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WO2020099359A1 - Verfahren zum stoffschlüssigen verbinden eines terminals einer batteriezelle mit mindestens einem zellverbinder und batteriemodul - Google Patents

Verfahren zum stoffschlüssigen verbinden eines terminals einer batteriezelle mit mindestens einem zellverbinder und batteriemodul Download PDF

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WO2020099359A1
WO2020099359A1 PCT/EP2019/080935 EP2019080935W WO2020099359A1 WO 2020099359 A1 WO2020099359 A1 WO 2020099359A1 EP 2019080935 W EP2019080935 W EP 2019080935W WO 2020099359 A1 WO2020099359 A1 WO 2020099359A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cell
cell connector
terminal
welding
battery
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2019/080935
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Moser
Michael Donotek
Jochen Wolff
Daniel Manka
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2020099359A1 publication Critical patent/WO2020099359A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/543—Terminals
    • H01M50/547—Terminals characterised by the disposition of the terminals on the cells
    • H01M50/548—Terminals characterised by the disposition of the terminals on the cells on opposite sides of the cell
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/10—Spot welding; Stitch welding
    • B23K11/11—Spot welding
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M50/509—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the type of connection, e.g. mixed connections
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    • H01M50/516—Methods for interconnecting adjacent batteries or cells by welding, soldering or brazing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/006—Vehicles
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for integrally connecting a terminal of a battery cell to at least one cell connector
  • the invention also relates to a battery module which comprises at least two battery cells and at least one cell connector which is connected to terminals of the battery cells by means of resistance welding
  • Electric vehicles EV
  • hybrid vehicles HEV
  • plug-in hybrid vehicles PHEV
  • battery systems will increasingly be used, which have high requirements with regard to reliability, performance, safety and service life be put.
  • Battery systems with lithium-ion battery cells are particularly suitable for such applications. These are characterized, among other things, by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Battery cells convert chemical
  • a battery cell has a positive terminal and a negative terminal for electrical contacting. Multiple battery cells can
  • the terminals of the battery cells are connected to one another using cell connectors.
  • Battery cells connected in series or in parallel can be combined to form a battery module. It is known to connect cell connectors integrally to terminals of battery cells. There are several Known connection types, for example ultrasonic welding or
  • a battery cell has a prismatic, in particular cuboid,
  • cell housing which is made of aluminum, for example, and is designed to be pressure-resistant.
  • battery cells with a circular-cylindrical cell housing are known, which is made of aluminum, for example, and is designed to be pressure-resistant.
  • the positive terminal is arranged on one end of the circular cylindrical housing, and the negative terminal is arranged on the opposite end of the circular cylindrical housing.
  • a method for the cohesive connection of a terminal of a battery cell to at least one cell connector by means of resistance welding is proposed as the type of connection.
  • Resistance welding can be used advantageously because this type of connection is relatively inexpensive and, in particular, investment costs for a suitable resistance welding system are relatively low.
  • an electrically conductive first cell connector is first placed on the terminal of the battery cell.
  • the first cell connector is preferably made of a metal, for example copper or aluminum.
  • the first cell connector is, for example, strip-shaped or rectangular, but can also have another suitable shape.
  • the battery cell is designed, for example, as a round cell and has a circular-cylindrical cell housing.
  • the cell housing is made of stainless steel or aluminum, for example.
  • the positive terminal is arranged on one end of the circular cylindrical housing, and the negative terminal is arranged on the opposite end of the circular cylindrical housing.
  • the terminals are made of copper or aluminum, for example or stainless steel.
  • the cell housing of the battery cell can also have a different shape, for example prismatic.
  • a first welding electrode is then placed on the first cell connector. Then a second welding electrode is brought into electrical contact with the terminal of the battery cell such that a welding current flows from the first welding electrode through the first cell connector and through the terminal of the battery cell to the second welding electrode.
  • the welding current connects the first cell connector to the battery cell terminal using resistance welding. It is between the first
  • the second welding electrode is not placed directly next to the first welding electrode on the first cell connector.
  • the welding current would largely flow from the first welding electrode through the first cell connector and directly to the second welding electrode.
  • the welding current would only flow through the terminal of the battery cell in a very small amount, and thus between the first cell connector and the terminal
  • the first cell connector is welded to the terminal of the battery cell.
  • an electrically conductive second cell connector is placed on the terminal of the battery cell. Then the second welding electrode is placed on the second cell connector such that the welding current through the terminal and through the second cell connector to the second
  • Welding electrode flows.
  • the welding current then also connects the second cell connector to the terminal of the battery cell by means of resistance welding.
  • a second welding area is also generated between the second cell connector and the terminal of the battery cell by the welding current.
  • a contact area of the second welding electrode on the second cell connector is preferably approximately the same size as a contact area of the first welding electrode on the first cell connector. Approximately the same size means, for example, that the contact patches of the first
  • welding electrode If both contact areas are approximately the same size, the current density in the area of the contact areas is also approximately the same size. As a result, the first welding area and the second welding area are designed to be approximately identical.
