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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Stromschiene mit zumindest einer Oberflächenstruktur zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Stromschiene, eine Stromschiene bereitgestellt durch ein solches Verfahren, eine Stromschiene mit zumindest einer Oberflächenstruktur zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Stromschiene, sowie ein E-Fahrzeug umfassend eine solche Stromschiene.
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Hintergrund
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Stromschienen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Stromschienen werden Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen zur Übertragung von Strömen, insbesondere hohen Strömen eingesetzt. Stromschienen dienen dabei unter anderen, um einzelne Module mit Strom zu versorgen. Hierzu wird beispielsweise eine Stromschiene eines ersten Moduls mit einer zweiten Stromschiene eines zweiten Moduls verbunden, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen den zwei Modulen (z.B. einem Energiespeicher und einer Leistungselektronik) bereitgestellt werden kann.
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In diesem Zusammenhang hat sich nun herausgestellt, dass ein Bedarf besteht, eine solche Stromschiene zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Stromschiene weiter zu verbessern, insbesondere besteht ein weiterer Bedarf, eine kostengünstige und leistungsfähige Stromschiene zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Stromschiene bereitzustellen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Stromschiene zur Herstellung eines Kontakts mit einer zweiten Stromschiene bereitzustellen, insbesondere ist es eine Aufgabe, eine kostengünstige und leistungsfähige Stromschiene zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Stromschiene bereitzustellen.
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Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafterweise weiter.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Stromschiene mit zumindest einer Oberflächenstruktur zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Stromschiene, umfassend: Bereitstellen eines Stromschienenrohlings; Einbringen zumindest einer Oberflächenstruktur durch ein thermisches Strukturierungsverfahren, wobei die Oberflächenstruktur eingerichtet ist, um mit einer Oxidschicht der zweiten Stromschiene bei elektrischer Kontaktierung derart wechselzuwirken, dass die Oberflächenstruktur der Stromschiene zumindest teilweise in die Oxidschicht der zweiten Stromschiene eindringt.
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Der Begriff Stromschiene ist vorliegend breit zu verstehen und meint eine Schiene, die eingerichtet ist, um Strom zu leiten. Die Stromschiene besteht beispielsweise aus Kupfer. Die Stromschiene ist beispielsweise ein kupferförmiges Flachzeug. Die Stromschiene ist beispielsweise an einem Ende oder an beiden Enden mit einer Durchgangsbohrung versehen, die eingerichtet ist, um mit einem Gegenstück (bspw. einer zweiten Stromschiene) verbunden (z.B. verschraubt) zu werden. Der Begriff Oberflächenstruktur ist vorliegend breit zu verstehen und meint im speziellen eine Beschaffenheit einer Oberfläche. Die Beschaffenheit der Oberfläche kann spezielle geometrische Merkmale und/oder stoffliche Merkmale aufweisen. Die Oberflächenstruktur kann beispielsweise Zackenmuster, ein Rillenmuster oder dergleichen aufweisen. Die Oberflächenstruktur ist aber nicht auf diese Beispiele begrenzt. Die Oberflächenstruktur wird bevorzugt an einer Kontaktstelle der Stromschiene mit einer weiteren Stromschiene abgeändert bzw. eingebracht. Der Begriff elektrischer Kontakt ist vorliegend breit zu verstehen und meint im speziellen einen mechanischen Kontakt zwischen zwei Stromschienen, der eingerichtet ist, um Strom zwischen den zwei Stromschienen zu leiten. Der Begriff Stromschienenrohling ist vorliegend breit zu verstehen und meint im speziellen eine Stromschiene, die keine Oberflächenbehandlung zur Einbringung einer Oberflächenstruktur erhalten hat. Mit anderen Worten meint der Begriff Stromschienenrohling eine Stromschiene mit blanker bzw. glatter Oberfläche. Der Begriff thermisches Strukturierungsverfahren ist vorliegend breit zu verstehen und meint ein thermisches Verfahren, das eingerichtet ist, um in eine Oberfläche einer Stromschiene eine Oberflächenstruktur einzubringen. Thermische Verfahren zur Einbringung einer speziellen Oberflächenstruktur können beispielsweise eines der folgenden sein, thermisches Spritzen, Auftragsschweißen, Laserstrahlhärten, lokales Ausscheidungshärten, Lasergaslegieren, induktiv gestütztes Laserumschmelzen, Laserablation oder Laserstrukturieren.
