WO2019202117A1 - Akkumulatorzellenmodul und verfahren zum kontaktieren der akkumulatorzellen - Google Patents

Akkumulatorzellenmodul und verfahren zum kontaktieren der akkumulatorzellen Download PDF

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cell connector
solder
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Gerrit SCHLAGOWSKY
Thomas Hess
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Battery-Direct & Co KG GmbH
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to an accumulator cell module consisting of several in series and parallel battery cells each having a nem plus pole and a negative pole, the plus poles and the negative poles each electrically interconnected via at least one cell connector wherein the respective cell connector has a connector pole segment with a contact surface dimension v, wherein the connector pole segment of the cell connector is attached to the respective negative pole or the respective positive pole by a solder connection, wherein the solder connection is the only electrical contact forms between the respective cell connector and the respective accumulator cell.
  • the invention further relates to a method for contacting a plurality of battery cells connected in series and in parallel, each having a plus pole and a minus pole over a cell connector, the cell connector having a plurality of connector pole segments, wherein the respective connector pole segment on a the first top has a pole zone, wherein the positive poles and the negative poles are each connected electrically conductively via cell connectors.
  • EP 2 154 740 A2 is a battery storage module consisting of several battery cells.
  • the storage mod- ule described here should be as stable as possible, the stability in turn being defined by the weakest link, and thus the respective connection of the respective cell.
  • the problem is to be solved that the battery inside is not too hot due to the heat of its own.
  • manufacturing tolerances should be counteracted in the production of the battery cells.
  • the cell connectors formed of copper and the associated terminals are either welded or soldered. The cell connectors themselves are merely positively biased against the respective cell pole. A cohesive connection is not provided.
  • an energy storage module consisting of several accumulator cells is also known.
  • a cell connector is used, which has a recess for visual inspection of the solder joint.
  • the recess is provided centrally to the pole or centrally within the Lotstelle. Heating of the cell connector in this area is therefore not possible.
  • the object of the present invention is to design and arrange an accumulator cell module and a corresponding production method in such a way that a maximum size and size-defined connection between the cell connector and the respective one Accumulator cell on the one hand and the best possible contact, thus a low contact resistance between the respective accumulator cell and the cell connector is guaranteed.
  • the connector pole segment having a cell connector pole with the contact surface dimension v, wherein the connector pole segment of the cell connector has at least one recess through which a temperature of the respective pole during the soldering process can be detected, the recess in the edge region of the connector pole segment and / or is placed at the level of the edge region of the respective pole.
  • the recess in turn ensures a direct access to the respective pole of the battery cell in order to determine the temperature of the pole during the soldering or reflowing process.
  • the defined size as well as the direct temperature measurement at the pole ensure reproducible process conditions and a soldering process in which damage to the battery cell is prevented.
  • the placement of the recess in the edge region ensures heating of the central region of the connector pole segment by means of a punctiform laser beam. Thus, substantial central areas of the connector pole segment can be heated so that the desired solder joint is formed there.
  • the conductor cross-section between the connector pole segment and the remaining cell connector is reduced by the recess, so that during the soldering process less heat dissipation from the connector pole into the remaining cell connector takes place.
  • the object is achieved in that the connector pole segment of the cell connector is attached to the respective negative pole or the respective positive pole by a solder connection, wherein the solder connection is used as a single electrical contact between the respective cell connector and the respective battery cell is equipped with a contact cross-sectional area k,
  • the cell connector with the connector pole segment being held against the minus pole or plus pole to be contacted, - wherein between the connector pole segment and the minus Po to be contacted! or plus pole lot is held up,
  • pole zone is heated by means of a laser beam until the connector pole segment has at least one temperature S on a lower side, from which the solder melts
  • a surface temperature O of the respective negative pole or the respective positive pole is monitored and a heat input of the laser is limited so that the surface temperature O does not exceed a predetermined limit value G.
  • the surface temperature O is preferably detected without contact.
  • the limit for G is about 60 ° C.
  • the laser is switched off to limit the heat input.
  • the surface temperature O of the pole zone can also be monitored.
  • the object is achieved by using a cell connector having a dish-shaped connector pole segment that protrudes relative to the underside and forms a raised cell connector pole for contacting a plurality of battery cells connected in series and in parallel with their respective plus pole and / or with their respective minus pole by soldering.
  • a cell connector having a dish-shaped connector pole segment that protrudes relative to the underside and forms a raised cell connector pole for contacting a plurality of battery cells connected in series and in parallel with their respective plus pole and / or with their respective minus pole by soldering.
  • the plate-shaped connector pole segment there is a thickness and a radial extent after a defined zero gap between the cell connector pole and the respective pole, so that a reproducible solder connection can be produced.
  • soldering process is now used for this cohesive connection in order to increase the contact cross-sectional area of the contact point.
  • the soldering process initially has the supposed disadvantage that it also increases the area to be heated by a multiple, which results in a disadvantageous increase in the specific heat input per bonding step.
  • this problem can be solved by using a laser to heat the soldering spot.
  • the necessary heat input can be defined extremely precisely, both spatially and temporally, in order ultimately not to exceed the critical accumulator cell temperature despite ensuring substantially larger contact cross sections.
  • solder has the following advantages. While the two contacts to be connected are simultaneously heated during resistance welding, in the case of the soldering method according to the invention the cell connector is first heated, via which the solder is first heated again.
  • the Akkumulatorzellenpol is in the heating chain at the end, which is accompanied by a reduction of adverse heat input.
  • the solder initially serves as an insulator, so to speak.
  • the accumulator cell pole is likewise directly exposed to the necessary process heat, because the heat input into the accumulator cell pole takes place directly through the laser beam after it has melted through the cell connector. An initial heat conduction from the laser beam acted upon cell connector to the Akkumulatorzellenpol is negligible.
  • the specific heat input into the solder is greatest because it has to melt, thus changing the state of aggregation from solid to liquid. That's just not the case with welding. Both contact partners must be melted. It may also be advantageous for this purpose if the soldered connection has a contact cross-sectional area k, which is accompanied by a significant reduction in the electrical resistance of the soldered connection, the following condition applies for the contact cross-sectional area k:
  • Amax value from the value group ⁇ p; v ⁇ .
  • the recess has a width a, wherein the width a is at least 1 to 2 mm.
  • the cell connector has a top side and on the top in the region of the connector pole segment a pole zone, wherein at least the pole zone has a roughening, a satin finish and / or a coating which has a reduced reflection and / or an improved Heat input causes.
  • the emissivity of the surface can be maximized in a simple manner so that, at best, it is only slightly below 1. This is achieved mainly by using a black paint, which is at best matte finished.
  • the respective pole has a surface and the cell connector has an underside, the surface and / or the underside being roughened at least in the region of the connector pole segment.
  • the connector pole segment of the cell connector is formed as a plate-shaped formation and forms a raised cell connector pole with the contact surface dimension v, wherein the Zellverbinderpol relative to the bottom by at least 0.3 mm to 1, Protrudes 9 mm or at least 0.7 mm to 1, 3 mm.
  • a supernatant of about 1, 1 mm has proved to be advantageous. Due to the plate-shaped shape not only manufacturing tolerances in the context of storage or the housing can be very well balanced.
  • the solder distribution can be defined during the soldering process, because the gap between the accumulator cell and the cell connector, within which the solder propagates due to the capillary forces, is limited to the connector pole segment.
  • the definition of the size of the solder joint to be formed is accompanied by defined conditions for heating and cooling.
  • the cell connector is formed from copper, brass or aluminum. Copper has proved to be very advantageous, because it ensures excellent heat conduction, thus ensuring uniform heat distribution within the cell connector. In addition, copper has a very low electrical resistance, so that the heat input is kept low.
  • the Zellverbinderpol protrudes relative to the bottom by a degree m, so that the cell connector with the exception of Zellverbinderpols a distance d to Ge housing, wherein the distance d at least 0.05 mm or 0 , 1 mm.
  • the cell connector is largely mechanically decoupled from the housing. The solder joint is thus not mechanically stressed directly from the housing.
