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WO2011120667A1 - Kontaktelement für ableiter galvanischer zellen - Google Patents

Kontaktelement für ableiter galvanischer zellen Download PDF

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WO2011120667A1
WO2011120667A1 PCT/EP2011/001550 EP2011001550W WO2011120667A1 WO 2011120667 A1 WO2011120667 A1 WO 2011120667A1 EP 2011001550 W EP2011001550 W EP 2011001550W WO 2011120667 A1 WO2011120667 A1 WO 2011120667A1
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WO
WIPO (PCT)
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electrically conductive
contact element
connection
element according
sections
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2011/001550
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Schaefer
Steffen Legner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Li Tec Battery GmbH
Original Assignee
Li Tec Battery GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Li Tec Battery GmbH filed Critical Li Tec Battery GmbH
Priority to US13/637,683 priority Critical patent/US20130171494A1/en
Priority to JP2013501678A priority patent/JP2013524417A/ja
Priority to CN2011800157680A priority patent/CN102821905A/zh
Priority to EP11711782A priority patent/EP2552634A1/de
Publication of WO2011120667A1 publication Critical patent/WO2011120667A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing
    • Y10T29/49204—Contact or terminal manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to contact elements (cell connectors or
  • the battery cell absorbers are typically made of different materials, e.g. Copper and / or nickel and aluminum or alloys of these metals. So there is the problem of connecting foreign materials with each other.
  • connection methods e.g. Ultrasonic welding, laser welding, gluing or soldering used.
  • EP 1 779 962 A1 e.g. a method for direct welding of Abieitern by means of juxtaposed welds known.
  • the wedge-shaped spot welds are set by means of a laser beam from the side of the lower-melting electrode ago.
  • Laser Induction Roll Plating called method known.
  • an inhomogeneous short-term heating of at least one of the bands to be connected takes place as a result of simultaneous energy input by electromagnetic induction and laser irradiation, wherein the laser action is directed directly to a forming zone of the strip inside or immediately before a Walzeneingriff and at the same time hot rolling the bands or semi-finished in one Walzstich with a degree of deformation between 2 and 70% takes place.
  • JP 2001-087866 A1 the production of an overlapping
  • the copper component is first provided with a tin coating and then by means of a flat tungsten tip having electrode on the copper side and a
  • dome-shaped electrode welded on the aluminum side under pressure.
  • US 4,224,499 A relates to a method of butt welding a copper and an aluminum conductor, wherein the contact area by laser light
  • a contact element for connection between electrically conductive, preferably plate-shaped components made of different materials, in particular leads of galvanic cells, wherein the contact element is made of at least two sections, wherein at least two sections are joined by means of laser induction rollers, wherein a first portion is adapted for connection to a first of the electrically conductive components, wherein a second portion is adapted for connection to a second one of the electrically conductive components, and wherein the first and second portions have an electrically conductive connection to each other.
  • a galvanic cell can be understood to mean any device which is also designed and set up to emit electrical energy. It may thus be particularly, but not exclusively, an electrochemical storage cell of the primary or secondary type (battery or accumulator cell), a fuel cell or a capacitor cell. Particularly preferably, but not exclusively, the invention is applicable to flat battery cells whose electrochemically active parts have, for example, a film stack or a film roll, are surrounded by a gas-, vapor- and liquid-tight shell and are connected to Abieitern which through the shell to step outside and in flat form of the Protrude cell.
  • An electrochemically active part is understood to be that part within which the charge, discharge and optionally
  • the active part may comprise film layers of electrochemically active materials (electrodes), conductive materials (current collectors) and separating materials (separators).
  • a contact element can be understood to be a component which is arranged between the leads of two galvanic cells and produces a contact with the conductors.
  • laser induction rolls may be understood to mean a process in which two preferably strip-shaped workpieces are inductively preheated and pressed against each other at least partly overlapping, e.g. by pressure rollers or pressure rollers, and in one
  • Joining zone of the workpieces further heating, preferably - but not necessarily - to the melt, done by laser light.
  • laser light can be understood electromagnetic radiation of any wavelength, which is suitable to heat the materials to be joined.
  • the contact element is made according to the invention from at least two sections, wherein at least two sections are joined by means of laser induction rollers. This includes the possibility that exactly two sections are joined by laser induction rollers, as well as the possibility that
  • Laser induction rollers are joined, while another portion is joined by another method with one of the two aforementioned sections. Even constructions with more than three sections are possible.
  • a contact element which is made in the described manner, may have sections made of difficult to join materials that are adapted to be connected to electrically conductive components.
  • the contact element is preferably formed so that the first portion with the first electrically conductive component forms a combination of materials that is adapted to a thermal joining method, and the second portion with the second electrically conductive component forms a combination of materials, which is adapted to a thermal joining method , This can also be a
  • the contact element is in particular designed such that the first and / or the second portion comprises an electrically conductive metal or an electrically conductive metal alloy.
  • Metals have good mechanical and electrical properties.
  • the seam of the metallic sections produced by laser induction rolls can also have a good conductivity and a low contact resistance.
  • the contact element is formed, thereby
  • first or the second section comprises aluminum or an aluminum alloy or a conductor material which is readily joinable with aluminum or an aluminum alloy.
  • a Abieiter Galvanic cell is often made of aluminum or an aluminum alloy. If one of the first and second sections comprises aluminum or an aluminum alloy or a conductor material that is readily available with aluminum or an aluminum alloy, it is also possible to produce a process-reliable connection with the Abieiter in a simple and economical manner. Further, the contact element is particularly preferably formed so that the other of the first and the second portion copper or a copper alloy or a well-glagbares with copper material.
  • a Abieiter one Galvanic cell is often made of copper or a copper alloy. If one of the first and second sections comprises copper or a copper alloy or a conductor material that is readily available with copper or a copper alloy, it is also possible to produce a more process-reliable connection with the Abieiter in a simple and economical manner.
  • the contact element is formed so that the first and the second portion are each substantially plate-shaped and have a preferably overlapping seam with each other, wherein each of the first and the second portion is angled beyond the seam to one at least substantially To form U-shaped cross-section.
  • a U-shaped cross-section is characterized by two legs which are at least substantially parallel. If the contact element has an at least substantially U-shaped cross section, parallel electrically conductive, in particular plate-shaped components can be easily connected to the contact element. Since Abieiter Galvanischer cells often have parallel, plate-shaped Abieiter, Abieiter Galvanic cells can be easily connected to the contact element.
  • the contact element is formed so that the first and the second portion are each substantially plate-shaped, have a preferably overlapping seam with each other and define a common, at least substantially planar surface, preferably at least one of the first and the second portion is cranked beyond the seam. If the sections define a single, at least substantially planar surface, also aligned, in particular plate-shaped components can be easily connected to the contact element. If the Abieiter galvanic cells are angled, you can use the
  • a flat surface of the sections can be accomplished, for example, by crimping at least one of the first and second sections beyond the seam.
  • contact elements consisting of more than two sections with at least a third portion is disposed between the first and the second portion, can be optionally dispensed with a crank.
  • the contact element is designed so that an electrically conductive connection between the first and the second portion is realized by direct joining together. With such a configuration, a permanent and secure electrical connection is made possible.
  • the contact element is formed so that the first and the second portion by at least a third portion having a non-conductive material are electrically insulated from each other and an electrically conductive connection between the first and the second portion releasably, preferably several times is detachable and recoverable.
  • a mechanical connection between electrically conductive components can be produced, while an electrical connection is made only at a place of use or at a final assembly or activation.
  • the contact element may be formed so that the first and the second portion are connected by at least a third portion which is arranged between the first and the second portion, wherein the third portion of a non-conductive support layer and an electrically conductive Conductor layer has. With such a configuration, the weight of the contact element as a whole and the amount of consumed conductor material can be reduced.
  • the conductor layer may have interruptions or generally a
  • the line pattern may be designed to be electrical To include components such as switches, integrated circuits, diodes, resistors, capacitors, sensors or the like to a
  • connection state between components to be connected in particular Abieitern Galvanischer cells, and also a state of connected to the components to be connected devices, in particular a state Galvanic cells, for example, but not only, in terms of temperature, charge, voltage or the like, to monitor and to control.
  • the line pattern may include, without limitation, a printed circuit.
  • electrically conductive preferably plate-shaped components, in particular Abieitern of galvanic cells
  • a method for joining electrically conductive, preferably plate-shaped components, in particular conductors of galvanic cells, consisting of different materials comprising the steps of: preparing a contact element having at least two sections produced according to the above method, connecting the first portion having a first electrically conductive member to be connected, and connecting the second portion with a second electrically conductive member to be connected.
