalls von Fall zu Fall unterschiedlich gewählt werden müssen. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Laserstrahl 1 den Schweißbereich 17 zwischen der Litze 15 und dem Anbindungsbereich 16 mehrfach überstreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009024513 A1 [0002]
DE 102008035169 B3 [0003]

Claims

Verfahren zum Verbinden von Polen (13, 14) zweier Batteriezellen (10), mit einem als Litze (15) ausgebildeten, die Pole (13, 14) der Batteriezellen (10) miteinander verbindenden Verbindungselement, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (15) unmittelbar mit einem Pol (13, 14) einer Batteriezelle (10) in einem Schweißbereich (17) mittels eines Laserstrahls (1) zur Ausbildung einer Laserstrahlverschweißung verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) im Schweißbereich (17) oszillierend bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) vorzugsweise senkrecht zur Vorschubrichtung des Laserstrahls (1) oszillierend bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) den Schweißbereich (17) mehrfach überstreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Litze (15) ein Litzenband mit einem rechteckigen Querschnitt verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (15) zumindest im Wesentlichen aus Kupfer oder Aluminium besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstahl (1) durch eine Optikeinrichtung (110) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Batteriezellen (10) eines Batteriemoduls (11, 12) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Batteriezellen (10) aufweisende Batteriemodule (11, 12) miteinander verbunden werden.
Batteriemodul (11, 12), umfassend mehrere Batteriezellen (10), deren Pole (13, 14) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 miteinander verbunden sind.