  • the connector pole segment has a recess, by which the temperature of the respective negative pole or of the respective plus pole is determined.
  • the temperature detection is preferably carried out contactless, such as by a pyrometer or other temperature. pera turmes facilities.
  • the pole temperature can be detected directly, thus ensuring short reaction times, and consequently a reproducible and fast connection or contacting process.
  • the biasing means By applying the biasing means, a secure positioning of the cell connector can be ensured.
  • a laser head is provided with a laser head drive, by means of which the laser head is moved in the directions x, y, z, wherein the biasing means mitel or unmitelbar fixed to the laser head drive and simultaneously with a focusing movement of Lase rkopfs towards z the Vorspannmitel against the cell connector is applied.
  • the biasing means mitel or unmitelbar fixed to the laser head drive and simultaneously with a focusing movement of Lase rkopfs towards z the Vorspannmitel against the cell connector is applied.
  • the biasing means mitel or unmitelbar fixed to the laser head drive and simultaneously with a focusing movement of Lase rkopfs towards z the Vorspannmitel against the cell connector is applied.
  • the biasing means mitel or unmitelbar fixed to the laser head drive and simultaneously with a focusing movement of Lase rkopfs towards z the Vorspannmitel against the cell connector is applied.
  • the biasing means mitel or unmit
  • the cell connector and the accumulator cell are secured during the soldering operation against a relative movement in a direction x and a direction y.
  • the securing of the cell connector can be achieved in addition or as an alternative to the biasing force by force or positive connection.
  • Conceivable here are, for example, a Lochuxmuster, via which the cell connector with the accumulator cell or an accumulator cell receptacle is in communication.
  • a viscous solder is used, which is applied dropwise to the respective pole such that the solder is distributed by placing the cell connector on the connector pole segment and the respective pole within the resulting gap or that the solder on the Cell connector is applied thinly, with the application, the positioning and distribution of the solder during subsequent placement on the respective pole is predetermined, the respective pole is kept largely free of solder in the region of a recess.
  • the lot is viscous state and placed in relation to the connector pole segment such that upon application of the connector pole segment against the respective pole there is an even distribution of the solder within the gap. This is accompanied by an optimal distribution of the solder.
  • the solder When applying to the cell connector, the solder can be applied thinly, for example with a doctor blade method, which is accompanied by a defined surface shape of the solder job.
  • the distribution of the solder during subsequent placement on the respective pole is largely predetermined.
  • the solder is thus kept in the desired Polzone in any case. Dissemination of the solder to areas outside the pole zone may occur, but is not detrimental.
  • a nozzle is provided for a cooling medium, wherein upon reaching the limit value G for the surface temperature O, the cell connector is supplied with cooling medium in the area of the cell connector pole.
  • a faster cooling is achieved.
  • a continuous heating of the cell connector is prevented.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a cell connector with battery cells
  • Figure 2 is a schematic diagram of the accumulator cell
  • Figure 3a shows a cell connector in the top view
  • Figure 3b the cell connector of Figure 3a in the view from below;
  • Figure 4 is a schematic diagram of the side view of an accumulator cell with end-mounted cell connectors
  • FIG. 5 shows a detail of the pole zone with contact cross-sectional area k
  • Figure 6 is a schematic diagram of the soldering device with battery cell
  • FIG. 7 shows an accumulator cell module.
  • An accumulator cell module 10 consists of several accumulator cells 1, which are electrically connected via so-called cell connectors 2.
  • the cell connector 2 is a metal sheet, which in the range of different pole zones 2.3 with a plus or minus pole 1.1, 1.2 a
  • Accumulator cell 1 is electrically connected.
  • the respective accumulator cell 1 has a positive pole 1.1 and an oppositely arranged negative pole 1.2, the respective plus or minus pole 1.1, 1.2 being connected via the respective surface 1.3 to the pole zone 2.3 of the cell connector 2 becomes.
  • the respective pole 1.1, 1.2 in this case has a Kontak Structurequest p, which corresponds to the surface of the respective pole 1.1, 1.2.
  • the cell connector 2 has a pole zone 2.3, in which a connector pole segment 2.1 of the cell connector 2 is designed as a cell connector pole, in this case in the form of a formation, which is connected to the respective pole 1.1, 1.2 is electrically connected.
  • the cell connector 2 is brought to bear against the respective plus or minus pole 1.1, 1.2 of the battery cell 1 with the cell connector pole 2.1 and soldered there for the purpose of contacting and fastening, as described further below.
  • the cell connector 2 in the region of the Polzone 2.3 or in the region of Zellverbinderpols 2.1 2.1 a recess.
  • the Zellverbinderpol 2.1 has a Kontak vomtry v, which corresponds to the circular shape of the Zellverbinderpols 2.1 minus the surface of the recess 2.2.
  • the cell connector 2 is shown in the view from above.
  • the respective connector pole segments or cell connector poles 2.1 are embossed on the top side 2.4, the recess 2.2 being provided in the cell connector pole 2.1.
  • the Zellverbinderpol 2.1 is provided with a dark coating 7, so that its emissivity is maximized in terms of heat absorption or the heat input into the Zellverbinderpol 2.1.
  • the sheet-like cell connector 2 has in addition to the various pole zones 2.3 a plurality of recesses 2.5 between the different which pole zones 2.3 serve not only as a positioning aid but are also relevant for the current, because so the conductor cross-section is determined.
  • FIG. 3b upper half of the picture, the lower side 2.6 of the cell connector 2 is shown.
  • the respective Zellverbinderpol 2.1 and the Polzone 2.3 can be seen from below.
  • the cell connector pole 2.1 is formed within the scope of the shaping, including the recess 2.2 within the cell connector pole 2.1.
  • lower half of the image can be provided as an alternative to the one recess 2.2 also several recesses 2.2 within the Zellverbinderpols 2.1. This is accompanied by a lower heat input from the cell connector pole 2.1 to be heated into the remaining cell connector 2.
  • the respective accumulator cell 1 is contacted at the respective plus pole 1.1 or the negative pole 1.2 via a corresponding cell connector 2.
  • a solder joint 3 is introduced between the cell connector 2 and the respective pole 1.1, 1.2 by means of solder. After heating the solder and then cooling arise between the respective pole 1.1, 1.2 and the respective cell connector 2 and its
  • Zellverbinderpol 2.1 a solid, good electrical conductivity connection with a correspondingly large contact cross-sectional area k.
  • the solder joint 3 is shown exaggerated in thickness for the sake of clarity.
  • the cell connector 2 is brought to the respective cell connector pole 2.1 or its pole zone 2.3 against the respective plus or minus pole 1.1, 1.2 of the battery cell 1 to the plant under previous dosage of liquid solder on one of the surfaces to be brought into contact.
  • the solder 3 is distributed within the resulting gap between the two surfaces.
  • the Zellverbinderpol 2.1 is formed as a plate-shaped shape and is relative to the bottom 2.6 by a dimension m of about 0.6 mm before.
  • the solder distribution is shown in outline according to FIG.
  • the cell connector 2 has, in the region of its pole zone 2.3, the cell connector pole 2.1, which, as stated, is designed as a molding.
  • the Zellverbinderpol 2.1 has a contact surface dimension v, which with the exception of the recess 2.2 the Kreisflä chensay of the circular Zellverbinderpols 2.1 corresponds.
  • the solder 3 After applying the solder 3 to the respective pole 1.1, 1.2 or the respective bottom 2.6 of the Zellverbinderpols 2.1 and then against each other applying the cell connector 2 and battery cell 1, the solder 3 is distributed in the resulting gap and forms according to the dosed Lot quantity ultimately a contact cross-sectional area k.
  • the contact cross-sectional area k will correspondingly increase by the amount of the free gap area.
  • a leakage of the solder 3 in the region of the recess 2.2 is initially ruled out, as long as further portions of the Kunststoff vomma- SS v of Zellverbinderpols 2.1 are still kept free of Lot 3.
  • this spreads due to capillary forces maximum up to the edge of the gap between the Zellverbinderpol 2.1 and the pole 1.1, 1.2.
  • a Lotkegel thus forming a so-called hydrostatic meniscus. This also applies to the edge of the recess 2.2.
