DE102022128236A1 - Method for the electrically conductive connection of a pole of a battery cell to a contact element, battery cell and battery module - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur elektrisch leitenden Verbindung eines Pols (1, 2) einer Batteriezelle (3, 14) mit einem Kontaktelement (4), wobei der Pol (1, 2) und das Kontaktelement (4) zumindest im Bereich der einander kontaktierenden Kontaktflächen (5, 6) jeweils zumindest 90 Gewichts-% Aluminium aufweisen; wobei die elektrisch leitende Verbindung durch eine Widerstandsbuckelschweißung erfolgt. Zudem werden eine Batteriezelle und ein Batteriemodul angegeben. Method for the electrically conductive connection of a pole (1, 2) of a battery cell (3, 14) to a contact element (4), wherein the pole (1, 2) and the contact element (4) each comprise at least 90% by weight of aluminum at least in the region of the contact surfaces (5, 6) that come into contact with one another; wherein the electrically conductive connection is made by resistance projection welding. In addition, a battery cell and a battery module are specified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrisch leitenden Verbindung eines Pols einer Batteriezelle mit einem Kontaktelement, eine Batteriezelle und ein Batteriemodul.The invention relates to a method for the electrically conductive connection of a pole of a battery cell to a contact element, a battery cell and a battery module.
Elektrisch antreibbare oder angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen typischerweise einen Elektromotor als Antriebsmaschine auf, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an einen fahrzeuginternen elektrischen (Hochvolt-)Energiespeicher gekoppelt ist. Derartige Energiespeicher sind beispielsweise in Form von (Fahrzeug-)Batterien ausgeführt.Electrically driven or powered motor vehicles, such as electric or hybrid vehicles, typically have an electric motor as a drive machine, which is coupled to an internal (high-voltage) electrical energy storage device in the vehicle to supply electrical energy. Such energy storage devices are designed, for example, in the form of (vehicle) batteries.
Unter einer (elektrochemischen) Batterie ist hierbei insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen, bei welcher eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar ist. Derartige Batterien sind insbesondere als elektrochemische Akkumulatoren, beispielsweise als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Batterien typischerweise mehrere einzelne Batteriezellen auf, die zu einem Batteriemodul miteinander verschaltet sind.An (electrochemical) battery is understood here to mean in particular a so-called secondary battery (secondary battery) of the motor vehicle, in which a used chemical energy can be restored by means of an electrical charging process. Such batteries are designed in particular as electrochemical accumulators, for example as lithium-ion accumulators. In order to generate or provide a sufficiently high operating voltage, such batteries typically have several individual battery cells that are interconnected to form a battery module.
Batterien der genannten Art weisen auf einer Batteriezellebene mindestens eine Kathode und eine Anode sowie einen Separator und einen Elektrolyten auf. Die Elektroden, also die Anode sowie die Kathode, sind zumindest aus einem jeweiligen (Elektroden-)Aktivmaterial hergestellt. Insbesondere ist das Aktivmaterial als Beschichtung auf einem Trägermaterial, z. B. einer metallischen Folie, insbesondere beidseitig, aufgetragen. Als metallische Folien werden insbesondere kupferhaltige Materialien oder aluminiumhaltige Materialien eingesetzt.Batteries of the type mentioned have at least one cathode and one anode as well as a separator and an electrolyte on a battery cell level. The electrodes, i.e. the anode and the cathode, are made of at least one respective (electrode) active material. In particular, the active material is applied as a coating to a carrier material, e.g. a metallic foil, in particular on both sides. Materials containing copper or aluminum are used as metallic foils in particular.
Die Elektroden und ggf. Separatormaterial (im Folgenden als Elektrodenblätter) sind aufeinander angeordnet und bilden einen Stapel, der in einem Gehäuse angeordnet ist. Ein Elektrolyt kann als Flüssigkeit in dem Gehäuse oder als Feststoff innerhalb des Stapels (bei einer sogenannten all-solid-state Batteriezelle) angeordnet sein. Das Gehäuse kann aus einer elastisch verformbaren Verbundfolie (Pouchzelle) oder einem nur plastisch verformbaren Material (prismatische Zelle) ausgeführt sein.The electrodes and possibly separator material (hereinafter referred to as electrode sheets) are arranged on top of one another and form a stack that is arranged in a housing. An electrolyte can be arranged as a liquid in the housing or as a solid within the stack (in a so-called all-solid-state battery cell). The housing can be made of an elastically deformable composite film (pouch cell) or a material that can only be plastically deformed (prismatic cell).
Die innerhalb des Gehäuses angeordneten Anoden und Kathoden werden über sogenannte Ableiter mit einem elektrischen Stromkreis außerhalb des Gehäuses verbunden. Die Ableiter erstrecken sich durch das gasdichte Gehäuse nach außen entweder zu mindestens einem, an dem Gehäuse angeordneten positiven Pol oder zu einem an dem Gehäuse angeordneten negativen Pol. Innerhalb des Gehäuses sind die Ableiter mit der Vielzahl von Elektroden gleicher Art, also Anoden oder Kathoden, elektrisch leitend verbunden. Die Ableiter und die Pole weisen insbesondere einen den Trägermaterialien entsprechenden Werkstoff, also ein kupferhaltiges Material oder ein aluminiumhaltiges Material, auf.The anodes and cathodes arranged inside the housing are connected to an electrical circuit outside the housing via so-called conductors. The conductors extend outwards through the gas-tight housing either to at least one positive pole arranged on the housing or to a negative pole arranged on the housing. Inside the housing, the conductors are electrically connected to the large number of electrodes of the same type, i.e. anodes or cathodes. The conductors and the poles in particular have a material corresponding to the carrier materials, i.e. a copper-containing material or an aluminum-containing material.
