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WO2013000889A1 - Elektrische speichereinrichtung - Google Patents

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WO2013000889A1
WO2013000889A1 PCT/EP2012/062309 EP2012062309W WO2013000889A1 WO 2013000889 A1 WO2013000889 A1 WO 2013000889A1 EP 2012062309 W EP2012062309 W EP 2012062309W WO 2013000889 A1 WO2013000889 A1 WO 2013000889A1
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WO
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cell
storage device
connection
clinching
poles
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PCT/EP2012/062309
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Martin Michelitsch
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Original Assignee
AVL List GmbH
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Priority to JP2014517646A priority patent/JP2014524107A/ja
Priority to KR1020147000737A priority patent/KR20140041716A/ko
Priority to DE201211002697 priority patent/DE112012002697A5/de
Priority to US14/129,975 priority patent/US20140154602A1/en
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an electrical storage device, in particular secondary battery, in particular high-voltage battery, preferably for an electric vehicle, with at least one stack of juxtaposed memory cells, wherein at least two cell poles of adjacent memory cells - preferably electrically interconnected by at least one cell connector -, wherein the Connection between at least one cell pole and the cell connector and / or between at least one cell pole and at least one bus bar and / or formed directly between two cell poles by at least one preferably cold-pressed surface Versteck spageitati.
  • High-voltage batteries usually have battery packs with memory cells arranged in series, for example lithium-ion memory cells, wherein the cell poles are electrically connected to one another by cell connectors which are connected to the cell poles by means of a laser welding connection. Due to the electrochemical material properties, the two cell poles of each battery cell usually consist of different materials, which makes connection technology more difficult. In the laser welding process which is very frequently used, the cell pole sheets protruding from the cell chemistry (usually Cu or Al) are welded together with an additional bi-metal cell connector (for example aluminum sheet or copper sheet via a compaction process). A direct welding of two different materials is technically extremely complicated and complicates the already complex to monitor and complex laser welding process.
  • a storage device with a plurality of flat, substantially plate-shaped battery single cells is known.
  • the battery cells are stacked into a cell stack and surrounded by a battery case.
  • the battery single cells are formed in frame flat construction with metallic sheets and a frame made of insulating material.
  • WO 2008/048751 A2 also discloses a battery module having a multiplicity of plate-shaped memory cells arranged side by side in a stack, which are accommodated in a housing.
  • WO 2010/053689 A2 describes a battery arrangement with a housing and a plurality of lithium-ion cells, which are arranged next to one another are.
  • the housing is flowed through for cooling with a thermally conductive, electrically insulating fluid.
  • DE 27 05 050 A1 describes a battery structure having at least one galvanic cell, which has a positive and a negative battery terminal and a positive and negative spiral wound into a cylindrical shape electrode material, wherein the connection between the electrode material with the poles via a mechanical point contact Connection takes place.
  • a prismatic accumulator with several cell vessels wherein in each cell vessel, a plate stack is added.
  • Contact connecting plates each extend along the intermediate walls of the cell vessel between the plate stacks, the contact connecting plates opposite an intermediate wall in each case being conductively connected to one another via the intermediate wall and the contacts of the plate stacks being electrically conductively connected by welding to the associated contact connector plates.
  • the connection of contact connection plates through the intermediate wall is formed as a cold-pressed-through clinching connection.
  • WO 2011/144372 A1 describes a lithium-ion battery cell and a method for producing an electrically conductive contacting of terminals of battery cells, wherein the terminals with a joining process, for example, a clinching process are connected electrically contacting each other.
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned, and to simplify the manufacture of a rechargeable electrical storage device of the type mentioned.
  • At least one cell connector has a U-profile or Y-profile.
  • the connection between at least one cell pole and at least one cell connector and / or between at least one cell pole and at least one bus bar and / or directly between two cell poles is formed by at least one cold junction pressed-through connection, wherein preferably each clinching connection has a plurality of joining points arranged next to one another.
  • the joining points can be arranged in several parallel rows, wherein the joint points of at least two juxtaposed rows can be arranged offset from one another.
