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DE102020212933A1 - Welding system for producing an electrical contact in a battery module for a high-voltage battery - Google Patents

Welding system for producing an electrical contact in a battery module for a high-voltage battery Download PDF

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DE102020212933A1
DE102020212933A1 DE102020212933.9A DE102020212933A DE102020212933A1 DE 102020212933 A1 DE102020212933 A1 DE 102020212933A1 DE 102020212933 A DE102020212933 A DE 102020212933A DE 102020212933 A1 DE102020212933 A1 DE 102020212933A1
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welding
laser
welding system
vacuum
adapter part
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DE102020212933.9A
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Inventor
Alexander Breuer
Frederik Grau
Dennis BÖHM
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schweißanlage zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen zumindest einem Zellenpol (3) und einer Stromsammelschiene (5) eines Hochvolt-Batteriemoduls in einem Schweißprozess, in dem in einem ersten Prozessschritt der Zellenpol (3) und die Stromsammelschiene (5) als Schweißpartner in Stoßverbindung bringbar sind, und in einem zweiten Prozessschritt die beiden Schweißpartner (3, 5) an der Stoßverbindung miteinander verschweißt werden. Erfindungsgemäß ist der Schweißprozess als ein Unterdrucklaserschweißprozess realisiert, bei dem eine Lasereinheit (9) einen Laserstrahl (11) auf die Schweißstelle (7) appliziert. Die Schweißanlage weist eine Evakuiereinheit auf, die zumindest die unmittelbare Umgebung der Schweißstelle (7) während des Schweißprozesses mit Unterdruck beaufschlagt.The invention relates to a welding system for producing an electrical contact between at least one cell pole (3) and a busbar (5) of a high-voltage battery module in a welding process in which, in a first process step, the cell pole (3) and the busbar (5) are welded as partners can be brought into a butt joint, and in a second process step the two welding partners (3, 5) are welded to one another at the butt joint. According to the invention, the welding process is implemented as a vacuum laser welding process, in which a laser unit (9) applies a laser beam (11) to the welding point (7). The welding system has an evacuation unit which applies negative pressure to at least the immediate vicinity of the welding point (7) during the welding process.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißanlage zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen zumindest einem Batteriezellen-Zellenpol und einer Stromsammelschiene nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kontaktierung gemäß Anspruch 14.The invention relates to a welding system for producing an electrical contact between at least one battery cell cell pole and a busbar according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a contact according to claim 14.

Bei der Montage eines Batteriemoduls für eine Hochvoltbatterie werden eine Anzahl von Batteriezellen in einer Stapelrichtung zu einem Zellenpaket gestapelt. Das Zellenpaket wird anschließend in eine gattungsgemäße Schweißanlage transferiert, in der die Zellenpole/Ableiter der Batteriezellen mit Stromsammelschienen/Busbars verschweißt werden, um die Batteriezellen nach einem vorgegebenen Verschaltungsschema miteinander elektrisch zu verbinden.When assembling a battery module for a high-voltage battery, a number of battery cells are stacked in a stacking direction to form a cell pack. The cell pack is then transferred to a generic welding system in which the cell poles/conductors of the battery cells are welded to busbars/busbars in order to electrically connect the battery cells to one another according to a predetermined wiring diagram.

In dem gattungsgemäßen Schweißprozess werden in einem ersten Prozessschritt ein Zellenpol und die Stromsammelschiene als Schweißpartner in Stoßverbindung gebracht. In einem zweiten Prozessschritt werden die beiden Schweißpartner an der Stoßverbindung miteinander verschweißt.In the welding process of this type, in a first process step, a cell pole and the busbar are butt-joined as the welding partner. In a second process step, the two welding partners are welded together at the butt joint.

Es hat sich gezeigt, dass zum Beispiel beim Laserschweißen an Atmosphäre Schweißfehler auftreten, wodurch die Qualität der elektrischen Kontaktierung zwischen dem Zellenpol und der Stromsammelschiene beeinträchtigt wird. In diesem Fall ist eine fertigungstechnisch aufwendige Nachbearbeitung der elektrischen Kontaktierung erforderlich.It has been shown that, for example, during laser welding in the atmosphere, welding defects occur, as a result of which the quality of the electrical contact between the cell pole and the busbar is impaired. In this case, post-processing of the electrical contacting is required, which is complex in terms of manufacturing technology.

Aus der CN 10 695 6076 A ist eine Schweißanlage zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen den Batteriezellen-Zellenpolen und einer Stromsammelschiene bekannt.From the CN 10 695 6076 A a welding system for producing an electrical contact between the battery cell cell poles and a busbar is known.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schweißanlage sowie ein Schweißverfahren bereitzustellen, mittels dem eine prozesssichere sowie einwandfreie Kontaktierung zwischen einem Zellenpol und einer Stromsammelschiene einer Hochvoltbatterie ermöglicht ist.The object of the invention is to provide a welding system and a welding method by means of which process-reliable and flawless contacting between a cell pole and a busbar of a high-voltage battery is made possible.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 14 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1 or 14. Preferred developments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Die Erfindung geht von einem Schweißprozess aus, in dem in einem ersten Prozessschritt der jeweilige Zellenpol und die Stromsammelschiene als Schweißpartner in Stoßverbindung gebracht werden, und in einem zweiten Prozessschritt die beiden Schweißpartner an der Stoßverbindung miteinander verschweißt werden. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist der Schweißprozess als ein Unterdrucklaserschweißprozess realisiert, bei dem eine Lasereinheit einen Laserstrahl auf die Schweißstelle appliziert. Die Schweißanlage weist zudem eine Evakuiereinheit auf, die zumindest die unmittelbare Umgebung der Schweißstelle während des Schweißprozesses mit Unterdruck beaufschlagt.The invention is based on a welding process in which, in a first process step, the respective cell pole and the busbar are butt-connected as welding partners, and in a second process step the two welding partners are welded to one another at the butt joint. According to the characterizing part of claim 1, the welding process is implemented as a vacuum laser welding process, in which a laser unit applies a laser beam to the welding point. The welding system also has an evacuation unit, which applies negative pressure to at least the immediate vicinity of the welding point during the welding process.