Jede Batteriezelle weist also mindestens einen positiven Pol und mindestens einen negativen Pol (jeweils auch als Terminal bezeichnet) auf. Innerhalb eines Batteriemoduls sind insbesondere mehrere Batteriezellen über Ihre Pole miteinander elektrisch leitend verbunden. Zur Verbindung wird ein Kontaktelement, z. B. eine Stromschiene, verwendet, dass über Schweißverbindungen mit den Polen stoffschlüssig verbunden ist. Dabei können die Batteriezellen über die Kontaktelemente miteinander in Reihe oder parallel-geschaltet werden.Each battery cell therefore has at least one positive pole and at least one negative pole (each also referred to as a terminal). Within a battery module, several battery cells are connected to one another in an electrically conductive manner via their poles. A contact element, e.g. a busbar, is used for the connection, which is firmly connected to the poles via welded connections. The battery cells can be connected to one another in series or in parallel via the contact elements.
Diese Schweißverbindung wird im Allgemeinen durch Laserschweißen realisiert. Dabei wird jede Verbindung zwischen Kontaktelement und jeweils einem Pol durch den Laserstrahl einzeln kontaktiert, so dass eine Mehrzahl von derartigen Verbindungen mit einem Laserstrahl nur nacheinander erzeugt werden können. Damit sind für die Herstellung von Batteriemodulen lange Taktzeiten erforderlich. Gleichzeitig erfordert die Bereitstellung von Laserschweißeinrichtungen ein hohes Anlageninvestitionsvolumen. Das Laserschweißen erfordert weiterhin eine aufwendige Spanntechnik, damit eine möglichst genaue Anordnung der zu schweißenden Komponenten gegenüber dem Laserstrahl realisiert werden kann, z. B. um einen Fügespalt von weniger als 0,2 Millimeter zu erzeugen und um eine sichere Durchschweißung zu gewährleisten. Gerade bei Aluminiumverbindungen besteht die Gefahr der Bildung von Heißrissen.This welded connection is generally made by laser welding. Each connection between the contact element and a pole is contacted individually by the laser beam, so that a plurality of such connections can only be created one after the other with a laser beam. This means that long cycle times are required for the production of battery modules. At the same time, the provision of laser welding equipment requires a high level of investment in the system. Laser welding also requires complex clamping technology so that the components to be welded can be arranged as precisely as possible in relation to the laser beam, e.g. to create a joint gap of less than 0.2 millimeters and to ensure reliable welding. There is a risk of hot cracks forming, particularly with aluminum connections.
Aus der
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung eines Pols einer Batteriezelle mit einem Kontaktelement anzugeben. Insbesondere soll das Verfahren prozesssicher und damit reproduzierbar durchführbar sein, eine möglichst kurze Taktzeit aufweisen bzw. ermöglichen und eine große Toleranz im Hinblick auf Bauteil- bzw. Baugruppenungenauigkeiten aufweisen.The object of the present invention is to at least partially solve the problems mentioned with reference to the prior art and in particular to provide a particularly suitable method for producing an electrically conductive connection of a pole of a battery cell with a contact element. In particular, the method should be process-safe and thus reproducible, have or enable the shortest possible cycle time and have a large tolerance with regard to component or assembly inaccuracies.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.A method with the features according to claim 1 contributes to the solution of these tasks. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims. The features listed individually in the claims can be combined with one another in a technologically meaningful way and can be supplemented by explanatory facts from the description and/or details from the figures, whereby further embodiments of the invention are shown.
Es wird ein Verfahren zur elektrisch leitenden Verbindung eines Pols einer Batteriezelle mit einem Kontaktelement vorgeschlagen. Insbesondere weisen der Pol und das Kontaktelement zumindest im Bereich der einander kontaktierenden Kontaktflächen jeweils mindestens 90 Gewichts-% Aluminium, bevorzugt mindestens 95 Gewichts-%, besonders bevorzugt mindestens 99 Gewichts-%, auf. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen der Batteriezelle mit dem Pol, wobei der Pol eine erste Kontaktfläche aufweist;
- b) Bereitstellen des Kontaktelements, wobei das Kontaktelement eine zweite Kontaktfläche aufweist;
- c) Anordnen des Kontaktelements an dem Pol, so dass die Kontaktflächen einander über mindestens zwei Buckel, die an zumindest einer der Kontaktfläche ausgeformt sind, kontaktieren;
- d) Anordnen einer ersten Elektrode einer Widerstandsbuckelschweißmaschine an dem Kontaktelement in einem Bereich eines ersten Buckels und Anordnen einer zweiten Elektrode der Widerstandsbuckelschweißmaschine an dem Kontaktelement in einem Bereich eines zweiten Buckels;
- e) Durchführen einer Widerstandsbuckelschweißung und Verbinden der Kontaktflächen über die Buckel.
- a) providing the battery cell with the pole, wherein the pole has a first contact surface;
- b) providing the contact element, wherein the contact element has a second contact surface;
- c) arranging the contact element on the pole so that the contact surfaces contact each other via at least two projections formed on at least one of the contact surfaces;
- d) arranging a first electrode of a resistance projection welding machine on the contact element in a region of a first projection and arranging a second electrode of the resistance projection welding machine on the contact element in a region of a second projection;
- e) Perform resistance projection welding and connect the contact surfaces via the projections.
Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis e) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte kann variieren. Ebenso ist es möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Ganz besonders bevorzugt finden die Verfahrensschritte a) und b) vor den Schritten c) bis e) statt. Insbesondere finden die Schritte c) bis e) in der angegebenen Reihenfolge nacheinander und dabei zumindest teilweise gleichzeitig bzw. einander überlappend statt. Insbesondere wird Schritt e) nach den Schritten a) bis d) durchgeführt. Insbesondere werden die Schritte a) bis e) in der angeführten Reihenfolge durchgeführt.The above (non-exhaustive) classification of the process steps into a) to e) is primarily intended to serve only as a means of differentiation and does not enforce any order and/or dependency. The frequency of the process steps can also vary. It is also possible for process steps to overlap one another at least partially in time. Most preferably, process steps a) and b) take place before steps c) to e). In particular, steps c) to e) take place one after the other in the order given and at least partially simultaneously or overlapping one another. In particular, step e) is carried out after steps a) to d). In particular, steps a) to e) are carried out in the order given.
Es wird insbesondere erstmals der Einsatz des Verfahrens Widerstandsbuckelschweißen im Rahmen der Batteriezellenfertigung vorgeschlagen, insbesondere für die Verbindung einer Batteriezellen mit einem Kontaktelement, das zur elektrisch leitenden Verbindung der Batteriezellen miteinander verwendet wird.In particular, the use of the resistance projection welding process in battery cell production is proposed for the first time, in particular for connecting a battery cell to a contact element which is used for the electrically conductive connection of the battery cells to one another.
Das Widerstandsbuckelschweißen ist insbesondere eine Variante des Widerstandspressschweißens. Die Erwärmung der Schweißstelle erfolgt insbesondere infolge Joul'scher Widerstanderwärmung bei einem Stromfluss durch einen elektrischen Leiter. Der bei der Widerstandserwärmung wirkende Widerstand setzt sich insbesondere aus den Kontaktwiderständen der beiden Kontaktflächen und dem Stoffwiderstand der Materialien der Kontaktflächen zusammen.Resistance projection welding is a variant of resistance pressure welding. The welding point is heated in particular as a result of Joule resistance heating when a current flows through an electrical conductor. The resistance that occurs during resistance heating is made up in particular of the contact resistances of the two contact surfaces and the material resistance of the materials of the contact surfaces.
Die Stromkonzentration an der Schweißstelle wird insbesondere durch eingeprägte Buckel in zumindest einer der zu verbindenden Komponenten (also dem Pol und/oder dem Kontaktelement) oder durch die Form dieser Komponenten erreicht. Während des Durchführens der Widerstandsbuckelschweißung werden die Buckel durch die Elektrodenkraft und durch die Erwärmung infolge des Stromflusses zumindest teilweise zurückverformt. Diese Rückverformung ist meistens nicht vollständig, wobei die zurückbleibende Oberflächenform bzw. -deformation an der Komponente mit dem Buckel erhalten bleibt. Der beim Schweißen rückgeformte Buckel bildet eine stoffschlüssige Verbindung in Form einer Schweißlinse.The current concentration at the welding point is achieved in particular by embossed projections in at least one of the components to be connected (i.e. the pole and/or the contact element) or by the shape of these components. During the resistance projection welding, the projections are at least partially reshaped by the electrode force and by the heating as a result of the current flow. This reshaping is usually not complete, whereby the remaining surface shape or deformation on the component with the projection is retained. The reshaped projection during welding forms a material-locking connection in the form of a weld nugget.
Der Fügepartner erwärmt sich insbesondere ebenfalls (teilweise mit zum Schmelzpunkt), so dass durch den aufgebrachten Druck die stoffschlüssige Verbindung mit dem Material des Buckels hergestellt wird. Insbesondere wird also zunächst der elektrische Strom aufgebracht und dann der Druck, insbesondere kontinuierlich, erhöht. Wenn der Strom aus ist, wird insbesondere noch nachgedrückt, bis die Schweißlinse erkaltet ist.The joining partner also heats up (partly to the melting point), so that the pressure applied creates a material bond with the material of the projection. In particular, the electric current is applied first and then the pressure is increased, in particular continuously. When the current is off, pressure is continued until the weld nugget has cooled down.
Die Wärmeerzeugung ist abhängig von den Widerstandsverhältnissen an der Fügestelle (also den einander kontaktierenden Kontaktflächen) und dem Quadrat des fließenden Stroms. Zur Bildung der Schweißlinse tragen wesentlich der Kontaktwiderstand und die Stoffwiderstände der beteiligten Fügepartner bzw. Komponenten bei. Der Kontaktwiderstand zwischen den Fügepartnern wird durch die Buckelgeometrie, die Anpresskraft und den Oberflächenzustand der Komponenten beeinflusst.The heat generation depends on the resistance conditions at the joint (i.e. the contact surfaces that come into contact with each other) and the square of the flowing current. The contact resistance and the material resistance of the joining partners or components involved contribute significantly to the weld nugget. The contact resistance between the joining partners is influenced by the projection geometry, the contact pressure and the surface condition of the components.
Im Rahmen des Schrittes a) erfolgt ein Bereitstellen der Batteriezelle mit dem Pol, wobei der Pol eine erste Kontaktfläche aufweist.In step a), the battery cell is provided with the pole, wherein the pole has a first contact surface.