  • the joining points may have a round - for example, circular or oval - or angular - for example, rectangular or triangular - have ground plan.
  • a round floor plan without cutting share a three-axis deformation state and thus a tearing of the material can be avoided. Furthermore, a round floor plan without sharp edges is more corrosion-resistant compared to an angular floor plan and - due to the better water and gas tightness - more corrosion-resistant, which is particularly important for the electrical connection. Gas tightness is of particular importance in electrical connections to improve aging and corrosion resistance.
  • At least one joining point may have a structure.
  • the material load can be minimized.
  • the joining points can be arranged in a 2x4 matrix arrangement.
  • the clinching connection can be performed in the cold or heated or heated state.
  • At least one cell connector is formed by the cell poles of interconnected cell poles.
  • At least one cell connector is formed by a cell connector element different from the cell poles.
  • the separate cell connector elements create additional surfaces, which can improve heat exchange.
  • the cell connector element has a U-profile or Y-profile with partially parallel legs, the mechanical stress on the memory cells can be kept very low, since the parallel upwardly projecting flags of the cell poles do not have to be bent.
  • the parallel aligned flags of the cell poles remain the same length throughout the joining process, thus more than two cell poles - such as several cell connector elements with U-profile and / or Y-profile - are connected to each other without the flags subsequently brought to the same length Need to become.
  • Setzhegevorgang the clinching normally attack the parts to be enforced, thus no shear forces are introduced into the memory cells.
  • cell connectors with U-profile and Y-profile are arranged alternately between successive memory cells.
  • U-shaped cell connectors (bus bar, busbars) parallel circuits of memory cells are possible, wherein two Gleichpolige Zelltaps of two memory cells via a busbar (U-shaped busbar) with two further memory cells are connected to the respective opposite pole.
  • Parallel circuits of memory cells are also possible directly through the respective opposing poles, with the same pole cell poles of two memory cells with two further memory cells being connected to the respective opposite pole (for example 1S2P: 1x serial, 2x parallel).
  • a cell voltage tap on cell voltage leaves can additionally be used as a measuring tap for the cell voltage measurement.
  • At least two cell poles of adjacent memory cells are connected directly to one another by at least one clinching connection and form a preferably Y-shaped cell connector.
  • the clinching connection is sealed gas-tight, resulting in a corrosion-resistant long-term connection.
  • At least one cell pole may have a galvanization layer, preferably a nickel coating.
  • two or more sheets are plastically deformed by a tool punch and a tool die, creating a positive fit between the sheets.
  • these are connected to each other in a single operation, depending on the type of wiring chosen (for example, two sheets in series connection or three or four sheets in a parallel connection of two memory cells with cell connectors and cell voltage monitoring cables), whereby simultaneously using multiple tools multiple joint points (clinching) on a Zellpolvert (cell pile) or on several Zellpolversen can be set.
  • the harder material should always be aligned on the punch side and the softer material on the die side of the clinch tool.
  • the softer material can be more deformed, so that a good deformation can take place in the outer region of the joint point and a strong connection is formed.
  • the multiple joining points allow high current carrying capacity.
  • the clinch connection allows easy contacting of the cell poles with different materials (eg, copper to aluminum or vice versa) without the need for additional components. Furthermore, the connection of and with non-metallic materials with conductive alloys is possible.
  • At least one cell pole may be connected to at least one voltage tapping element, preferably by means of a clinching connection.
  • a voltage tapping element in the form of a leaflet which carries at least one cable for the cell voltage tap, may be included in the voltage tapping.
  • connections for a monitoring unit and / or thermal sensors or the like can be mitg clinter.
  • the bus bar can also act as a cell voltage tapping plate at the same time.
  • At least two cell poles may have different thicknesses, wherein preferably at least one cell pole may consist of several interconnected cell collagen.
  • an electrically non-conductive joining tool should be used, in particular in parallel joining operations.
  • a big advantage of clinch joints is that the joint points can be visually inspected.
  • Another advantage over thermal joining methods such as welding or soldering is that no heat in the memory cells is entered. A force entry into the memory cells is avoided.