  • an arrangement of galvanic cells is proposed, wherein the galvanic cells have absorbers having different conductor materials, wherein absorbers of different cells are connected to contact elements according to one of the preceding claims or by a method according to one of the preceding claims.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device for joining two
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a through
  • Fig. 3 is a schematic perspective view of a
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a contact element
  • Fig. 5 is a schematic side view of two galvanic cells whose
  • Abieiter are connected to the contact element of Figure 4.
  • Fig. 6 is a schematic side view of a contact element of a
  • FIG. 7 shows a schematic side view of a contact element according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 8 is a schematic sectional view of a contact element according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of a
  • Fig. 1 is a device for
  • Laser induction welding of two workpieces is shown to a semi-finished product, in Fig. 2, the semi-finished product as a result of the processing according to Laser induction welding is shown schematically in a perspective view, in Fig. 3 an intermediate product after cutting to length of the semifinished product of Fig. 2 is shown in the same view and is the finished in Fig. 4
  • Induction heating coil 20 a laser source 22 for Emmit Schlieren a laser beam 24 and an optical system 26 for bundling the laser beam 24 on.
  • a first band 4 made of an aluminum material (AI) is wound on the first reel 2.
  • the first reel 2 is rotatably supported so that the first band 4 is removable therefrom.
  • the second reel 6, on which the second band 8 is wound from the copper material is rotatably mounted, so that the second band is removable from it.
  • devices such as roller guides and conveyors for the first belt 4 and the second belt 8, which cause the first belt 4 and the second belt 8 to be smooth, taut and smooth, are omitted from the drawing.
  • the first band 4 and the second band 8 are passed between the first pressure roller 10 and the second pressure roller 14, wherein by the action of the first pressure cylinder 2, which is operatively coupled to the first pressure roller 10, and the second pressure cylinder 16, the functionally with the second pressure roller 14 is coupled, the first band 4 and the second band 8 are pressed together. It is provided that the first band 4 and the second band 8 are not completely over each other, but a lateral offset so that only part of the width of the first band 4 overlaps with a part of the width of the second band 8.
  • the first band 4 is inserted through the first induction heating coil 8 before entering an area between the two pressure rollers 10, 14.
  • the second belt 8 is passed through a second induction heating coil 20.
  • the induction heating coils 18, 20 By driving the induction heating coils 18, 20 with a suitable current, the first band 4 and the second band 8 are heated.
  • Induction heating coils 18, 20 are purely schematic and to be understood as an example of a device for inductive heating.
  • the bands 4, 8 can be performed in a modification instead of by the Indutationsutzspulen 18, 20 past them.
  • a plurality of heating coils 18, 20 one behind the other, lying opposite, or the band 4 or 8 may be arranged surrounding.
  • the optic 26 throws the laser light emitted by the laser source 22
  • Indutationswespule 18 preheated first band 4 and the preheated by the second induction heating 20 second belt 8 between the pressure rollers 10, 14 meet.
  • the first band 4 and the second band 8 are heated in a molten zone 28 so far that they fuse together under the pressure effect of the pressure rollers 10, 14.
  • the materials of the first band 4 and the second band 8 need not be completely brought to the molten liquid; when the materials of the first band 4 and the second band 8 firmly bond under pressure and heat.
  • the semifinished product 30, which is joined from the first band 4 and the second band 8, is pulled off beyond the pressure rollers 10, 14 and, if required, unwound or immediately cut to length.
  • the aluminum material of the first band 4 is, in particular, an aluminum-containing material which is readily available with an aluminum material of a positive conductor of a galvanic cell.
  • the copper material of the second strip 8 is a material which is readily available with a copper material of a negative conductor of a galvanic cell.
  • FIG. 2 shows the semifinished product 30 formed in the step of laser induction rolling shown in FIG. 1 in a schematic perspective view from one end side.
  • the semifinished product 30 has, as shown in FIG. 2, a first strand 32 and a second strand 34, which are welded together at a seam 36.
  • the first strand 32 is formed from the first band 4, while the second strand 34 is formed from the second band 8. Accordingly, the first strand 32 on the aluminum material, while the second strand 34 has the copper material.
  • an intermediate product 38 made of the semifinished product 30 is shown in the same view as in Fig. 2.
  • the intermediate product 38 is produced from the endless semi-finished product 30 by cutting it to a length L.
  • the intermediate product 38 has a first portion 40 and a second portion 42, which are interconnected by the seam 36.
  • the first portion 40 on the aluminum material, while the second portion 42 has the copper material.
  • On a surface of the first section 40 a bending line 41 is drawn, and a bending line 43 is marked on a surface of the second section 42.
  • the bending lines 41, 43 are parallel to the seam 36, ie in the longitudinal direction of the intermediate product 38, and are in a
  • a contact element 44 (also referred to as a contact bridge 44) produced by bending the fine ends is shown in the same view as in FIG. 2 or FIG.
  • the contact bridge 44 is made from the intermediate product 38 by bending the first portion 40 upwardly at the bend line 41, so that a center leg 40a that faces the centerline of the
  • FIG. 5 shows a schematic side view of an arrangement of two battery cells 46, 46. These are, in particular, rechargeable battery cells (that is, strictly speaking, accumulator cells) of the lithium-ion type or lithium-polymer type. Each battery cell 46 has a positive arrester 48 and a negative arrester 50. In the selected view, only either the positive arrester 48 or the negative arrester 50 of a battery cell 46 is visible.
  • the positive arrester 48 is made of a
  • Aluminum material produced while the negative arrester 50 is made of a copper material.
  • the positive arrester 48 of the one battery cell 46 is connected to the negative arrester 50 of the other battery cell 46 via the contact bridge 44.
  • the angled edge limb 40b of the first part piece 40 made of the aluminum material is likewise made of one
  • Aluminum material produced positive arrester 48 at a Junction 52 (positive junction) connected.
  • the edge leg 42b is made of the copper material second portion 42 of the contact bridge 44 with the also from a
  • connection points 52, 54 can be obtained by thermal (welding,
  • Abieiter 48, 50 connection process can be realized more easily and economically and contribute to a more process-reliable connection.
  • the seam 36 of the contact bridge 44 produced by laser induction rolls has a very good conductivity and a low contact resistance.
  • portions 40, 42 of the contact bridge 44 are designed in their strength so that a stable cell connector can be produced, which can also be used for heat dissipation or cooling.
  • FIG. 5 the side view of the arrangement of battery cells 46 with respect to the contact element 44 selected in FIG. 5 is an end view (see FIGS. 2 to 4).
  • the sections 40, 42 of the contact bridge 44 in terms of a particularly good Fügberry be optimized with the material of the respective Abieiters. Currently, materials made of or with copper, aluminum or nickel are preferred.
  • the headers 48, 50 of the battery cells 46 are angled at right angles at least in the west at the same height in order to rest in the stacking direction of the battery cells 46.
  • the contact bridges do not have a U-shaped cross-section, as shown in the embodiment, but have an overall plate-shaped cross-section.
  • One of the sections is so cranked that the sections define a common area.
  • the Abieiter 48, 50 of the battery cells 46 are angled at different heights at right angles to stanch in the stacking direction of the battery cells 46.
  • the positive Abieiter are angled at a higher level than the negative Abieiter or vice versa. This way can be a safe
  • the Abieiter is one of the sections or both sections of the contact bridge are so cranked that the
  • Contact bridge has a Z-shaped cross-section.
  • Fig. 6 shows a contact bridge 56 in a variant of the
  • the contact bridge 56 of this embodiment has a first section 58, a second section 60 and an intermediate piece 62 (third section).
  • the first section 58 and the second section 60 of this embodiment agree in function and material selection with the sections 40, 42 of the above described embodiment match.
  • the sections 58, 60 are not directly connected to each other; rather that is
  • Intermediate piece 62 is connected, while the second portion 60 is connected at a seam 66 with the intermediate piece 62.
  • the intermediate piece 62 may be made of the same material as one of
  • Pieces 58, 60 made of another material, which has a good electrical conductivity.
  • At least one of the seams 64, 66 is made by the above-described method of laser induction rolling, while the other of the seams 64, 66 may be made by another method such as welding, gluing, or soldering, when the
  • both seams 64, 66 produced by the aforementioned method of laser induction rolling.
  • both seams 64, 66 are formed in one operation by laser induction rollers.
  • the intermediate piece 62 has a vertically projecting rib 62a, which can improve the stability and / or cooling effect of the contact bridge 56 and also the handling of the contact bridge 56 can be useful in connection with Abieitern of battery cells.
  • Fig. 7 shows a contact bridge 68 in another embodiment of the present invention in an end view.