Allgemein betrifft die Erfindung eine Laserstrahl-Schweißvorrichtung, in der die Lagerung von Teilen der anzuschließenden Ableiter/Zellenpole von einer oder mehreren Li-lonen-Zellen zu einer oder mehreren Busbar/Stromsammlerschienen stattfindet. Innerhalb dieser Vorrichtung wird die Verbindung unter reduzierter atmosphärischen Druck oder im Vakuum durch Laserstrahlschweißen erzeugt. Die Vorrichtung besitzt mindestens ein Strahleindringglas (nachfolgend als Einkoppeloptik bezeichnet), das die Schweißstelle(n) für die gerichtete Laserstrahlung zugänglich macht. Weiterhin ist an der Vorrichtung mindestens ein Verspannungselemente integriert, das einen „Null“-Spalt zwischen den verschweißenden Busbar/Stromsammlerschiene und Ableitern/Zellenpolen erzeugt. Zusätzlich ist zwischen dem Strahleindringglas-Halter, dem Verspannungselement der Schweißmaske und den zu verschweißen Bauteilen ein elektrisch isolierende Schicht eingebacht, die einen Kurzschluss-Stromfluss zwischen den Zellen und/oder der Vorrichtung verhindert. Die Öffnung in der Schweißmaske entsprechen mit Übermaß der Geometrie der gewünschten Schweißnahtform. Die Unterdruckkammer besitzt eine Öffnung, über die vorhandenes Gas aus der Unterdruckkammer evakuiert wird und der Unterdruck in Schweißkammer darüber eingestellt wird. Um weitere Prozesszeit bei der Kontaktierung der Ableiter/Zellenpole mit der Busbar bzw. den Stromsammlerschienen einzusparen zu können, ist es möglich mehrere Lasereinheiten parallel zu verwenden.In general, the invention relates to a laser beam welding device in which parts of the conductors/cell poles to be connected are stored from one or more Li-ion cells to one or more busbars/current collector rails. Within this device, the connection is created under reduced atmospheric pressure or in a vacuum by laser beam welding. The device has at least one beam penetration glass (hereinafter referred to as in-coupling optics), which makes the welding point(s) accessible for the directed laser radiation. Furthermore, at least one bracing element is integrated into the device, which creates a "zero" gap between the welded busbar/current collector rail and arresters/cell poles. In addition, an electrically insulating layer is inserted between the beam penetration glass holder, the bracing element of the welding mask and the components to be welded, which prevents a short-circuit current flow between the cells and/or the device. The openings in the welding mask correspond to the geometry of the desired weld seam shape with oversize. The vacuum chamber has an opening through which the gas present is evacuated from the vacuum chamber and the vacuum in the welding chamber is set above it. In order to be able to save further process time when contacting the arrester/cell poles with the busbar or the current collector rails, it is possible to use several laser units in parallel.

Da der Laserstrahl frei zwischen dem Strahlaustrittsglas (Auskoppeloptik der Lasereinheit) und dem Strahleindringglas (Einkoppeloptik) der Schweißvorrichtung propagieren kann, ist entweder eine Einhausung um die Vorrichtung und den Laserstrahlaustritt (Laserschutzkabine) notwendig oder es findet eine laserstrahlungsdichte Kapselung zwischen dem Strahlaustrittsglas der Laseroptik und dem Strahleindringglas der Vorrichtung statt. Dann ist keine zusätzliche Einhausung zum Schutz vor Laserstrahlung notwendig. Dabei muss durch Sensoren sichergestellt werden, dass die Laserstrahlung nur freigegeben wird, wenn die Laserschutzkapselung im Eingriff mit der Vorrichtung ist. Diese Laserschutzkapselung kann direkt an der Schweißoptik befestigt oder durch eine separate Vorrichtung von Schweißung zu Schweißung bewegt werden.Since the laser beam can propagate freely between the beam exit glass (decoupling optics of the laser unit) and the beam penetration glass (coupling optics) of the welding device, either a housing around the device and the laser beam exit (laser safety cabin) is necessary or there is a laser radiation-tight encapsulation between the beam exit glass of the laser optics and the Beam penetration glass of the device instead. Then no additional housing for protection against laser radiation is necessary. Sensors must be used to ensure that the laser radiation is only released when the laser protection encapsulation is engaged with the device. This laser protection encapsulation can be attached directly to the welding optics or moved from weld to weld using a separate device.

Es sind unterschiedliche Anwendungskonzepte für die komplette (parallelisierte) und lokale (einzelne) Laser-Schweißvorrichtungen realisierbar:

  1. 1. Die Schweißvorrichtung(en) verbleibt dauerhaft in der Laseranlage positioniert. Damit ist der Einrichtprozess der Vorrichtung gegenüber dem Laserequipment nur einmal durch zu führen. Dabei wird das Zellenpaket und die Busbars eingelegt oder die Busbars wurde an den Zellstapel bereits angeheftet und anschließend in die Vorrichtung eingelegt. Danach erfolgt die Unterdruck-Erzeugung und anschließend wird geschweißt.
  2. 2. In der Anwendung sind mehrere Vorrichtungen in einem Umlaufbetrieb. Dabei findet die Beladung der Vorrichtung(en) mit dem Zellenpaket und Busbar außerhalb der Laseranlage statt. Weiterhin wird die Vorrichtung außerhalb der Laseranlage geschlossen und entlüftet, während sich eine andere Vorrichtung bereits in der Laseranlage befindet und die Schweißungen durchgeführt werden. Dadurch wird Prozesszeit eingespart.
  3. 3. Abhängig von der Modul-/ Batteriekonstruktion kann die Einstrahlung des Lasers für das Schweißen simultan durch mehrere Laser oder durch einen Lasersystem erfolgen.
Different application concepts can be implemented for complete (parallelized) and local (individual) laser welding devices:
  1. 1. The welding device(s) remains permanently positioned in the laser system. This means that the setup process for the device compared to the laser equipment only has to be carried out once. The cell stack and the busbars are inserted or the busbars have already been attached to the cell stack and then inserted into the device. This is followed by the generation of negative pressure and then welding.
  2. 2. In the application, several devices are in circulation. The loading of the device(s) with the cell pack and busbar takes place outside of the laser system. Furthermore, the device outside of the laser system is closed and vented while another device is already in the laser system and the welds are being carried out. This saves process time.
  3. 3. Depending on the module/battery construction, the laser beam for welding can be irradiated simultaneously by several lasers or by one laser system.

Die Kontaktierung der Ableiter/ Zellenpole mit der Stromsammlerschiene wird durch eine Vorrichtung ermöglicht, in der ein Unterdruck erzeugt wird, um die Schweißbarkeit der Materialien zu erhöhen. Durch kleines zu evakuierendes Volumen der Vorrichtung nahe an der Schweißverbindung, ist die Evakuierungszeit sehr gering. Dadurch werden eine Spritzbildung/ Poren reduziert, so dass die elektrische Verbindungsfläche erhöht wird. Durch den Unterdruck kann bei gleicher Laserleistung eine höhere Vorschubgeschwindigkeit oder bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit die Laserleistung minimiert werden. Durch die höhere Vorschubgeschwindigkeit oder die minimierte Laserleistung wird Wärmeeintrag auf die Bauteile geringer. Dadurch findet kein bzw. ein geringerer Festigkeitsabfall in der Wärmeeinflusszone statt. Dieses Prinzip funktioniert unabhängig von Anzahl der Ableiter/Zellenpole und Busbars/Stromsammlerschienen, die gleichzeitig mit einer Einzelvorrichtung verschweißt werden. Je nach Stoßart der zu verschweißenden Fügepartner kann die Unterdruck-Schweißvorrichtung ausgelegt werden. Durch eine Laserschutzkapselung kann eine großräumige Laserschutzkabine vermieden werden. Durch eine Sensorik wird sichergestellt, dass die Laserstrahlung nur freigegeben wird, wenn die Laserschutzkapselung im Eingriff mit der Schweißvorrichtung ist.The contacting of the arrester / cell poles with the current collector bar is made possible by a device in which a vacuum is generated in order to increase the weldability of the materials. Due to the small volume of the device to be evacuated close to the welded joint, the evacuation time is very short. This reduces spatter/pinholes, increasing the electrical connection area. Due to the negative pressure, a higher feed rate can be achieved with the same laser power or the laser power can be minimized with the same feed rate. Due to the higher feed rate or the minimized laser power, the heat input to the components is reduced. As a result, there is little or no drop in strength in the heat-affected zone. This principle works regardless of the number of arresters/cell poles and busbars/current collector bars that are welded simultaneously with a single device. The vacuum welding device can be designed depending on the type of joint to be welded. A large-scale laser protection cabin can be avoided by means of a laser protection encapsulation. A sensor system ensures that the laser radiation is only released when the laser protection encapsulation is engaged with the welding device.

In einer alternativen Ausführungsvariante kann die Vorrichtung so aufgebaut sein, dass nicht nur Schweißbereich mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, sondern die Gesamtheit der zu verschweißenden Bauteile. Diese Unterdruck/Vakuum-Laserkammer ist nur geringfügig größer als die Hüllgeometrie der zu verschweißenden Zellen inklusive der zu verschweißenden Busbar. Allerdings besitzt in dieser Ausführungsvariante die Unterdruck/Vakuum-Laserkammer ein viel größeres zu evakuierendes Volumen. In Folge dessen ist die Evakuierungszeit entsprechend erhöht.In an alternative embodiment variant, the device can be constructed in such a way that not only the welding area is subjected to a negative pressure, but the entirety of the components to be welded. This negative pressure/vacuum laser chamber is only slightly larger than the envelope geometry of the cells to be welded, including the busbar to be welded. However, in this embodiment variant, the negative pressure/vacuum laser chamber has a much larger volume to be evacuated. As a result, the evacuation time is increased accordingly.

Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So kann die Evakuiereinheit zumindest ein Adapterteil aufweisen, das eine in Richtung auf die Schweißstelle offene Unterdruckkammer begrenzt. Das Adapterteil kann im Schweißprozess mit seiner offenen Kammerseite druckdicht auf der, der Lasereinheit zugewandten Seite der Stoßverbindung derart aufgesetzt werden, dass die unmittelbare Umgebung der Schweißstelle mit Unterdruck beaufschlagt ist. Anschließend kann die Unterdruckkammer im Adapterteil mit Unterdruck beaufschlagt werden.Aspects of the invention are highlighted again in detail below: The evacuation unit can have at least one adapter part, which delimits a vacuum chamber that is open in the direction of the welding point. During the welding process, the adapter part can be placed in a pressure-tight manner with its open chamber side on the side of the butt joint facing the laser unit in such a way that the immediate vicinity of the welding point is subjected to negative pressure. Then the vacuum chamber in the adapter part can be subjected to vacuum.

In einer technischen Umsetzung ist es bevorzugt, wenn die Lasereinheit sich außerhalb des Adapterteils befindet. In diesem Fall kann das Adapterteil eine Einkoppeloptik aufweisen. Durch die Einkoppeloptik wird der von der Lasereinheit generierte Laserstrahl in die Unterdruckkammer eingekoppelt und von dort weiter bis zur Schweißstelle geführt.In a technical implementation, it is preferred if the laser unit is located outside of the adapter part. In this case, the adapter part can have coupling optics. The laser beam generated by the laser unit is coupled into the vacuum chamber through the coupling optics and from there it is guided on to the welding point.