  • the amount of Lot 3 can influence the size of the lotus cone.
  • the recess 2.2 shown here has a diameter a of approximately 3 mm.
  • FIG. 6 shows a soldering device in principle consisting of a laser head 5, a laser head drive 5.1 and arranged on a laser head 5 pyrometer 6 and a biasing means 4.
  • the laser head 5 After placing the cell connector 2 on the pole 1.1, the laser head 5 with its biasing means 4 down in the direction z, so that the biasing means 4, the cell connector 2 against the pole 1.1 applies.
  • a quantity of solder 3 to be determined is metered onto the pole 1.1, which is already spread in the position shown here within the formed gap or intermediate space.
  • the laser head 5 and the laser beam can be generated 5.2 of the Zellverbinderpol 2.1 or the top 2.4 heated directly so that the heat registered so spreads to the underlying Lot 3.
  • the surface temperature O of the pole 1.1 is detected directly via the pyrometer 6 via the recess 2.2.
  • a desired limit temperature G the heat input is terminated in the Zellverbinderpol 2.1.
  • the solder 3 cools down.
  • a nozzle 8 for coolant, such as air, provided by means of the Zellverbinderpol 2.1 is subjected to cooling air. After reaching the cooling temperature, therefore, a not only solid but also defined large-area electrically conductive solder joint 3 is achieved between the cell connector 2 and the battery cell 1.
  • the cell connector 3, regardless of the bias in the direction z by the biasing member 4 also in the direction of the other two spatial axes x, y as shown in Figure 3a can be fixed during the soldering operation to prevent relative movement during the soldering process.
  • This fixation, in particular in the direction x, y, can also be done by applying a positive connection between the cell connector 2 and a battery cell housing 9, not shown, in which the battery cells 1 are mounted.
  • an accumulator cell module 10 is shown in stylized form consisting of a plurality of accumulator cells 1, which are mounted via a receptacle (not shown).
  • the accumulator cell module 10 is to be supplemented by said cell connector 2 in the manner as illustrated for example for two cells according to Figure 1 Darge.
  • the number of battery cells 1 to be connected that is to say the size of the cell connector 2 and the number of cell connector poles 2.1, must be correspondingly adapted to the number of battery cells 1 to be connected.
  • the contacting described takes place both for the positive pole 1.1 of the battery cell 1 shown here, as of course also for the non-visible negative pole 1.2.
  • the accumulator cells 1 can be connected individually and / or also in groups in series and / or in parallel within such an accumulator cell module 10. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Akkumulatorzellenmodul (10) bestehend aus mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Akkumulatorzellen (1) mit jeweils einem Plus-Pol (1.1) und einem Minus-Pol (1.2), wobei die Plus-Pole (1.1) und die Minus-Pole (1.2) jeweils über mindestens einen Zellverbinder (2) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei der jeweilige Zellverbinder (2) ein Verbinderpolsegment (2.1) mit einem Kontaktflächenmaß v aufweist, wobei das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) an dem jeweiligen Minus-Pol (1.2) oder dem jeweiligen Plus-Pol (1.1) durch eine Lötverbindung (3) befestigt ist, wobei die Lötverbindung (3) den einzigen elektrischen Kontakt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder (2) und der jeweiligen Akkumulatorzelle (1) bildet, wobei das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) als tellerförmige Ausformung ausgebildet ist und einen erhabenen Zellverbinderpol (2.1) mit dem Kontaktflächenmaß (v) ausbildet, wobei das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) im Randbereich mindestens eine Ausnehmung (2.2) aufweist, durch die eine Temperatur des jeweiligen Pols (1.1, 1.2) während des Lötvorgangs erfassbar ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Kontaktieren von mehreren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen (1) und die Verwendung eines Zellverbinders (2) mit einem tellerförmig ausgeformten Verbinderpolsegment (2.1) zum Löten.

Description

Akkumulatorzellenmodul und
Verfahren zum Kontaktieren der Akkumulatorzellen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Akkumulatorzellenmodul bestehend aus mehreren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen mit jeweils ei- nem Plus-Pol und einem Minus-Pol, wobei die Plus-Pole und die Minus-Pole jeweils über mindestens einen Zellverbinder miteinander elektrisch leitend ver bunden sind, wobei der jeweilige Zellverbinder ein Verbinderpolsegment mit ei- nem Kontaktflächenmaß v aufweist, wobei das Verbinderpolsegment des Zell- verbinders an dem jeweiligen Minus-Pol oder dem jeweiligen Plus-Pol durch ei- ne Lötverbindung befestigt ist, wobei die Lötverbindung den einzigen elektrischen Kontakt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder und der jeweiligen Akkumulatorzelle bildet.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Kontaktieren von meh- reren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen mit jeweils einem Plus-Pol und einem Minus-Pol über einem Zellverbinder, wobei der Zellverbin- der mehrere Verbinderpolsegmente aufweist, wobei das jeweilige Verbinderpolsegment auf einer ersten Oberseite eine Polzone aufweist, wobei die Plus-Pole und die Minus-Pole jeweils über Zellverbinder miteinander elekt- risch leitend verbunden werden. Aus der DE 10 2015 005 529 A1 ist bereits ein Energiespeichermodul beste- hend aus mehreren Akkumulatorzellen bekannt. Das beschriebene Batterie- speichermodul soll vor dem Hintergrund des diskutierten Standes der Technik vorzugsweise ein geringes Raumgewicht haben, mithin eine maximale Leis- tung, welche letztlich durch eine gleichmäßige thermische und elektrische Be- lastung der Einzelzellen erreicht wird. Vorgeschlagen wird daher, die jeweilige Zelle über eine kraftschlüssige Verbindung mit einer Kontaktfeder zu verbinden, wobei die Kontaktfeder mit der daran anschließenden Prallplatte mittels eines Laserschweißverfahrens verschweißt wird. Aus der DE 20 2017 003 647 U1 ist ebenfalls ein Energiespeichermodul beste- hend aus mehreren Akkumulatorzellen bekannt. Das hier beschriebene System soll ebenfalls die Aufgabe lösen, eine möglichst hohe Leistung zu bieten und gleichzeitig eine geringe Wärmeentwicklung zu gewährleisten. Hierzu wird vor- geschlagen, dass die jeweilige Zelle mittels eines Punktschweißverfahrens, insbesondere mittels Lasers mit dem Zellverbindungsmittel verbunden wird. Vorzugweise werden ein bis drei Schweißpunkte angewendet. Die drei Schweiß punkte müssen am Plus-Pol in einem zentralen Bereich platziert werden, wo- hingegen am Minus-Pol gemäß Abs. 0028 eine Platzierung in einem zentralen Bereich vermieden werden soll.
Ebenfalls ist aus der EP 2 154 740 A2 ein Batteriespeichermodul bestehend aus mehreren Akkumulatorzellen bekannt. Das hier beschriebene Speichermo- dul soll möglichst stabil sein, die Stabilität wiederum ist durch das schwächste Glied, mithin die jeweilige Anbindung der jeweiligen Zelle definiert. Ferner soll das Problem gelöst werden, dass die Batterie im Inneren aufgrund der Eigenwärme nicht zu heiß wird. Zudem sollen Herstellungstoleranzen bei der Herstel- lung der Akkumulatorzellen begegnet werden. Im Rahmen der Lösung wird vor geschlagen, dass die aus Kupfer gebildeten Zellverbinder und die dazugehörigen Klemmen entweder geschweißt oder gelötet werden. Die Zellverbinder selbst werden lediglich kraftschlüssig gegen den jeweiligen Zellpol vorgespannt. Eine stoffschlüssige Verbindung ist nicht vorgesehen.
Aus der DE 10 2015 014 241 A1 ist auch ein Energiespeichermodul bestehend aus mehreren Akkumulatorzellen bekannt. Hierbei findet ein Zellverbinder Anwendung, der zwecks visueller Kontrolle der Lötstelle eine Ausnehmung auf- weist. Die Ausnehmung ist mittig zum Pol bzw. mittig innerhalb der Lotstelle vorgesehen. Eine Erwärmung des Zellverbinders in diesem Bereich ist somit nicht möglich.
