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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zellkontaktierungssystems für ein Batteriemodul eines Fahrzeugs. Hierbei wird eine Mehrzahl von Verbindungselementen zum jeweiligen elektrischen Verbinden von benachbarten Batteriezellen des Batteriemoduls hergestellt. Dabei werden die jeweiligen Verbindungselemente derart hergestellt, dass diese einen Bereich mit einer verminderten Steifigkeit aufweisen. Des Weiteren wird eine Halteeinrichtung zum Halten der Verbindungselemente bereitgestellt. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Zellkontaktierungssystem sowie ein Batteriemodul.
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Elektrische Speicher bzw. Batteriemodule für Fahrzeuge werden durch die Zusammenschaltung mehrerer Batteriezellen bereitgestellt. Insbesondere im Fall von Lithium-Ionen-Speichern wird die dafür benötigte Einrichtung allgemein als Zellkontaktierungssystem bezeichnet. Ein solches Zellkontaktierungssystem umfasst eine Mehrzahl von Verbindungselementen, welche dazu dienen, Batteriezellen elektrisch miteinander zu verbinden. Aus dem Stand der Technik sind Verbindungselemente bekannt, welche mit einer die Steifigkeit vermindernden Kröpfung versehen sind. Zudem umfasst das Zellkontaktierungssystem üblicherweise entsprechende Außenverbindungselemente bzw. nach außen gerichtete Verbindungselemente für die Verbindung mit den Außenkontaktierungen des Zellverbundes. Ferner ist üblicherweise eine Halteeinrichtung bzw. ein Assemblierungsrahmen zur einfachen Platzierung und Montage der Verbindungselemente auf dem Zellverbund vorgesehen. Ferner können an dieser Halteeinrichtung Sensoren sowie Signalleitungen mit einer Schnittstelle zu einem Logik-Kabelbaum angeordnet werden. Gegebenenfalls wird diese Anordnung durch elektronische Schaltungen ergänzt, welche die Überwachung der Zellspannungen und der Temperatur sowie die Aufbereitung zu protokollbehafteten Signalen beinhalten. Gemäß dem Stand der Technik werden die Einzelteile des Zellkontaktierungssystems vorgefertigt und in einem Endmontageprozess gefügt.
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Aus der Vielzahl der bei einem derartigen Zellkontaktierungssystem verwendeten Technologien folgt eine hohe Komplexität der Fertigung verbunden mit hohen Kosten.
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Maßgeblich hierfür ist unter anderem die Vorfertigung der Verbindungselemente zwischen den Batteriezellen mit der die Steifigkeit vermindernden Kröpfung. Diese Verbindungselemente können innerhalb des Zellkontaktierungssystems unterschiedliche Gestalt aufweisen und ebenfalls bei Zellkontaktierungssystemen für unterschiedliche Zellverbünde differieren. Beispielsweise können die Verbindungselemente aus einem streifenförmigen Grundkörper bzw. Vormaterial in einem mehrstufigen Prozess gestanzt, gekröpft, vereinzelt und anschließend sequenziert der Montage in den Assemblierungsrahmen zugeführt werden. Aufgrund der die Steifigkeit vermindernden Kröpfung ist es nicht möglich, die zu einem Zellkontaktierungssystem gehörigen Verbindungselemente im Verbund vorzustanzen und erst mit der Montage in den Assemblierungsrahmen zu vereinzeln. Der Assemblierungsrahmen hat vornehmlich die Funktion, die Position der Verbindungselemente, der Außenkontakte und der weiteren Elemente zueinander bis zur Montage auf den Zellverbund zu fixieren. Nach der Montage des Zellkontaktierungssystems auf den Zellverbund entfällt diese Funktion, der Assemblierungsrahmen bleibt jedoch in der Anwendung erhalten.
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Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik weitere Zellverbinder bekannt, welche einen Bereich mit verminderter Steifigkeit aufweisen. Beispielsweise beschreibt die
EP 2 080 232 B1 einen Zellverbinder in flächiger Form zur elektrischen Kontaktierung von mindestens zwei flächigen Stromquellen. Bei dem Zellverbinder ist ein Verbindungsquerschnitt in lamellare Strukturen aufgeteilt, die beispielsweise S-förmige Einschnitte aufweisen können. Hierdurch kann beispielsweise die Biegesteifigkeit verringert werden.