Im Hinblick auf einen einwandfreien Schweißprozess ist es bevorzugt, wenn die Evakuiereinheit eine Vorspanneinrichtung aufweist, mittels der das Adapterteil mit einer Vorspannkraft in mittelbare oder unmittelbare Druckanlage mit der zu verschweißenden Stoßverbindung (zwischen Zellenpol und Stromsammelschiene) bringbar ist.With regard to a perfect welding process, it is preferred if the evacuation unit has a prestressing device, by means of which the adapter part can be brought into direct or indirect pressure contact with the butt joint to be welded (between cell pole and busbar) with a prestressing force.

Im Hinblick auf eine einwandfreie Schweißlinsenbildung an der Schweißstelle ist es bevorzugt, wenn das Adapterteil an seiner offenen Kammerseite eine Schweißmaske aufweist, mittels der die Schweißstelle umfangsseitig begrenzt wird. Zwischen der Schweißmaske und der Stoßverbindung kann darüber hinaus eine elektrische Isolierschicht bereitgestellt sein.With a view to perfect formation of weld nuggets at the weld point, it is preferred if the adapter part has a welding mask on its open chamber side, by means of which the weld point is delimited on the peripheral side. An electrically insulating layer may also be provided between the weld mask and the butt joint.

Zudem kann das Adapterteil einen Evakuier-Anschluss aufweisen. Über den Evakuier-Anschluss kann die Unterdruckkammer mit einer Unterdruckquelle strömungstechnisch verbunden werden, um die Unterdruckkammer mit Unterdruck zu beaufschlagen.In addition, the adapter part can have an evacuation connection. The vacuum chamber can be fluidically connected to a vacuum source via the evacuation connection in order to apply vacuum to the vacuum chamber.

Bevorzugt ist es, wenn die Lasereinheit nicht unmittelbar im Adapterteil integriert ist, sondern vielmehr um einen freien Strahlweg von der Einkoppeloptik des Adapterteils beabstandet ist. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn der freie Strahlweg zwischen der Lasereinheit und dem Adapterteil nach außen abgeschirmt ist. Dies kann beispielhaft durch eine Laserschutzkabine realisiert sein, in der sowohl die Auskoppeloptik der Lasereinheit als auch zumindest die zu verschweißende Stoßverbindung (zwischen Zellenpol und Stromsammelschiene) eingehaust sind. Alternativ dazu kann auch eine laserstrahlungsdichte Kapselung bereitgestellt sein, die sich zwischen der Auskoppeloptik der Lasereinheit und der Einkoppeloptik des Adapterteils erstreckt.It is preferred if the laser unit is not directly integrated in the adapter part, but instead is spaced apart from the in-coupling optics of the adapter part by a free beam path. In this case it is preferred if the free beam path between the laser unit and the adapter part is shielded from the outside. This can be implemented, for example, by a laser protection cabin, in which both the decoupling optics of the laser unit and at least the butt joint to be welded (between cell pole and busbar) are housed. As an alternative to this, a laser-radiation-tight encapsulation can also be provided, which extends between the coupling-out optics of the laser unit and the coupling-in optics of the adapter part.

In dem Batteriezellenstapel sind eine Vielzahl von Zellenpolen mit Stromsammelschienen zu verschweißen. Im Hinblick auf eine Reduzierung der Schweißprozessdauer ist es bevorzugt, wenn in der Schweißanlage nicht nur ein Adapterteil, sondern eine Mehrzahl von Adapterteilen bereitgestellt sind. Diese können in Stapelrichtung der Batteriezellen betrachtet hintereinander angeordnet sein. Jedem Adapterteil kann genau eine Stoßverbindung zwischen Zellenpol und Stromsammelschiene zugeordnet sein. Bevorzugt können die Adapterteile an einem Trägerelement angebunden sein, auf das die Vorspanneinrichtung einwirkt. Auf diese Weise werden sämtliche Adapterteile in Druckanlage mit den zugeordneten Schweißpartnern gebracht.In the battery cell stack, a large number of cell poles are to be welded to busbars. With a view to reducing the duration of the welding process, it is preferable if not just one adapter part, but rather a plurality of adapter parts are provided in the welding system. These can be arranged one behind the other, viewed in the stacking direction of the battery cells. Exactly one butt joint between cell pole and busbar can be assigned to each adapter part. The adapter parts can preferably be connected to a carrier element on which the prestressing device acts. In this way, all adapter parts are brought into the pressure system with the assigned welding partners.

Bei der obigen Ausführungsvariante kann die Einstrahlung des Laserstrahls in die Adapterteile simultan durch mehrere Lasereinheiten erfolgen. Alternativ dazu kann die Einstrahlung des Laserstrahls durch eine einzige Laserstrahleinheit erfolgen. Diese kann in der Batteriezellen-Stapelrichtung verfahrbar angeordnet sein. Von daher werden die Adapterteile von der verfahrbaren Lasereinheit der Reihe nach angefahren.In the above embodiment variant, the laser beam can be radiated into the adapter parts simultaneously by a plurality of laser units. Alternatively, the laser beam can be irradiated by a single laser beam unit. This can be arranged to be movable in the battery cell stacking direction. Therefore, the adapter parts are approached one after the other by the moveable laser unit.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Evakuiereinheit eine Unterdruck-Einhausung aufweisen, die einen Unterdruckdraum begrenzt. Der Unterdruckraum kann geringfügig größer als die Hüllgeometrie der zu verschweißenden Batteriezellen sein. In diesem Fall kann der gesamte Batteriezellenstapel in dem Unterdruckraum angeordnet werden, der an eine Unterdruckquelle anschließbar ist. Sämtliche Adapterteile können mit ihren Unterdruckkammern strömungstechnisch miteinander sowie mit dem Unterdruckraum verbunden sein.In a further exemplary embodiment, the evacuation unit can have a negative-pressure housing that delimits a negative-pressure space. The vacuum space can be slightly larger than the envelope geometry of the battery cells to be welded. In this case, the entire battery cell stack can be arranged in the vacuum space, which can be connected to a vacuum source. All adapter parts can be fluidically connected to one another and to the vacuum space with their vacuum chambers.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