  • the contact bridge 68 of this embodiment has a first portion 58 and a second portion 60, which in shape, material selection and function of the first sections 40, 58 and second sections 42, 60 of the previous
  • the intermediate piece 70 has a carrier substrate 70a of a nonconductive material, on which a conductor layer 70b is arranged, which is connected at a seam 64 to the first section 58 and at a seam 66 to the second section 60.
  • the connection with the sections 58, 60 via the conductor layer 70b is also possible.
  • Embodiment be provided a rib.
  • Conductor layer 70b allows a saving in weight and has a lower consumption of conductor material with the same stability of the contact bridge 68.
  • Fig. 8 shows a contact bridge 72 in a further embodiment of the present invention in cross section.
  • the contact bridge 72 of this embodiment has a first section 58, a second section 60 and an intermediate piece 74.
  • first section 58 a first section 58
  • second section 60 a second section 60
  • intermediate piece 74 an intermediate piece 74
  • the intermediate piece 74 has a carrier layer (a carrier substrate) 74a and conductor layers 74b, 74c arranged thereon.
  • the conductor layers 74b, 74c extend parallel to each other and without conductive connection to a longitudinal axis of the intermediate piece 74th
  • the first portion 58 is the first
  • Conductor layer 74b is connected while the second portion 60 is connected to the second conductor layer 74c. Holes 74d extend in one
  • a clip 76 is made of a provided electrically conductive material which is insertable into the holes 74d of the first conductor layer 74b and the second conductor layer 74c and electrically connect them together.
  • battery cells can be connected to each other via the contact bridge 72 of this embodiment without an electrical connection being established immediately.
  • the electrical connection can be made only in a later processing step by inserting the brackets 76.
  • the battery cells remain electrically separated from each other until final production or final assembly, but the mechanical connection between the Abieitern is already made.
  • FIG. 9 shows a contact bridge 78 of a still further embodiment variant of the present invention in a schematic perspective view from one end side.
  • the contact bridge 78 of this embodiment has the sections 58, 60 and an intermediate piece 80.
  • the statements made in connection with the previous embodiment variants of FIGS. 6 to 8 apply to the sections 58, 60.
  • the intermediate piece 80 of this embodiment is, like the intermediate pieces 62, 70, 74 of the mentioned embodiments, arranged and connected between the pieces 58, 60.
  • the intermediate piece 80 of this embodiment is, like the intermediate pieces 62, 70, 74 of the mentioned embodiments, arranged and connected between the pieces 58, 60.
  • the intermediate piece 80 of this embodiment is, like the intermediate pieces 62, 70, 74 of the mentioned embodiments, arranged and connected between the pieces 58, 60.
  • Embodiment variant is a printed circuit board with a carrier substrate 80a and a conductor layer 80b.
  • the conductor layer 80b may, for example, be printed, have different conductor tracks and contact eyes, which are indicated in the figure only schematically and without any restrictive meaning.
  • On the circuit board 80 are electronic components (not shown in detail) can be arranged, which can serve to control a connection between the respective battery cells (not shown) as well as the control of various state variables of the battery cells.
  • a further conductor layer can also be provided on the underside of the carrier substrate 80a, on which electronic components can likewise be arranged.
  • Embodiments is limited, but can be modified and extended in the scope and range specified by the claims.
  • a bridge may be provided which has a planar shape without angled legs in order to realize a connection between Abieitern, which in turn are angled.
  • the battery cells 46 are galvanic cells in the sense of the present
  • the contact bridges 44, 56, 68, 72, 78 are contact elements in the sense of the present invention.
  • An arrangement of battery cells 46, 46 shown in FIG. 5 is an arrangement of galvanic cells according to the invention, wherein any arrangement of any number of battery cells is included in any shading of the absorbers 48, 50, the absorbers being at least partly through
  • the present invention is applicable not only to the connection of Abieitern of battery cells, but also to the connection of any electrically conductive components made of materials that are not, with great difficulty, or unsatisfactory with each other, only available with insufficient process reliability.

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Abstract

Es wird ein Kontaktelement zur Verbindung zwischen aus unterschiedlichen Materialien bestehenden, elektrisch leitenden, vorzugsweise plattenförmigen Bauteilen, insbesondere Ableitern von galvanischen Zellen, vorgeschlagen, wobei das Kontaktelement aus wenigstens zwei Teilstücken (32, 34) hergestellt ist, wobei wenigstens zwei Teilstücke mittels Laserinduktionswalzen gefügt sind, wobei ein erstes Teilstück zur Verbindung mit einem ersten der elektrisch leitenden Bauteile angepasst ist, wobei ein zweites Teilstück zur Verbindung mit einem zweiten der elektrisch leitenden Bauteile angepasst ist, und wobei das erste und das zweite Teilstück eine elektrisch leitende Verbindung zueinander aufweisen. Somit kann eine prozessichere Verbindung zwischen Ableitern galvanischer Zellen geschaffen werden.

Description

Kontaktelement für Abieiter galvanischer Zellen
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft Kontaktelemente (Zellverbinder oder
Kontaktbrücken) für Abieiter galvanischer Zellen (Batterie- oder
Akkumulatorzellen).
Es besteht beim Batteriebau der Wunsch, bei der Zusammenschaltung mehrerer galvanischer Zellen, insbesondere flacher Batteriezellen mit flachen Abieitern, zu einem Batteriebiock (Reihen- und/oder Parallelschaltung) die Abieiter unlösbar zu verbinden. Die Abieiter von Batteriezellen bestehen typischerweise aus unterschiedlichen Materialien, z.B. Kupfer und/oder Nickel und Aluminium bzw. Legierungen dieser Metalle. Es besteht also das Problem, artfremde Materialien miteinander zu verbinden. Als Verbindungsverfahren werden z.B. Ultraschallschweißen, Laserschweißen, Kleben oder Löten eingesetzt.
Prozessichere Verbindungen können aber im Allgemeinen nur mit gleicher Materialpaarung erreicht werden.
Aus der ist EP 1 779 962 A1 z.B. ein Verfahren zum direkten Verschweißen von Abieitern mittels aneinandergereihter Schweißpunkte bekannt. Die keilförmigen Schweißpunkte werden mittels eines Laserstrahls von der Seite der niedriger schmelzenden Elektrode her gesetzt.
Aus der DE 10 2008 036 435 A1 und der inhaltsgleichen EP 2 090 395 A2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effektiven Herstellung von metallischen, bandförmigen Werkstoffverbunden und Verbundhalbzeugen, insbesondere für alle schwer oder nicht schmelzschweißbaren Werkstoffkombinationen wie z.B. Vergütungsstahl/Baustahl, Wälzlagerstahl/Baustahl, Stellite/Baustahl,
Stahl/Aluminium, Titan/Stahl, Titan/Aluminium usw., durch ein dort
"Laserinduktionswalzplattieren" genanntes Verfahren bekannt. Dabei erfolgt eine inhomogene Kurzzeiterwärmung von mindestens einem der zu verbindenden Bänder infolge eines gleichzeitigen Energieeintrages durch elektromagnetische Induktion und Laserbestrahlung, wobei die Lasereinwirkung direkt auf eine Umformzone der Bandinnenseite oder unmittelbar vor einem Walzeneingriff gerichtet ist und gleichzeitig ein Warmwalzen der Bänder bzw. des Halbzeuges in einem Walzstich mit einem Umformgrad zwischen 2 und 70% erfolgt.
Ergänzend wird auf die DE 37 13 975 A1 hingewiesen, in der die Herstellung überlappender Nähte zwischen Blechen, Bändern oder Tafeln mit einem ähnlichen Verfahren beschrieben ist, wobei eine Druckbeaufschlagung vor, aber nicht in der Fügezone vorgesehen ist.
Aus der EP 1 550 834 A1 und der US 6,300,591 B1 sind Verfahren bekannt, Kupferrohre mittels Laserstrahlen unter gleichzeitiger Druckbeaufschlagung z.B. durch eine Druckrolle mit einer Aluminiumplatte zu verschweißen.
In der JP 2001-087866 A1 wird die Herstellung einer überlappenden
Schweißnaht von Kupfer- und Aluminiumbauteilen, wie sie die Abieiter von Lithium-Sekundärbatterien darstellen, beschrieben. Dabei wird das Kupferbauteil zunächst mit einem Zinnüberzug versehen und dann mittels einer eine plane Wolframspitze aufweisenden Elektrode auf der Kupferseite und einer
kuppeiförmigen Elektrode auf der Aluminiumseite unter Pressung verschweißt.