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DE 10 2015 210 035 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Verbinden von Batteriezellen. Die Vorrichtung weist einen Träger aus Kunststoff auf sowie eine Vielzahl von Zellverbindern, die beiderseitig entlang des Trägers zueinander versetzt kammartig angeordnet. Zur Herstellung der Vorrichtung wird ein Verbundwerkstoff verwendet, der beispielsweise als Rollenware vorliegen kann und aus dem der Träger und die Zellverbinder hergestellt werden.
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DE 10 2016 225 260 A1 beschreibt ein Stromschienenmodul, das aus Stromschienen und einem Flachkabel gebildet ist, zum Verbinden von Batteriezellen. Die Stromschienen sind dabei auf einer Seite des Flachkabels angeordnet.
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DE 10 2016 223 464 A1 beschreibt eine Verbindungsvorrichtung mit zwischen Isolationsschichten angeordneten Verbindungselementen, die jeweils einen Zellverbinder aufweisen. Die Zellverbinder können Deformationselemente zur elastischen Verformung aufweisen.
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Dokument
DE 10 2009 058 723 A1 beschreibt einen flexiblen Zellverbinder für Zellen eines Energiespeichers, bestehend aus einem Blech, das über Kontaktierungsabschnitte zum Kontaktieren mit den Anschlüssen einer Energiespeicherzelle verfügt. Zwischen zwei Kontaktierungsabschnitten sind mehrere im Wesentlichen parallel verlaufende Schlitze vorgesehen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie ein Zellkontaktierungssystem der eingangs genannten Art mit geringerem Aufwand und kostengünstiger hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, durch ein Zellkontaktierungssystem sowie durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen eines Zellkontaktierungssystems für ein Batteriemodul eines Fahrzeugs. Hierbei wird eine Mehrzahl von Verbindungselementen zum jeweiligen elektrischen Verbinden von benachbarten Batteriezellen des Batteriemoduls hergestellt. Dabei werden die jeweiligen Verbindungselemente derart hergestellt, dass diese einen Bereich mit einer verminderten Steifigkeit aufweisen. Darüber hinaus wird eine Halteeinrichtung zum Halten der Verbindungselemente bereitgestellt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Halteeinrichtung durch elektrisch isolierende Trägerelemente bereitgestellt wird, zunächst zumindest ein Grundkörper bereitgestellt wird und mit den Trägerelementen verbunden wird und anschließend die Verbindungselemente aus dem zumindest einen Grundkörper hergestellt werden.
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Mit Hilfe des Verfahrens soll das Zellkontaktierungssystem für das Batteriemodul bereitgestellt werden. Das Zellkontaktierungssystem dient also dazu, eine Mehrzahl von Batteriezellen elektrisch miteinander zu dem Batteriemodul zu verbinden. Ferner kann es vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von solchen Batteriemodulen wiederum zu einer Batterie bzw. Hochvoltbatterie des Fahrzeugs verbunden werden. Die Batteriemodule bzw. eine solche Batterie dient dazu, einen elektrischen Antriebsmotor eines zumindest teilweise mit elektrischer Energie angetriebenen Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Das Zellkontaktierungssystem umfasst die Mehrzahl von Verbindungselementen. Diese Verbindungselemente dienen dazu, die Batteriezellen elektrisch miteinander zu verbinden. Beispielsweise können die Verbindungselemente dazu verwendet werden, die jeweiligen Batteriezellen elektrisch in Reihe zu schalten. Die Verbindungselemente können aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall gefertigt sein. Insbesondere können die Verbindungselemente aus Aluminium, Kupfer oder einer entsprechenden Legierung gefertigt sein. Die Halteeinrichtung des Zellkontaktierungssystems dient dazu, die Verbindungselemente an vorbestimmten Positionen zu halten. Somit können die Verbindungselemente mit den Batteriezellen verbunden werden, sodass die gewünschte elektrische Verschaltung der Batteriezellen ermöglicht wird.