  • 1 in einer Schnittdarstellung ein fertiggestelltes Batteriezellenpaket nach erfolgtem Schweißprozess;
  • 2 eine Anlagenskizze der Schweißanlage mit Evakuiereinheit;
  • 3 bis 5 Detailansichten aus der 2;
  • 6 bis 11 weitere Ausführungsbeispiele; und
  • 12 unterschiedliche Stoßverbindungen mit jeweils daran angepasstem Adapterteil.
Show it:
  • 1 a sectional view of a completed battery cell pack after the welding process has taken place;
  • 2 a system sketch of the welding system with evacuation unit;
  • 3 until 5 Detail views from the 2 ;
  • 6 until 11 further exemplary embodiments; and
  • 12 different butt joints, each with an adapter part adapted to it.

In der 1 ist ein fertiggestelltes Batteriemodul nach erfolgtem Schweißprozess angedeutet. Das Batteriemodul weist einen Zellenstapel mit in Stapelrichtung hintereinander gestapelten Batteriezellen 1 auf. Die Batteriezellen 1 sind beispielhaft Pouch-Zellen. In der 1 sind die Zellenpole 3 der Batteriezellen 1 mit Stromsammelschienen 5 an Schweißstellen 7 nach einem vordefinierten Verschaltungsschema miteinander verschweißt, um die Batteriezellen 1 miteinander elektrisch zu verschalten.In the 1 a completed battery module is indicated after the welding process has taken place. The battery module has a cell stack with battery cells 1 stacked one behind the other in the stacking direction. The battery cells 1 are pouch cells, for example. In the 1 the cell poles 3 of the battery cells 1 are welded to one another with busbars 5 at weld points 7 according to a predefined wiring diagram in order to electrically interconnect the battery cells 1 with one another.

Nachfolgend werden anhand der 2 bis 5 die Schweißanlage sowie der Schweißprozess zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung zwischen den Zellenpolen 3 und den Stromsammelschienen 5 beschrieben. Zunächst werden in einem ersten Prozessschritt sämtliche Stromsammelschienen 5 mit den noch unverschweißten Zellenpolen 3 der Batteriezellen 1 als Schweißpartner in Stoßverbindungen zusammengefügt. Anschließend wird der noch nicht verschweißte Batteriezellenstapel in die Schweißanlage transferiert, die in der 2 angedeutet ist. Die Schweißanlage weist eine Lasereinheit 9 auf, mittels der ein Laserstrahl 11 auf die jeweilige Schweißstelle 7 applizierbar ist.The following are based on the 2 until 5 the welding system and the welding process for producing the electrical contact between the cell poles 3 and the busbars 5 are described. First, in a first process step, all busbars 5 are butt-joined to the still unwelded cell poles 3 of the battery cells 1 as weld partners. The battery cell stack that has not yet been welded is then transferred to the welding system, which is located in the 2 is indicated. The welding system has a laser unit 9, by means of which a laser beam 11 can be applied to the respective welding point 7.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Schweißprozess als ein Unterdrucklaserschweißprozess realisiert ist. Hierzu weist die Schweißanlage eine Evakuiereinheit auf, mittels der die unmittelbare Umgebung der jeweiligen Schweißstelle 7 während des Schweißvorgangs mit Unterdruck beaufschlagt wird.The essence of the invention is that the welding process is implemented as a vacuum laser welding process. For this purpose, the welding system has an evacuation unit, by means of which negative pressure is applied to the immediate vicinity of the respective welding point 7 during the welding process.

In der 2 und 3 ist die Evakuiereinheit aus einer Mehrzahl von Adapterteilen 15 ausgebildet, die in der Stapelrichtung der Batteriezellen 1 betrachtet hintereinander angeordnet sind. Jedem der Adapterateile 15 ist jeweils genau eine Stoßverbindung zwischen Zellenpol 3 und Stromsammelschiene 5 zugeordnet. Zudem sind sämtliche Adapterteile 15 an einem Trägerelement 17 angebunden. Auf das Trägerelement 17 wirkt eine nicht gezeigte Vorspanneinrichtung ein, mittels der sämtliche Adapterteile 15 mit einer Vorspannkraft Fv in Druckanlage mit den jeweils zugeordneten Schweißpartnern 3, 5 bringbar sind.In the 2 and 3 the evacuation unit is formed from a plurality of adapter parts 15 which are arranged one behind the other as viewed in the stacking direction of the battery cells 1 . Exactly one butt joint between cell pole 3 and busbar 5 is assigned to each of the adapter parts 15 . In addition, all adapter parts 15 are connected to a carrier element 17 . A prestressing device (not shown) acts on the carrier element 17, by means of which all adapter parts 15 can be brought into pressure contact with the associated welding partners 3, 5 with a prestressing force Fv.