Dem gegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Akkumulatorzellmodul und ein entsprechendes Herstellungsverfahren derart auszubilden und anzuordnen, dass eine maximal große und in der Größe definierte Verbindung zwischen dem Zellenverbinder und der jeweiligen Akkumulatorzelle einerseits sowie ein möglichst guter Kontakt, mithin ein gerin- ger Kontaktwiderstand zwischen der jeweiligen Akkumulatorzelle und dem Zellverbinder gewährleistet ist.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass das Verbinderpolsegment einen Zellverbinderpol mit dem Kontaktflächenmaß v aufweist, wobei das Verbinderpolsegment des Zellverbinders mindestens eine Ausnehmung auf- weist, durch die eine Temperatur des jeweiligen Pols während des Lötvorgangs erfassbar ist, wobei die Ausnehmung im Rand bereich des Verbinderpolsegments und/oder auf Höhe des Randbereichs des jeweiligen Pols platziert ist. Die Ausnehmung wiederrum gewährleistet einen direkten Zu- gang zum jeweiligen Pol der Akkumulatorzelle zwecks Ermittlung der Temperatur des Pols während des Löt- bzw. Aufschmelzvorgangs. Die definierte Größe sowie die direkte T emperaturmessung am Pol gewährleisten reproduzierbare Prozessbedingungen und ein Lötprozess, bei dem eine Beschädigung der Akkumulatorzelle verhindert wird. Die Platzierung der Ausnehmung im Randbe- reich gewährleistet eine Erwärmung des zentralen Bereichs des Verbinderpolsegments mittels eines punktförmig auftreffenden Laserstrahls. Somit können wesentliche zentrale Bereiche des Verbinderpolsegments erwärmt werden, so dass sich dort die gewünschte Lötstelle ausbildet.
Zudem wird durch die Ausnehmung der Leiterquerschnitt zwischen dem Verbinderpolsegment und dem übrigen Zellverbinder verringert, so dass während des Lötvorgangs eine geringere Wärmeabfuhr vom Verbinderpol in den übrigen Zellverbinder erfolgt.
Ferner wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Verbinderpolsegment des Zellverbinders an dem jeweiligen Minus-Pol oder dem jeweiligen Plus-Pol durch eine Lötverbindung befestigt wird, wobei die Lötverbindung als einziger elektri- scher Kontakt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder und der jeweiligen Akkumulatorzelle angewendet wird und mit einer Kontaktquerschnittsfläche k ausgestattet wird,
- wobei der Zellverbinder mit dem Verbinderpolsegment gegen den zu kontaktierenden Minus-Pol oder Plus-Pol gehalten wird, - wobei zwischen dem Verbinderpolsegment und dem zu kontaktierenden Minus-Po! oder Plus-Pol Lot vorgehalten wird,
- wobei die Polzone mittels eines Laserstrahls erwärmt wird, bis das Verbinderpolsegment auf einer Unterseite mindestens eine Temperatur S auf- weist, ab der das Lot schmilzt,
- wobei eine Oberflächentemperatur O des jeweiligen Minus-Pols oder des je- weiligen Plus-Pols überwacht wird und ein Wärmeeintrag des Lasers derart be- grenzt wird, dass die Oberflächentemperatur O einen vorgegebenen Grenzwert G nicht überschreitet. Die Oberflächentemperatur O wird vorzugsweise kontaktlos erfasst. Der Grenzwert für G liegt bei etwa 60°C. Der Laser wird zwecks Begrenzung des Wärmeeintrags abgeschaltet. Alternativ zur Oberflächentemperatur O des jeweiligen Minus-Pols oder des jeweiligen Plus-Pols kann auch die Oberflächentemperatur O der Polzone überwacht werden.
Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch Verwendung eines Zellverbinders mit einem tellerförmig ausgeformten Verbinderpolsegment, das relativ zu der Un- terseite vorsteht und einen erhabenen Zellverbinderpol ausbildet zum Kontak- tieren von mehreren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen mit deren jeweiligen Plus-Pol und/oder mit deren jeweiligen Minus-Pol durch Löten. Mit dem tellerförmig ausgeformten Verbinderpolsegment einher gehen ein der Dicke und radialen Ausdehnung nach defnierter Nullspalt zwischen dem Zellverbinderpol und dem jeweiligen Pol, so dass eine reproduzierbare Lötverbindung herstellbar ist.
Im Vordergrund steht die Problematik, dass bei der stoffschlüssigen Kontaktie- rung einer Akkumulatorzelle wegen des Aufschmelzens des Metalls ein verhält- nismäßig großer Wärmeeintrag einher geht. Die Akkumulatorzelle darf im Inne- ren jedoch in der Regel nicht über 60°C erhitzt werden, da dies sonst nachhaltig beschädigt wird. Deshalb muss ein Verbindungsverfahren mit sehr stark be- schränktem Wärmeeintrag Anwendung finden. Vor diesem Hintergrund sind aus dem Stand der Technik entsprechende Verbindungsverfahren bekannt, die ei- nen sehr beschränkten Wärmeeintrag gewährleisten. Alternativ zu der mecha- nischen, mithin kraftschlüssigen Kontaktierung zwischen Akkumulatorzelle und Zellenverbinder, wird das Punktschweißen genannt. Dem Punktschweißen kommt der große Vorteil zu, dass der Schweißpunkt selbst sehr klein gehalten werden kann und damit auch der damit einhergehende spezifische Wärmeein- trag pro Schweißpunkt in der Zelle. Jedoch ist aufgrund der Innenarchitektur der Zelle am Minus-Pol eine Platzierung von Schweißpunkten in einem zentralen Bereich zu vermeiden.
In Bezug auf den Wärmehaushalt einer Akkumulatorzelle bzw. des Akkumulatorzellmoduls wurde von der Anmelderin festgestellt, dass eine solche Punktschweißverbindung eine relativ kleine Kontaktquerschnittsfläche und so- mit einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist. Dieser elektrische Widerstand wirkt sich negativ auf den Wärmehaushalt aus, denn er begründet eine weitere Erwärmung des Akkumulatorzellmoduls. Demnach wäre es vorteilhaft, wenn eine möglichst große Kontaktfläche zwischen Akkumulatorzelle und Zellenverbinder erreicht wird. Nach der Lehre des Standes der Technik ist es vorgesehen, dass bis zu drei oder vier Schweißpunkte zum Verbinden ange- wendet werden. Zudem können Kupfer und Eisen mangels Ausbildung eines ausreichenden Gefüges innerhalb des Schweißpunktes nicht prozesssicher und dauerfest verschweißt werden.
Hintergrund der Problematik betreffend den spezifischen Wärmeeintrag pro Schweißpunkt ist, dass der Wärmeeintrag mit der Größe des Schweißpunktes proportional zunimmt, sodass die Größe des Schweißpunktes bei den bisher bekannten Akkumulatorzellengrößen auf etwa 1 mm2 bis 3 mm2 zu beschrän- ken ist.
Erfindungsgemäß wird für diese stoffschlüssige Verbindung nunmehr ein Lötverfahren angewendet, um die Kontaktquerschnittsfläche des Kontaktpunkts zu vergrößern. Das Lötverfahren hat jedoch zunächst den vermeintlichen Nach- teil, dass damit auch die zu erhitzende Fläche um ein Vielfaches größer wird, womit eine nachteilige Erhöhung des spezifischen Wärmeeintrags pro Verbindungsschritt einher geht.
Andererseits wäre ein Lötprozess, bei dem die letztlich erreichte Größe des Lötpunkts ein vorgenanntes Maximalmaß von 1 mm2 bis 3 mm2 nicht über- schreitet, nicht realisierbar. Denn vor dem Hintergrund der bestehenden Fertigungstoleranzen einerseits und der zur Verfügung stehenden Lotdosierungsdü- sen kann keine Prozesssicherheit erreicht werden. Die zu verbindenden Kon- taktflächen müssten äußerst präzise und aufwendig gearbeitet sein, um eine gewünschte Lotverteilung und die genannte Kontaktquerschnittsfläche des Lot- kontakts von 1 mm2 bis 3 mm2 zu gewährleisten. Entsprechend aufwendig wäre die Anordnung von drei Lotpunkten dieser Größe.