  • At least one clinching connection is arranged in a cooling air channel, wherein preferably the clinching connection has at least one joining point projecting into the cooling air flow of the cooling air channel.
  • the protruding joining points increase the relevant surface area for cooling, for example in the case of direct air cooling of the cell poles.
  • the protruding joining points also act to increase turbulence, which has an advantageous effect on the heat transport during air cooling. Efficient component utilization can thus increase the volumetric energy density of the storage device.
  • the U-shaped cell connector has at least one mounting opening in an area spanning at least two cell poles, wherein preferably the penetration connection is arranged between the mounting opening and the memory cell.
  • the invention is suitable for primary batteries, secondary batteries, fuel cells and capacitors and combinations thereof.
  • FIG. 1 shows a memory device according to the invention in an oblique view from above.
  • Fig. 2 shows the memory device in a section along the line II - II in
  • FIG. 5 shows a storage device module of the storage device in a
  • FIG. 6 shows this storage device module in a view from below;
  • FIG. 7 shows a stack of memory cells in an oblique view; 8 shows this stack in a side view;
  • FIG. 10 shows a stack of memory cells in a section according to the line X.
  • FIG. 11 shows a detail of this stack in a section analogous to FIG. 10;
  • FIGS. 12 to 14 show details of a stack in various design variants in oblique views
  • Fig. 15 shows a stack in a further embodiment in a
  • Fig. 16 shows a detail of a stack in another embodiment in a
  • Fig. 17 shows a stack in a further embodiment in a
  • Fig. 18 is a detail of this stack
  • Fig. 20 is a joining point of a clinching in a first connection
  • Fig. 22 the joining point of Fig. 20 in detail in section.
  • the storage device 1 formed, for example, by a secondary battery has in the exemplary embodiment seven storage device modules 2, each storage device module 2 having two stacks 3, 4 of juxtaposed and tensioned storage cells 5.
  • the stacks 3, 4 of each storage device module 2 are between two structurally stiff corrugated plates 6 made of metal, for. As aluminum, or plastic, arranged, wherein the plates 6 may be formed by die castings.
  • the plates 6 themselves are between two holding plates 7, 8 clamped to the front and back of the memory device 1, wherein the holding plate 7 is fixedly connected at the front via clamping screws 9 with the holding plate 8 at the back.
  • the clamping screws 9 are each arranged in the region of the plates 6.
  • the plates 6 together with the holding plates 7, 8 form a holding frame 10 for the storage device modules 2.
  • the holding plates 7, 8 have openings in order to keep the weight as low as possible.
  • the - seen in the stacking direction y - defined distance between the clamping screws 9 ensures that the memory cells 5 are installed in the correct position and with certain and over the life of the memory device 1 substantially invariable bias.
  • an elastic insulating layer 6a for example of a foam, arranged, which allows a uniform and gentle pressure distribution.
  • the storage device 1 together with the holding frame 10 is arranged in a housing 12, wherein between the housing 12 and the storage device 1 cooling air flow paths are formed.
  • To guide the flow of cooling air flow guide surfaces 13 are incorporated into the housing bottom 12a, as shown in FIG. 2 and 4 can be seen.
  • Each storage cell 5 is surrounded by a plastic sleeve 14, wherein the plastic sleeve 14 approximately in the region of a cell center plane 15 along the narrow side 5a has a protruding seal seam 16 for sealing. Between the sealing seams 16 of two adjacent memory cells 5 of a stack 3, 4 a free space 17 is spanned in each case.
  • the two juxtaposed stacks 3, 4 of each storage device module 2 are offset and formed overlapping each other.
  • the offset V amounts to approximately half the thickness D of a memory cell 5.
  • the sealing seams 16 of a memory cell 5 of the one stack 3, 4 protrude into a free space 17 spanned by sealing seams 16 of two adjacent memory cells 5 of the other stack 4, 3.
  • the free space 17 can be used at least partially by accommodating part of the sealing seams 16. This has a very beneficial effect on the size of the installed space and on the volumetric energy density.