  • the first cell connector and the second cell connector are advantageously placed spaced apart from one another on the terminal of the battery cell. This ensures that the welding current is not directly from the first
  • Cell connector flows to the second cell connector, but flows through the terminal of the battery cell.
  • Cell connector and the second cell connector additionally connected to each other by means of an electrically conductive cross connector.
  • a contact resistance between the first cell connector and the second cell connector is reduced.
  • the first cell connector and the second cell connector are preferably also integrally connected to the cross connector by means of resistance welding.
  • One welding electrode can be placed on the cross connector, and the other welding electrode can be placed on the respective cell connector.
  • Another advantage of the two cell connectors is the redundancy achieved with them. Should for some reason a cell connector be damaged in the product life cycle or a single welding spot between the cell connector and Cell are damaged, a second cell connector with an intact welded connection is still available.
  • the second welding electrode is placed directly on the terminal of the battery cell in such a way that the welding current flows through the terminal directly to the second welding electrode.
  • the welding current is intended to connect only the first cell connector to the battery cell terminal using resistance welding.
  • Welding electrode and the terminal of the battery cell should not create a welding area.
  • a footprint of the second welding electrode on the terminal is preferably larger than a footprint of the first welding electrode on the first cell connector.
  • the contact surface of the second is preferred
  • the welding electrode is significantly larger, for example at least 40% larger, than the contact area of the first welding electrode.
  • the welding current flows through the contact surfaces of the first welding electrode and the second welding electrode. If the footprint of the second
  • Welding electrode is larger than the contact area of the first
  • the current density is greater in the area of the contact area of the first welding electrode than in the area of the contact area of the second welding electrode.
  • the current density in the area of the contact area of the second welding electrode should be so low that no welding area is generated there.
  • the contact area of the second welding electrode on the terminal of the battery cell is particularly preferably at least 50% larger than that
  • Welding electrode significantly larger than in the area of the footprint of the second welding electrode.
  • a battery module which comprises at least two battery cells and at least one cell connector. It is in each case one of the terminals of the battery cells is integrally connected to the at least one cell connector by means of resistance welding by the method according to the invention.
  • the at least two battery cells can be electrically connected both in parallel and in series.
  • battery cells can be connected to cell connectors by resistance welding.
  • This type of connection is relatively inexpensive, for example less expensive than
  • Ultrasonic welding or laser welding In particular, a suitable welding tool has a relatively simple structure and the investment costs for this are relatively low. Resistance welding makes the battery cells and cell connectors electrically and mechanically robust
  • a battery module which has battery cells and cell connectors which are connected to one another by the method according to the invention is thus mechanically stable and internal contact resistances are relatively small.
  • the method according to the invention permits the use of cell connectors made of electrically highly conductive material, for example copper. Compared to other materials such as nickel, copper is also available at low cost and has good thermal conductivity.
  • the cell connectors can have simple geometric shapes, in particular they can be strip-shaped or rectangular. This means that the cell connectors can also be manufactured inexpensively.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a battery module
  • FIG. 2 shows a schematic top view of a battery module according to a first embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic front view of the battery module from FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a schematic top view of a battery module according to a second embodiment
  • FIG. 5 is a schematic front view of the battery module of Figure 4.
  • Figure 6 is a schematic plan view of a battery module according to one
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a battery module 5.
  • the battery module 5 has a plurality of battery cells 2.
  • the battery cells 2 are electrically connected in parallel within the battery module 5.
  • the battery cells 2 can, for example, also be connected in series within the battery module 5 or in a combination of serial connection and parallel connection.
  • all battery cells 2 of the battery module 5 are of identical design.
  • Each battery cell 2 of the battery module 5 comprises an electrode unit (not shown here), which each has an anode and a cathode.
  • the anode of the electrode unit is with a negative terminal 11
  • Battery cell 2 connected.
  • the cathode of the electrode unit is connected to a positive terminal 12 of the battery cell 2.
  • a voltage provided by the battery cell 2 can be tapped off via the terminals 11, 12 will.
  • the battery cell 2 can also be charged and discharged via the terminals 11, 12.
  • the electrode unit of the battery cell 2 is arranged in a cell housing.
  • the cell housing is of circular cylindrical design and is made of a metal, for example stainless steel. On one end of the
  • a cell housing can also be designed such that a terminal 11, 12 is arranged on the side surfaces, possibly in addition to an end face.
  • the terminals 11, 12 are made of stainless steel, for example.
  • the cell housing of the battery cell 2 can also have a different shape, for example prismatic, and can be made from other materials.
  • the negative terminals 11 of the battery cells 2 are each electrically connected to a negative connecting conductor 13.
  • the positive terminals 12 of the battery cells 2 are each electrically connected to a positive connecting conductor 14.
  • FIG. 2 shows a schematic, partially transparent top view of a battery module 5 according to a first embodiment.
  • the respectively visible area of the battery cells 2 corresponds to an end face of the circular cylindrical cell housing and each represents the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • the negative terminals 11 of the battery cells 2 visible here are electrically connected by means of a first cell connector 21 and a second cell connector 22.