Erfindungsgemäß kann dieses Problem jedoch dadurch gelöst werden, dass zur Erwärmung der Lotstelle ein Laser verwendet wird. Hierdurch kann der not- wendige Wärmeeintrag sowohl räumlich als auch zeitlich äußerst präzise definiert werden, um letztlich trotz Gewährleistung wesentlich größerer Kontakt- querschnitte die kritische Akkumulatorzellentemperatur nicht zu überschreiten.
Zudem wurde festgestellt, dass die Anwendung von Lot die folgenden Vorteile mit sich bringt. Während beim Widerstandsschweißen die beiden zu verbinden- den Kontakte gleichzeitig erwärmt werden, wird bei den erfindungsgemäßen Lötverfahren zunächst der Zellverbinder erwärmt, über den wiederrum zunächst das Lot erwärmt wird. Der Akkumulatorzellenpol steht in der Erwärmungskette am Ende, womit eine Reduktion eines nachteiligen Wärmeeintrags einher geht. Das Lot dient sozusagen anfänglich als Isolator. Beim Laserschweißprozess wird der Akkumulatorzellenpol ebenfall unmittelbar mit der notwendigen Prozesswärme beaufschlagt, denn der Wärmeeintrag in den Akkumulatorzellenpol erfolgt unmittelbar durch den Laserstrahl, nachdem dieser den Zellverbinder durchgeschmolzen hat. Eine anfängliche Wärmeleitung von dem vom Laser strahl beaufschlagten Zellverbinder an den Akkumulatorzellenpol ist dabei zu vernachlässigen.
Beim Löten ist der spezifische Wärmeeintrag in das Lot am größten, weil dieses aufschmelzen muss, mithin den Aggregatzustand von fest nach flüssig wech- selt. Das ist beim Schweißen gerade nicht der Fall. Beide Kontaktpartner müssen aufgeschmolzen werden. Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Lötverbindung eine Kontaktquerschnittsfläche k aufweist, die mit einer maßgebenden Reduktion des elektrischen Widerstands der Lötverbindung einhergeht, wobei für die Kontaktquerschnittsfläche k folgende Bedingung gilt:
Amin <= k <= Amax, mit
Amin = Wert der Wertegruppe
{5 mm; 7 mm2; 13 mm2; 30 mm2; 50 mm2; 80 mm2; 150 mm2} und
Amax = Wert aus der Wertegruppe {p; v}.
Durch Anwendung einer Konta ktq ue rsch n ittsf läche k von mindestens 7 mm2 wird der damit einhergehende elektrische Widerstand vermindert, womit eine deutlich geringere Temperatur im Betrieb einhergeht. Es ist sogar davon aus- zugehen, dass die Lotstelle des Kontaktes insgesamt kühler ausfällt als die Akkumulatorzelle selbst.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn Ausnehmung eine Breite a aufweist, wo- bei die Breite a mindestens 1 bis 2 mm groß ist.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der Zellverbinder eine Oberseite und auf der Oberseite im Bereich des Verbinderpolsegments eine Polzone aufweist, wobei zumindest die Polzone eine Aufrauung, eine Satinierung und/oder eine Beschichtung aufweist, die eine verminderte Reflexion und/oder einen verbes- serten Wärmeeintrag bewirkt. Insbesondere durch Anwendung einer Beschich- tung kann auf eine einfache Weise der Emissionsgrad der Oberfläche maximiert werden, so dass dieser bestenfalls nur knapp unterhalb von 1 anzusiedeln ist. Dies wird vor allem durch Anwendung eines schwarzen Lackes erreicht, der bestenfalls matt ausgebildet ist. Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der jeweilige Pol eine Oberfläche und der Zellverbinder eine Unterseite aufweist, wobei die Oberflä- che und/oder die Unterseite zumindest im Bereich des Verbinderpolsegments aufgeraut ist. Durch Aufrauung der Oberfläche des Pols bzw. der Unterseite des Zellverbinders wird eine verbesserte Haftung zum Lot erreicht. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn das Verbinderpolsegment des Zellverbinders als tellerförmige Ausformung ausgebildet ist und einen erhabenen Zellverbinderpol mit dem Kontaktflächenmaß v ausbildet, wobei der Zellverbinderpol relativ zu der Unterseite um mindestens 0,3 mm bis 1 ,9 mm oder mindestens 0,7 mm bis 1 ,3 mm vorsteht. Ein Überstand von etwa 1 ,1 mm hat sich als vorteilhaft erwiesen. Durch die tellerförmige Ausformung können nicht nur Fertigungstoleranzen im Rahmen der Lagerung bzw. des Gehäuses sehr gut ausgeglichen werden. Sondern die Lotverteilung kann während des Lötprozesses definiert werden, weil der zwischen der Akkumulatorzelle und dem Zellverbinder bestehende Spalt, innerhalb dessen sich das Lot aufgrund der Kapillarkräfte ausbreitet, auf das Verbinderpolsegment beschränkt ist. Mit der Definition der Größe zu bil- denden Lötverbindung gehen definierte Bedingungen für die Erwärmung und die Abkühlung einher. Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der Zellverbinder aus Kupfer, aus Messing oder aus Aluminium gebildet ist. Kupfer hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, weil damit eine ausgezeichnete Wärmeleitung, mithin eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des Zellverbinders gewährleistet ist. Zudem weist Kupfer einen sehr geringen elektrischen Widerstand auf, so dass der Wärmeeintrag gering gehalten wird.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn der Zellverbinderpol relativ zu der Unterseite um ein Maß m vorsteht, so dass der Zellverbinder mit Ausnahme des Zellverbinderpols einen Abstand d zum Ge häuse aufweist, wobei der Abstand d mindestens 0,05 mm oder 0,1 mm be- trägt. Damit ist der Zellverbinder großteils vom Gehäuse mechanisch entkoppelt. Die Lötverbindung wird somit unmittelbar vom Gehäuse mechanisch nicht beansprucht.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn das Verbinderpolsegment eine Ausnehmung aufweist, durch die die Temperatur des jeweiligen Minus-Pols oder des jeweiligen Plus-Pols ermittelt wird. Die T emperaturerfassung erfolgt vorzugs- weise kontaktlos, wie beispielsweise durch ein Pyrometer oder sonstigen Tem- peraturmesseinrichtungen. Durch Vorsehen der Ausnehmung kann unmitelbar die Poltemperatur erfasst werden, womit kurze Reaktionszeiten, mithin ein reproduzierbarer und schneller Verbindungs- bzw. Kontaktierungsprozess gewährleistet werden. Durch Anwendung des Vorspannmittels kann eine sichere Positionierung des Zellverbinders gewährleistet werden.
Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn ein Laserkopf mit einem Laserkopfantrieb vorgesehen wird, mitels dem der Laserkopf in die Richtungen x, y, z verfahren wird, wobei das Vorspannmittel mitel- oder unmitelbar am Laser- kopfantrieb befestigt ist und gleichzeitig mit einer Fokussierbewegung des Lase rkopfs in Richtung z das Vorspannmitel gegen den Zellverbinder angelegt wird. Gleichzeitig in der Fokussierbewegung kann nicht nur das Vorspannmittel sondern bestenfalls auch das Pyrometer in Position gebracht werden. Somit wird die Positionierung aller drei vorgenannter Elemente durch eine Verstellbe- wegung erreicht.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn der Zellverbinder und die Akkumulatorzelle während des Lötvorgangs gegen eine Relativbewegung in eine Richtung x und eine Richtung y gesichert werden. Die Sicherung des Zellverbinders kann ergänzend oder alternativ zum Vorspannmitel durch Kraft oder auch formschlüssige Verbindung erreicht werden. Denkbar hierbei sind beispielsweise ein Lochstiftmuster, über welches der Zellverbinder mit der Akkumulatorzelle oder einer Akkumulator-Zellenaufnahme in Verbindung steht.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn ein viskoses Lot Anwendung findet, das tröpfchenweise auf den jeweiligen Pol derart aufgetragen wird, dass das Lot durch das Auflegen des Zellverbinders über das Verbinderpolsegment und den jeweiligen Pol innerhalb des entstehenden Spaltes verteilt wird oder dass das Lot auf den Zellverbinder dünn aufgetragen wird, wobei mit der Auftragung die Positionierung und die Verteilung des Lots beim späteren Auflegen auf den jeweiligen Pol vorbestimmt wird, wobei der jeweilige Pol im Bereich der einen Ausnehmung weitestgehend frei gehalten wird von Lot. Das Lot wird im hoch- viskosen Zustand dosiert und in Bezug auf das Verbinderpolsegement derart platziert, dass beim Anlegen des Verbinderpolsegments gegen den jeweiligen Pol eine gleichmäßige Verteilung des Lots innerhalb des Spaltes erfolgt. Damit einher geht eine optimale Verteilung des Lots. Beim Aufträgen auf den Zellver- binder kann das Lot dünn aufgetragen werden, beispielsweise mit einem Rakel- verfahren, womit eine definierte Flächenform des Lot-Auftrags einher geht. Somit ist die Verteilung des Lots beim späteren Auflegen auf den jeweiligen Pol weitestgehend vorbestimmt. Das Lot ist somit in jedem Fall in der gewünschten Polzone vorgehalten. Eine Verbreitung des Lots in Bereiche außerhalb der Polzone kann auftreten, ist aber nicht nachteilig.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn eine Düse für ein Kühlmedium vorgese- hen wird, wobei nach Erreichen des Grenzwertes G für die Oberflächentempe- ratur O der Zellverbinder im Bereich des Zellverbinderpols mit Kühlmedium be- aufschlagt wird. Somit wird eine schnellere Abkühlung erreicht. Zudem wird ei- ne kontinuierliche Aufheizung des Zellverbinders verhindert.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 eine Prinzipskizze eines Zellverbinders mit Akkumulatorzellen;
Figur 2 eine Prinzipskizze der Akkumulatorzelle;
Figur 3a einen Zellverbinder in der Ansicht von oben;
Figur 3b der Zellverbinder nach Figur 3a in der Ansicht von unten;
Figur 4 eine Prinzipskizze der Seitenansicht einer Akkumulatorzelle mit endseitig angeordneten Zellverbindern;
Figur 5 einen Ausschnitt der Polzone mit Kontaktquerschnittsfläche k;
Figur 6 eine Prinzipskizze der Lötvorrichtung mit Akkumulatorzelle und
Zellverbinder;
Figur 7 ein Akkumulatorzellenmodul. Ein Akkumulatorzellenmodul 10 besteht aus mehreren Akkumulatorzellen 1 , die über sogenannte Zellverbinder 2 elektrisch verbunden werden. Bei dem Zell verbinder 2 handelt es sich um ein Metallblech, welches im Bereich verschiede- ner Polzonen 2.3 mit einem Plus- oder Minus-Pol 1.1 , 1.2 einer
Akkumulatorzelle 1 elektrisch verbunden wird.
Die jeweilige Akkumulatorzelle 1 weist wie in Figur 2 dargestellt einen Plus- Pol 1.1 und ein gegenüberliegend angeordneten Minus-Pol 1.2 auf, wobei der jeweilige Plus- oder Minus-Pol 1.1 , 1.2 über die jeweilige Oberfläche 1.3 mit der Polzone 2.3 des Zellverbinders 2 verbunden wird. Der jeweilige Pol 1.1 , 1.2 weist dabei ein Kontakflächemaß p auf, welches der Oberfläche des jeweiligen Pols 1.1 , 1.2 entspricht.
Nach Figur 1 weist der Zellverbinder 2 für jeden anzuschließenden Pol 1.1 , 1.2 eine Polzone 2.3 auf, in welcher ein Verbinderpolsegment 2.1 des Zellverbin- ders 2 als Zellverbinderpol ausgebildet ist, hier in Form einer Ausformung, wel- ches mit dem jeweiligen Pol 1.1 , 1.2 elektrisch verbunden wird. Der Zellverbin- der 2 ist mit dem Zellverbinderpol 2.1 gegen den jeweiligen Plus- oder Minus- Pol 1.1 , 1.2 der Akkumulatorzelle 1 zur Anlage gebracht und dort wie nachge- hend weiter beschrieben zwecks Kontaktierung und Befestigung verlötet. Zur Fierstellung dieser Lötverbindung weist der Zellverbinder 2 im Bereich der Polzone 2.3 bzw. im Bereich des Zellverbinderpols 2.1 eine Ausnehmung 2.2 auf. Der Zellverbinderpol 2.1 weist ein Kontakflächenmaß v auf, welches der Kreisform des Zellverbinderpols 2.1 entspricht abzüglich der Fläche der Aus- nehmung 2.2.
In Ausführungsbeispiel Figur 3a ist der Zellverbinder 2 in der Ansicht von oben dargestellt. Die jeweiligen Verbinderpolsegmente bzw. Zellverbinderpole 2.1 sind auf der Oberseite 2.4 eingeprägt, wobei die Ausnehmung 2.2 im Zellverbinderpol 2.1 vorgesehen ist. Zudem ist der Zellverbinderpol 2.1 mit einer dunklen Beschichtung 7 versehen, so dass dessen Emissionsgrad in Hinblick auf die Wärmeaufnahme bzw. den Wärmeeintrag in den Zellverbinderpol 2.1 maximiert wird. Der blechförmige Zellverbinder 2 weist ergänzend zu den verschiedenen Polzonen 2.3 mehrere Aussparungen 2.5 zwischen den verschie- denen Polzonen 2.3 auf die nicht nur als Positionierhilfe dienen sondern auch für die Stromführung relevant sind, weil damit der Leiterquerschnitt bestimmt wird.
Nach Figur 3b, obere Bildhälfte ist die Unterseite 2.6 des Zellverbinders 2 dargestellt. Dort ist der jeweilige Zellverbinderpol 2.1 bzw. die Polzone 2.3 von unten zu sehen. Innerhalb der jeweiligen Polzonen 2.3 ist der Zellverbinderpol 2.1 im Rahmen der Ausformung ausgebildet inklusive der Ausnehmung 2.2 innerhalb des Zellverbinderpols 2.1. Gemäß Ausführungsbespiel Figur 3b, untere Bildhälfte können alternativ zu der einen Ausnehmung 2.2 auch mehrere Aus nehmungen 2.2 innerhalb des Zellverbinderpols 2.1 vorgesehen sein. Damit einher geht ein geringerer Wärmeeintrag ausgehend vom zu erwärmenden Zellverbinderpol 2.1 in den übrigen Zellverbinder 2.
Wie bereits ausgeführt, wird die jeweilige Akkumulatorzelle 1 an dem jeweiligen Plus-Pol 1.1 bzw. dem Minus-Pol 1.2 über einen entsprechenden Zellverbinder 2 kontaktiert. Hierbei wird zwischen dem Zellverbinder 2 und dem jeweiligen Pol 1.1 , 1.2 mittels Lot eine Lötverbindung 3 eingebracht. Nach dem Erwärmen des Lots und anschließendem Erkalten entstehen zwischen dem jeweiligen Pol 1.1 , 1.2 und dem jeweiligen Zellverbinder 2 bzw. dessen
Zellverbinderpol 2.1 eine feste, elektrisch gut leitende Verbindung mit einer entsprechend großen Kontaktquerschnittsfläche k.