Die US 4,224,499 A betrifft ein Verfahren zum Stoßschweißen eines Kupfer- und eines Aluminiumleiters, wobei der Kontaktbereich durch Laserlicht
aufgeschmolzen und die Kontaktflächen aneinandergepresst werden. Die genannten Verfahren sind aus prozesstechnischen Gründen für die direkte Verbindung von Abieitern von Batteriezellen nicht anwendbar.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik insbesondere (aber nicht nur) im Hinblick auf die vorstehend genannten
Gesichtspunkte zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der
Unteransprüche.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Kontaktelement zur Verbindung zwischen aus unterschiedlichen Materialien bestehenden, elektrisch leitenden, vorzugsweise plattenförmigen Bauteilen, insbesondere Abieitern von galvanischen Zellen, vorgeschlagen, wobei das Kontaktelement aus wenigstens zwei Teilstücken hergestellt ist, wobei wenigstens zwei Teilstücke mittels Laserinduktionswalzen gefügt sind, wobei ein erstes Teilstück zur Verbindung mit einem ersten der elektrisch leitenden Bauteile angepasst ist, wobei ein zweites Teilstück zur Verbindung mit einem zweiten der elektrisch leitenden Bauteile angepasst ist, und wobei das erste und das zweite Teilstück eine elektrisch leitende Verbindung zueinander aufweisen.
Unter einer galvanischen Zelle kann im Sinne der Erfindung jede Vorrichtung verstanden werden, welche auch zur Abgabe elektrischer Energie ausgelegt und eingerichtet ist. Es kann sich also insbesondere, aber nicht nur, um eine elektrochemische Speicherzelle vom primären oder sekundären Typ (Batterieoder Akkumulatorzelle), eine Brennstoffzelle oder eine Kondensatorzelle handeln. Besonders bevorzugt, aber nicht ausschließlich, ist die Erfindung auf flache Akkumulatorzellen anwendbar, deren elektrochemisch aktive Teile z.B. einen Folienstapel oder einen Folienwickel aufweisen, von einer gas-, dampf- und flüssigkeitsdichten Hülle umgeben sind und mit Abieitern verbunden sind, die durch die Hülle hindurch nach außen treten und in flächiger Form von der Zelle abragen. Unter einem elektrochemisch aktiven Teil wird dabei derjenige Teil verstanden, innerhalb dessen Lade-, Entlade- und ggf.
Umwandlungsvorgänge elektrischer Energie stattfinden. Der aktive Teil kann Folienschichten aus elektrochemisch aktiven Materialien (Elektroden), leitenden Materialien (Stromsammler) und trennenden Materialien (Separatoren) aufweisen.
Unter einem Kontaktelement kann im Sinne der Erfindung ein Bauteil verstanden werden, das zwischen Abieitern zweier galvanischer Zellen angeordnet ist und eine Kontaktierung der Abieiter herstellt.
Unter Laserinduktionswalzen kann im Sinne der Erfindung ein Verfahren verstanden werden, bei welchem zwei vorzugsweise bandförmige Werkstücke induktiv vorerwärmt werden und wenigstens teilweise überlappend aufeinander gepresst werden, z.B. durch Druckwalzen oder Druckrollen, und in einer
Fügezone der Werkstücke eine weitere Erwärmung, vorzugsweise - aber nicht zwingend - bis zur Schmelze, durch Laserlicht erfolgt. Unter Laserlicht kann dabei elektromagnetische Strahlung jeder Wellenlänge verstanden werden, die geeignet ist, die zu verbindenden Werkstoffe zu erwärmen.
Das Kontaktelement ist erfindungsgemäß aus wenigstens zwei Teilstücken hergestellt, wobei wenigstens zwei Teilstücke mittels Laserinduktionswalzen gefügt sind. Dies schließt die Möglichkeit ein, dass genau zwei Teilstücke durch Laserinduktionswalzen gefügt sind, wie auch die Möglichkeit, dass
beispielsweise drei Teilstücke vorhanden sind, wobei alle Teilstücke durch Laserinduktionswalzen gefügt sind, oder nur zwei Teilstücke durch
Laserinduktionswalzen gefügt sind, während ein anderes Teilstück durch ein anderes Verfahren mit einem der zwei vorgenannten Teilstücke gefügt ist. Auch Konstruktionen mit mehr als drei Teilstücken sind möglich.
Mit dem Verfahren des Laserinduktionsschweißen können auch Werkstoffe miteinander verbunden werden, die durch herkömmliche Verfahren schwer fügbar sind. Ein Kontaktelement, das auf die beschriebene Art hergestellt ist, kann Teilstücke aus schwer miteinander fügbaren Werkstoffen aufweisen, die an zu verbindende elektrisch leitende Bauteile angepasst sind. Das Kontaktelement ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das erste Teilstück mit dem ersten elektrisch leitenden Bauteil eine Materialkombination bildet, die an ein thermisches Fügeverfahren angepasst ist, und das zweite Teilstück mit dem zweiten elektrisch leitenden Bauteil eine Materialkombination bildet, die an ein thermisches Fügeverfahren angepasst ist. Hierdurch kann auch ein
Verbindungsprozess der zu verbindenden Bauteile einfach und wirtschaftlich verwirklicht werden und eine prozessichere Verbindung geschaffen werden.
Das Kontaktelement ist insbesondere so ausgebildet, dass das erste und/oder das zweite Teilstück ein elektrisch leitendes Metall oder eine elektrisch leitende Metalllegierung aufweist. Metalle weisen gute mechanische und elektrische Eigenschaften auf. Die durch Laserinduktionswalzen hergestellte Naht der metallischen Teilstücke kann auch eine gute Leitfähigkeit und einen geringen Übergangswiderstand aufweisen. Besonders bevorzugt ist das Kontaktelement so ausgebildet, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste oder das zweite Teilstück Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder ein mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gut fügbares Leitermaterial aufweist. Ein Abieiter einer Galvanischen Zelle ist oft aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Wenn eines des ersten und zweiten Teilstücks Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder ein mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gut fügbares Leitermaterial aufweist, kann auch eine Herstellung einer prozessichere n Verbindung mit dem Abieiter auf einfache und wirtschaftliche Weise ermöglicht werden. Weiter ist das Kontaktelement besonders bevorzugt so ausgebildet, dass das andere des ersten und des zweiten Teilstücks Kupfer oder eine Kupferlegierung oder ein mit Kupfer gut fügbares Material aufweist. Ein Abieiter einer Galvanischen Zelle ist oft aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt. Wenn eines des ersten und zweiten Teilstücks Kupfer oder eine Kupferlegierung oder ein mit Kupfer oder einer Kupferlegierung gut fügbares Leitermaterial aufweist, kann auch eine Herstellung einer prozessicheren Verbindung mit dem Abieiter auf einfache und wirtschaftliche Weise ermöglicht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Kontaktelement so ausgebildet, dass das erste und das zweite Teilstück jeweils im Wesentlichen plattenförmig sind und eine vorzugsweise überlappende Naht miteinander aufweisen, wobei jedes des ersten und des zweiten Teilstücks jenseits der Naht abgewinkelt ist, um einen wenigstens im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt zu bilden. Ein U-förmiger Querschnitt zeichnet sich durch zwei wenigstens im Wesentlichen parallele Schenkel aus. Wenn das Kontaktelement einen wenigstens im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist, können auch parallele elektrisch leitende, insbesondere plattenförmige Bauteile leicht mit dem Kontaktelement verbunden werden. Da Abieiter Galvanischer Zellen oft parallele, plattenförmige Abieiter aufweisen, können mit dem Kontaktelement auch Abieiter Galvanischer Zellen leicht miteinander verbunden werden. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Kontaktelement so ausgebildet, dass das erste und das zweite Teilstück jeweils im Wesentlichen plattenförmig sind, eine vorzugsweise überlappende Naht miteinander aufweisen und eine gemeinsame, wenigstens im Wesentlichen ebene Fläche definieren, wobei bevorzugt wenigstens eines des ersten und des zweiten Teilstücks jenseits der Naht gekröpft ist. Wenn die Teilstücke eine einzige, wenigstens im Wesentlichen ebene Fläche definieren, können auch miteinander fluchtende, insbesondere plattenförmige Bauteile leicht mit dem Kontaktelement verbunden werden. Wenn die Abieiter Galvanischer Zellen abgewinkelt sind, können mit dem
Kontaktelement auch Abieiter Galvanischer Zellen leicht miteinander verbunden werden. Eine ebene Fläche der Teilstücke kann beispielsweise durch Kröpfen wenigstens eines des ersten und des zweiten Teilstücks jenseits der Naht bewerkstelligt werden. Bei Kontaktelementen, die aus mehr als zwei Teilstücken bestehen, wobei wenigstens ein drittes Teilstück zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstück angeordnet ist, kann auf eine Kröpfung gegebenenfalls verzichtet werden. Insbesondere ist das Kontaktelement so ausgebildet, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstücks durch direktes Aneinanderfügen verwirklicht ist. Mit einer solchen Ausgestaltung wird auch eine dauerhafte und sichere elektrische Verbindung ermöglicht. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Kontaktelement so ausgebildet, dass das erste und das zweite Teilstück durch wenigstens ein drittes Teilstück, das ein nicht leitendes Material aufweist, voneinander elektrisch isoliert sind und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstück lösbar, vorzugsweise mehrmals lösbar und wieder herstellbar ist. Mit einer solchen Ausgestaltung kann eine mechanische Verbindung zwischen elektrisch leitenden Bauteilen hergestellt werden, während eine elektrische Verbindung erst an einem Einsatzort oder bei einer Endmontage oder bei einer Aktivierung vorgenommen wird. In einer weiteren Ausgestaltung kann das Kontaktelement so ausgebildet sein, dass das erste und das zweite Teilstück durch wenigstens ein drittes Teilstück, das zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstück angeordnet ist, verbunden sind, wobei das dritte Teilstück eine nicht leitende Trägerschicht und eine elektrisch leitende Leiterschicht aufweist. Mit einer solchen Ausgestaltung kann auch das Gewicht des Kontaktelements insgesamt und die Menge verbrauchten Leitermaterials verringert werden.