  • the positive terminals 12 of the battery cells 2, which are not visible here, are also electrically connected by means of a connector which is not visible here. These connectors, which are not visible here, together form the positive connecting conductor 14 of the battery module 5 shown in FIG. 1.
  • the first cell connector 21 can, as shown here, by means of one
  • Cross connector 81 may be electrically connected to the second cell connector 22.
  • the cross connector 81 is not absolutely necessary, however, because the electrical Connection via the negative terminals 11 is already guaranteed.
  • the first cell connector 21, the second cell connector 22 and the cross connector 81 are made of copper in the present case and together form the one in FIG. 1
  • Cell connectors 21, 22 and the cross connector 81 can also be made of other materials.
  • the first cell connector 21 is connected to the negative terminals 11 of a plurality of battery cells 2, each with a first welding area 31.
  • the second cell connector 22 is connected to the negative terminals 11 of a plurality of battery cells 2, each with a second welding area 32.
  • FIG. 3 shows a schematic front view of the battery module 5 from FIG. 2 during the connection of the negative terminal 11 of one of the battery cells 2 to the first cell connector 21 and to the second cell connector 22. No connectors for the positive terminal 12 of the battery cells 2 are shown.
  • first cell connector 21 and the second cell connector 22 are placed spaced apart from one another on the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • a first welding electrode 41 is then placed on the first cell connector 21.
  • a second welding electrode 42 is placed on the second cell connector 22.
  • a second footprint is then placed on the first cell connector 21 and the second cell connector 22.
  • Welding electrode 42 on the second cell connector 22 is approximately the same size as a footprint of the first welding electrode 41 on the first cell connector 21.
  • a welding current flows from the first welding electrode 41 through the first cell connector 21, through the negative terminal 11, through the second
  • FIG. 4 shows a schematic, partially transparent top view of a battery module 5 according to a second embodiment.
  • the respectively visible area of the battery cells 2 corresponds to an end face of the circular cylindrical cell housing and each represents the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • the negative terminals 11 of the battery cells 2 which are visible here are by means of a first cell connector 21.
  • the positive terminals 12 which are not visible here are by means of a first cell connector 21.
  • Battery cells 2 are also electrically connected by means of connectors that are not visible here. These connectors, which are not visible here, together form the positive connecting conductor 14 of the battery module 5 shown in FIG. 1.
  • the first cell connector 21 is made of copper and forms the negative connecting conductor 13 of the battery module 5 shown in FIG. 1.
  • the first cell connector 21 can also be made of other materials.
  • the first cell connector 21 is connected to the negative terminals 11 of a plurality of battery cells 2, each with a first welding area 31.
  • FIG. 5 shows a schematic front view of the battery module 5 from FIG. 4 during the connection of the negative terminal 11 of one of the battery cells 2 to the first cell connector 21. No connectors for the positive terminal 12 of the battery cells 2 are shown.
  • the first cell connector 21 is placed on the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • a first welding electrode 41 is then placed on the first cell connector 21.
  • a second welding electrode 42 is placed directly on the negative terminal 11.
  • a footprint of the second welding electrode 42 on the negative terminal 11 is larger than a footprint of the first welding electrode 41 on the first
  • a welding current flows from the first welding electrode 41 through the first cell connector 21, through the negative terminal 11 and to the second
  • FIG. 6 shows a schematic, partially transparent top view of a battery module 5 according to a modification of the second embodiment shown in FIG. 4.
  • the respectively visible area of the battery cells 2 corresponds to an end face of the circular cylindrical cell housing and represents the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • the positive terminals 12 of the battery cells 2, which are not visible here, are likewise electrically connected by means of a connector which is not visible here. These connectors, which are not visible here, together form the positive connecting conductor 14 of the battery module 5 shown in FIG. 1.
  • the first cell connector 21 is made of copper and forms the negative connecting conductor 13 of the battery module 5 shown in FIG. 1.
  • the first cell connector 21 can also be made of other materials.
  • the first cell connector 21 is connected to the negative terminals 11 of a plurality of battery cells 2, each with a first welding area 31.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Terminals (11, 12) einer Batteriezelle (2) mit mindestens einem Zellverbinder (21) mittels Widerstandschweißen, wobei ein elektrisch leitfähiger erster Zellverbinder (21) auf das Terminal (11, 12) der Batteriezelle (2) aufgelegt wird, und eine erste Schweißelektrode (41) auf den ersten Zellverbinder (21) aufgesetzt wird, und eine zweite Schweißelektrode (42) derart in elektrischen Kontakt zu dem Terminal (11, 12) gebracht wird, dass ein Schweißstrom von der ersten Schweißelektrode (41) durch den ersten Zellverbinder (21) und durch das Terminal (11, 12) zu der zweiten Schweißelektrode (42) fließt, wodurch der erste Zellverbinder (21) mittels Widerstandschweißen mit dem Terminal (11, 12) der Batteriezelle (2) verbunden wird. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriemodul (5), umfassend mindestens zwei Batteriezellen (2) und mindestens einen Zellverbinder (21), wobei jeweils eines der Terminals (11, 12) der Batteriezellen (2) durch das erfindungsgemäße Verfahren mit dem mindestens einen Zellverbinder (21) mittels Widerstandschweißen stoffschlüssig verbunden ist.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Terminals einer Batteriezelle mit mindestens einem Zellverbinder und Batteriemodul
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Terminals einer Batteriezelle mit mindestens einem Zellverbinder mittels
Widerstandschweißen. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriemodul, welches mindestens zwei Batteriezellen und mindestens einen Zellverbinder umfasst, welcher mit Terminals der Batteriezellen mittels Widerstandschweißen
stoffschlüssig verbunden ist.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Fahrzeugen wie
Elektrofahrzeugen (EV), Hybridfahrzeugen (HEV) oder Plug-In-Hybridfahrzeugen (PHEV) sowie Pedelecs und in stationären Anlagen und in Consumer- Elektronik- Produkten vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an welche hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batteriezellen. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Batteriezellen wandeln chemische
Reaktionsenergie in elektrische Energie um.