Im Rahmen des Schrittes b) erfolgt ein Bereitstellen des Kontaktelements, wobei das Kontaktelement eine zweite Kontaktfläche aufweist.In step b), the contact element is provided, wherein the contact element has a second contact surface.
Im Rahmen des Schrittes c) erfolgt ein Anordnen des Kontaktelements an dem Pol der Batteriezelle, so dass die Kontaktflächen einander über mindestens zwei Buckel, die an zumindest einer der Kontaktflächen ausgeformt sind, kontaktieren. Dabei kann auch jeweils ein Buckel an jeder Kontaktfläche ausgeformt sein. Der jeweilige Buckel kann durch eine Umformung, z. B. durch Prägen, erzeugt sein oder bereits an der Komponente vorliegen, z. B. infolge einer Formgebung. Bevorzugt sind die Buckel an dem Kontaktelement vorgesehen.In step c), the contact element is arranged on the pole of the battery cell so that the contact surfaces contact each other via at least two bumps that are formed on at least one of the contact surfaces. In this case, one bump can also be formed on each contact surface. The respective bump can be created by forming, e.g. by embossing, or can already be present on the component, e.g. as a result of shaping. The bumps are preferably provided on the contact element.
Im Rahmen des Schrittes d) erfolgt ein Anordnen einer ersten Elektrode einer Widerstandsbuckelschweißmaschine an dem Kontaktelement in einem Bereich eines ersten Buckels und ein Anordnen einer zweiten Elektrode der Widerstandsbuckelschweißmaschine an dem Kontaktelement in einem Bereich eines zweiten Buckels. Die Elektroden kontaktieren das Kontaktelement insbesondere an einer dem Buckel gegenüberliegenden Oberfläche des Kontaktelements. Insbesondere weisen die Elektroden eine unterschiedliche Polarisierung auf, so dass in Schritt e) ein Strom zwischen den beiden Elektroden über die mindestens zwei Buckel übertragen wird.In step d), a first electrode of a resistance projection welding machine is arranged on the contact element in an area of a first projection and a second electrode of the resistance projection welding machine is arranged on the contact element in an area of a second projection. The electrodes contact the contact element in particular on a surface of the contact element opposite the projection. In particular, the electrodes have a different polarization, so that in step e) a current is transmitted between the two electrodes via the at least two projections.
Im Rahmen des Schrittes e) erfolgt ein Durchführen einer Widerstandsbuckelschweißung und ein Verbinden der Kontaktflächen über die Buckel. Insbesondere wird dabei der elektrische Strom (bei zwei Elektroden und zwei Buckeln) von der einen Elektrode über den einen Buckel auf den Pol und über den anderen Buckel und das Kontaktelement zu der anderen Elektrode übertragen. Infolge der mindestens zwei Elektroden wird der zum Schweißen eingesetzte Strom nur über die zu verbindenden Komponenten geleitet und nicht über die Batteriezelle selbst (also z. B. über die Ableiter oder Elektroden im Stapel).In step e), resistance projection welding is carried out and the contact surfaces are connected via the projections. In particular, the electrical current (with two electrodes and two projections) is transferred from one electrode via one projection to the pole and via the other projection and the contact element to the other electrode. As a result of the at least two electrodes, the current used for welding is only conducted via the components to be connected and not via the battery cell itself (e.g. via the conductors or electrodes in the stack).
Insbesondere wird in Schritt e) im Bereich der Kontaktierung des ersten Buckels mit der jeweils anderen Kontaktfläche eine erste Schweißlinse und im Bereich der Kontaktierung des zweiten Buckels mit der anderen Kontaktfläche eine zweite Schweißlinse erzeugt. Die Schweißlinse wird insbesondere durch die Materialien beider Komponenten (also des Kontaktelements und des Pols) gebildet, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktflächen gebildet wird.In particular, in step e), a first weld nugget is produced in the area of contact between the first projection and the other contact surface, and a second weld nugget is produced in the area of contact between the second projection and the other contact surface. The weld nugget is formed in particular by the materials of both components (i.e. the contact element and the pole), so that a material connection is formed between the contact surfaces.
Insbesondere werden in Schritt a) eine Mehrzahl von Batteriezellen bereitgestellt. Insbesondere wird im Rahmen des Schrittes c) mindestens ein Kontaktelement an jeweils einem Pol der Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet. Insbesondere wird im Rahmen des Schrittes d) jeweils mindestens ein Paar aus einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode für jede Batteriezelle bereitgestellt. Insbesondere werden in Schritt e) die Mehrzahl von Polen mit dem mindestens einen Kontaktelement schweißtechnisch verbunden.In particular, in step a), a plurality of battery cells are provided. In particular, in step c), at least one contact element is arranged on each pole of the plurality of battery cells. In particular, in step d), at least one pair of a first electrode and a second electrode is provided for each battery cell. In particular, in step e), the plurality of poles are connected to the at least one contact element by welding.
Insbesondere werden in Schritt e) mindestens zwei Batteriezellen über den jeweiligen Pol gleichzeitig mit dem mindestens einem (d. h. mit genau einem) Kontaktelement über die Widerstandsbuckelschweißung verbunden.In particular, in step e), at least two battery cells are simultaneously connected via the respective pole to the at least one (i.e. to exactly one) contact element via the resistance projection welding.