Die Leiterschicht kann Unterbrechungen aufweisen bzw. allgemein ein
Leitungsmuster ausbilden. Hierdurch kann über weitere Verbindungsmittel wie etwa Drähte, Klammern oder dergleichen eine trennbare und wiederherstellbare elektrische Verbindung zwischen den zu verbindenden Bauteilen geschaffen werden. Allgemein kann das Leitungsmuster so ausgebildet sein, um elektrische Bauteile wie etwa Schalter, integrierte Schaltkreise, Dioden, Widerstände, Kondensatoren, Sensoren oder dergleichen aufzunehmen, um einen
Verbindungszustand zwischen zu verbindenden Bauteilen, insbesondere Abieitern Galvanischer Zellen, zu steuern und auch einen Zustand von mit den zu verbindenden Bauteilen verbundenen Geräten, insbesondere einen Zustand Galvanischer Zellen, beispielsweise, aber nicht nur, hinsichtlich Temperatur, Ladung, Spannung oder dergleichen, zu überwachen und zu steuern. Das Leitungsmuster kann insbesondere, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, eine gedruckte Schaltung aufweisen.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Kontaktelements zur Verbindung zwischen aus
unterschiedlichen Materialien bestehenden, elektrisch leitenden, vorzugsweise plattenförmigen Bauteilen, insbesondere Abieitern von galvanischen Zellen, vorgeschlagen mit den Schritten: Vorbereiten eines ersten elektrisch leitenden Teilstücks derart, dass es zur Verbindung mit einem ersten der elektrisch leitenden Bauteile angepasst ist, Vorbereiten eines zweiten elektrisch leitenden Teilstücks derart, dass es zur Verbindung mit einem ersten der elektrisch leitenden Bauteile angepasst ist, Fügen der Teilstücke miteinander unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Teilstück mittels Laserinduktionswalzen, wobei das erste und das zweite Teilstück eine elektrisch leitende Verbindung zueinander aufweisen.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden von aus unterschiedlichen Materialien bestehenden, elektrisch leitenden, vorzugsweise plattenförmigen Bauteilen, insbesondere Abieitern von galvanischen Zellen, geschaffen mit den Schritten: Vorbereiten eines nach dem vorstehenden Verfahren hergestellten Kontaktelements mit wenigstens zwei Teilstücken, Verbinden des ersten Teilstücks mit einem ersten zu verbindenden elektrisch leitenden Bauteil, und Verbinden des zweiten Teilstücks mit einem zweiten zu verbindenden elektrisch leitenden Bauteil. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Anordnung von galvanischen Zellen vorgeschlagen, wobei die galvanischen Zellen Abieiter aufweisen, die unterschiedliche Leitermaterialien aufweisen, wobei Abieiter unterschiedlicher Zellen mit Kontaktelementen nach einem der vorstehenden Ansprüche oder durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche verbunden sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Die vorstehenden und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung deutlicher ersichtlich werden, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angefertigt wurde. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Fügen zweier
Werkstücke durch Laserinduktionswalzen; Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines durch
Laserinduktionswalzen gefügtem Halbzeugs als ein
Zwischenergebnis eines Verfahrens zum Herstellens eines Kontaktelements in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Zwischenerzeugnisses in dem Verfahren zum Herstellen eines Kontaktelements; Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Kontaktelements nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als ein Endprodukt eines Verfahrens zum Herstellen eines Kontaktelements;
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht zweier galvanischer Zellen, deren
Abieiter mit dem Kontaktelement von Fig. 4 verbunden sind;
Fg. 6 eine schematische Seitenansicht eines Kontaktelements eines
weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; Fig. 7 eine schematische Seitenansicht eines Kontaktelements nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung eines Kontaktelements nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 9 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Kontaktelements nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellungen in den Figuren schematisch sind und sich auf die Wiedergabe der für das Verständnis der Erfindung wichtigsten Merkmale beschränken. Auch ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren wiedergegebenen Abmessungen und Größenverhältnisse allein der Deutlichkeit der Darstellung geschuldet sind und in keiner Weise einschränkend zu verstehen sind, es sei denn, aus der Beschreibung ergäbe sich etwas anderes.
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf Fign. 1 bis 4 mehrere Schritte eines Verfahrens bei der Herstellung eines Kontaktelements bis zum
Endprodukt nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dabei ist in Fig. 1 eine Vorrichtung zum
Laserinduktionsschweißen zweier Werkstücke zu einem Halbzeug dargestellt, ist in Fig. 2 das Halbzeug als ein Ergebnis der Verarbeitung nach dem Laserinduktionsschweißen in einer perspektivischen Ansicht schematisch dargestellt, ist in Fig. 3 ein Zwischenerzeugnis nach Ablängen des Halbzeugs von Fig. 2 in gleicher Ansicht dargestellt und ist in Fig. 4 das fertige
Kontaktelement in gleicher Ansicht gezeigt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 weist eine Vorrichtung zum
Laserinduktionsschweißen eine erste Haspel 2, auf welcher ein erstes Band 4 aus einem Aluminiumwerkstoff (AI) aufgewickelt ist, eine zweite Haspel 6, auf welcher ein zweites Band 8 aus einem Kupferwerkstoff (Cu) aufgewickelt ist, eine erste Druckrolle, die funktional mit einem ersten Druckzylinder verbunden ist, eine zweite Druckrolle 14, die funktional mit einem zweiten Druckzylinder 16 verbunden ist, eine erste Induktionsheizspule 18, eine zweite
Induktionsheizspule 20, eine Laserquelle 22 zum Emmitieren eines Laserstrahls 24 und eine Optik 26 zum Bündeln des Laserstrahls 24 auf.
Wie bereits erwähnt, ist auf der ersten Haspel 2 ein erstes Band 4 aus einem Aluminiumwerkstoff (AI) aufgewickelt. Die erste Haspel 2 ist drehbar so gelagert, dass das erste Band 4 davon abziehbar ist. In gleicher Weise ist die zweite Haspel 6, auf welcher das zweite Band 8 aus dem Kupferwerkstoff aufgewickelt ist, drehbar gelagert, sodass das zweite Band davon abziehbar ist. Zur
Vereinfachung der Darstellung sind Vorrichtungen wie etwa Rollenführungen und Fördereinrichtungen für das erste Band 4 und das zweite Band 8, die dafür sorgen, dass das erste Band 4 und das zweite Band 8 glatt, gestrafft und gleichmäßig geführt werden, in der Zeichnung weggelassen.
Das erste Band 4 und das zweite Band 8 werden zwischen der ersten Druckrolle 10 und der zweiten Druckrolle 14 hindurchgeführt, wobei durch Einwirkung des ersten Druckzylinders 2, der funktional mit der ersten Druckrolle 10 gekoppelt ist, und des zweiten Druckzylinders 16, der funktional mit der zweiten Druckrolle 14 gekoppelt ist, das erste Band 4 und das zweite Band 8 aneinander gepresst werden. Es ist dabei vorgesehen, dass das erste Band 4 und das zweite Band 8 nicht vollständig übereinander liegen, sondern einen seitlichen Versatz aufweisen, sodass nur ein Teil der Breite des ersten Bandes 4 mit einem Teil der Breite des zweiten Bandes 8 überlappt.
Das erste Band 4 wird vor dem Eintritt in einen Bereich zwischen den zwei Druckrollen 10, 14 durch die erste Induktionsheizspule 8 eingeführt.
