Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden oder Kontaktieren einer Energiespeicherzelle sowie ein Batteriemodul.

Hochvoltspeicher oder Traktionsbatterien elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge umfassen eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, welche elektrisch verschaltet sind. Die Herstellung der Vielzahl von elektrischen Kontakten, die hierbei erzeugt werden muss, gestaltet sich in der Praxis als aufwendig. Typisch sind in diesem Zu sammenhang Schweißverfahren. So offenbart beispielsweise die DE 10 2017 004 939 A1 ein Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden der elektrischen Pole we nigstens zweier Batteriezellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug miteinander über ein Zellverbinderblech mittels Ultraschallbonden oder Ultraschallschweißen. Derar tige Schweißverfahren bringen allerdings den Nachteil mit sich, dass eine gewisse Zugänglichkeit gegeben sein muss, um das Schweißverfahren überhaupt durchfüh ren zu können. Außerdem müssen in einem typischen Hochvoltspeicher ggf. hun derte Zellen verschweißt werden, was einen großen Herstellungsaufwand mit sich bringt.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum elektri schen Verbinden einer Energiespeicherzelle sowie einen elektrischen Energiespei cher anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen und dabei das Po tential einer Kostenreduktion bieten.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum elektrischen Verbinden einer oder zu mindest einer Energiespeicherzelle die Schritte:

Bereitstellen zumindest einer elektrischen Energiespeicherzelle, umfassend einen ersten Anschlusspol;

- Anordnen des ersten Anschlusspols und eines ersten Kontaktelements anei nander zum Formen einer ersten Kontaktstelle; Schließen eines Stromkreises über die zumindest eine Energiespeicherzelle hinweg und Verwenden der in der Energiespeicherzelle gespeicherten elektrischen Energie zum Erzeugen einer Schweißverbindung an der ersten Kontaktstelle.

Das Verfahren ist also insbesondere ein Verfahren zum Verschweißen der zumin dest einen Energiespeicherzelle mit zumindest einem ersten Kontaktelement. Dabei ist das Schweißverfahren mit Vorteil an das Prinzip des Bolzenschweißens ange lehnt. Die jeweilige Energiespeicherzelle wirkt zweckmäßigerweise als „Bolzen“, wo bei die Bolzenspitze durch den Anschlusspol der jeweiligen Energiespeicherzelle gebildet wird. Zweckmäßigerweise wird die in der Energiespeicherzelle enthaltene Energie zum Verschweißen derselben mit dem ersten Kontaktelement benutzt. Die zum Schweißen nötige Energie kommt also nicht von außen oder wird von extern zugeführt, sondern ist unmittelbar durch die zumindest eine Energiespeicherzelle bereitgestellt. Um den zum Schweißen nötigen Stromfluss zu erzeugen, wird der Stromkreis aufgebaut, in welchem die zumindest eine Energiespeicherzelle als Spannungsquelle dient. Zweckmäßigerweise ist zur Stromaufnahme eine geeignete Stromsenke vorgesehen. Beispiele sind später noch genannt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Energiespeicher zellen vorgesehen. Bevorzugte Typen von Energiespeicherzellen sind, ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit, unter anderem Lithium-Ionen-Zellen, Lithium- Schwefel-Zellen oder Eisen-Phosphat-Zellen. Energiespeicherzellen können auch Kondensatoren oder Superkondensatoren sein. Die Energiespeicherzellen formen bevorzugt einen Energiespeicher oder ein Energiespeichermodul. Die Energiespei cherzellen bzw. der Energiespeicher oder das Energiespeichermodul wird vorlie gend zweckmäßigerweise in der Art angeschlossen, dass Energie entnommen wer den kann. Hierbei erzeugt der Stromfluss an den Kontaktstellen derart einen Tem peraturanstieg, dass ein Verschweißen stattfindet. Die zumindest eine Energiespei cherzelle ist also in einem ersten Schritt zunächst nur vorkontaktiert. Die eigentliche, insbesondere stoffschlüssige, Verbindung/Kontaktierung erfolgt erst in einem nächs ten Schritt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt: Vorladen der zumindest einen Energiespeicherzelle auf ein definiertes Ni veau.