Eine Batteriezelle weist dabei ein positives Terminal und ein negatives Terminal zur elektrischen Kontaktierung auf. Mehrere Batteriezellen können
zusammengefasst und elektrisch miteinander verschaltet werden. Dazu werden die Terminals der Batteriezellen mittels Zellverbinder miteinander verbunden. Miteinander seriell oder parallel verschaltete Batteriezellen können zu einem Batteriemodul zusammengefasst werden. Es ist bekannt, Zellverbinder stoffschlüssig mit Terminals von Batteriezellen zu verbinden. Dabei sind mehrere Verbindungsarten bekannt, beispielsweise Ultraschallschweißen oder
Laserschweißen.
Es sind unterschiedliche Bauformen für Batteriezellen bekannt. Beispielsweise weist eine Batteriezelle ein prismatisch, insbesondere quaderförmig,
ausgestaltetes Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt und druckfest ausgebildet ist. Ferner sind Batteriezellen mit einem kreiszylindrisch ausgestalteten Zellengehäuse bekannt, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt und druckfest ausgebildet ist. Dabei ist an einer Stirnseite des kreiszylindrischen Gehäuses das positive Terminal angeordnet, und an der gegenüberliegenden Stirnseite des kreiszylindrischen Gehäuses ist das negative Terminal angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Terminals einer Batteriezelle mit mindestens einem Zellverbinder mittels Widerstandschweißen als Verbindungsart vorgeschlagen. Widerstandschweißen ist vorteilhaft einsetzbar, da diese Verbindungsart verhältnismäßig kostengünstig ist und insbesondere Investitionskosten für eine geeignete Widerstandschweißanlage verhältnismäßig gering sind.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst ein elektrisch leitfähiger erster Zellverbinder auf das Terminal der Batteriezelle aufgelegt. Der erste Zellverbinder ist vorzugsweise aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium. Der erste Zellverbinder ist beispielsweise streifenförmig oder rechteckig ausgebildet, kann aber auch eine andere geeignete Form aufweisen.
Die Batteriezelle ist beispielsweise als Rundzelle ausgeführt und weist ein kreiszylindrisch ausgestaltetes Zellengehäuse auf. Das Zellengehäuse ist beispielsweise aus Edelstahl oder Aluminium gefertigt. An einer Stirnseite des kreiszylindrischen Gehäuses ist das positive Terminal angeordnet, und an der gegenüberliegenden Stirnseite des kreiszylindrischen Gehäuses ist das negative Terminal angeordnet. Die Terminals sind beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl gefertigt. Das Zellengehäuse der Batteriezelle kann auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise prismatisch.
Anschließend wird eine erste Schweißelektrode auf den ersten Zellverbinder aufgesetzt. Dann wird eine zweite Schweißelektrode derart in elektrischen Kontakt zu dem Terminal der Batteriezelle gebracht, dass ein Schweißstrom von der ersten Schweißelektrode durch den ersten Zellverbinder und durch das Terminal der Batteriezelle zu der zweiten Schweißelektrode fließt. Durch den Schweißstrom wird der erste Zellverbinder mittels Widerstandschweißen mit dem Terminal der Batteriezelle verbunden. Dabei wird zwischen dem ersten
Zellverbinder und dem Terminal der Batteriezelle durch den Schweißstrom ein erster Schweißbereich erzeugt.