Gleichermaßen wird das zweite Band 8 vor dem Eintritt in den Bereich zwischen die zwei Druckrollen 10, 14 durch eine zweite Induktionsheizspule 20 geführt. Durch Ansteuerung der Induktionsheizspulen 18, 20 mit einem geeigneten Strom werden das erste Band 4 und das zweite Band 8 erwärmt.
Es ist an dieser Stelle anzumerken, dass die Darstellung der
Induktionsheizspulen 18, 20 rein schematisch und als ein Beispiel für eine Einrichtung zur induktiven Erwärmung zu verstehen sind. Die Bänder 4, 8 können in einer Abwandlung statt durch die Induktionsheizspulen 18, 20 an diesen vorbei geführt werden. In weiteren Abwandlungen können jeweils mehrere Heizspulen 18, 20 hintereinander, gegenüber liegend, oder das Band 4 bzw. 8 umgebend angeordnet sein.
Die Optik 26 wirft das von der Laserquelle 22 abgegebene Laserlicht
(Laserstrahl 24) auf diejenige Stelle, an welcher sich das durch die erste
Induktionsheizspule 18 vorerwärmte erste Band 4 und das durch die zweite Induktionsheizspule 20 vorerwärmte zweite Band 8 zwischen den Druckrollen 10, 14 treffen. Durch die Wirkung des Laserstrahls 24 werden das erste Band 4 und das zweite Band 8 in einer Schmelzzone 28 so weit erwärmt, dass sie unter der Druckwirkung der Druckrollen 10, 14 miteinander verschmelzen. Hierbei ist anzumerken, dass die Werkstoffe des ersten Bandes 4 und des zweiten Bandes 8 nicht vollständig zur Schmelzflüssigkeit gebracht werden müssen; wenn die Werkstoffe des ersten Bandes 4 und des zweiten Bandes 8 sich unter Druck und Wärme fest verbinden. Das aus dem ersten Band 4 und dem zweiten Band 8 gefügte Halbzeug 30 wird jenseits der Druckrollen 10, 14 abgezogen und gegebenenfalls aufgehaspelt oder unmittelbar abgelängt. Bei den als Aluminiumwerkstoff (AI) und Kupferwerkstoff (Cu) bezeichneten Materialien des ersten Bandes 4 bzw. des zweiten Bandes 8 kann es sich um vergleichsweise reine Werkstoffe als auch um Legierungen handeln. Bei dem Aluminiumwerkstoff des ersten Bandes 4 handelt es sich insbesondere um ein Aluminium aufweisendes Material, welches mit einem Aluminiumwerkstoff eines positiven Abieiters einer galvanischen Zelle gut fügbar ist. Desgleichen handelt es sich bei dem Kupferwerkstoff des zweiten Bandes 8 um ein Material, welches mit einem Kupferwerkstoff eines negativen Abieiters einer galvanischen Zelle gut fügbar ist. In Fig. 2 ist das in dem in Fig. 1 gezeigten Schritt des Laserinduktionswalzens ausgebildete Halbzeug 30 in einer schematischen perspektivischen Ansicht von einer Stirnseite her gezeigt. Das Halbzeug 30 weist gemäß der Darstellung in Fig. 2 ein erstes Trum 32 und ein zweites Trum 34 auf, welche an einer Naht 36 miteinander verschweißt sind. Das erste Trum 32 ist aus dem ersten Band 4 gebildet, während das zweite Trum 34 aus dem zweiten Band 8 gebildet ist. Demnach weist das erste Trum 32 den Aluminiumwerkstoff auf, während das zweite Trum 34 den Kupferwerkstoff aufweist.
In Fig. 3 ist ein aus dem Halbzeug 30 hergestelltes Zwischenerzeugnis 38 in gleicher Ansicht wie in Fig. 2 gezeigt. Das Zwischenerzeugnis 38 wird aus dem endlosen Halbzeug 30 durch Ablängen auf eine Länge L hergestellt. Das Zwischenerzeugnis 38 weist ein erstes Teilstück 40 und ein zweites Teilstück 42 auf, die durch die Naht 36 miteinander verbunden sind. Dabei weist das erste Teilstück 40 den Aluminiumwerkstoff auf, während das zweite Teilstück 42 den Kupferwerkstoff aufweist. Auf einer Oberfläche des ersten Teilstücks 40 ist eine Biegelinie 41 gezeichnet, und auf einer Oberfläche des zweiten Teilstücks 42 ist eine Biegelinie 43 gekennzeichnet. Die Biegelinien 41 , 43 verlaufen parallel zu der Naht 36, also in Längsrichtung des Zwischenerzeugnisses 38, und werden in einem
nachfolgenden Verfahrensschritt benötigt.
In Fig. 4 ist ein durch Biegen der feien Enden hergestelltes Kontaktelement 44 (auch als Kontaktbrücke 44 bezeichnet) in gleicher Ansicht wie in Fig. 2 oder Fig. 3 gezeigt. Die Kontaktbrücke 44 wird aus dem Zwischenerzeugnis 38 dadurch hergestellt, dass das erste Teilstück 40 an der Biegelinie 41 nach oben gebogen wird, sodass ein Mittenschenkel 40a, der zur Mittellinie der
Kontaktbrücke 44 west, stehen bleibt, während ein Randschenkel 40b wenigstens im Wesentlichen senkrecht davon absteht, und das zweite Teilstück 42 entlang der Biegelinie 43 gebogen wird, sodass ein Mittenschenkel 42a, der zu der Naht 36 weist, stehen bleibt, während ein Randschenkel 42b senkrecht davon abragt.
Fig. 5 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Anordnung zweier Batteriezellen 46, 46. Dabei handelt es sich insbesondere um wiederaufladbare Batteriezellen (also streng genommen um Akkumulatorzellen) vom Lithium- Ionen-Typ oder Lithium-Polymer-Typ. Jede Batteriezelle 46 weist einen positiven Ableiter 48 und einen negativen Ableiter 50 auf. In der gewählten Ansicht ist nur jeweils entweder der positive Ableiter 48 oder der negative Ableiter 50 einer Batteriezelle 46 sichtbar. Der positive Ableiter 48 ist aus einem
Aluminiumwerkstoff hergestellt, während der negative Ableiter 50 aus einem Kupferwerkstoff hergestellt ist.
Der positive Ableiter 48 der einen Batteriezelle 46 ist mit dem negativen Ableiter 50 der anderen Batteriezelle 46 über die Kontaktbrücke 44 verbunden. Dabei ist der abgewinkelte Randschenkel 40b des aus dem Aluminiumwerkstoff hergestellten ersten Teilstücks 40 mit dem ebenfalls aus einem
Aluminiumwerkstoff hergestellten positiven Ableiter 48 an einer Verbindungsstelle 52 (positive Verbindungsstelle) verbunden. Gleichermaßen ist der Randschenkel 42b es aus dem Kupferwerkstoff hergestellten zweiten Teilstücks 42 der Kontaktbrücke 44 mit dem ebenfalls aus einem
Kupferwerkstoff hergestellten negativen Abieiter 50 der anderen Batteriezelle 46 an einer Verbindungsstelle 54 (negative Verbindungsstelle) verbunden.
Die Verbindungsstellen 52, 54 können durch thermische (Schweißen,
Laserschweißen, Ultraschallschweißen, Löten) oder nichtthermische Verfahren (Kleben oder dergleichen) ausgebildet sein. Dabei kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass die positiven bzw. negativen Abieiter 48, 50 jeweils eine
Kombination von Werkstoffen gleicher Art mit den jeweils mit ihnen verbundenen Teilstücken 40, 42 der Kontaktbrücke 44 aufweisen. Hierdurch kann der
Verbindungsprozess der Abieiter 48, 50 einfacher und wirtschaftlicher verwirklicht werden und zu einer prozessichereren Verbindung beitragen. Die durch Laserinduktionswalzen hergestellte Naht 36 der Kontaktbrücke 44 weist eine sehr gute Leitfähigkeit und einen geringen Übergangswiderstand auf.
Ferner sind die Teilstücke 40, 42 der Kontaktbrücke 44 in ihrer Stärke so ausgelegt, dass ein stabiler Zellverbinder hergestellt werden kann, der auch zur Wärmeabfuhr bzw. Kühlung verwendet werden kann.
Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die in Fig. 5 gewählte Seitenansicht der Anordnung von Batteriezellen 46 in Bezug auf das Kontaktelement 44 eine stirnseitige Ansicht (vgl. Fign. 2 bis 4) ist.