Zweckmäßigerweise wird die zumindest eine Energiespeicherzelle vorgeladen bzw. es wird eine vorgeladene Energiespeicherzelle bereitgestellt. Bevorzugt wird zur Lastaufnahme in dem Stromkreis eine elektronische Last vorge sehen. Eine elektronische Last ist ein Gerät oder eine Baugruppe, die als Ersatz für einen konventionellen (ohmschen) Lastwiderstand eingesetzt wird. Zweckmäßiger weise kann von der elektronischen Last elektrische Leistung aufgenommen werden. Alternativ kann bzw. können in den Stromkreis auch ein oder mehrere konstante Wi derstände eingebracht werden. Sowohl die Widerstände als auch die elektronische Last sind derart auszuwählen bzw. einzustellen, dass der in dem Stromkreis flie ßende Strom zum Erzeugen der Schweißverbindung ausreicht.

Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:

Herstellen der Schweißverbindung durch Erzeugen eines Lichtbogens. Bevorzugt wird zwischen dem ersten Anschlusspol und dem ersten Kontaktelement ein Lichtbogen gezündet, welcher den ersten Anschlusspol und/oder das erste Kon taktelement anschmilzt, wodurch ein Schweißbad entsteht.

Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:

Vorsehen einer Schweißerhebung im Bereich der ersten Kontaktstelle zum

Erzeugen, insbesondere Starten, eines oder des Lichtbogens.

Die Schweißerhebung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform direkt am ers ten Anschlusspol ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Schweißerhebung auch am ersten Kontaktelement ausgebildet sein. Die Schweißerhebung kontaktiert das jeweils andere Element, also beispielsweise das erste Kontaktelement oder um gekehrt den ersten Anschlusspol, und dient insbesondere als Startpunkt für den Lichtbogen. Der erste Anschlusspol ist zunächst um die Länge der Schweißerhe bung vom ersten Kontaktelement beabstandet. Nach Zünden des Lichtbogens nä hern sich der erste Anschlusspol und das erste Kontaktelement bis zu Kontaktierung einander an.

Zum Erzeugen des Lichtbogens ohne Schweißerhebung wird das Verfahren derart geführt, dass der erste Anschlusspol und das erste Kontaktelement einander zu nächst berühren. In dieser Position wird der Stromfluss erzeugt. Durch ein vonei nander weg Bewegen des ersten Anschlusspols vom ersten Kontaktelement, bzw. umgekehrt, wird der für das Aufschmelzen entscheidenden Lichtbogen gebildet wird. Nach Zünden des Lichtbogens nähern sich der erste Anschlusspol und das erste Kontaktelement bis zu Kontaktierung einander an.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt: Verwenden von Zusatzwerkstoff im Bereich der ersten Kontaktstelle.

Der Zusatzwerkstoff kann als Schweißzusatzwerkstoff dienen. Der Zusatzwerkstoff kann ausgelegt sein, einen elektrischen Widerstand in der ersten Kontaktstelle zu erhöhen, um ggf. eine zusätzliche Temperaturerhöhung zu generieren. Weiter alter nativ kann der Zusatzwerkstoff verwendet werden, um die vorgenannte Schweißer hebung zu formen. Der Zusatzwerkstoff kann entsprechend an dem ersten An schlusspol und/oder an dem ersten Kontaktelement ausgebildet sein.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Energiespeicherzelle an ihrem positiven Pol mit der Schweißerhebung versehen. Der erste Anschlusspol ist entsprechend ge mäß einer Ausführungsform der positive Pol bzw. das positive Terminal. Wie er wähnt, wirkt die Schweißerhebung bevorzugt als Initiator zum Einleiten der Schweißverbindung. Die Schweißerhebung ist hierzu als, beispielsweise zylindri scher, Fortsatz mit entsprechend geringem Durchmesser ausgebildet. Diese Geo metrie führt beim Schließen des Stromkreises zu einer starken Temperaturerhöhung und zu den zuvor beschriebenen Effekten.

Zum Kontaktieren des ersten Anschlusspols und des ersten Kontaktelements nach dem Zünden des Lichtbogens wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Energiespeicherzelle in Richtung des ersten Kontaktelements verlagert bzw. nach geführt.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

Vorspannen der Anordnung, umfassend die zumindest eine Energiespei cherzelle und das erste Kontaktelement über die Anordnung eines Zusatze lements, welches den ersten Anschlusspol und das erste Kontaktelement aneinander drückt.