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Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Halteeinrichtung durch elektrisch isolierende Trägerelemente bereitgestellt wird. Mit anderen Worten weist die Halteeinrichtung also die elektrisch isolierenden Trägerelemente auf. Diese Trägerelemente können insbesondere streifenförmig oder bandförmig ausgebildet sein. Die Trägerelemente sind aus einem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise aus einem formstabilen Kunststoff oder einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Eine derartige Halteeinrichtung bzw. die Trägerelemente können somit kostengünstig bereitgestellt werden und bieten zudem den Vorteil der guten Recyclebarkeit. An diesen Trägerelementen wird zumindest ein Grundkörper angebracht. Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Grundkörper an den Trägerelementen angebracht werden. Dieser Grundkörper, welcher auch als Vormaterial bezeichnet werden kann, kann einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Aus diesem zumindest einen Grundkörper werden dann die Verbindungselemente gefertigt. Der Grundkörper kann ebenfalls streifenförmig ausgebildet sein und mit den elektrisch isolierenden Trägerelementen verbunden werden. Der Grundkörper kann ein Blech oder Blechstreifen sein. Der Grundkörper kann auf einer Rolle aufgerollte bereitgestellt werden. Nach dem Verbinden des zumindest einen Grundkörpers mit den Trägerelementen werden die Verbindungselemente aus dem zumindest einen Grundkörper hergestellt. Zum Herstellen der jeweiligen Verbindungselemente aus dem zumindest einen Grundkörper kann ein entsprechendes Trennverfahren, beispielsweise Stanzen, verwendet werden. Wenn die Verbindungselemente durch Stanzen des Grundkörpers hergestellt werden, ergibt sich der Vorteil, dass die Verbindungselemente gleichzeitig hergestellt werden können. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Verbindungselemente durch Zerspanen oder Laserschneiden hergestellt werden. Dabei können diejenigen Teile des zumindest einen Grundkörpers, welche für die Herstellung der Verbindungselemente nicht benötigt werden, entfernt werden. Die Herstellung der Verbindungselemente und die Verbindung der Trägerelemente mit dem Grundkörper erfolgt dabei so, dass nach der Herstellung der Verbindungselemente die jeweiligen Verbindungselemente an dem Trägerelement gehalten sind. Damit können die Verbindungselemente und somit das Zellkontaktierungssystem innerhalb einer kurzen Zeitdauer und mit geringen Kosten hergestellt werden.
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Bevorzugt wird zum Bereitstellen des Bereichs mit der verminderten Steifigkeit der jeweiligen Verbindungselemente eine Mehrzahl von Ausnehmungen in den zumindest einen Grundkörper eingebracht. Es ist also vorgesehen, die Verminderung der Steifigkeit der Verbindungselemente durch eine flächig eingebrachte, beispielsweise eingestanzte, Struktur bereitzustellen, welche die aus dem Stand der Technik bekannte Kröpfung ersetzt. Bei der Herstellung der jeweiligen Verbindungselemente werden in diese auch die Ausnehmungen eingebracht. Beispielsweise können entsprechenden Durchgangsöffnungen in das Material eingebracht werden. Diese Struktur kann wie bei einem Streckmetall aus versetzten Schlitzen bestehen. Die Ausnehmungen können insbesondere die Form von länglichen Schlitzen aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen zumindest zwei Bereiche aufweisen, die einen stumpfen Winkel einschließen. Die Ausnehmungen können auch wellenförmig ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Aussparungen bogenförmig, S-förmig oder dergleichen ausgebildet sind. Grundsätzlich können die Ausnehmungen parallel zueinander angeordnet sein. Durch das Einbringen der Mehrzahl von Ausnehmungen in den Grundkörper bzw. die Verbindungselemente kann der Bereich mit der verminderten mechanischen Steifigkeit auf einfache Weise hergestellt werden. Der Bereich mit der verminderten Steifigkeit weist im Vergleich zu den übrigen Bereichen des Verbindungselements eine geringere mechanische Steifigkeit, insbesondere eine geringere Biegesteifigkeit, auf. Durch den Bereich der verminderten Steifigkeit können nach der Verbindung der Verbindungselemente mit den Batteriezellen mechanische Kräfte bzw. Spannungen in Folge von Temperaturunterschieden oder dergleichen ausgeglichen werden. Zudem kann durch die Ausnehmungen auf eine Kröpfung der Verbindungselemente verzichtet werden, wodurch die Herstellungsschritte deutlich reduziert werden und somit Kosten eingespart werden können.