  • the offset v between the two stacks 3, 4 causes the plates 6 form a step 24 in the region of a longitudinal center plane la of the storage device 1.
  • two to four sheets can be electrically connected to each other, with the materials copper, aluminum and steel, in particular, being suitable for wall thicknesses of 0.1 mm to 0.5 mm.
  • cell voltage monitoring cables 22 for example by means of cell voltage leaves to which a cable is made-can thus be connected to the cell poles 18 in a clinching operation in one step simultaneously with the cell connectors 19, 20.
  • the same tool can be used for the same total thicknesses. Since the position of the joining points 21a of the clinching joint 21 is allowed to scatter more than, for example, a laser welding connection, a relatively high tolerance compensation capability results.
  • joining points 21a By projecting into the cooling air channel 27 joining points 21a, the heat-dissipating surface of the storage device 1 is increased, which is particularly important in direct air cooling of the cell poles 18 of importance.
  • the protruding joining points 21a also contribute to the increase in turbulence, which improves the heat transport, in particular in the case of air cooling. By virtue of their positive effect on the cooling, joining points 21a thus also contribute to increasing the volumetric energy density through efficient use of space.
  • a very thin, thermal and electrical insulator layer 23 for example an insulating film, is arranged between the memory cells 5 in order to avoid the occurrence of a "domino effect" in the case of a thermal overload of an adjacent memory cell 5.
  • the free spaces 17 at the same time form cooling air channels 26, 27.
  • the sealing seams 16 thereby form flow guide surfaces for the air flow and heat-dissipating surfaces.
  • second cooling air channels 27 in the region of the cell poles 18 are formed by the free spaces 17 at the top of the memory cells 5.
  • the first and second cooling air channels 26, 27 are part of a closed cooling air circuit 28 for cooling the storage device 1, wherein the cooling air circuit 28 has at least one cooling air blower 29 and at least one heat exchanger 30.
  • the cooling air is - coming from the cooling air blower 29 and the heat exchanger 30 - in the housing 12 in the region of the holding plate 9 at the rear and / or top of the storage device 1 or in the region of the cell poles 18 supplied.
  • the cooling air flows through the second cooling air channels 27 and cools cell poles 18 and cell connectors 19, 20. Thereafter, at least a portion of the cooling air passes into the first cooling air channels 26, which lead the cooling air counter to the vertical axis z down.
  • FIG. 12 shows a section of a stack 3, the cell poles 18 of two adjacent memory cells 5, which take over the function of the cell connectors 20, being connected electrically in series.
  • the cell connectors 20 are thus formed by the Y-shaped bent and interconnected by a clinching connection (clinching) 21 cell poles 18 itself.
  • the two cell poles 18 are clinched together with a vesicular voltage tapping element 31.
  • a cell pole 18 or cell arrester is connected to the opposite pole of the adjacent memory cell 5.
  • FIGS. 13 and 14 show alternative embodiments, each with a parallel connection of memory cells 5, wherein two homopolar cell poles 18 together with two further memory cells 5 can be connected to a counter pole and a voltage tap element 31.
  • FIGS. 15 and 16 show a further embodiment variant of a stack 3 of memory cells 5, memory cells 5 having U-shaped cell connectors 19 or busbars being connected to one another. In this case, homopolar cell poles 18 of two memory cells 5 are connected via a U-shaped cell connector 19 (busbar, bus bar) with another two memory cells 5 to the opposite pole.
  • the busbar can simultaneously act aschrosabgriffelement.
  • a U-shaped cell connector may also provide the capability of interfacing with cell monitoring test leads.
  • aaccosabgriffselement 31 is shown as provided on the U-profile plug-in lug for tabs with cable 22.
  • a soldering with the line can be carried out.
  • a connection can be established via resistance welding, ultrasonic compacting welding, or via a screw connection to the flag.
  • the cell monitoring measuring lines are guided at current energy stores with lithium cells from each memory cell 5 to a monitoring unit.
  • This monitoring unit measures the individual cell voltages. In most cases, it can also balance cell voltage inequalities.