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Der Begriff Oxidschicht ist vorliegend breit zu verstehen und meint speziell eine Schicht, die sich auf der Stromschiene bildet. Die Oxidschicht ist beispielsweise bei Kupferstromschienen eine Kupferoxidschicht, ein sogenannter Grünspan. Die Oxidschicht entsteht u.a. wenn die Stromschiene nicht gesondert beschichtet wurde. Die Oxidschicht kann zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands bei der elektrischen Kontaktierung führen. Der Begriff elektrische Kontaktierung ist vorliegend breit zu verstehen und meint die Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen zwei Stromschienen. Der Begriff bzw. die Formulierung „zumindest teilweise eindringen“ ist vorliegend breit zu verstehen. Der Begriff meint, dass die Oberflächenstruktur die Oxidschicht teilweise aufbricht oder verdrängt oder staucht derart, dass die Oberflächenstruktur der Stromschiene die zweite Stromschiene, insbesondere das Grundmaterial der zweiten Stromschiene unter der Oxidschicht, berühren kann. Der Begriff meint weiterhin, dass zumindest der Abstand zwischen der Oberflächenstruktur der Stromschiene und der zweiten Stromschiene, insbesondere zwischen dem Grundmaterial der zweiten Stromschiene unter der Oxidschicht, verringert wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Stromschienen unter Einwirkung der Atmosphäre zur Ausbildung einer Oxidschicht neigen, sofern sie nicht gesondert beschichtet werden. Die Oxidschicht führt zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands an der Kontaktstelle zwischen Stromschienen. Durch ein thermisches Strukturierungsverfahren kann eine Kontaktfläche einer Stromschiene mit Oberflächenstruktur versehen werden, so dass die Oberflächenstruktur der Stromschiene in die Oxidschicht der zweiten Stromschiene bei elektrischer Kontaktierung zumindest teilweise eindringt oder sie gar durchdringt, um den elektrischen Widerstand bei der elektrischen Kontaktierung zwischen den zwei Stromschienen zu reduzieren. Dies kann sich vorteilhaft auf die Leistungsfähigkeit, Effizienz und Lebensdauer der Stromschienen und des übergeordneten Systems (z.B. E-Fahrzeug) auswirken.
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Vorzugsweise wird die Oberflächenstruktur mittels eines Laserverfahrens eingebracht. Das Laserverfahren umfasst beispielsweise Laserauftragsschweißen, Laserablation, Laserstrukturieren. Vorzugsweise wird die Oberflächenstruktur mittels Laserstrukturieren eingebracht. Die durch Laserstrukturieren eingebrachte Oberflächenstruktur weist beispielsweise makroskopisch ein Kreuzmuster bzw. Schachbrettmuster aus Bergen und Tälern auf, wobei die Kanten der eingebrachten Strukturen (Übergang Berge Täler) mikroskopisch Unregelmäßigkeiten aufgrund der Natur des Laserstrukturierens aufweisen können. Diese Unregelmäßigkeiten können sich vorteilhaft auf das zumindest teilweise Eindringen der Oberflächenstruktur in Oxidschicht der zweiten Stromschiene auswirken.
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Vorzugsweise wird die Oberflächenstruktur durch künstliches Altern nachbehandelt. Durch das künstliche Altern der Oberflächenstruktur können Eigenschaften des Werkstoffs der Stromschiene und im speziellen der Oberflächenstruktur, die sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befinden, künstlich beschleunigt ausgeglichen werden. Die durch das thermische Strukturierungsverfahren eingebrachte thermodynamischen Ungleichgewichte im Werkstoff der Stromschiene werden durch künstliches Altern beschleunigt ausgeglichen. Hierzu wird die Stromschiene beispielswiese nach dem thermischen Oberflächenstrukturieren bei einer speziellen Temperatur und einer speziellen Dauer gelagert. Dies kann sich positiv auf die Leistungsfähigkeit der Stromschiene, insbesondere das konstante Verhalten im Betrieb der Stromschiene auswirken.
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Vorzugsweise wird das künstliche Altern bei einer Temperatur zwischen 90° und 110° durchgeführt.
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Vorzugsweise wird das künstliche Altern bei einer Temperatur von 100°C durchgeführt.
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Vorzugsweise wird das künstliche Altern 40 bis 60 Stunden lang durchgeführt.
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Vorzugsweise wird das das künstliche Altern 50 Stunden lang durchgeführt.
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Vorzugsweise besteht die Stromschiene aus Kupfer und wird über einen Stanzvorgang hergestellt. In diesem Zusammenhang wird die Stromschiene vorzugsweise über einen Biegevorgang hergestellt. Durch den Biegevorgang können unterschiedliche geometrische Formen der Stromschiene erzeugt werden, beispielsweise eine L-Form oder eine Stufen-Form.
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Ein weiterer Aspekt betrifft eine Stromschiene bereitgestellt durch ein oben näher beschriebenes Verfahren. Die Stromschiene weist dabei die strukturellen Merkmale auf, die sich durch die Verfahrensschritte ergeben. Die Stromschiene kann aber auch durch andere Verfahrensschritte bereitgestellt werden, sofern diese zu den gleichen strukturellen Merkmalen führen. Beispielsweise könnten diese durch ein aufwendiges Fräsverfahren mit anschließendem Härten erzielt werden.
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Ein weiterer Aspekt betrifft eine Stromschiene mit zumindest einer Oberflächenstruktur zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Stromschiene, wobei die zumindest eine Oberflächenstruktur durch ein thermisches Strukturierungsverfahren bereitgestellt ist, und wobei die Oberflächenstruktur eingerichtet ist, um mit einer Oxidschicht der zweiten Stromschiene bei elektrischer Kontaktierung derart wechselzuwirken, dass die Oberflächenstruktur der Stromschiene zumindest teilweise in die Oxidschicht der zweiten Stromschiene eindringt.