Insbesondere werden in Schritt e) mindestens zwei Batteriezellen über den jeweiligen Pol zeitlich versetzt mit dem mindestens einen Kontaktelement über die Widerstandsbuckelschweißung verbunden.In particular, in step e), at least two battery cells are connected via the respective pole with a time offset to the at least one contact element via the resistance projection welding.
Insbesondere können eine Vielzahl von Batteriezellen über ein Kontaktelement miteinander verbunden werden. Alternativ können eine Vielzahl von Batteriezellen über eine Vielzahl von Kontaktelementen miteinander verbunden werden, insbesondere jeweils zwei Batteriezellen über jeweils ein Kontaktelement.In particular, a plurality of battery cells can be connected to one another via a contact element. Alternatively, a plurality of battery cells can be connected to one another via a plurality of contact elements, in particular two battery cells each via one contact element.
Insbesondere können im Rahmen des Schrittes e) zeitgleich mehr als 50, bevorzugt mehr als 100 oder sogar mehr als 150, Widerstandsbuckelschweißverbindungen (also stoffschlüssige Verbindungen zwischen jeweils einem Buckel und einer Komponente von Kontaktelement und Pol) erzeugt werden.In particular, within the scope of step e), more than 50, preferably more than 100 or even more than 150, resistance projection welds (i.e. material-locking connections between a projection and a component of the contact element and pole) can be produced simultaneously.
Insbesondere werden die Batteriezellen über das Kontaktelement miteinander in Reihe (also unterschiedliche Pole zweier Batteriezellen werden über das Kontaktelement miteinander verbunden) oder miteinander parallel (also gleiche Pole zweier Batteriezellen werden über das Kontaktelement miteinander verbunden) geschaltet. Es können auch eine Vielzahl von Batteriezellen über das Kontaktelement miteinander parallel und diese Vielzahl von Batteriezellen über das gleiche Kontaktelement mit einer anderen Vielzahl von Batteriezellen (die ebenfalls über das eine Kontaktelement miteinander parallelgeschaltet sind) in Reihe geschaltet werden.In particular, the battery cells are connected in series with one another via the contact element (i.e. different poles of two battery cells are connected to one another via the contact element) or in parallel with one another (i.e. the same poles of two battery cells are connected to one another via the contact element). A large number of battery cells can also be connected in parallel with one another via the contact element and this large number of battery cells can be connected in series with another large number of battery cells (which are also connected in parallel with one another via the one contact element) via the same contact element.
Insbesondere erfolgt in zumindest einem der Schritte c), d) und e) ein Verformen zumindest eines Buckels, so dass ein Höhenausgleich zwischen einer ersten Lage der Kontaktflächen an einem ersten Pol und einer zweiten Lage der Kontaktflächen an einem zweiten Pol erfolgt. Insbesondere erfolgt dieses Verformen in einem der Schritte c) und d), also vor dem Durchführen der Widerstandsbuckelschweißung gemäß Schritt e).In particular, in at least one of steps c), d) and e), at least one projection is deformed so that a height adjustment occurs between a first layer of the contact surfaces on a first pole and a second layer of the contact surfaces on a second pole. In particular, this deformation takes place in one of steps c) and d), i.e. before carrying out the resistance projection welding according to step e).
Bevorzugt sind die Buckel an dem Kontaktelement angeordnet.Preferably, the bumps are arranged on the contact element.
Insbesondere wird die mindestens eine Widerstandsbuckelschweißung durch eine Kondensatorentladung der Widerstandsbuckelschweißmaschine erzeugt.In particular, the at least one resistance projection weld is produced by a capacitor discharge of the resistance projection welding machine.
Es wird weiter eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein Gehäuse und darin angeordnet einen Stapel von Elektrodenblättern bzw. von Elektroden. An dem Gehäuse sind ein erster Pol und ein zweiter Pol zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenblätter bzw. Elektroden angeordnet. Insbesondere weist die Batteriezelle zusätzlich ein Kontaktelement auf, das über eine Widerstandsbuckelschweißung mit einem der Pole stoffschlüssig verbunden ist. Insbesondere weisen dieser Pol und das Kontaktelement zumindest im Bereich der einander kontaktierenden Kontaktflächen jeweils mindestens 90 Gewichts-% Aluminium auf.A battery cell is also proposed, comprising at least one housing and a stack of electrode sheets or electrodes arranged therein. A first pole and a second pole for electrically contacting the electrode sheets or electrodes are arranged on the housing. In particular, the battery cell additionally has a contact element which is integrally connected to one of the poles via a resistance projection weld. In particular, this pole and the contact element each have at least 90% by weight of aluminum, at least in the region of the contact surfaces that come into contact with one another.
Es wird weiter ein Batteriemodul vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Mehrzahl der beschriebenen Batteriezellen, wobei zumindest die jeweils gleichen Pole oder zumindest die voneinander unterschiedliche Pole der Batteriezellen über das Kontaktelement elektrisch leitend miteinander verbunden sind.A battery module is further proposed, at least comprising a plurality of the described battery cells, wherein at least the respective identical poles or at least the mutually different poles of the battery cells are electrically conductively connected to one another via the contact element.
Das Batteriemodul wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug als Energiespeicher eingesetzt. Über den Energiespeicher wird insbesondere ein Traktionsantrieb mit Energie versorgt.The battery module is used in particular in a motor vehicle as an energy storage device. The energy storage device supplies a traction drive with energy.