Es erscheint dabei wesentlich, dass die zweite Schweißelektrode nicht unmittelbar neben der ersten Schweißelektrode auf den ersten Zellverbinder aufgesetzt wird. In diesem Fall würde der Schweißstrom nämlich zu großen Teilen von der ersten Schweißelektrode durch den ersten Zellverbinder und direkt weiter zu der zweiten Schweißelektrode fließen. Der Schweißstrom würde somit nur in sehr kleiner Menge durch das Terminal der Batteriezelle fließen, und somit könnte zwischen dem ersten Zellverbinder und dem Terminal der
Batteriezelle kein Schweißbereich erzeugt werden. Es würde also keine
Verschweißung des ersten Zellverbinders mit dem Terminal der Batteriezelle stattfinden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich zu dem ersten Zellverbinder ein elektrisch leitfähiger zweiter Zellverbinder auf das Terminal der Batteriezelle aufgelegt. Dann wird die zweite Schweißelektrode derart auf den zweiten Zellverbinder aufgesetzt, dass der Schweißstrom durch das Terminal und durch den zweiten Zellverbinder zu der zweiten
Schweißelektrode fließt. Durch den Schweißstrom wird dann auch der zweite Zellverbinder mittels Widerstandschweißen mit dem Terminal der Batteriezelle verbunden. Dabei wird zwischen dem zweiten Zellverbinder und dem Terminal der Batteriezelle durch den Schweißstrom auch ein zweiter Schweißbereich erzeugt. Vorzugsweise ist eine Aufstandsfläche der zweiten Schweißelektrode auf dem zweiten Zellverbinder annähernd gleich groß wie eine Aufstandsfläche der ersten Schweißelektrode auf dem ersten Zellverbinder. Unter annähernd gleich groß ist beispielswiese zu verstehen, dass sich die Aufstandsflächen der ersten
Schweißelektrode und der zweiten Schweißelektrode um maximal 20 % voneinander unterscheiden. Der Schweißstrom fließt jeweils durch die
Aufstandsflächen der ersten Schweißelektrode und der zweiten
Schweißelektrode. Wenn beide Aufstandsflächen annähernd gleich groß sind, so ist die Stromdichte im Bereich der Aufstandsflächen auch annähernd gleich groß. Dadurch werden der erste Schweißbereich und der zweite Schweißbereich annähernd gleichartig ausgebildet.
Vorteilhaft werden der erste Zellverbinder und der zweite Zellverbinder voneinander beabstandet auf das Terminal der Batteriezelle aufgelegt. Damit ist sichergestellt, dass der Schweißstrom nicht unmittelbar von dem ersten
Zellverbinder zu dem zweiten Zellverbinder fließt, sondern durch das Terminal der Batteriezelle fließt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der erste
Zellverbinder und der zweite Zellverbinder mittels eines elektrisch leitfähigen Querverbinders zusätzlich miteinander verbunden. In einem späteren Betrieb eines Batteriemoduls mit mehreren verbundenen Batteriezellen ist damit ein Übergangswiderstand zwischen dem ersten Zellverbinder und dem zweiten Zellverbinder reduziert.
Vorzugsweise werden der erste Zellverbinder und der zweite Zellverbinder ebenfalls mittels Widerstandschweißen mit dem Querverbinder stoffschlüssig verbunden. Dabei kann eine Schweißelektrode auf den Querverbinder aufgesetzt werden, und die andere Schweißelektrode kann auf den jeweiligen Zellverbinder aufgesetzt werden.
Ein weiterer Vorteil der beiden Zellverbinder ist die damit erzielte Redundanz. Sollte im Produktlebenszyklus aus irgendeinem Grund ein Zellverbinder beschädigt werden oder ein Einzelschweißpunkt zwischen Zellverbinder und Zelle beschädigt werden, dann steht noch immer ein zweiter Zellverbinder mit einer intakten Schweißverbindung zur Verfügung.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die zweite Schweißelektrode derart unmittelbar auf das Terminal der Batteriezelle aufgesetzt, dass der Schweißstrom durch das Terminal unmittelbar zu der zweiten Schweißelektrode fließt. Durch den Schweißstrom soll dabei ausschließlich der erste Zellverbinder mittels Widerstandschweißen mit dem Terminal der Batteriezelle verbunden werden. Zwischen der zweiten
Schweißelektrode und dem Terminal der Batteriezelle soll kein Schweißbereich erzeugt werden.
Vorzugsweise ist eine Aufstandsfläche der zweiten Schweißelektrode auf dem Terminal größer als eine Aufstandsfläche der ersten Schweißelektrode auf dem ersten Zellverbinder. Bevorzugt ist die Aufstandsfläche der zweiten
Schweißelektrode dabei signifikant größer, beispielsweise mindestens um 40% größer, als die Aufstandsfläche der ersten Schweißelektrode. Der Schweißstrom fließt jeweils durch die Aufstandsflächen der ersten Schweißelektrode und der zweiten Schweißelektrode. Wenn die Aufstandsfläche der zweiten
Schweißelektrode größer ist als die Aufstandsfläche der ersten
Schweißelektrode, so ist die Stromdichte im Bereich der Aufstandsfläche der ersten Schweißelektrode größer als im Bereich der Aufstandsfläche der zweiten Schweißelektrode. Die Stromdichte im Bereich der Aufstandsfläche der zweiten Schweißelektrode soll so gering sein, dass dort kein Schweißbereich erzeugt wird.
Besonders bevorzugt ist die Aufstandsfläche der zweiten Schweißelektrode auf dem Terminal der Batteriezelle mindestens um 50% größer ist als die
Aufstandsfläche der ersten Schweißelektrode auf dem ersten Zellverbinder. Somit ist die Stromdichte im Bereich der Aufstandsfläche der ersten
Schweißelektrode signifikant größer als im Bereich der Aufstandsfläche der zweiten Schweißelektrode.