Je nach Werkstoff der Abieiter 48, 50 der Batteriezellen 46 kann die
Materialauswahl der Teilstücke 40, 42 der Kontaktbrücke 44 im Hinblick auf eine besonders gute Fügbarkeit mit dem Werkstoff des jeweiligen Abieiters optimiert werden. Derzeit sind Werkstoffe aus oder mit Kupfer, Aluminium oder auch Nickel bevorzugt. ln einer nicht näher dargestellten Abwandlung sind die Abieiter 48, 50 der Batteriezellen 46 in wenigstens im Westentlichen gleicher Höhe rechtwinklig abgewinkelt, um in Stapelrichtung der Batteriezellen 46 abzustehen. In einem solchen Fall weisen die Kontaktbrücken nicht einen U-förmigen Querschnitt auf, wie es bei dem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, sondern weisen einen insgesamt plattenförmigen Querschnitt auf. Dabei ist eines der Teilstücke so gekröpft, dass die Teilstücke eine gemeinsame Fläche definieren.
In einer weiteren, ebenfalls nicht näher dargestellten Abwandlung sind die Abieiter 48, 50 der Batteriezellen 46 in unterschiedlicher Höhe rechtwinklig abgewinkelt, um in Stapelrichtung der Batteriezellen 46 abzustehen.
Beispielsweise sind die positiven Abieiter in einer höheren Ebene abgewinkelt als die negativen Abieiter oder umgekehrt. Auf diese Weise kann eine sichere
Unterscheidung der Pole der Zelle erleichtert werden. In einem solchen Fall ist je nach zu überwindendem Höhenunterschied der Abieiter eines der Teilstücke oder sind beide Teilstücke der Kontaktbrücke so gekröpft, dass die
Kontaktbrücke einen Z-förmigen Querschnitt aufweist.
In einer weiteren, ebenfalls nicht näher dargestellten Abwandlung ist nur einer der Abieiter 48, 50 der Batteriezellen 46 abgewinkelt, während der andere nach oben absteht. Auf diese Weise kann ebenfalls eine sichere Unterscheidung der Pole der Zelle erleichtert werden. In einem solchen Fall ist eines der Teilstücke der Kontaktbrücke abgewinkelt und ist das andere Teilstück gerade, sodass die Kontaktbrücke einen L-förmigen Querschnitt aufweist.
Fig. 6 zeigt eine Kontaktbrücke 56 in einer Ausführungsvariante der
vorliegenden Erfindung in einer stirnseitigen Ansicht.
Die Kontaktbrücke 56 dieser Ausführungsvariante weist ein erstes Teilstück 58, ein zweites Teilstück 60 und ein Zwischenstück 62 (drittes Teilstück) auf. Das erste Teilstück 58 und das zweite Teilstück 60 dieser Ausführungsvariante stimmen in Funktion und Materialauswahl mit den Teilstücken 40, 42 des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels überein. Die Teilstücke 58, 60 sind jedoch nicht unmittelbar miteinander verbunden; vielmehr ist das
Zwischenstück 62 zwischen dem ersten Teilstück 58 und dem zweiten Teilstück 60 angeordnet, wobei das erste Teilstück an einer Naht 64 mit dem
Zwischenstück 62 verbunden ist, während das zweite Teilstück 60 an einer Naht 66 mit dem Zwischenstück 62 verbunden ist.
Das Zwischenstück 62 kann aus dem gleichen Werkstoff wie eines der
Teilstücke 58, 60 hergestellt sein oder aus einem anderen Material, das eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist. Wenigstens eine der Nähte 64, 66 ist durch das vorstehend beschriebene Verfahren des Laserinduktionswalzens hergestellt, während die andere der Nähte 64, 66 durch ein anderes Verfahren wie etwa Schweißen, Kleben oder Löten hergestellt sein kann, wenn die
Materialpaarung mit dem entsprechenden Teilstück 58, 60 und die erwarteten Einsatzbedingungen der Kontaktbrücke 56 hierfür geeignet sind.
Gegebenenfalls sind aber beide Nähte 64, 66 mit dem vorgenannten Verfahren des Laserinduktionswalzens hergestellt. Besonders vorteilhaft sind beide Nähte 64, 66 in einem Arbeitsgang durch Laserinduktionswalzen ausgebildet. Das Zwischenstück 62 weist eine senkrecht abragende Rippe 62a auf, welche Stabilität und/oder Kühlwirkung der Kontaktbrücke 56 verbessern kann und auch der Handhabung der Kontaktbrücke 56 bei der Verbindung mit Abieitern von Batteriezellen dienlich sein kann. Fig. 7 zeigt eine Kontaktbrücke 68 in einer anderen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung in stirnseitiger Ansicht.
Die Kontaktbrücke 68 dieser Ausführungsvariante weist ein erstes Teilstück 58 und ein zweites Teilstück 60 auf, die in Form, Materialauswahl und Funktion den ersten Teilstücken 40, 58 bzw. zweiten Teilstücken 42, 60 der vorherigen
Kontaktbrücken 40, 56 entsprechen. Ähnlich wie in der Ausführungsvariante von Fig. 6 ist zwischen dem ersten Teilstück 58 und dem zweiten Teilstück 60 ein Zwischenstück 70 angeordnet. Das Zwischenstück 70 weist ein Trägersubstrat 70a aus einem Nichtleitermaterial auf, auf welchem eine Leiterschicht 70b angeordnet ist, die an einer Naht 64 mit dem ersten Teilstück 58 und an einer Naht 66 mit dem zweiten Teilstück 60 verbunden ist. Die Verbindung mit den Teilstücken 58, 60 erfolgt über die Leiterschicht 70b. Für die Materialauswahl der Leiterschicht 70b gilt das oben für das Zwischenstück 62 der vorherigen Ausführungsvariante gesagte; weiterhin kann wie bei der vorherigen
Ausführungsvariante eine Rippe vorgesehen sein. Der Aufbau des Zwischenstücks 70 aus der Trägerschicht 70a und der
Leiterschicht 70b ermöglicht eine Einsparung von Gewicht und hat einen geringeren Verbrauch an Leitermaterial bei gleicher Stabilität der Kontaktbrücke 68. Fig. 8 zeigt eine Kontaktbrücke 72 in einer weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
Die Kontaktbrücke 72 dieser Ausführungsvariante weist ein erstes Teilstück 58, ein zweites Teilstück 60 und ein Zwischenstück 74 auf. Für die Form,
Materialauswahl, Anordnung und Funktion der Teilstücke 58, 60 und des Zwischenstücks 74 kann auf die Erläuterungen der Ausführungsvariante von Fig. 7 Bezug genommen werden. Insbesondere weist das Zwischenstück 74 bei dieser Ausführungsvariante eine Trägerschicht (ein Trägersubstrat) 74a und darauf angeordnete Leiterschichten 74b, 74c auf. Die Leiterschichten 74b, 74c erstrecken sich parallel und ohne leitende Verbindung miteinander zu einer Längsachse des Zwischenstücks 74.
Gemäß der Darstellung in Fig. 8 ist das erste Teilstück 58 mit der ersten
Leiterschicht 74b verbunden, während das zweite Teilstück 60 mit der zweiten Leiterschicht 74c verbunden ist. Bohrungen 74d erstrecken sich in einem
Bereich außerhalb der Teilstücke 58, 60durch die Leiterschichten 74b, 74c und das Trägersubstrat 74d hindurch. Ferner ist eine Klammer 76 aus einem elektrisch leitenden Material vorgesehen, die in die Bohrungen 74d der ersten Leiterschicht 74b und der zweiten Leiterschicht 74c einführbar ist und diese elektrisch miteinander verbinden kann. Auf diese Weise können Batteriezellen über die Kontaktbrücke 72 dieser Ausführungsvariante miteinander verbunden werden, ohne dass damit sofort eine elektrische Verbindung hergestellt wird. Die elektrische Verbindung kann erst in einem späteren Verarbeitungsschritt durch Einfügen der Klammern 76 erfolgen. Damit bleiben die Batteriezellen bis zur Endfertigung bzw. Endmontage elektrisch voneinander getrennt, wobei aber die mechanische Verbindung zwischen den Abieitern bereits hergestellt ist.
Fig. 9 zeigt eine Kontaktbrücke 78 einer noch weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung in einer schematischen perspektivischen Darstellung von einer Stirnseite her.
Die Kontaktbrücke 78 dieser Ausführungsvariante weist die Teilstücke 58, 60 sowie ein Zwischenstück 80 auf. Für die Teilstücke 58, 60 gilt hinsichtlich Funktion, Materialauswahl, Form und Anordnung das im Zusammenhang mit den vorherigen Ausführungsvarianten der Figuren 6 bis 8 Gesagte.