Insbesondere ist zumindest ein System zur Datenverarbeitung vorgesehen, das Mittel aufweist, die zur Durchführung zumindest eines Teils des Verfahrens, insbesondere zur Durchführung von Schritt e), geeignet ausgestattet, konfiguriert oder programmiert sind bzw. die das Verfahren ausführen. Das oder die Mittel ist bzw. sind insbesondere zur Steuerung der Widerstandsbuckelschweißmaschine und ggf. zur Erfassung und Auswertung von Messwerten geeignet ausgeführt.In particular, at least one data processing system is provided which has means which are suitably equipped, configured or programmed to carry out at least part of the method, in particular to carry out step e), or which carry out the method. The means is or are suitably designed in particular to control the resistance projection welding machine and, if necessary, to record and evaluate measured values.
Die Mittel umfassen z. B. einen Prozessor und einen Speicher, in dem durch den Prozessor auszuführende Befehle gespeichert sind, sowie Datenleitungen oder Übertragungseinrichtungen, die eine Übertragung von Befehlen, Messwerten z. B. der Sensoren, Daten oder ähnlichem zwischen den angeführten Elementen ermöglichen.The means include, for example, a processor and a memory in which instructions to be executed by the processor are stored, as well as data lines or transmission devices that enable a transmission of instructions, measured values, e.g. from sensors, data or the like between the elements mentioned.
Die Mittel können insbesondere eine oder mehrere folgender Komponenten umfassen: Steuerung(en), Mikrocontroller, Datenspeicher, Datenverbindung, Anzeigegeräte (wie z.B. ein Display), Zähler bzw. Zeitglied (Timer), mindestens ein weiterer Sensor, eine Energiequelle, etc.The means may in particular comprise one or more of the following components: controller(s), microcontroller, data storage, data connection, display devices (such as a display), counter or timer, at least one further sensor, an energy source, etc.
Es wird weiter ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren bzw. die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.A computer program is further proposed, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the described method or the steps of the described method.
Es wird weiter ein computerlesbares Speichermedium vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren bzw. zumindest einen Teil der Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.Furthermore, a computer-readable storage medium is proposed, comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the described method or at least some of the steps of the described method.
Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf die Batteriezelle, das Batteriemodul, das System zur Datenverarbeitung und/oder das computerimplementierte Verfahren (also das Computerprogramm und das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.The statements on the method are particularly transferable to the battery cell, the battery module, the data processing system and/or the computer-implemented method (i.e. the computer program and the computer-readable storage medium) and vice versa.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.The use of indefinite articles ("a", "an", "an" and "another"), particularly in the patent claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a number. Terms or components introduced accordingly are therefore to be understood as being present at least once and, in particular, can also be present multiple times.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.As a precaution, it should be noted that the numerals used here ("first", "second", ...) primarily serve (only) to distinguish between several similar objects, sizes or processes, and in particular do not necessarily specify a dependency and/or sequence of these objects, sizes or processes. If a dependency and/or sequence is required, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described design. If a component can occur multiple times ("at least one"), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
-
1 : ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren; -
2 : das Verfahren mit einer Widerstandsbuckelschweißmaschine; -
3 : die Schritte d) und e) des Verfahrens; -
4 : eine Detailansicht des Schrittes e) des Verfahrens; und -
5 : ein besonderes Detail des Verfahrens.
-
1 : a method known from the state of the art; -
2 : the process using a resistance projection welding machine; -
3 : steps d) and e) of the procedure; -
4 : a detailed view of step e) of the method; and -
5 : a special detail of the procedure.
In
Die Schweißverbindung zwischen Kontaktelement 4 und Pol 1, 2 wird durch Laserschweißen realisiert. Dabei wird jede Verbindung zwischen Kontaktelement 4 und jeweils einem Pol 1, 2 durch den Laserstrahl erzeugt, so dass eine Mehrzahl von derartigen Verbindungen mit einem Laserstrahl nur nacheinander hergestellt werden können. Damit sind für die Herstellung des Batteriemoduls 19 lange Taktzeiten erforderlich. Gleichzeitig erfordert die Bereitstellung von Laserschweißeinrichtungen (Laser 21) ein hohes Anlageninvestitionsvolumen. Das Laserschweißen erfordert weiterhin eine aufwendige Spanntechnik.The welded connection between
In
Für die Realisierung der Widerstandsbuckelschweißung ist es erforderlich, den Strom über zueinander benachbarte Buckel zu leiten, wobei der Strom über die erste Komponente in den einen Buckel und hin zur zweiten Komponente und von dort über den anderen Buckel zurück zur ersten Komponente fließt. Dieser Verlauf des Stroms wird durch die Anordnung zweier Elektroden der Widerstandsbuckelschweißmaschine im Bereich der Buckel erreicht.To achieve resistance projection welding, it is necessary to conduct the current over adjacent projections, with the current flowing over the first component into one projection and to the second component and from there over the other projection back to the first component. This current flow is achieved by arranging two electrodes of the resistance projection welding machine in the area of the projections.