  • FIG. 16 shows a further connection possibility for the cell monitoring measuring lines by means of coincident voltage tapping elements 31.
  • Fig. 17 and Fig. 18 show a variant with upside down, so with downwardly open legs 19a on the cell poles 18 patch U-shaped cell connectors 19.
  • mounting holes 35 provided through which the clinching forceps introduced and thus the clinching connection 21 can be performed.
  • Fig. 19 shows a clinching connection 21 with two staggered rows of circular joining points 21a.
  • the minimum requirement for sufficient current monitoring with minimal heat loss in this example are four joint points 21a.
  • eight joint points 21a are arranged offset in two rows.
  • a peeling stress, which in Fig. 19 can be acted upon from below, is intercepted by the lower row, so that the second row is not mechanically stressed and thus does not affect the electrical conductivity.
  • Fig. Fig. 20 shows an example of a clinching joint 21 having a substantially circular outline. In Fig. 21, by contrast, a clinching connection 21 is shown with a rectangular plan.
  • the process of single-stage clinching with opening die 32 consists of the following steps (see FIG. 22):
  • the overlapping sheets A, B are plastically deformed by a punch 33 and pressed into a die cavity.
  • the die wall 34 usually two or four parts, remains closed.
  • an undercut Cl (see FIG. 22) of the joined materials is generated.
  • the undercut Cl, the neck width Sl, and the residual ground thickness ST, are features of the quality of the connection.
  • the result of the clinching process is a visually pleasing, high strength and reproducible connection.
  • the harder material B should always be aligned with the punch side and the softer material A on the side of the anvil 35 of the die 32.
  • the softer material A can be more deformed so that good deformation of the outside "bottom” can take place and a resilient clinching joint 21 is created.
  • the invention has been described with reference to a memory device 1 formed by a secondary battery.
  • the storage device 1 can also be formed by a primary battery, a fuel cell or a capacitor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Speichereinrichtung (1), insbesondere Sekundärbatterie, insbesondere Hochspannungsbatterie, vorzugsweise für ein Elektrofahrzeug, mit zumindest einem Stapel (3, 4) von aneinandergereihten Speicherzellen (5), wobei zumindest zwei Zellpole (18) von benachbarten Speicherzellen (5) - vorzugsweise durch zumindest einen Zellverbinder (19, 20) - miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Verbindung zwischen zumindest einem Zellpol (18) und dem Zellverbinder (19, 20) und/oder zwischen zumindest einem Zellpol (18) und zumindest einer Stromschiene und/oder unmittelbar zwischen zwei Zellpolen (18) durch zumindest eine vorzugsweise kalt-flächenverpresste Durchsetzfügeverbindung (21) gebildet ist. Um eine einfache Fertigung zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass zumindest ein Zellverbinder (19, 20) ein U-Profil oder Y-Profil aufweist.

Description

Elektrische Speichereinrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Speichereinrichtung, insbesondere Sekundärbatterie, insbesondere Hochspannungsbatterie, vorzugsweise für ein Elektro- fahrzeug, mit zumindest einem Stapel von aneinandergereihten Speicherzellen, wobei zumindest zwei Zellpole von benachbarten Speicherzellen - vorzugsweise durch zumindest einen Zellverbinder - miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Verbindung zwischen zumindest einem Zellpol und dem Zellverbinder und/oder zwischen zumindest einem Zellpol und zumindest einer Stromschiene und/oder unmittelbar zwischen zwei Zellpolen durch zumindest eine vorzugsweise kalt-flächenverpresste Durchsetzfügeverbindung gebildet ist.