Nach Figur 4 ist die Lötverbindung 3 der Deutlichkeit halber in ihrer Dicke überhöht dargestellt. Tatsächlich wird der Zellverbinder 2 mit dem jeweiligen Zellverbinderpol 2.1 bzw. seiner Polzone 2.3 gegen den jeweiligen Plus- oder Minus-Pol 1.1 , 1.2 der Akkumulatorzelle 1 zur Anlage gebracht unter vorheriger Dosierung von flüssigem Lotmittel auf eine der gegeneinander in Kontakt zu bringenden Flächen. Dabei verteilt sich das Lot 3 innerhalb des damit entstehenden Spaltes zwischen beiden Oberflächen. Der Zellverbinderpol 2.1 ist als tellerförmige Ausformung ausgebildet und steht relativ zu der Unterseite 2.6 um ein Maß m von ca. 0,6 mm vor. Im montierten Zustand, wenn die Akkumulatorzellen 1 als Akkumulatorzellenmodul 10 in einem hier nur teilweise dargestellten Gehäuse 9 gelagert sind, ist mit Ausnahme des kontaktierten Zellverbinderpols 2.1 zwischen dem Zellverbinder 2 und dem Gehäuse 9 ein Abstand d von ca. 0,1 mm vorgesehen.
Die Lotverteilung ist gemäß Figur 5 skizziert dargestellt. Der Zellverbinder 2 weist im Bereich seiner Polzone 2.3 den Zellverbinderpol 2.1 auf, der wie ge- sagt als Ausformung ausgebildet ist. Der Zellverbinderpol 2.1 weist ein Kontaktflächenmaß v auf, welches mit Ausnahme der Ausnehmung 2.2 dem Kreisflä chenmaß des kreisförmigen Zellverbinderpols 2.1 entspricht. Nach Aufbringen des Lots 3 auf den jeweiligen Pol 1.1 , 1.2 bzw. die jeweilige Unterseite 2.6 des Zellverbinderpols 2.1 und anschließendem gegeneinander Anlegen von Zell- verbinder 2 und Akkumulatorzelle 1 verteilt sich das Lot 3 in den dabei entste- henden Spalt und bildet entsprechend der dosierten Lotmenge letztlich eine Kontaktquerschnittsfläche k aus. Bei einer weiter erhöhten Lotmenge wird sich entsprechend die Kontaktquerschnittsfläche k um das Maß der freien Spaltfläche vergrößern. Ein Austreten des Lotes 3 in den Bereich der Ausnehmung 2.2 ist zunächst auszuschließen, solange weitere Anteile des Kontaktflächenma- ßes v des Zellverbinderpols 2.1 noch von Lot 3 freigehalten sind. Spätestens nach dem Aufschmelzen des Lotes 3 verteilt sich dieses aufgrund er Kapillarkräfte maximal bis zum Rand des Spaltes zwischen dem Zellverbinderpol 2.1 und dem Pol 1.1 , 1.2. Am Rand des Spaltes bildet sich ein Lotkegel, mithin ein sogenannter hydrostatischer Meniskus aus. Dies gilt auch für den Rand der Ausnehmung 2.2. Durch die Menge des Lots 3 kann Einfluss auf die Größe des Lotkegels genommen werden. Die hier dargestellte Ausnehmung 2.2 weist ei- nen Durchmesser a von etwa von etwa 3 mm auf.
Nach Figur 6 ist dargestellt eine Lötvorrichtung im Prinzip bestehend aus einem Laserkopf 5, einem Laserkopfantrieb 5.1 sowie einem am Laserkopf 5 angeordneten Pyrometer 6 und einem Vorspannmittel 4. Nach Auflegen des Zellverbinders 2 auf den Pol 1.1 wird der Laserkopf 5 mit seinem Vorspannmittel 4 nach unten in Richtung z verfahren, so dass das Vorspannmittel 4 den Zellverbinder 2 gegen den Pol 1.1 anlegt. Vorab dieser Anlage ist wie vorgehend geschil- dert auf den Pol 1.1 eine zu bestimmende Menge Lot 3 dosiert, welche in der hier dargestellten Position bereits innerhalb des ausgebildeten Spaltes bzw. Zwischenraumes ausgebreitet ist. Anschließend wird über den Laserkopf 5 und den damit erzeugbaren Laserstrahl 5.2 der Zellverbinderpol 2.1 bzw. dessen Oberseite 2.4 unmittelbar erwärmt, so dass sich die damit eingetragene Wärme auch auf das darunter befindliche Lot 3 ausbreitet. Über das Pyrometer 6 wird über die Ausnehmung 2.2 unmittelbar die Oberflächentemperatur O des Pols 1.1 erfasst. Bei Erreichen einer gewünschten Grenztemperatur G wird der Wärmeeintrag in den Zellverbinderpol 2.1 beendet. Das Lot 3 kühlt ab. Zudem ist eine Düse 8 für Kühlmittel, wie Luft, vorgesehen, mittels der der Zellverbinderpol 2.1 mit Kühlluft beaufschlagt wird. Nach Erreichen der Abkühltemperatur ist mithin eine nicht nur feste, sondern gleichfalls definierte großflä- chige elektrisch leitende Lötverbindung 3 zwischen dem Zellverbinder 2 und der Akkumulatorzelle 1 erreicht. Der Zellverbinder 3 kann ungeachtet der Vorspannung in Richtung z durch das Vorspannelement 4 ebenfalls auch in Richtung der beiden anderen Raumachsen x, y wie nach Figur 3a dargestellt während des Lötvorgangs fixiert werden, um eine Relativbewegung während des Lötvorgangs zu unterbinden. Diese Fixierung, insbesondere in Richtung x, y, kann auch erfolgen durch Anwendung eines Formschlusses zwischen dem Zellverbinder 2 und einem nicht weiter dargestellten Akkumulatorzellen gehäuse 9, in welcher die Akkumulatorzellen 1 gelagert sind.
Nach Figur 7 ist stilisiert dargestellt ein Akkumulatorzellenmodul 10 bestehend aus mehreren Akkumulatorzellen 1 , die über eine nicht dargestellte Aufnahme gelagert sind. Das Akkumulatorzellenmodul 10 ist zu ergänzen durch besagten Zellverbinder 2 in der Art wie beispielsweise für zwei Zellen nach Figur 1 darge stellt. Die Anzahl der zu verbindenden Akkumulatorzellen 1 , mithin die Größe des Zellverbinders 2 und die Anzahl der Zellverbinderpole 2.1 sind der Anzahl der zu verbindenden Akkumulatorzellen 1 entsprechend anzupassen. Die beschriebene Kontaktierung findet sowohl für den hier dargestellten Plus-Pol 1.1 der Akkumulatorzelle 1 als natürlich auch für den nicht zu sehenden Minus- Pol 1.2 statt. Die Akkumulatorzellen 1 können innerhalb eines solchen Akkumulatorzellenmoduls 10 einzeln und/oder auch gruppenweise in Reihe und/oder parallel geschaltet sein. Bezugszeichenliste
1 Akkumulatorzelle
1.1 Plus-Pol
1.2 Minus-Pol
1.3 Oberfläche
2 Zellverbinder
2.1 Verbinderpolsegment, Zellverbinderpol, Ausformung
2.2 Ausnehmung
2.3 Polzone
2.4 Oberseite
2.5 Aussparung
2.6 Unterseite
3 Lötverbindung, Lot
4 Vorspannmittel
5 Laserkopf
5.1 Laserkopfantrieb
5.2 Laserstrahl
6 Pyrometer
7 Beschichtung
8 Düse
9 Gehäuse
10 Akkumulatorzellenmodul
Amin Minimum von k
A-Pol Maximum von k
a Breite von 2.2, Durchmesser
d Abstand
G Grenzwert für O [°C]
k Kontaktquerschnittsfläche [mm2]
m Maß
O Oberflächentemperatur [°C]
p Kontaktflächenmaß [mm2] von 1.1 , 1.2
S Temperatur [°C] V Kontaktflächenmaß [mm2] von 2.1 x Richtung im kartesischen Koordinatensystem y Richtung im kartesischen Koordinatensystem z Richtung im kartesischen Koordinatensystem

Claims

Patentansprüche Akkumulatorzellenmodul (10) bestehend aus mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Akkumulatorzellen (1) mit jeweils einem Plus- Pol (1.1) und einem Minus-Pol (1.2), wobei die Plus-Pole (1.1) und die Mi- nus-Pole (1.2) jeweils über mindestens einen Zellverbinder (2) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei der jeweilige Zellverbinder (2) ein Verbinderpolsegment (2.1) mit einem Kontaktflächenmaß v aufweist, wo- bei das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) an dem jeweili- gen Minus-Pol (1.2) oder dem jeweiligen Plus-Pol (1.1) durch eine
Lötverbindung (3) befestigt ist, wobei die Lötverbindung (3) den einzigen elektrischen Kontakt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder (2) und der jeweiligen Akkumulatorzelle (1) bildet,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verbinderpolsegment (2.1) einen Zellverbinderpol 2.1 mit dem Kontaktflächenmaß v aufweist, wobei das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) mindestens eine Ausnehmung (2.2) aufweist, durch die eine Temperatur des jeweiligen Pols (1.1 , 1.2) während des Lötvorgangs erfassbar ist, wobei die Ausnehmung (2.2) im Randbereich des
Verbinderpolsegments (2.1) und/oder auf Höhe des Randbereichs des jeweiligen Pols (1.1 , 1.2) platziert ist.