In der 4 und 5 ist in Detailansicht ein Adapterteil 15 der Evakuiereinheit dargestellt: Demzufolge begrenzt das Adapterteil 15 eine in Richtung auf Stoßverbindung offene Unterdruckkammer 19. Während des in der 2 angedeuteten Schweißprozesses ist das Adapterteil 15 mit seiner offenen Kammerseite druckdicht sowie mit Abstand zur Schweißstelle 7 auf der, der Lasereinheit 9 zugewandten Seite der Stoßverbindung aufgesetzt. Die Unterdruckkammer 19 ist dabei mit Unterdruck beaufschlagt. Hierzu weist das Adapterteil 15 einen Evakuier-Anschluss 21 (3) auf, der mit einer nicht gezeigten Unterdruckquelle verbunden ist.In the 4 and 5 an adapter part 15 of the evacuation unit is shown in detail: Dem According to the adapter part 15 limits an open towards the butt joint vacuum chamber 19. During the in the 2 In the indicated welding process, the adapter part 15 is pressure-tight with its open chamber side and placed at a distance from the weld point 7 on the side of the butt joint facing the laser unit 9 . The vacuum chamber 19 is subjected to a vacuum. For this purpose, the adapter part 15 has an evacuation connection 21 ( 3 ) which is connected to a vacuum source, not shown.

Das Adapterteil 15 weist an seiner, von der Stoßverbindung beabstandeten Seite eine Einkoppeloptik 23 auf, durch die der von der Lasereinheit 9 generierte Laserstrahl 11 in die Unterdruckkammer 19 einkoppelbar ist und von dort weiter bis zur Schweißstelle 7 geführt ist. Das Adapterteil 15 ist in der 4 nicht unmittelbar in Druckanlage mit der Stoßverbindung, sondern vielmehr unter Zwischenlage einer Schweißmaske 25 sowie einer elektrischen Isolierschicht 27.On its side spaced apart from the butt joint, the adapter part 15 has coupling optics 23 through which the laser beam 11 generated by the laser unit 9 can be coupled into the vacuum chamber 19 and from there is guided further to the welding point 7 . The adapter part 15 is in the 4 not directly in pressure contact with the butt joint, but rather with the interposition of a welding mask 25 and an electrical insulating layer 27.

Wie aus der 3 weiter hervorgeht, erfolgt die Einstrahlung des Laserstrahls 11 in die jeweiligen Adapterteile 15 durch eine einzige Lasereinheit 9. Diese ist in der Batteriezellen-Stapelrichtung verfahrbar angeordnet, so dass die Adapterteile 15 der Reihe nach von der Lasereinheit 9 angefahren werden können.How from the 3 As can further be seen, the laser beam 11 is irradiated into the respective adapter parts 15 by a single laser unit 9. This is arranged so that it can be moved in the battery cell stacking direction, so that the adapter parts 15 can be approached by the laser unit 9 one after the other.

Wie aus der 3 hervorgeht, ist die Lasereinheit 9 über einen freien Strahlweg f von der Einkoppeloptik 23 des jeweiligen Adapterteils 15 beabstandet. Zur Abschirmung des freien Strahlwegs f nach außen weist in der 6 die Schweißanlage zusätzlich eine Laserschutzkabine 29 auf, in der sowohl die Lasereinheit 9 als auch der gesamte zu verschweißende Batteriezellenstapel angeordnet ist. Alternativ dazu ist in der 7 eine laserstrahlungsdichte Kapselung 31 bereitgestellt, die sich zwischen der Auskoppeloptik 33 der Lasereinheit 9 und der Einkoppeloptik 23 des Adapterteils 15 erstreckt. Die laserstrahlungsdichte Kapselung 31 ist in der 8 in Detailansicht gezeigt.How from the 3 shows that the laser unit 9 is spaced apart from the in-coupling optics 23 of the respective adapter part 15 by a free beam path f. To shield the free beam path f points outwards in the 6 the welding system also has a laser protection cabin 29, in which both the laser unit 9 and the entire battery cell stack to be welded are arranged. Alternatively, in the 7 a laser-radiation-tight encapsulation 31 is provided, which extends between the coupling-out optics 33 of the laser unit 9 and the coupling-in optics 23 of the adapter part 15 . The laser radiation-tight encapsulation 31 is in the 8th shown in detail.

In der 9a und 9b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Evakuiereinheit eine Unterdruck-Einhausung 35 aufweist. Die Unterdruck-Einhausung 35 begrenzt einen Unterdruckraum 37. Dieser ist geringfügig größer als die Hüllgeometrie des zu verschweißenden Batteriezellenstapels. Entsprechend ist in der 9a und 9b der gesamte Batteriezellenstapel in dem Unterdruckraum 37 angeordnet, der an einer nicht gezeigten Unterdruckquelle anschließbar ist. Gemäß der 9 sind sämtliche Adapterteile 15 mit ihren Unterdruckkammern 19 strömungstechnisch miteinander sowie mit dem Unterdruckraum 37 verbunden.In the 9a and 9b a further exemplary embodiment is shown in which the evacuation unit has a vacuum housing 35 . The vacuum housing 35 delimits a vacuum space 37. This is slightly larger than the envelope geometry of the battery cell stack to be welded. Correspondingly, in the 9a and 9b the entire battery cell stack is arranged in the vacuum chamber 37, which can be connected to a vacuum source, not shown. According to the 9 all adapter parts 15 with their vacuum chambers 19 are fluidically connected to one another and to the vacuum space 37 .

In der 10 und 11 sind jeweils Abwandlungen des in der 9 gezeigten Ausführungsbeispiels dargestellt: so weist in der 10 die Schweißanlage zusätzliche eine Laserschutzkabine 29 auf, in der der freie Strahlgang f nach außen abgeschirmt ist. Alternativ dazu ist in der 11 der freie Strahlweg f durch eine laserstrahlungsdichte Kapselung 31 nach außen abgeschirmt, wie sie bereits anhand der 7 beschrieben ist.In the 10 and 11 are each modifications of the 9 illustrated embodiment shown: so has in the 10 the welding system also has a laser protection cabin 29 in which the free beam path f is shielded from the outside. Alternatively, in the 11 the free beam path f shielded by a laser-radiation-tight encapsulation 31 to the outside, as already based on the 7 is described.