Hochspannungsbatterien weisen üblicherweise Batteriepackungen mit aneinandergereihten Speicherzellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Speicherzellen, auf, wobei die Zellpole durch Zellverbinder miteinander elektrisch verbunden sind, welche an die Zellpole durch eine Laserschweißverbindung angebunden sind. Die beiden Zellpole jeder Batteriezelle bestehen auf Grund der elektrochemischen Materialeigenschaften meistens aus verschiedenen Werkstoffen, was die Verbindungstechnik erschwert. Beim sehr häufig verwendeten Laserschweißverfahren werden die aus der Zellchemie hervorstehenden Zellpolbleche (meistens Cu oder AI) mit einem zusätzlichen Bi-Metall-Zellverbinder (zum Beispiel Aluminiumblech oder Kupferblech über ein Kompaktierungsverfahren verbunden) miteinander verschweißt. Ein direktes Verschweißen von zwei unterschiedlichen Materialien ist technisch äußerst kompliziert und erschwert den ohnehin aufwendig zu überwachenden und komplexen Laserschweißprozess zusätzlich.
Aus der DE 10 2009 035 463 AI ist eine Speichereinrichtung mit einer Vielzahl von flachen, im Wesentlichen plattenförmigen Batterieeinzelzellen bekannt. Die Batterieeinzelzellen sind zu einem Zellenstapel gestapelt und mit einem Batteriegehäuse umgeben. Die Batterieeinzelzellen sind dabei in Rahmenflachbauweise mit metallischen Blechen und einem Rahmen aus isolierenden Material ausgebildet.
Auch aus der WO 2008/048751 A2 ist ein Batteriemodul mit einer Vielzahl an nebeneinander in einem Stapel angeordneten plattenförmigen Speicherzellen bekannt, welche in einem Gehäuse untergebracht sind .
Die WO 2010/053689 A2 beschreibt eine Batterieanordnung mit einem Gehäuse und einer Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellen, welche nebeneinander angeordnet sind. Das Gehäuse ist zur Kühlung mit einem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Fluid durchströmt.
Aus der WO 2010/067944 AI ist eine Speichereinrichtung mit nebeneinander angeordneten Stapel von Speicherzellen bekannt, wobei Speicherzellen durch Kühlluft gekühlt werden.
Die DE 27 05 050 AI beschreibt einen Batterieaufbau mit zumindest einer galvanischen Zelle, welches einen positiven und einen negativen Batterieanschluss und ein positives und negatives spiralförmig zu einer zylindrischen Form gewundenes Elektrodenmaterial aufweist, wobei die Verbindung zwischen dem Elektrodenmaterial mit den Polen über eine mechanische Punktkontakt-Verbindung erfolgt.
Aus der DE 10 2004 003 066 AI ist ein prismatischer Akkumulator mit mehreren Zellgefäßen bekannt, wobei in jedem Zellgefäß ein Plattenstapel aufgenommen ist. Entlang der Zwischenwände des Zellgefäßes zwischen den Plattenstapeln erstrecken sich jeweils Kontaktverbindungsbleche, wobei jeweils die an einer Zwischenwand gegenüberliegenden Kontaktverbindungsbleche sich durch die Zwischenwand hindurch miteinander leitend verbinden und die Kontakte der Plattenstapel mit den zugeordneten Kontaktverbinderblechen elektrisch leitend durch Schweißen verbunden sind . Die Verbindung von Kontaktverbindungsblechen durch die Zwischenwand hindurch ist als kalt-flächenverpresste Durchsetzfügeverbindung ausgebildet.
Die WO 2011/144372 AI beschreibt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Kontaktierung von Terminals von Batteriezellen, wobei die Terminals mit einem Fügeverfahren beispielsweise einem Durchsetzfügeverfahren miteinander elektrisch leitend kontaktierend verbunden werden.