Es wird auch ein Batteriemodul vorgeschlagen, welches mindestens zwei Batteriezellen und mindestens einen Zellverbinder umfasst. Dabei ist jeweils eines der Terminals der Bateriezellen durch das erfindungsgemäße Verfahren mit dem mindestens einen Zellverbinder mitels Widerstandschweißen stoffschlüssig verbunden. Die mindestens zwei Bateriezellen können dabei elektrisch sowohl parallel als auch seriell verschaltet sein.
Vorteile der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Bateriezellen mit Zellverbindern durch Widerstandschweißen verbunden werden. Diese Verbindungsart ist verhältnismäßig kostengünstig, beispielsweise kostengünstiger als
Ultraschallschweißen oder Laserschweißen. Insbesondere ist ein geeignetes Schweißwerkzeug verhältnismäßig einfach aufgebaut und die Investitionskosten dafür sind verhältnismäßig gering. Durch Widerstandschweißen werden die Bateriezellen und die Zellverbinder elektrisch und mechanisch robust
miteinander verbunden. Ein Bateriemodul, das Bateriezellen und Zellverbinder aufweist, die durch das erfindungsgemäße Verfahren miteinander verbunden sind, ist somit mechanisch stabil und interne Übergangswiderstände sind verhältnismäßig klein. Das erfindungsgemäße Verfahren gestatet, Zellverbinder aus elektrisch gut leitendem Material, beispielswiese Kupfer einzusetzen. Kupfer ist, im Vergleich zu anderen Materialien wie beispielsweise Nickel, auch kostengünstig verfügbar und weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf. Die Zellverbinder können einfache geometrische Formen aufweisen, insbesondere streifenförmig oder rechteckig ausgebildet sein. Somit sind auch die Zellverbinder kostengünstig herstellbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Bateriemoduls, Figur 2 eine schematische Draufsicht auf ein Batteriemodul gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 3 eine schematische Frontansicht des Batteriemoduls aus Figur 2,
Figur 4 eine schematische Draufsicht auf ein Batteriemodul gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Figur 5 eine schematische Frontansicht des Batteriemoduls aus Figur 4 und
Figur 6 eine schematische Draufsicht auf ein Batteriemodul gemäß einer
Abwandlung der zweiten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 5. Das Batteriemodul 5 weist mehrere Batteriezellen 2 auf. Die Batteriezellen 2 sind innerhalb des Batteriemoduls 5 vorliegend elektrisch parallel verschaltet. Die Batteriezellen 2 können innerhalb des Batteriemoduls 5 beispielsweise auch seriell verschaltet sein oder in einer Kombination aus serieller Verschaltung und paralleler Verschaltung. Vorliegend sind alle Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 identisch ausgebildet.
Jede Batteriezelle 2 des Batteriemoduls 5 umfasst eine hier nicht dargestellte Elektrodeneinheit, welche jeweils eine Anode und eine Kathode aufweist. Die Anode der Elektrodeneinheit ist mit einem negativen Terminal 11 der
Batteriezelle 2 verbunden. Die Kathode der Elektrodeneinheit ist mit einem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Bateriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen und entladen werden.
Die Elektrodeneinheit der Bateriezelle 2 ist in einem Zellengehäuse angeordnet. Das Zellengehäuse ist vorliegend kreiszylindrisch ausgestaltet und aus einem Metall, beispielsweise Edelstahl, gefertigt. An einer Stirnseite des
kreiszylindrischen Zellengehäuses ist das positive Terminal 12 angeordnet, und an der gegenüberliegenden Stirnseite des kreiszylindrischen Zellengehäuses ist das negative Terminal 11 angeordnet. Ein Zellengehäuse kann auch so gestaltet sein, dass an den Seitenflächen, gegebenenfalls zusätzlich zu einer Stirnseite, ein Terminal 11, 12 angeordnet ist. Die Terminals 11, 12 sind beispielsweise aus Edelstahl gefertigt. Das Zellengehäuse der Bateriezelle 2 kann auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise prismatisch, und kann aus anderen Materialien gefertigt sein.
Zur parallelen Verschaltung der Bateriezellen 2 innerhalb des Bateriemoduls 5 sind jeweils die negativen Terminals 11 der Bateriezellen 2 mit einem negativen Verbindungsleiter 13 elektrisch verbunden. Ebenso sind jeweils die positiven Terminals 12 der Bateriezellen 2 mit einem positiven Verbindungsleiter 14 elektrisch verbunden.
Figur 2 zeigt eine schematische teiltransparente Draufsicht auf ein Bateriemodul 5 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die jeweils sichtbare Fläche der Bateriezellen 2 entspricht einer Stirnseite des kreiszylindrischen Zellengehäuses und stellt jeweils das negative Terminal 11 der Bateriezelle 2 dar. Die hier sichtbaren negativen Terminals 11 der Bateriezellen 2 sind mitels eines ersten Zellverbinders 21 und eines zweiten Zellverbinders 22 elektrisch verbunden. Die hier nicht sichtbaren positiven Terminals 12 der Bateriezellen 2 sind mitels hier nicht sichtbarer Verbinder ebenfalls elektrisch verbunden. Diese hier nicht sichtbaren Verbinder bilden zusammen den in Figur 1 dargestellten positiven Verbindungsleiter 14 des Bateriemoduls 5.