Im Rahmen des Schrittes a) erfolgt ein Bereitstellen zweier Batteriezellen 3, 14 mit jeweils einem ersten Pol 1 und einem zweiten Pol 2. Die ersten Pole 1 weisen eine erste Kontaktfläche 5 auf, die aus einem Material mit mindestens 90 Gewichts-% Aluminium gebildet ist.In step a), two
Die Batteriezellen 3, 14 umfassen jeweils ein Gehäuse 17 und darin angeordnet einen Stapel von Elektrodenblättern 18 bzw. von Elektroden. An dem Gehäuse 17 sind ein erster Pol 1 und ein zweiter Pol 2 zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenblätter 18 bzw. Elektroden angeordnet.The
Im Rahmen des Schrittes b) erfolgt ein Bereitstellen des Kontaktelements 4, wobei das Kontaktelement 4 eine zweite Kontaktfläche 6 aufweist, die aus einem Material mit mindestens 90 Gewichts-% Aluminium gebildet ist.In step b), the
Im Rahmen des Schrittes c) erfolgt ein Anordnen des Kontaktelements 4 an den ersten Polen 1 der Batteriezellen 3, so dass die Kontaktflächen 5, 6 einander über zwei Buckel 7, 8, die an der ersten Kontaktfläche 5 ausgeformt sind, kontaktieren. Die Buckel 7, 8 sind jeweils durch eine Umformung, z. B. durch Prägen, erzeugt.In step c), the
Im Rahmen des Schrittes d) erfolgt ein Anordnen einer ersten Elektrode 9 der Widerstandsbuckelschweißmaschine 10 an dem Kontaktelement 4 in einem Bereich des ersten Buckels 7 und ein Anordnen einer zweiten Elektrode 11 der Widerstandsbuckelschweißmaschine 10 an dem Kontaktelement 4 in einem Bereich des zweiten Buckels 8. Die Elektroden 9, 11 kontaktieren das Kontaktelement 4 an einer dem Buckel 7, 8 gegenüberliegenden Oberfläche des Kontaktelements 4. Die Elektroden 9, 11 weisen eine voneinander unterschiedliche Polarisierung (plus und minus, wie dargestellt) auf, so dass in Schritt e) ein Strom zwischen den beiden Elektroden 9, 11 über die zwei Buckel 7, 8 übertragen wird.In step d), a
Im Rahmen des Schrittes e) erfolgt ein Durchführen einer Widerstandsbuckelschweißung und ein Verbinden der Kontaktflächen 5, 6 über die Buckel 7, 8. Dabei fließt der elektrische Strom von der ersten Elektrode 9 über den ersten Buckel 7 auf den Pol 1 und über den zweiten Buckel 8 und das Kontaktelement 4 zu der zweiten Elektrode 11. Infolge der Bereitstellung zweier, räumlich nah beieinander angeordneter Elektroden 9, 11 wird der zum Schweißen eingesetzte Strom nur über die zu verbindenden Komponenten (Kontaktelement 4 und Pol 1) geleitet und nicht über die Batteriezelle 3 selbst (also z. B. über die Ableiter oder Elektroden im Stapel).In step e), resistance projection welding is carried out and connecting the contact surfaces 5, 6 via the
Die Widerstandsbuckelschweißmaschine 10 umfasst ein System 20 zur Datenverarbeitung, das Mittel aufweist, die zur Durchführung zumindest eines Teils des Verfahrens, insbesondere zur Durchführung von Schritt e), geeignet ausgestattet, konfiguriert oder programmiert sind bzw. die das Verfahren ausführen. Das Mittel ist z. B. eine Steuereinheit, die eine Steuerung der Widerstandsbuckelschweißmaschine 10 (Kondensatorladung und zumindest teilweise Entladung, Zuführung der Elektroden 9, 11, Auswahl der zuzuführenden Elektroden 9, 11, Auswahl der mit Strom zu beaufschlagenden Elektroden 9, 11, Auswahl und Steuerung der Anpresskraft der Elektroden 9, 11, Bestimmung des zeitlichen Ablaufs der Schweißvorgänge, Analyse und Bewertung der durchgeführten Schweißung) und ggf. zur Erfassung und Auswertung von Messwerten (z. B. Werte und Verlauf von Strom, Spannung, Widerstand, etc.; insbesondere je Elektrode 9, 11 bzw. je Elektrodenpaar) geeignet ausgeführt.The resistance
In Schritt e) wird im Bereich der Kontaktierung des ersten Buckels 7 mit der zweiten Kontaktfläche 6 des Pols 1 eine erste Schweißlinse 12 und im Bereich der Kontaktierung des zweiten Buckels 8 mit der zweiten Kontaktfläche 6 eine zweite Schweißlinse 13 erzeugt. Die Schweißlinse 12 wird durch die Materialien beider Komponenten (also des Kontaktelements 4 und des Pols 1) gebildet, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktflächen 5, 6 gebildet wird.In step e), a
In Schritt e) können die dargestellten zwei Batteriezellen 3, 14 über den jeweiligen ersten Pol 1 gleichzeitig mit dem einen Kontaktelement 4 über die Widerstandsbuckelschweißung verbunden werden. Alternativ können in Schritt e) die dargestellten zwei Batteriezellen 3, 14 über den jeweiligen ersten Pol 1 zeitlich versetzt mit dem einen Kontaktelement 4 über die Widerstandsbuckelschweißung verbunden werden.In step e), the two
In einem der Schritte c), d) und e) kann ein Verformen der Buckel 7, 8 erfolgen, so dass ein Höhenausgleich zwischen einer ersten Lage 15 der Kontaktflächen 5, 6 an einem ersten Pol 1 der ersten Batteriezelle 3 und einer zweiten Lage 16 der Kontaktflächen 5, 6 an einem zweiten Pol 2 der zweiten Batteriezelle 14 erfolgt. Bevorzugt erfolgt dieses Verformen in einem der Schritte c) und d), also vor dem Durchführen der Widerstandsbuckelschweißung gemäß Schritt e).In one of steps c), d) and e), the
In