Das Zusatzelement kann eine Vorrichtung sein, welche ausgelegt ist, den ersten Anschlusspol sowie das erste Kontaktelement, insbesondere aktiv, aneinander zu drücken. Alternativ kann das Zusatzelement ein Bauelement sein, insbesondere bei spielsweise ein Bauteil oder Bauelement eines Energiespeichergehäuses, in wel chem die zumindest eine Energiespeicherzelle angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das vorgenannte „Nachführen“ über ein zweites Kontaktelement realisiert werden, welches an der jeweiligen Ener giespeicherzelle angeordnet ist, um beispielsweise einen zweiten Anschlusspol zu kontaktieren. Das zweite Kontaktelement ist gemäß einer Ausführungsform als eine bevorzugt federnde, beispielsweise metallische, Lasche ausgebildet, welche ausge legt und geeignet ist, die zum Zusammendrücken des ersten Anschlusspols und des ersten Kontaktelements nötige Kraft aufzubringen.

Der zweite Anschlusspol und das zweite Kontaktelement bilden eine zweite Kontakt stelle.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Anordnen einer Vielzahl von Energiespeicherzellen, umfassend erste An schlusspole und zweite Anschlusspole, in einer Anordnungsstruktur und For men einer Vielzahl erster Kontaktstellen dabei.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Anordnungsstruktur eine Vielzahl von ersten Kontaktelementen. Diese können beim Anordnen der Energiespeicherzellen in der Anordnungsstruktur automatisch kontaktiert werden. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass eine nachträgliche Zugänglichkeit für das Verschweißen nicht gege ben sein muss.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Anordnungsstruktur beispielsweise eine Vielzahl von Anordnungsbereichen, welche an eine Gehäusegeometrie der Energie speicherzellen angepasst ist. Die Anordnungsbereiche sind beispielsweise prisma tisch oder zylindrisch. Die Kontaktelemente können in der Anordnungsstruktur ange ordnet oder in diese eingebettet sein. Alternativ ist ein Zellkontaktiersystem, umfas send eine Vielzahl von ersten Kontaktelementen, vorgesehen, welches an der An ordnungsstruktur angeordnet ist.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

Form- und kraftschlüssiges Kontaktieren des zweiten Anschlusspols der zu mindest einen Energiespeicherzelle bzw. der zweiten Anschlusspole der Vielzahl von Energiespeicherzellen.

Wie bereits erwähnt, kann bzw. können die zweiten Kontaktelemente beispielsweise als Federelemente ausgebildet sein.

Die zweiten Kontaktelemente sind gemäß einer Ausführungsform Bestandteil einer Tragstruktur, welche ausgelegt ist, an der zumindest einen Energiespeicherzelle bzw. an der Vielzahl von Energiespeicherzellen angeordnet zu werden. Die Trags truktur kann Teil eines oder des Zellkontaktiersystems sein. Über die Anordnung der Tragstruktur an den Energiespeicherzellen kann automatisch ein Vorspannen der Energiespeicherzellen erfolgen.

Die tatsächliche konstruktive Ausführung ist insbesondere auch von Form der Ener giespeicherzelle abhängig.

Bevorzugte Zellformen sind beispielsweise (zylindrische) Rundzellen. Diese weisen gemäß einer Ausführungsform an einem Stirnende den ersten Anschlusspol auf, am gegenüberliegenden Stirnende den zweiten Anschlusspol. Eine derartige Energie speicherzelle wird gemäß einer Ausführungsform, bevorzugt formschlüssig, in eine Anordnungsstruktur gesteckt, wobei gleichzeitig ein erstes Kontaktelement kontak tiert wird. Im Anschluss wird der zweite Anschlusspol mit einem zweiten Anschluss pol verbunden, wobei die Zelle hierbei, wie bereits erwähnt, bereits vorgespannt werden kann. Alternativ weist die Rundzelle an einem Stirnende beide Anschluss pole auf. Ähnlich ist es bei prismatischen Zellen, welche ebenfalls in der Regel auf einer Seite, bevorzugt insbesondere am Deckel, beide Anschlusspole aufweist.

Die Erfindung betrifft auch einen elektrischen Energiespeicher, wie beispielsweise einen Hochvoltspeicher bzw. eine Traktionsbatterie bzw. auch ein Batteriemodul, umfassend eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, welche nach dem erfindungs gemäßen Verfahren verbunden bzw. kontaktiert, insbesondere verschweißt, sind.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügten Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1: einen schematisch dargestellten Verfahrensablauf beim Schweißen;

Fig. 2: schematische Ansichten zum Verständnis des Verfahrensablaufs;

Fig. 3: eine schematische Ansicht zweier Energiespeicherzellen, angeordnet in einer Anordnungsstruktur.