Der erste Zellverbinders 21 kann, wie hier dargestellt, mitels eines
Querverbinders 81 mit dem zweiten Zellverbinder 22 elektrisch verbunden sein. Der Querverbinder 81 ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da die elektrische Verbindung über die negativen Terminals 11 bereits gewährleistet ist. Der erste Zellverbinder 21, der zweite Zellverbinder 22 und der Querverbinder 81 sind vorliegend aus Kupfer gefertigt und bilden zusammen den in Figur 1
dargestellten negativen Verbindungsleiter 13 des Batteriemoduls 5. Die
Zellverbinder 21, 22, sowie der Querverbinder 81 können auch aus anderen Materialien gefertigt sein.
Der erste Zellverbinder 21 ist mit jeweils einem ersten Schweißbereich 31 mit den negativen Terminals 11 mehrerer Batteriezellen 2 verbunden. Der zweite Zellverbinder 22 ist mit jeweils einem zweiten Schweißbereich 32 mit den negativen Terminals 11 mehrerer Batteriezellen 2 verbunden.
Figur 3 zeigt eine schematische Frontansicht des Batteriemoduls 5 aus Figur 2 während des Verbindens des negativen Terminals 11 einer der Batteriezellen 2 mit dem ersten Zellverbinder 21 und mit dem zweiten Zellverbinder 22. Dabei sind keine Verbinder für das positive Terminal 12 der Batteriezellen 2 dargestellt.
Zunächst werden der erste Zellverbinder 21 und der zweite Zellverbinder 22 voneinander beabstandet auf das negative Terminal 11 der Batteriezelle 2 aufgelegt. Anschließend wird eine erste Schweißelektrode 41 auf den ersten Zellverbinder 21 aufgesetzt. Dann wird eine zweite Schweißelektrode 42 auf den zweiten Zellverbinder 22 aufgesetzt. Eine Aufstandsfläche der zweiten
Schweißelektrode 42 auf dem zweiten Zellverbinder 22 ist annähernd gleich groß wie eine Aufstandsfläche der ersten Schweißelektrode 41 auf dem ersten Zellverbinder 21.
Es fließt ein Schweißstrom von der ersten Schweißelektrode 41 durch den ersten Zellverbinder 21, durch das negative Terminal 11, durch den zweiten
Zellverbinder 22 und zu der zweiten Schweißelektrode 42. Dabei werden durch den Schweißstrom zwischen dem ersten Zellverbinder 21 und dem negativen Terminal 11 der erste Schweißbereich 31 sowie zwischen dem zweiten
Zellverbinder 22 und dem negativen Terminal 11 der zweite Schweißbereich 32 erzeugt. Figur 4 zeigt eine schematische teiltransparente Draufsicht auf ein Batteriemodul 5 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die jeweils sichtbare Fläche der Batteriezellen 2 entspricht einer Stirnseite des kreiszylindrischen Zellengehäuses und stellt jeweils das negative Terminal 11 der Batteriezelle 2 dar. Die hier sichtbaren negativen Terminals 11 der Batteriezellen 2 sind mittels eines ersten Zellverbinders 21. Die hier nicht sichtbaren positiven Terminals 12 der
Batteriezellen 2 sind mittels hier nicht sichtbarer Verbinder ebenfalls elektrisch verbunden. Diese hier nicht sichtbaren Verbinder bilden zusammen den in Figur 1 dargestellten positiven Verbindungsleiter 14 des Batteriemoduls 5.
Der erste Zellverbinders 21 ist vorliegend aus Kupfer gefertigt und bildet den in Figur 1 dargestellten negativen Verbindungsleiter 13 des Batteriemoduls 5. Der erste Zellverbinder 21 kann auch aus anderen Materialien gefertigt sein. Der erste Zellverbinder 21 ist mit jeweils einem ersten Schweißbereich 31 mit den negativen Terminals 11 mehrerer Batteriezellen 2 verbunden.
Figur 5 zeigt eine schematische Frontansicht des Batteriemoduls 5 aus Figur 4 während des Verbindens des negativen Terminals 11 einer der Batteriezellen 2 mit dem ersten Zellverbinder 21. Es sind keine Verbinder für das positive Terminal 12 der Batteriezellen 2 dargestellt.
Zunächst wird der erste Zellverbinder 21 auf das negative Terminal 11 der Batteriezelle 2 aufgelegt. Anschließend wird eine erste Schweißelektrode 41 auf den ersten Zellverbinder 21 aufgesetzt. Dann wird eine zweite Schweißelektrode 42 unmittelbar auf das negative Terminal 11 aufgesetzt. Eine Aufstandsfläche der zweiten Schweißelektrode 42 auf dem negativen Terminal 11 ist größer als eine Aufstandsfläche der ersten Schweißelektrode 41 auf dem ersten
Zellverbinder 21.