Das erfindungsgemäße Adapterteil 15 ist beliebig an die Geometrie an der jeweils zu verschweißenden Stoßverbindung anpassbar, wie es in den 11a bis 11f angedeutet ist: in der 11a ist das Adapterteil 15 auf der, der Lasereinheit 9 zugewandten Seite angeordnet und für einen Überlappstoß der Schweißpartner 3, 5 ausgelegt. In der 11b ist das Adapterteil 15 ebenfalls für einen Überlappstoß ausgelegt, jedoch gestuft ausgeführt. In der 11c ist das Adapterteil 15 ebenfalls nur einseitig auf der, der Lasereinheit 9 zugewandten Seite der Stoßverbindung positioniert. Die Stoßverbindung ist als ein T-Stoß realisiert. In der 11d ist die Stoßverbindung als ein Stumpfstoß realisiert, wobei das Adapterteil 11 beidseitig jeweils an der, der Lasereinheit 9 zugewandten Seite sowie der gegenüberliegenden Seite der Stoßverbindung positioniert ist. Entsprechend sind auch in den 11e und 11f jeweils Überlappstöße gezeigt, an denen das Adapterteil 15 jeweils beidseitig positioniert ist.The adapter part 15 according to the invention can be adapted as desired to the geometry of the butt joint to be welded in each case, as is shown in FIGS 11a until 11f is indicated: in the 11a the adapter part 15 is arranged on the side facing the laser unit 9 and is designed for an overlap joint of the welding partners 3, 5. In the 11b the adapter part 15 is also designed for a lap joint, but has a stepped design. In the 11c the adapter part 15 is also positioned only on one side on the side of the butt joint facing the laser unit 9 . The butt joint is implemented as a T-joint. In the 11d the butt joint is implemented as a butt joint, with the adapter part 11 being positioned on both sides on the side facing the laser unit 9 and on the opposite side of the butt joint. Correspondingly, also in the 11e and 11f overlap joints are shown, on which the adapter part 15 is positioned on both sides.

BezugszeichenlisteReference List

11
Batteriezellenbattery cells
33
Zellenpolecell poles
55
Stromsammelschienenbusbars
77
Schweißstellenwelds
99
Lasereinheitlaser unit
1111
Laserstrahllaser beam
1515
Adapterteileadapter parts
2626
Federlagerungspring bearing
1717
Trägerelementcarrier element
1919
Unterdruckkammervacuum chamber
2121
Evakuier-Anschlussevacuation port
2323
Einkoppeloptikcoupling optics
2424
Federelementspring element
2525
Schweißmaskewelding mask
2727
elektrische Isolierschichtelectrical insulating layer
2929
Laserschutzkabinelaser safety cabin
3131
LaserschutzkapselungLaser protection encapsulation
3333
Auskoppeloptikdecoupling optics
3535
Unterdruck-Einhausungnegative pressure enclosure
3737
Unterdruckraumvacuum room
ff
freier Strahlgangfree beam path
FVFV
Vorspannkraftpreload force

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • CN 106956076 A [0005]CN 106956076A [0005]

Claims (14)