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Das Einbringen einer Oberflächenstruktur mittels eines thermischen Strukturierungsverfahrens führt dabei zu einer Oberflächenstruktur, die sich nicht ohne Weiteres strukturell beschreiben lässt. Die Oberflächenstruktur wird im Wesentlichen durch das Herstellungsverfahren charakterisiert, das sich in der geometrischen Beschaffenheit der Oberfläche und der werkstofflichen Eigenschaften der Oberfläche widerspiegelt. So hängt die resultierende Oberflächenstruktur bei einem Laserverfahren (bspw. Laserstrukturieren) beispielsweise von Pulsraten, Energie bzw. Energieeintrag, Geschwindigkeit des Lasers und Fahrmuster des Lasers ab.
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Somit lässt sich das strukturelle Merkmal der Oberflächenstruktur nur mittelbar über den Verfahrensschritt Einbringen einer Oberflächenstruktur mit einem thermischen Strukturierungsverfahren beschreiben.
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Ein letzter Aspekt betrifft ein E-Fahrzeug umfassend zumindest eine oben näher beschriebene Stromschiene.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung der Figuren gegeben, darin zeigt
- 1 ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Stromschiene mit zumindest einer Oberflächenstruktur zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Stromschiene einer ersten bevorzugten Ausführungsform; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Stromschiene einer bevorzugten Ausführungsform.
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1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Stromschiene mit zumindest einer Oberflächenstruktur zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Stromschiene einer ersten bevorzugten Ausführungsform.
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In einem ersten Schritt S10 wird ein Stromschienenrohling bereitgestellt. Der Stromschienenrohling besteht aus Kupfer und wurde über ein Stanzverfahren hergestellt. Der Stromschienenrohling weist beispielsweise zwei Endbereiche mit je einer Durchgangsbohrung auf.
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Der Schritt S20 umfasst Einbringen zumindest einer Oberflächenstruktur durch ein thermisches Strukturierungsverfahren, wobei die Oberflächenstruktur eingerichtet ist, um mit einer Oxidschicht der zweiten Stromschiene bei elektrischer Kontaktierung derart wechselzuwirken, dass die Oberflächenstruktur der Stromschiene zumindest teilweise in die Oxidschicht der zweiten Stromschiene eindringt. Die Oberflächenstruktur wird im vorliegenden Beispiel durch ein Lasterstrukturierungsverfahren eingebracht. Das Laserstrukturierungsverfahren wird beispielsweise mit einer Prozessgeschwindigkeit von 200 mm2/s, bei einer Frequenz von 100kHz und ohne Schutzgas durchgeführt. Optional wird nach Einbringen der Oberflächenstruktur noch zusätzlich ein künstliches Altern an Stromschiene durchgeführt. Das künstliche Altern wird bei 100°C und 50 Stunden lang durchgeführt. Optional wird die Stromschiene noch gebogen, um eine entsprechende Geometrie der Stromschiene einzustellen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromschiene 10 einer bevorzugten Ausführungsform.
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Die Stromschiene 10 besteht aus Kupfer. Dies Stromschiene 10 einen Grundkörper 10 an dessen beiden Enden 12 und 13 jeweils eine Durchgangsbohrung 14 und 15 angeordnet ist, die eingerichtet ist, um eine Schraube zur Verbindung mit einer weiteren Stromschiene aufzunehmen. Die Stromschiene 10 umfasst vorliegend zumindest eine Oberflächenstruktur 16 zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Stromschiene (nicht gezeigt), wobei die zumindest eine Oberflächenstruktur 16 durch ein thermisches Strukturierungsverfahren bereitgestellt ist, und wobei die Oberflächenstruktur eingerichtet ist, um mit einer Oxidschicht der zweiten Stromschiene bei elektrischer Kontaktierung derart wechselzuwirken, dass die Oberflächenstruktur 16 der Stromschiene 10 zumindest teilweise in die Oxidschicht der zweiten Stromschiene eindringt. Die Oberflächenstruktur 16 ist vorliegend über Laserstrukturieren eingebracht worden. Die Oberflächenstruktur erstreckt sich in etwa auf dem Flächenbereich in dem eine Kontaktierung mit einer zweiten Stromschiene erfolgt. bzw. erfolgen würde. Alternativ könnte die Oberflächenstruktur auch über ein anderes thermisches Strukturierungsverfahren oder mechanisches Verfahren eingebracht worden sein.
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Bezugszeichenliste
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- S10
- Bereitstellen Stromschienenrohling
- S20
- Einbringen Oberflächenstruktur
- 10
- Stromschiene
- 11
- Grundkörper
- 12, 13
- Ende Stromschiene
- 14, 15
- Durchgangsbohrung
- 16
- Oberflächenstruktur