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In einer Ausführungsform werden die Ausnehmungen derart in den zumindest einen Grundkörper eingebracht, dass diese im Wesentlichen entlang einer vorbestimmten Stromflussrichtung eines Stromflusses zwischen den benachbarten Batteriezellen verlaufen. Die jeweiligen Verbindungselemente können zwei Kontaktierungsbereiche aufweisen. Der erste Kontaktierungsbereich kann dabei elektrisch mit einem Anschluss oder Pol einer ersten Batteriezelle verbunden werden. Der zweite Kontaktierungsbereich kann mit dem Anschluss oder Pol einer zweiten, benachbarten Batteriezelle verbunden werden. Der Bereich mit der verminderten Steifigkeit kann sich zwischen den beiden Kontaktierungsbereichen befinden. Dabei ergibt sich die Richtung des Stromflusses im Wesentlichen von dem ersten Kontaktierungsbereich zu dem zweiten Kontaktierungsbereich. Die jeweiligen Ausnehmungen können als längliche Schlitze ausgebildet sein, die im Wesentlichen entlang der Stromflussrichtung verlaufen. Dabei können die jeweiligen Ausnehmungen auch einen vorbestimmten Winkel zu der Stromflussrichtung aufweisen. Zwischen den jeweiligen Ausnehmungen bleiben Stege bestehen, durch welche der Stromfluss erfolgt. Durch diese Ausgestaltung kann einerseits die verminderte mechanische Steifigkeit erreicht werden und andererseits der Stromfluss zwischen den benachbarten Batteriezellen gewährleistet werden.
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Weiterhin ist vorteilhaft, wenn der zumindest eine Grundkörper derart strukturiert wird, dass die jeweiligen Verbindungselemente elektrisch voneinander getrennt sind. Aus dem Grundkörper, der beispielsweise als streifenförmige Metallschicht bzw. als Blech bereitgestellt werden kann, können die einzelnen Verbindungselemente herausgetrennt werden. Dabei werden die Verbindungselemente so hergestellt, dass diese nach der Herstellung elektrisch voneinander getrennt sind und beabstandet zueinander sind. Die Strukturierung des Grundkörpers erfolgt dabei so, dass die jeweiligen Verbindungselemente an zuvor definierten Positionen aus dem Grundkörper herausgetrennt werden. Somit befinden sich diese an den gewünschten Positionen, um bei der Kontaktierung mit den Batteriezellen die gewünschte elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen herzustellen.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden aus dem zumindest einen Grundkörper zudem Außenverbindungselemente zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zu Außenkontakten des Batteriemoduls hergestellt. Beispielsweise kann das Zellverbindungssystem zwei Außenverbindungselemente aufweisen. Diese können mit den Außenkontakten des Batteriemoduls bzw. den Polen des Batteriemoduls elektrisch verbunden werden. Dadurch können die jeweiligen Außenverbindungselemente jeweils mit einem Anschluss einer der Batteriezellen verbunden werden. Bei dem Strukturieren des zumindest einen Grundkörpers werden also einerseits die Verbindungselemente und andererseits die Außenverbindungselemente gemeinsam hergestellt, sodass alle diese Kontakte in ihrer späteren Montagelage zueinander definiert sind. Die Außenkontakte können dann mit den Außenkontaktelementen entsprechend gefügt und gegebenenfalls ebenfalls mit den Trägerelementen mechanisch verbunden werden. Hierzu können beispielsweise Schraubverbindungen, Klebeverbindungen, Schweißverbindungen, Klemmverbindungen oder dergleichen genutzt werden. Dies vereinfacht den Aufwand bei der Herstellung des Zellkontaktierungssystems und reduziert die Kosten zusätzlich.