Es fließt ein Schweißstrom von der ersten Schweißelektrode 41 durch den ersten Zellverbinder 21, durch das negative Terminal 11 und zu der zweiten
Schweißelektrode 42. Dabei wird durch den Schweißstrom zwischen dem ersten Zellverbinder 21 und dem negativen Terminal 11 der erste Schweißbereich 31 erzeugt. Figur 6 zeigt eine schematische teiltransparente Draufsicht auf ein Batteriemodul 5 gemäß einer Abwandlung der in Figur 4 gezeigten zweiten Ausführungsform. Die jeweils sichtbare Fläche der Batteriezellen 2 entspricht einer Stirnseite des kreiszylindrischen Zellengehäuses und stellt jeweils das negative Terminal 11 der Batteriezelle 2 dar. Die hier sichtbaren negativen Terminals 11 der Batteriezellen
2 sind mittels eines ersten Zellverbinders 21. Die hier nicht sichtbaren positiven Terminals 12 der Batteriezellen 2 sind mittels hier nicht sichtbarer Verbinder ebenfalls elektrisch verbunden. Diese hier nicht sichtbaren Verbinder bilden zusammen den in Figur 1 dargestellten positiven Verbindungsleiter 14 des Batteriemoduls 5.
Der erste Zellverbinders 21 ist vorliegend aus Kupfer gefertigt und bildet den in Figur 1 dargestellten negativen Verbindungsleiter 13 des Batteriemoduls 5. Der erste Zellverbinder 21 kann auch aus anderen Materialien gefertigt sein. Der erste Zellverbinder 21 ist mit jeweils einem ersten Schweißbereich 31 mit den negativen Terminals 11 mehrerer Batteriezellen 2 verbunden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Terminals (11, 12) einer Batteriezelle (2) mit mindestens einem Zellverbinder (21, 22) mittels Widerstandschweißen, wobei
ein elektrisch leitfähiger erster Zellverbinder (21) auf das Terminal (11, 12) der Batteriezelle (2) aufgelegt wird, und
eine erste Schweißelektrode (41) auf den ersten Zellverbinder (21) aufgesetzt wird, und
eine zweite Schweißelektrode (42) derart in elektrischen Kontakt zu dem Terminal (11, 12) gebracht wird, dass
ein Schweißstrom von der ersten Schweißelektrode (41) durch den ersten Zellverbinder (21) und durch das Terminal (11, 12) zu der zweiten Schweißelektrode (42) fließt, wodurch
der erste Zellverbinder (21) mittels Widerstandschweißen mit dem Terminal (11, 12) der Batteriezelle (2) verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
ein elektrisch leitfähiger zweiter Zellverbinder (22) auf das Terminal (11, 12) der Batteriezelle (2) aufgelegt wird, und wobei
die zweite Schweißelektrode (42) derart auf den zweiten Zellverbinder (22) aufgesetzt wird, dass
der Schweißstrom durch das Terminal (11, 12) und durch den zweiten Zellverbinder (22) zu der zweiten Schweißelektrode (42) fließt, wodurch der zweite Zellverbinder (22) mittels Widerstandschweißen mit dem Terminal (11, 12) der Batteriezelle (2) verbunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei
eine Aufstandsfläche der zweiten Schweißelektrode (42) auf dem zweiten Zellverbinder (22) annähernd gleich groß ist wie eine
Aufstandsfläche der ersten Schweißelektrode (41) auf dem ersten Zellverbinder (21).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei
der erste Zellverbinder (21) und der zweite Zellverbinder (22) voneinander beabstandet auf das Terminal (11, 12) aufgelegt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei
der erste Zellverbinder (21) und der zweite Zellverbinder (22) mittels eines elektrisch leitfähigen Querverbinders (81) zusätzlich miteinander verbunden werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei
der erste Zellverbinder (21) und der zweite Zellverbinder (22) mittels Widerstandschweißen mit dem Querverbinder (81) stoffschlüssig verbunden werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
die zweite Schweißelektrode (42) derart unmittelbar auf das Terminal (11, 12) der Batteriezelle (2) aufgesetzt wird, dass
der Schweißstrom durch das Terminal (11, 12) unmittelbar zu der zweiten Schweißelektrode (42) fließt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei
eine Aufstandsfläche der zweiten Schweißelektrode (42) auf dem Terminal (11, 12) größer ist als eine Aufstandsfläche der ersten Schweißelektrode (41) auf dem ersten Zellverbinder (21).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei
die Aufstandsfläche der zweiten Schweißelektrode (42) auf dem
Terminal (11, 12) mindestens um 50% größer ist als die Aufstandsfläche der ersten Schweißelektrode (41) auf dem ersten Zellverbinder (21).
10. Batteriemodul (5), umfassend mindestens zwei Batteriezellen (2) und mindestens einen Zellverbinder (21, 22), wobei
jeweils eines der Terminals (11, 12) der Batteriezellen (2)
durch das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem mindestens einen Zellverbinder (21, 22) mittels
Widerstandschweißen stoffschlüssig verbunden ist.
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