2. Akkumulatorzellenmodul (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lötverbindung (3) eine Kontaktquerschnittsfläche k aufweist, die mit einer maßgebenden Reduktion des elektrischen Widerstands der Lötverbindung (3) einhergeht, wobei für die Kontaktquerschnittsfläche k folgende Bedingung gilt:
Amin <= k <= Amax, mit
Amin = Wert der Wertegruppe
{5 mm; 7 mm2; 13 mm2; 30 mm2; 50 mm2; 80 mm2; 150 mm2} und
Amax = Wert aus Wertegruppe {p; v}.
3. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausnehmung (2.2) eine Breite a aufweist, wobei die Breite a mindestens 1 bis 2 mm groß ist.
4. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Zellverbinder (2) eine Oberseite (2.4) und auf der Oberseite (2.4) im Bereich des Verbinderpolsegments (2.1) eine Polzone (2.3) aufweist, wobei zumindest die Polzone (2.3) eine Aufrauung, eine Satinierung und/oder eine Beschichtung (7) aufweist, die eine verminderte Reflexion und/oder einen verbesserten Wärmeeintrag bewirkt.
5. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der jeweilige Pol (1.1, 1.2) eine Oberfläche (1.3) und derZellverbin- der (2) eine Unterseite (2.6) aufweist, wobei die Oberfläche (1.3) und/oder die Unterseite (2.6) zumindest im Bereich des Verbinderpolsegments (2.1) aufgeraut ist.
6. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verbinderpolsegment (2.1) des Zellverbinders (2) als tellerförmi- ge Ausformung ausgebildet ist und einen erhabenen Zellverbinderpol (2.1) mit dem Kontaktflächenmaß v ausbildet, wobei der Zellverbinderpol (2.1) relativ zu der Unterseite (2.6) mindestens um ein Maß m vorsteht, mit
0,3 mm <= m <= 1 ,9 mm oder 0,7 mm <= m <= 1 ,3 mm.
7. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Zellverbinder (2) aus Kupfer, aus Messing oder aus Aluminium gebildet ist.
8. Akkumulatorzellenmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelagert in einem Gehäuse (9),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Zellverbinderpol (2.1) relativ zu der Unterseite (2.6) um ein Maß m vorsteht, so dass der Zellverbinder (2) mit Ausnahme des
Zellverbinderpols (2.1) einen Abstand d zum Gehäuse (9) aufweist, wobei der Abstand d mindestens 0,05 mm oder 0,1 mm beträgt.
9. Verfahren zum Kontaktieren von mehreren in Reihe und parallel geschal- teten Akkumulatorzellen (1) mit jeweils einem Plus-Pol (1.1) und einem Minus-Pol (1.2) über einen Zellverbinder (2), wobei der Zellverbinder (2) mehrere Verbinderpolsegmente (2.1) aufweist, wobei das jeweilige Verbinderpolsegment (2.1) auf einer ersten Oberseite (2.4) eine
Polzone (2.3) aufweist, wobei die Plus-Pole (1.1) und die Minus-Pole (1.2) jeweils überden Zellverbinder (2) miteinander elektrisch leitend verbunden werden, wobei das Verbinderpolsegment (2.1) an dem jeweiligen Minus- Pol (1.2) oder dem jeweiligen Plus-Pol (1.1 ) durch eine Lötverbindung (3) befestigt wird, wobei die Lötverbindung (3) als einziger elektrischer Kon- takt zwischen dem jeweiligen Zellverbinder (2) und der jeweiligen
Akkumulatorzelle (1) angewendet wird und mit einer
Kontaktquerschnittsfläche k ausgestattet wird,
- wobei der Zellverbinder (2) mit dem Verbinderpolsegment (2.1) gegen den zu kontaktierenden Minus-Pol (1.2) oder Plus-Pol (1.1) gehalten wird,
- wobei zwischen dem Verbinderpolsegment (2.1) und dem zu kontaktierenden Minus-Pol (1.2) oder Plus-Pol (1.1) Lot vorgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Polzone (2.3) mittels eines Laserstrahls erwärmt wird, bis das Verbinderpolsegment (2.1) auf einer Unterseite (2.6) mindestens eine Temperatur S aufweist, ab der das Lot schmilzt,
- wobei eine Oberflächentemperatur O des jeweiligen Minus-Pols (1.2) oder des jeweiligen Plus-Pols (1.1) überwacht wird und ein Wärmeeintrag durch den Laser gestoppt wird, wenn die Oberflächentemperatur O einen vorgegebenen Grenzwert G erreicht.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verbinderpolsegment (2.1) eine Ausnehmung (2.2) aufweist, durch die die Temperatur des jeweiligen Minus-Pols (1.2) oder des jeweiligen Plus-Pols (1.1) ermittelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Laserkopf (5) mit einem Laserkopfantrieb (5.1) vorgesehen wird, mittels dem der Laserkopf (5) in Richtungen x, y, z verfahren wird, wobei ein Vorspannmittel (4) vorgesehen ist, mittels dem das
Verbinderpolsegment (2.1) beim Lötvorgang mittel- oder unmittelbar ge- gen den zu kontaktierenden Minus-Pol (1.2) oder Plus-Pol (1.1) in eine Richtung z angelegt wird, wobei das Vorspannmittel (4) mittel- oder unmit- telbar am Laserkopfantrieb (5.1) befestigt ist und gleichzeitig mit einer Fokussierbewegung des Laserkopfs (5) in Richtung z das Vorspannmit- tel (4) gegen den Zellverbinder (2) angelegt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Zellverbinder (2) und die Akkumulatorzelle (1) während des Lötvorgangs gegen eine Relativbewegung in eine Richtung x und eine Richtung y gesichert werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein viskoses Lot Anwendung findet, das tröpfchenweise auf den jeweiligen Pol (1.1, 1.2) derart aufgetragen wird, dass das Lot durch das Auflegen des Zellverbinders (2) über das Verbinderpolsegment (2.1) und den jeweiligen Pol (1.1 , 1.2) verteilt wird oder
dass das Lot auf den Zellverbinder (2) dünn aufgetragen wird, wobei mit der Auftragung die Positionierung und die Verteilung des Lots beim späte- ren Auflegen auf den jeweiligen Pol (1.1, 1.2) vorbestimmt wird, wobei der jeweilige Pol (1.1, 1.2) im Bereich der Ausnehmung (2) weitest- gehend frei gehalten wird von Lot.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Düse (8) für ein Kühlmedium vorgesehen wird, wobei nach Er reichen des Grenzwertes G für die Oberflächentemperatur O der Zellver- binder (2) im Bereich des Zellverbinderpols 2.1 mit Kühlmedium beauf- schlagt wird.
15. Verwendung eines Zellverbinders (2) mit einem tellerförmig ausgeformten Verbinderpolsegment (2.1), das relativ zu der Unterseite (2.6) vorsteht und einen erhabenen Zellverbinderpol 2.1 ausbildet zum Kontaktieren von mehreren in Reihe und parallel geschalteten Akkumulatorzellen (1) mit de- ren jeweiligen Plus-Pol (1.1) und/oder mit deren jeweiligen Minus-Pol (1.2) durch Löten.
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