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In einer weiteren Ausführungsform kann auf eine elektrische und/oder mechanische Verbindung der Verbindungselemente zu den Außenkontakten des Batteriemoduls verzichtet werden. Die jeweiligen Zellverbünde bzw. Batteriemodule können dann direkt über die Außenverbindungselemente elektrisch miteinander verbunden werden. Der elektrische Kontakt zwischen den Außenverbindungselementen von Batteriemodulen, die miteinander elektrisch verbunden werden sollen, kann durch Klemmen, Schweißen oder dergleichen hergestellt werden. Somit kann auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden und somit Bauraum eingespart werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird zum Verbinden des zumindest einen Grundkörpers mit dem Trägerelement ein Klebstoff verwendet. Es kann also ein entsprechendes Klebeverfahren genutzt werden, um den zumindest einen Grundkörper mit den Trägerelementen zu verbinden. Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Trägerelemente zumindest bereichsweise aufgeschmolzen werden. Die jeweiligen Trägerelemente können also zumindest lokal aufgeschmolzen werden und anschließend mit dem zumindest einen Grundkörper verbunden werden. Nach dem Aushärten bzw. Verfestigen der jeweiligen Trägerelemente entsteht dann die mechanische Verbindung zwischen dem Grundkörper und den Trägerelementen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Trägerelemente mittels eines Extrusionsverfahrens bereitgestellt werden. Hierbei kann das Material für die Fertigung der Trägerelemente im flüssigen Zustand auf den zumindest einen Grundkörper aufgebracht werden und anschließend ausgehärtet werden. Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Trägerelemente durch Kaschieren hergestellt werden. Hierbei kann die mechanische Verbindung zwischen dem zumindest einen Grundkörper und den Trägerelementen bereitgestellt werden. Wie bereits erläutert, können die Trägerelemente streifenförmig bzw. bandförmig ausgebildet sein. Auch der Grundkörper kann streifenförmig ausgebildet sein. Dabei können die Trägerelemente insbesondere in einem oberen Rand und einem unteren Rand des Grundkörpers angebracht werden. Grundsätzlich können auch mehrere Grundkörper mit mehreren Trägerelementen verbunden werden. Dies ermöglicht insgesamt eine einfache und kostengünstige Herstellung.
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Die Verbindungselemente werden derart hergestellt, dass diese in einer ersten Reihe und einer zweiten Reihe übereinander angeordnet sind und dass die benachbarten Batteriezellen alternierend in der ersten Reihe und der zweiten Reihe miteinander verbindbar sind. In der ersten Reihe können die Verbindungselemente entlang einer Längsrichtung des Zellverbindungssystems beabstandet nebeneinander angeordnet werden. Die zweite Reihe, in welcher die Verbindungselemente ebenfalls beabstandet und nebeneinander angeordnet sind, kann bezüglich einer Querrichtung des Zellverbindungsystems neben der ersten Reihe liegen. Dabei können die Verbindungselemente in der ersten Reihe versetzt zu den Verbindungselementen in der zweiten Reihe angeordnet sein. Die jeweiligen Batteriezellen können entlang einer Querrichtung des Zellverbindungssystems parallel zueinander angeordnet werden. In der ersten Reihe kann dann mit dem ersten Verbindungselement ein Anschluss der ersten Batteriezelle mit dem Anschluss einer zweiten Batteriezelle verbunden werden. In der zweiten Reihe kann dann der andere Anschluss bzw. Pol der zweiten Batteriezelle mit einem Anschluss einer dritten Batteriezelle verbunden werden. Diese Reihenfolge kann entsprechend fortgesetzt werden. Somit ergibt sich die alternierende Verbindung. In der zweiten Reihe können dann zudem die Außenverbindungselemente vorgesehen sein. Somit kann insgesamt eine kompakte Anordnung der Batteriezellen zueinander erreicht werden.
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Ein erster streifenförmig oder als längliches Blech ausgebildeter Grundkörper für die Herstellung der Verbindungselemente in der ersten Reihe wird mit einem ersten Trägerelement der Trägerelemente und einem zweiten Trägerelement der Trägerelemente verbunden. Ein zweiter streifenförmig oder als längliches Blech ausgebildeter Grundkörper für die Herstellung der Verbindungselemente in der zweiten Reihe wird mit dem zweiten Trägerelement und einem dritten Trägerelement der Trägerelemente verbunden.