Das Zwischenstück 80 dieser Ausführungsvariante ist wie die Zwischenstücke 62, 70, 74 der genannten Ausführungsvarianten zwischen den Teilstücken 58, 60 angeordnet und mit diesen verbunden. Das Zwischenstück 80 dieser
Ausführungsvariante ist eine gedruckte Leiterplatte mit einem Trägersubstrat 80a und einer Leiterschicht 80b. Die Leiterschicht 80b kann beispielsweise aufgedruckt sein, verschiedene Leiterbahnen und Kontaktaugen aufweisen, die in der Figur nur schematisch und ohne jede einschränkende Bedeutung angedeutet sind. Auf der Leiterplatte 80 sind elektronische Bauelemente (nicht näher dargestellt) anordenbar, die der Steuerung einer Verbindung zwischen jeweiligen Batteriezellen (nicht näher dargestellt) wie auch der Kontrolle verschiedener Zustandsgrößen der Batteriezellen dienen können. ln einer Abwandlung dieser Ausführungsvariante kann auch auf der Unterseite des Trägersubstrats 80a eine weitere Leiterschicht vorgesehen sein, auf welcher ebenfalls elektronische Bauteile anordenbar sind.
Obschon die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele und -Varianten in ihren wesentlichen Merkmalen
beschrieben wurde, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diese
Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern in dem durch die Patentansprüche vorgegebenen Umfang und Bereich abgewandelt und erweitert werden kann.
Beispielsweise kann in einer Abwandlung eine Brücke vorgesehen sein, die eine ebene Form ohne abgewinkelte Schenkel aufweist, um eine Verbindung zwischen Abieitern zu verwirklichen, die ihrerseits abgewinkelt sind.
Die Batteriezellen 46 sind galvanische Zellen im Sinne der vorliegenden
Erfindung. Die Kontaktbrücken 44, 56, 68, 72, 78 sind Kontaktelemente im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die Teilstücke 40, 58 und 42, 60 und die
Zwischenstücke 62, 70, 74, 80 sind Teilstücke im Sinne der vorliegenden
Erfindung. Eine in Fig. 5 dargestellte Anordnung von Batteriezellen 46, 46 ist eine Anordnung von galvanischen Zellen im Sinne der Erfindung, wobei davon jede Anordnung beliebig vieler Batteriezellen in jedweder Verschattung der Abieiter 48, 50 umfasst ist, wobei die Abieiter wenigstens teilweise durch
Kontaktbrücken der vorstehend beschriebenen Art verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die Verbindung von Abieitern von Batteriezellen anwendbar, sondern auch auf die Verbindung beliebiger elektrisch leitender Bauteile aus Materialien, die nicht, nur unbefriedigend oder mit hohem Aufwand, oder mit unzureichender Prozessicherheit miteinander fügbar sind. Liste der Bezugszeichen:
2 Erste Haspel
4 Erstes Band
6 Zweite Haspel
8 Zweites Band
10 Erste Druckrolle
12 Erster Druckzylinder
14 Zweite Druckrolle
16 Zweiter Druckzylinder
18 Erste Induktionsheizspule
20 Zweite Induktionsheizspule
22 Laserquelle
24 Laserstrahl
26 Optik
28 Schmelzzone
30 Halbzeug
32 Erstes Trum
34 Zweites Trum
36 Naht
38 Zwischenerzeugnis
40 Erstes Teilstück
40a Mittenschenkel
40b Randschenkel
41 Biegelinie
42 Zweites Teilstück
42a Mittenschenkel
42b Randschenkel
43 Biegelinie
44 Kontaktbrücke
46 Batteriezelle
48 Positiver Abieiter
50 Negativer Abieiter 52 Positive Verbindungsstelle
54 Negative Verbindungsstelle
56 Kontaktbrücke
58 Erstes Teilstück
60 Zweites Teilstück
62 Zwischenstück
62a Rippe
64 Erste Naht
66 Zweite Naht
68 Kontaktbrücke
70 Zwischenstück
70a Trägersubstrat
70b Leiterschicht
72 Kontaktbrücke
74 Zwischenstück
74a Trägersubstrat
74b, 74c Leiterschichten
74 Bohrungen
76 Klammer
78 Kontaktbrücke
80 Zwischenstück
80a Trägersubstrat
80b Leiterschicht L Länge
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass vorstehende Bezugszeichenliste integraler Bestandteil der Beschreibung ist.

Claims

P a te n t a n s p r ü c h e
Kontaktelement zur Verbindung zwischen aus unterschiedlichen Materialien bestehenden, elektrisch leitenden, vorzugsweise
plattenförmigen Bauteilen, insbesondere Abieitern von galvanischen Zellen, wobei das Kontaktelement aus wenigstens zwei Teilstücken hergestellt ist, wobei Teilstücke mittels Laserinduktionswalzen gefügt sind, wobei ein erstes Teilstück zur Verbindung mit einem ersten der elektrisch leitenden Bauteile angepasst ist, wobei ein zweites Teilstück zur Verbindung mit einem zweiten der elektrisch leitenden Bauteile angepasst ist, und wobei das erste und das zweite Teilstück eine elektrisch leitende Verbindung zueinander aufweisen.
Kontaktelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilstück mit dem ersten elektrisch leitenden Bauteil eine
Materialkombination bildet, die an ein thermisches Fügeverfahren angepasst ist, und das zweite Teilstück mit dem zweiten elektrisch leitenden Bauteil eine Materialkombination bildet, die an ein thermisches Fügeverfahren angepasst ist.
Kontaktelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Teilstück ein elektrisch leitendes Metall oder eine elektrisch leitende Metalllegierung aufweist.
Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder das zweite Teilstück Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder ein mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gut fügbares Leitermaterial aufweist.
Kontaktelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das andere des ersten und des zweiten Teilstücks Kupfer oder eine Kupferlegierung oder ein mit Kupfer oder einer Kupferlegierung gut fügbares Material aufweist.
Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teilstück jeweils im Wesentlichen plattenförmig sind und eine vorzugsweise überlappende Naht miteinander aufweisen, wobei jedes des ersten und des zweiten Teilstücks jenseits der Naht abgewinkelt ist, um einen wenigstens im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt zu bilden.
Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teilstück jeweils im Wesentlichen plattenförmig sind, eine vorzugsweise überlappende Naht miteinander aufweisen und eine gemeinsame, wenigstens im
Wesentlichen ebene Fläche definieren, wobei bevorzugt wenigstens eines des ersten und des zweiten Teilstücks jenseits der Naht gekröpft ist.
Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstücks durch direktes Aneinanderfügen verwirklicht ist.
9. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teilstück durch wenigstens ein drittes Teilstück, das ein nicht leitendes Material aufweist, voneinander elektrisch isoliert sind und eine elektrisch leitende
Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstück lösbar, vorzugsweise mehrmals lösbar und wieder herstellbar ist.
10. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teilstück durch wenigstens ein drittes Teilstück, das zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstück angeordnet ist, verbunden sind, wobei das dritte Teilstück eine nicht leitende Trägerschicht und eine elektrisch leitende Leiterschicht aufweist.
Kontaktelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das die Leiterschicht ein Leitungsmuster ausbildet.
Verfahren zum Herstellen eines Kontaktelements zur Verbindung zwischen aus unterschiedlichen Materialien bestehenden, elektrisch leitenden, vorzugsweise plattenförmigen Bauteilen, insbesondere
Abieitern von galvanischen Zellen, mit den Schritten: Vorbereiten eines ersten elektrisch leitenden Teilstücks derart, dass es zur Verbindung mit einem ersten der elektrisch leitenden Bauteile angepasst ist, Vorbereiten eines zweiten elektrisch leitenden Teilstücks derart, dass es zur
Verbindung mit einem ersten der elektrisch leitenden Bauteile angepasst ist, Fügen der Teilstücke miteinander unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Teilstück mittels Laserinduktionswalzen, wobei das erste und das zweite Teilstück eine elektrisch leitende Verbindung zueinander aufweisen.
Verfahren zum Verbinden von aus unterschiedlichen Materialien bestehenden, elektrisch leitenden, vorzugsweise plattenförmigen
Bauteilen, insbesondere Abieitern von galvanischen Zellen, mit den Schritten: Vorbereiten eines nach dem Verfahren gemäß Anspruch 12 hergestellten Kontaktelements mit wenigstens zwei Teilstücken,
Verbinden des ersten Teilstücks mit einem ersten zu verbindenden elektrisch leitenden Bauteil, und Verbinden des zweiten Teilstücks mit einem zweiten zu verbindenden elektrisch leitenden Bauteil.
14. Anordnung von galvanischen Zellen, wobei die galvanischen Zellen
Abieiter aufweisen, die unterschiedliche Leitermaterialien aufweisen, wobei Abieiter unterschiedlicher Zellen mit Kontaktelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 oder durch ein Verfahren nach Anspruch 12 verbunden sind.
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