Fig. 1 zeigt in seiner linken Ansicht eine Energiespeicherzelle 10, umfassend einen ersten Anschlusspol 11 und einen zweiten, gegenüberliegend angeordneten, An schlusspol 12. Die Energiespeicherzelle 10 ist vorliegend als sogenannte Rundzelle skizziert. Im Bereich des ersten Anschlusspols 11 ist eine Schweißerhebung 14 aus gebildet. Der erste Anschlusspol 11 ist beispielsweise der positive Pol. Die Schwei ßerhebung 14 bzw. Spitze dient als Schweißelement zur Verschweißung an ein ers tes Kontaktelement 21. Der Grundgedanke besteht darin, dass die Energiespeicher zelle 10 auf ein bestimmtes Niveau vorgeladen ist und die in der Energiespeicher zelle 10 enthaltene Energie unmittelbar dazu genutzt wird, um den ersten An schlusspol 11 und das erste Kontaktelement 21 miteinander zu verschweißen.

Hierzu wird die Energiespeicherzelle 10, vgl. die zweite Ansicht, an das erste Kon taktelement 21 herangeführt, sodass es die Schweißerhebung 14 kontaktiert. Beim Entladen der Energiespeicherzelle 10 beginnt die Schweißerhebung zu schmelzen und es bildet sich im Bereich einer ersten Kontaktstelle 31 ein Schweißbad. Die Schweißerhebung 14 dient insbesondere zum Starten eines Lichtbogens. Der Pfeil im dritten Bild deutet an, dass die Energiespeicherzelle 10 zum ersten Kontaktele ment 21 hin nachgeführt wird. Nach Abschluss des Verfahrens ist die Energiespei cherzelle 10 sicher im Bereich der ersten Kontaktstelle 31 verschweißt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnungsstruktur 40, welche erste Kontaktelemente 21 umfasst. Schematisch dargestellte Rundzellen 10, umfassend erste Anschluss pole 11 und zweite Anschlusspole 12 werden in der Anordnungsstruktur 40 ange ordnet und kontaktieren die ersten Kontaktelemente 21. Entsprechend werden erste Kontaktstellen 31 gebildet. Über die Anordnung einer Tragstruktur 50, welche sei nerseits eine entsprechende Vielzahl von zweiten Kontaktelementen 22 umfasst, kann die gesamte Anordnung vorgespannt werden. Hierzu ist die Tragstruktur 50 entsprechend arretiert, beispielsweise in einem hier nicht weiter dargestellten Ge häuse. Die zweiten Anschlusspole 12 bilden mit den zweiten Kontaktelementen 22 zweite Kontaktstellen 32. Die zweiten Kontaktelemente 22 sind vorliegend beispiels weise als federnde Laschen ausgebildet, welche ausgelegt sind, eine Kraft auf die Energiespeicherzellen 10 aufzubringen, um diese in Richtung der ersten Kontaktele mente 21 zu verlagern bzw. die Kontaktierung bereitszustellen. Beim Entladen der Energiespeicherzellen 10 kann so, sozusagen automatisch, ein Verschweißen erfol gen.

Fig. 3 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung zwei als Rundzellen ausge bildete Energiespeicherzellen 10, welche in einer Anordnungsstruktur 40 angeord net sind. Bezugszeichen 20 bezeichnet vorliegend ein Zellkontaktiersystem, wel ches beispielsweise als Stanzgitter ausgebildet ist. Dieses umfasst eine Vielzahl von ersten Kontaktelementen, welche mit den entsprechenden ersten Anschlusspolen der Energiespeicherzellen 10 erste Kontaktstellen 31 formen. Bei den in der Fig. 3 skizzierten Energiespeicherzellen sind die zweiten Anschlusspole auf der gleichen Seite ausgebildet wie die ersten Anschlusspole. Entsprechend sind zweite Kontakt stellen 32 im Bereich der Anordnungsstruktur 40 ausgebildet.

Bezugszeichenliste

10 Energiespeicherzelle

11 erster Anschlusspol 12 zweiter Anschlusspol

14 Schweißerhebung

20 Zellkontaktiersytem

21 erstes Kontaktelement

22 zweites Kontaktelement 31 erste Kontaktstelle

32 zweite Kontaktstelle 40 Anordnungsstruktur 50 T rag Struktur