Auf das vorgefertigte Zellkontaktierungssystem können weitere Elemente des Batteriemoduls, wie beispielsweise eine Sensorik, Überwachungseinrichtungen, Kommunikationseinrichtungen oder dergleichen montiert werden. Es ist ebenfalls möglich, diese Montage vor der Montage der Außenkontakte vorzunehmen oder erst nach Montage des vorgefertigten Zellkontaktierungssystems auf den Zellverbund vorzunehmen.
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Ein erfindungsgemäßes Zellkontaktierungssystem für ein Batteriemodul eines Fahrzeugs umfasst eine Mehrzahl von Verbindungselementen zum jeweiligen elektrischen Verbinden von benachbarten Batteriezellen des Batteriemoduls, wobei die jeweiligen Verbindungselemente einen Bereich mit verminderter Steifigkeit aufweisen. Zudem umfasst das Zellkontaktierungssystem eine Halteeinrichtung zum Halten der Verbindungselemente. Dabei umfasst die Halteeinrichtung elektrisch isolierende Trägerelemente und die Verbindungselemente sind aus zwei mit den Trägerelementen verbundenen streifenförmigen oder als längliche Bleche ausgebildeten Grundkörpern hergestellt.
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Der Bereich mit der verminderten Steifigkeit weist im Vergleich zu den übrigen Bereichen des jeweiligen Verbindungselements eine geringere mechanische Steifigkeit auf.
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Die Verbindungselemente sind in einer ersten Reihe und einer zweiten Reihe nebeneinander angeordnet und die benachbarten Batteriezellen sind alternierend in der ersten Reihe und der zweiten Reih miteinander verbindbar.
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Die Trägerelemente beinhalten ein erstes Trägerelement, das mit einer jeweiligen Oberseite der Verbindungselemente in der ersten Reihe verbunden ist. Die Trägerelemente beinhalten ein zweites Trägerelement, das mit einer jeweiligen Unterseite der Verbindungselemente in der ersten Reihe und mit der jeweiligen Oberseite der Verbindungselemente in der zweiten Reihe verbunden ist. Die Trägerelemente beinhalten ein drittes Verbindungselement, das mit der jeweiligen Unterseite der Verbindungselemente in der zweiten Reihe (7) verbunden ist.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul für ein Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Zellkontaktierungssystem sowie eine Mehrzahl von Batteriezellen, welche mit den Verbindungselementen des Zellkontaktierungssystems elektrisch miteinander verbunden sind. Das Batteriemodul kann auch als Zellverbund bezeichnet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Batteriemodul. Das Fahrzeug kann auch mehrere Batteriemodule umfassen, welche zu einer Batterie verbunden sind. Diese Batterie kann auch als Hochvoltbatterie oder als Traktionsbatterie bezeichnet werden. Das Fahrzeug kann ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein. Ferner kann das Fahrzeug bevorzugt als Personenkraftwagen ausgebildet sein.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Zellkontaktierungssystem, für das erfindungsgemäße Batteriemodul sowie das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung ein Batteriemodul mit einem Zellkontaktierungssystem gemäß dem Stand der Technik;
- 2 in schematischer Darstellung ein Zellkontaktierungssystem gemäß einer Ausführungsform, wobei das Zellkontaktierungssystem eine Mehrzahl von Verbindungselementen sowie Trägerelementen aufweist;
- 3 ein Verbindungselement gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 4 ein Verbindungselement gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Batteriemodul 1 für ein Fahrzeug. Diese Batteriemodul 1 kann Teil einer Batterie des Fahrzeugs sein, wobei die Batterie einen Antriebsmotor des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgen kann. Das Batteriemodul 1 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 2, von denen vorliegend zwei Batteriezellen 2 angedeutet sind. Darüber hinaus umfasst das Batteriemodul 1 ein Zellkontaktierungssystem 3. Das Zellkontaktierungssystem 3 umfasst wiederum eine Mehrzahl von Verbindungselementen 4. Wie nachfolgend näher erläutert, dienen die Verbindungselemente 4 zur elektrischen Verbindung der jeweiligen Batteriezellen 2.