Der Höhenausgleich ist erforderlich um ggf. vorliegende Lagetoleranzen gerade der Pole 1, 2 der Batteriezellen 3, 14 auszugleichen. Diese Lagetoleranz ergibt sich insbesondere aus der Längentoleranz der Batteriezellen 3, 14 (also des Abstands der zweiten Kontaktflächen 6 der beiden Pole 1, 2 einer Batteriezelle voneinander) und der Stapeltoleranz der nebeneinander angeordneten und durch das mindestens eine Kontaktelement 4 zu verbindenden Batteriezellen 3, 14.The height compensation is necessary in order to compensate for any positional tolerances that may exist, especially in the
Mit einer Widerstandsbuckelschweißmaschine 10 können eine große Anzahl von Batteriezellen 3, 14 über eins oder mehrere Kontaktelemente 4 gleichzeitig verbunden werden. Die eine Widerstandsbuckelschweißmaschine 10 kann dazu eine Vielzahl von Elektroden 9, 11 aufweisen, die gleichzeitig oder zeitlich versetzt zueinander verfahren werden und Schweißungen ausführen können. Mit der einen Widerstandsbuckelschweißmaschine 10 können z. B. über 100 Elektroden, bevorzugt über 150 Elektroden, betätigt bzw. auch zum gleichzeitigen Durchführen von Schweißvorgängen angesteuert werden.With a resistance
Insbesondere können z. B. Schweißvorgänge an einem Kontaktelement 4 so gesteuert werden, dass z. B. bei mehreren benachbarten Batteriezellen 3, 14 zunächst nur jede andere Batteriezelle 3, 14 gleichzeitig verschweißt wird. Damit kann die in dem Kontaktelement 4 induzierte Wärme zwischenzeitlich abgeführt werden, so dass zeitlich versetzt dann die Schweißungen an den anderen Batteriezellen 3, 14 durchgeführt werden können. Diese Ansteuerung der Widerstandsbuckelschweißmaschine 10 ist in
Das Verfahren der Widerstandsbuckelschweißung ermöglicht aufgrund der zu verfahrenden Elektroden 9, 11 eine bessere Kompensation von möglicherweise auftretenden Toleranzen, so dass eine reproduzierbare Qualität der Schweißungen erzeugt werden kann. Weiter kann jede Schweißung anhand der in der Widerstandsbuckelschweißmaschine 10 vorliegenden Werte für Strom, Spannung, etc. analysiert werden bzw. mögliche Normabweichungen oder vermutete Prozessfehler angezeigt werden. Aufgrund der großen Anzahl von Elektroden 9, 11, die gleichzeitig oder auch zeitlich versetzt von nur einer Widerstandsbuckelschweißmaschine 10 angesteuert werden können, ergibt sich eine sehr kurze Taktzeit für die Herstellung eines Batteriemoduls 19, dass eine Vielzahl von Batteriezellen 3, 14 umfasst.The resistance projection welding process enables better compensation of tolerances that may occur due to the
Bei dem bekannten Laserschweißverfahren ist diese Überwachung der Schweißstellen nur durch aufwändige Sensorik realisierbar, z. B. optische Sensoren. Weiterhin ist das Laserschweißverfahren viel anfälliger für ggf. vorliegende Toleranzen, so dass fehlerhafte Schweißungen bzw. Schweißverbindungen mit größerer Häufigkeit vorliegen können. Aus diesem Grund erfordert das Laserschweißen eine aufwändige Spanntechnik oder die Anforderungen an Bauteiltoleranzen müssen erhöht werden. Weiterhin können mit einem Laser die einzelnen Schweißverbindungen nur nacheinander erzeugt werden, so dass eine kürzere Taktzeit nur durch das Bereitstellen mehrerer Laser erreicht werden kann.With the known laser welding process, this monitoring of the welding points can only be achieved using complex sensors, e.g. optical sensors. Furthermore, the laser welding process is much more susceptible to tolerances that may exist, so that faulty welds or welded joints can occur more frequently. For this reason, laser welding requires complex clamping technology or the requirements for component tolerances must be increased. Furthermore, the individual welded joints can only be created one after the other with a laser, so that a shorter cycle time can only be achieved by providing several lasers.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- erster Polfirst pole
- 22
- zweiter Polsecond pole
- 33
- BatteriezelleBattery cell
- 44
- KontaktelementContact element
- 55
- erste Kontaktflächefirst contact surface
- 66
- zweite Kontaktflächesecond contact surface
- 77
- erster Buckelfirst hump
- 88th
- zweiter Buckelsecond hump
- 99
- erste Elektrodefirst electrode
- 1010
- WiderstandsbuckelschweißmaschineResistance projection welding machine
- 1111
- zweite Elektrodesecond electrode
- 1212
- erste Schweißlinsefirst welding lens
- 1313
- zweite Schweißlinsesecond welding lens
- 1414
- zweite Batteriezellesecond battery cell
- 1515
- erste Lagefirst layer
- 1616
- zweite Lagesecond layer
- 1717
- GehäuseHousing
- 1818
- ElektrodenblattElectrode sheet
- 1919
- BatteriemodulBattery module
- 2020
- Systemsystem
- 2121
- LaserLaser
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102015210035 A1 [0009]DE 102015210035 A1 [0009]
- DE 102017004939 A1 [0010]DE 102017004939 A1 [0010]
- WO 2018/071765 A1 [0011]WO 2018/071765 A1 [0011]
Claims (10)
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-
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