Schweißanlage zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen zumindest einem Zellenpol (3) und einer Stromsammelschiene (5) eines Hochvolt-Batteriemoduls in einem Schweißprozess, in dem in einem ersten Prozessschritt der Zellenpol (3) und die Stromsammelschiene (5) als Schweißpartner in Stoßverbindung bringbar sind, und in einem zweiten Prozessschritt die beiden Schweißpartner (3, 5) an der Stoßverbindung miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißprozess als ein Unterdrucklaserschweißprozess realisiert ist, bei dem eine Lasereinheit (9) einen Laserstrahl (11) auf die Schweißstelle (7) appliziert, und dass die Schweißanlage eine Evakuiereinheit aufweist, die zumindest die unmittelbare Umgebung der Schweißstelle (7) während des Schweißprozesses mit Unterdruck beaufschlagt.Welding system for producing an electrical contact between at least one cell pole (3) and a busbar (5) of a high-voltage battery module in a welding process in which, in a first process step, the cell pole (3) and the busbar (5) can be butt-joined as a welding partner , and in a second process step the two welding partners (3, 5) are welded together at the butt joint, characterized in that the welding process is implemented as a vacuum laser welding process, in which a laser unit (9) applies a laser beam (11) to the welding point (7 ) applied, and that the welding system has an evacuation unit which applies negative pressure to at least the immediate vicinity of the welding point (7) during the welding process. Schweißanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Evakuiereinheit zumindest ein Adapterteil (15) aufweist, das eine in Richtung auf die Schweißstelle (7) offene Unterdruckkammer (19) begrenzt, und dass das Adapterteil (15) im Schweißprozess mit seiner offenen Kammerseite druckdicht auf der, der Lasereinheit (9) zugewandten Seite der Stoßverbindung aufsetzbar ist, so dass die unmittelbare Umgebung der Schweißstelle (7) mit Unterdruck beaufschlagbar ist.welding system claim 1 , characterized in that the evacuation unit has at least one adapter part (15) which delimits a vacuum chamber (19) open in the direction of the welding point (7), and in that the adapter part (15) is pressure-tight during the welding process with its open chamber side on the, the Laser unit (9) facing side of the butt joint can be placed, so that the immediate vicinity of the weld (7) can be subjected to negative pressure. Schweißanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (9) außerhalb des Adapterteils (15) positioniert ist, und dass das Adapterteil (15) eine Einkoppeloptik (23) aufweist, durch die der von der Lasereinheit (9) generierte Laserstrahl (11) in die Unterdruckkammer (19) einkoppelbar ist und weiter bis zur Schweißstelle (7) führbar ist.welding system claim 2 , characterized in that the laser unit (9) is positioned outside of the adapter part (15) and that the adapter part (15) has coupling optics (23) through which the laser beam (11) generated by the laser unit (9) enters the vacuum chamber (19) can be coupled in and can be guided further up to the welding point (7). Schweißanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Evakuiereinheit eine Verspanneinrichtung aufweist, mittels der das Adapterteil (15) mit einer Vorspannkraft (Fv) in mittelbare oder unmittelbare Druckanlage mit der Stoßverbindung bringbar ist.welding system claim 2 or 3 , characterized in that the evacuation unit has a clamping device, by means of which the adapter part (15) can be brought into direct or indirect pressure contact with the butt joint with a prestressing force (Fv). Schweißanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterteil (15) an seiner offenen Kammerseite eine Schweißmaske (25) aufweist, mittels der die Schweißstelle (7) begrenzt ist.Welding system according to one of claims 2 until 4 , characterized in that the adapter part (15) has a welding mask (25) on its open chamber side, by means of which the welding point (7) is limited. Schweißanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schweißmaske (25) und der Stoßverbindung eine elektrische Isolierschicht (27) bereitgestellt ist.welding system claim 5 , characterized in that an electrically insulating layer (27) is provided between the welding mask (25) and the butt joint. Schweißanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterteil (15) einen Evakuier-Anschluss (21) aufweist, über den die Unterdruckkammer (19) mit einer Unterdruckquelle verbindbar ist.Welding system according to one of claims 2 until 6 , characterized in that the adapter part (15) has an evacuation connection (21) via which the vacuum chamber (19) can be connected to a vacuum source. Schweißanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (9) über einen freien Strahlweg (f) von der Einkoppeloptik (23) des Adapterteils (15) beabstandet ist, und dass insbesondere zur Abschirmung des freien Strahlwegs (f) eine Laserschutzkabine (29) bereitgestellt ist, in der sowohl die Lasereinheit (9) als auch zumindest die zu verschweißende Stoßverbindung eingehaust sind.Welding system according to one of claims 3 until 7 , characterized in that the laser unit (9) is spaced apart from the in-coupling optics (23) of the adapter part (15) via a free beam path (f), and in that a laser protection cabin (29) is provided in particular to shield the free beam path (f), in which both the laser unit (9) and at least the butt joint to be welded are housed. Schweißanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschirmung des freien Strahlwegs (f) alternativ eine laserstrahlungsdichte Kapselung (31) zwischen der Auskoppeloptik (33) der Lasereinheit (9) und der Einkoppeloptik (23) des Adapterteils (15) bereitgestellt ist.welding system claim 8 , characterized in that to shield the free beam path (f) alternatively a laser radiation-tight encapsulation (31) between the decoupling optics (33) of the laser unit (9) and the coupling optics (23) of the adapter part (15) is provided. Schweißanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Stapelrichtung der Batteriezellen (1) betrachtet eine Mehrzahl von Adapterteilen (15) hintereinander angeordnet sind, und dass jedem Adapterteil (15) jeweils genau eine Stoßverbindung zwischen einem Zellenpol (3) und einer Stromsammelschiene (5) zugeordnet ist, und dass insbesondere die Adapterteile (15) an einem Trägerelement (17) angebunden sind, auf das die Vorspanneinrichtung einwirkt, so dass sämtliche Adapterteile (15) in Druckanlage mit den zugeordneten Schweißpartnern (3, 5) sind.Welding system according to one of claims 2 until 9 , characterized in that viewed in the stacking direction of the battery cells (1) a plurality of adapter parts (15) are arranged one behind the other, and that each adapter part (15) is assigned exactly one butt joint between a cell pole (3) and a busbar (5), and that in particular the adapter parts (15) are connected to a carrier element (17) on which the prestressing device acts, so that all adapter parts (15) are in pressure contact with the associated welding partners (3, 5). Schweißanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlung des Laserstrahls (11) in die Adapterteile (15) simultan durch mehrere Lasereinheiten (9) erfolgt, oder nur durch eine Lasereinheit (9) erfolgt, die in Batteriezellen-Stapelrichtung verfahrbar angeordnet ist, so dass die Adapterteile (15) der Reihe nach von der Lasereinheit (9) angefahren werden können.welding system claim 10 , characterized in that the laser beam (11) is irradiated into the adapter parts (15) simultaneously by a plurality of laser units (9), or only by one laser unit (9), which is arranged to be movable in the battery cell stacking direction, so that the adapter parts (15) can be approached in turn by the laser unit (9). Schweißanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Evakuiereinheit eine Unterdruck-Einhausung (35) aufweist, die einen Unterdruckraum (37) begrenzt, der geringfügig größer als die Hüllgeometrie der zu verschweißenden Batteriezellen (1) ist, und dass der gesamte Batteriezellenstapel in dem Unterdruckraum (37) angeordnet ist, der an eine Unterdruckquelle angeschlossen ist.Welding system according to one of the preceding claims, characterized in that the evacuation unit has a vacuum housing (35) which delimits a vacuum space (37) which is slightly larger than the envelope geometry of the battery cells (1) to be welded, and that the entire battery cell stack is arranged in the vacuum space (37) which is connected to a vacuum source. Schweißanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Adapterteile (15) mit ihren Unterdruckkammern (19) strömungstechnisch miteinander sowie mit dem Unterdruckraum (37) verbunden sind.welding system claim 12 , characterized in that all adapter parts (15) with their vacuum chambers (19) are fluidically connected to one another and to the vacuum space (37). Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen zumindest einem Zellenpol (3) und einer Stromsammelschiene (5) eines Hochvolt-Batteriemoduls, das in einer Schweißanlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchführbar ist.Method for producing an electrical contact between at least one cell pole (3) and a busbar (5) of a high-voltage battery module, which can be carried out in a welding system according to one of the preceding claims.
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