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Die jeweiligen Verbindungselemente 4 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall, gefertigt. Die jeweiligen Verbindungselemente 4 weisen einen Bereich 5 mit verminderter Steifigkeit auf. Gemäß dem Stand der Technik wird der Bereich 5 der verminderten Steifigkeit durch eine entsprechende Kröpfung des Verbindungselements 4 bereitgestellt. Vorliegend sind die Verbindungselemente 4 in einer ersten Reihe 6 und einer zweiten Reihe 7 angeordnet. Dabei sind die Verbindungselemente 4 in der ersten Reihe 6 und in der zweiten Reihe 7 entlang einer Längsrichtung x des Zellkontaktierungssystems 3 nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnet. In der ersten Reihe 6 können mit dem ersten Verbindungselement 4 auf der linken Seite die jeweiligen Anschlüsse 8 der benachbarten Batteriezellen 2 elektrisch miteinander verbunden werden. Mit dem Verbindungselement 4 in der zweiten Reihe 7 kann dann die zweite Batteriezelle 2 mit einer nicht dargestellten dritten Batteriezelle 2 verbunden werden. Insgesamt können somit die jeweiligen Batteriezellen 2 mittels der Verbindungselemente 4 elektrisch in Reihe geschaltet werden. Darüber hinaus umfasst das Zellkontaktierungssystem 3 Außenverbindungselemente 9, welche mit Außenkontakten des Batteriemoduls 1 verbunden werden können.
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Des Weiteren umfasst das Zellkontaktierungssystem 3 eine Halteeinrichtung 10, welche zum Halten der jeweiligen Verbindungselemente 4 und der Außenverbindungselemente 9 dient. In dem vorliegenden Beispiel ist die Halteeinrichtung 10 als Assemblierungsrahmen ausgebildet. Bei der Herstellung des Zellkontaktierungssystems 3 werden die jeweiligen Verbindungselemente 4 aus einem Grundkörper bzw. Vormaterial in einem mehrstufigen Prozess gestanzt, gekröpft und vereinzelt. Im Anschluss daran können die hergestellten Verbindungselemente 4 an der Halteeinrichtung 10 bzw. dem Assemblierungsrahmen befestigt werden. Hierdurch sind mehrere Herstellungs- bzw. Montageschritte notwendig.
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2 zeigt ein Zellkontaktierungssystem 3 gemäß einer ersten Ausführungsform. Auch dieses Zellkontaktierungssystem 3 weist die Mehrzahl von Verbindungselementen 4 auf, welche analog zu dem Zellkontaktierungssystem 3 gemäß 1 in der ersten Reihe 6 und der zweiten Reihe 7 angeordnet sind. Auch dieses Zellkontaktierungssystem 3 umfasst die Außenverbindungselemente 9. Vorliegend wird die Halteeinrichtung 10 durch mehrere Trägerelemente 11a, 11b und 11c gebildet. Diese Trägerelemente 11a, 11b, 11c sind aus einem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise einem Kunststoff oder einem Faserverbundwerkstoff gebildet.
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Für die Herstellung der Verbindungselemente 4 wird ein Grundkörper bzw. Vormaterial bereitgestellt. Dieser Grundkörper ist streifenförmig bzw. als längliches Blech ausgebildet.
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Für die Herstellung der Verbindungselemente 4 die in den zwei Reihen 6, 7 angeordnet sind, werden zwei Grundkörper verwendet. Dabei wird ein erster Grundkörper für die Herstellung der Verbindungselemente 4 in der ersten Reihe 6 mit dem ersten Trägerelement 11a und dem zweiten Trägerelement 11b verbunden. Für die Herstellung der Verbindungselemente 4 in der zweiten Reihe 7 wird ein Grundkörper mit dem zweiten Trägerelement 11b und dem dritten Trägerelement 11c verbunden. Als Verbindungsverfahren für die Verbindung zwischen dem Grundmaterial und den Trägerelementen 11a, 11b, 11c kann Kleben oder ein aufschmelzender Prozess verwendet werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Material zum Herstellen der Trägerelemente 11a, 11b, 11c extrudiert oder kaschiert wird.
