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.