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Um die jeweiligen Verbindungselemente 4 herzustellen, kann ein Trennverfahren, wie beispielsweise Stanzen, Fräsen oder Laserschneiden, verwendet werden. Hierbei werden die jeweiligen Verbindungselemente 4 so aus dem Grundkörper herausgetrennt, dass an vordefinierten Positionen die Verbindungselemente 4 bestehen bleiben. Zudem werden die Verbindungselemente 4 so hergestellt, dass jeweilige Oberseiten 12 der Verbindungselemente 4 in der ersten Reihe 6 mit dem ersten Trägerelement 11a verbunden bleiben und jeweilige Unterseiten 13 der Verbindungselemente 4 in der ersten Reihe 6 mit dem zweiten Trägerelement 11b verbunden bleiben. Ferner bleiben die Oberseiten 12 der Verbindungselemente 4 in der zweiten Reihe 7 mit dem zweiten Trägerelement 11b verbunden und die Unterseiten 13 der Verbindungselemente 4 in der zweiten Reihe 7 bleiben mit dem dritten Trägerelement 11c verbunden. Vorliegend weist das zweite Trägerelement 11b im Vergleich zu dem ersten Trägerelement 11a und dem dritten Trägerelement 11c bezogen auf eine Querrichtung y des Zellkontaktierungssystems 3 eine größere Breite auf, um die Verbindung zu den Verbindungselementen 4 in beiden Reihen 6, 7 zu gewährleisten.
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In gleicher Weise werden die Außenverbindungselemente 9 ebenfalls bei der Herstellung der Verbindungselemente 4 aus dem Grundkörper herausgetrennt. Vorliegend sind die Bereiche 5, in denen die Verbindungselemente 4 die verminderte Steifigkeit aufweisen, durch entsprechende Ausnehmungen 14 gebildet. Vorliegend sind diese Ausnehmungen 14 als längliche Schlitze ausgebildet. Diese Ausnehmungen 14 verlaufen parallel zueinander. Diese Ausnehmungen werden ebenfalls bei der Herstellung der Verbindungselemente 4 und der Außenverbindungselemente 9 hergestellt.
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Die Batteriezellen 2 können, wie zuvor im Zusammenhang mit 1 beschrieben, mittels der Verbindungselemente 4 miteinander verbunden werden. Durch das Herstellungsverfahren entfällt die sequenzierte Bereitstellung der einzelnen Verbindungselemente 4 für das Zellkontaktierungssystem 3 sowie die Vormontage der Verbindungselemente 4. Der Ersatz der Kröpfung durch planare Strukturen für die Verminderung der Steifigkeit der Verbindungselemente 4 ermöglicht ferner ein dimensionsneutrales Heraustrennen der Verbindungselemente 4. Zudem entfallen Vorhalte für Einzüge beim Stanzen. Der Materialeinsatz wird zudem vermindert. Mit dem Ersatz der Kröpfung durch die planaren Strukturen für die Verminderung der Steifigkeit kann die Aufbauhöhe des Zellkontaktierungssystems 3 vermindert werden. Somit wird der für die Energiespeicherung nutzbare Bauraum vergrößert.
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4 zeigt ein Verbindungselement gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hier weisen die Ausnehmungen 14 zwei Bereiche auf, welche einen stumpfen Winkel zueinander einschließen. Bei dem Beispiel gemäß 4, welches ein Verbindungselement 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt, weisen die Ausnehmungen 14 mehrere Bereiche auf, welche wellenförmig verlaufen. Die verbleibenden Stege 15 zwischen den Ausnehmungen 14 verlaufen im Wesentlichen entlang einer Stromflussrichtung 16. Dabei beschreibt die Stromflussrichtung 16 die Richtung des Stromflusses zwischen den benachbarten Batteriezellen 2. Bei angemessener Dimensionierung der Ausnehmungen 14 zur Verminderung der Steifigkeit wirken die verbleibenden stromführenden Stege 15 als Sicherungen im Schadensfall und ermöglichen die selektive Auftrennung des Strompfads in der Umgebung einer kurzgeschlossenen Batteriezelle 2. Somit kann die Personensicherheit bei einer Havarie erhöht werden.