Aus der DE 10 2009 046 505 AI ist ein Verfahren zur Verbindung eines Batteriepols einer ersten Batteriezelle mit einem Batteriepol einer zweiten Batteriezelle bekannt, wobei die Batteriepole zur Herstellung des elektrisch leitfähigen Kontaktes kraft- und formschlüssig mittels Durchsetzfügen, was auch Druckfügen genannt wird, oder Clinchen oder Toxen verbunden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden, und die Fertigung einer wiederaufladbaren elektrischen Speichereinrichtung der eingangs genannten Art zu vereinfachen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest ein Zellverbinder ein U-Profil oder Y-Profil aufweist. Die Verbindung zwischen zumindest einem Zellpol und zumindest einem Zellverbinder und/oder zwischen zumindest einem Zellpol und zumindest einer Stromschiene und/oder unmittelbar zwischen zwei Zellpolen ist durch zumindest eine beispielsweise kalt-flächenverpresste Durchsetzfügeverbindung gebildet, wobei vorzugsweise jede Durchsetzfügeverbindung mehrere nebeneinander angeordnete Fügepunkte aufweist. Die Fügepunkte können dabei in mehreren parallelen Reihen angeordnet sein, wobei die Fügepunkte zumindest zweier nebeneinander angeordneter Reihen versetzt zueinander angeordnet sein können. Die Fügepunkte können einen runden - beispielsweise kreisförmigen oder ovalen - oder eckigen - beispielsweise rechteckigen oder dreieckigen - Grundriss aufweisen. Bei einem runden Grundriss ohne Schneidanteil kann ein dreiachsiger Verformungszustand und somit ein Aufreißen des Materials vermieden werden. Weiters ist ein runder Grundriss ohne scharfe Kanten ist im Vergleich zu einem eckigen Grundriss beschichtungsschonender und - durch die bessere Wasser- und Gasdichtheit - korrosionsbeständiger, was für die elektrische Verbindung besonders wichtig ist. Die Gasdichtheit ist von besonderer Bedeutung bei elektrischen Verbindungen, um die Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Weiters kann zumindest ein Fügepunkt eine Struktur aufweisen. Durch Wahl der Struktur, Form und/oder Anordnung der Fügepunkte kann die Materialbelastung minimiert werden. Beispielsweise können die Fügepunkte in einer 2x4 - Matrixanordnung angeordnet sein.
Die Durchsetzfügeverbindung kann im kalten oder erwärmten bzw. erhitzten Zustand durchgeführt werden.
Um Teile zu sparen kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Zellverbinder durch die Zellpole von miteinander verbundenen Zellpolen gebildet ist.
Besondere Vorteile ergeben sich allerdings, wenn zumindest ein Zellverbinder durch ein von den Zellpolen unterschiedliches Zellverbinderelement gebildet ist. Durch die separaten Zellverbinderelemente entstehen zusätzliche Oberflächen, wodurch der Wärmeaustausch verbessert werden kann. Insbesondere wenn das Zellverbinderelement ein U-Profil oder Y-Profil mit zum Teil parallelen Schenkeln aufweist, kann die mechanische Belastung auf die Speicherzellen sehr gering gehalten werden, da die parallel nach oben ragenden Fahnen der Zellpole nicht umgebogen werden müssen. Die parallel ausgerichteten Fahnen der Zellpole bleiben während des gesamten Fügevorganges gleich lang, somit können auch mehr als zwei Zellpole - etwa mit mehreren Zellverbinderelementen mit U-Profil und/oder Y-Profil - miteinander verbunden werden, ohne dass die Fahnen nachträglich auf gleiche Länge gebracht werden müssen. Weiters kann beim Durch- setzfügevorgang das Clinchwerkzeug normal auf die durchsetzzufügenden Teile angreifen, somit werden keine Scherkräfte in die Speicherzellen eingeleitet.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass Zellverbinder mit U-Profil und mit Y-Profil abwechselnd zwischen aufeinanderfolgenden Speicherzellen angeordnet sind. Mit U-förmigen Zellverbindern (Busbar, Stromschienen) sind Parallelschaltungen von Speicherzellen möglich, wobei zwei gleichpolige Zelltaps von zwei Speicherzellen über einen Busbar (U-förmige Stromschiene) mit weiteren zwei Speicherzellen mit dem jeweiligen Gegenpol verbunden werden. Parallelschaltungen von Speicherzellen sind auch direkt durch die jeweiligen Gegenpole möglich, wobei gleichpolige Zellpole von zwei Speicherzellen mit weiteren zwei Speicherzellen mit dem jeweiligen Gegenpol verbunden werden (zum Beispiel 1S2P: lx seriell, 2x parallel). Ein Zellspannungsabgriff über Zellspannungsblättchen kann zusätzlich als Messabgriff für die Zellspannungsmessung verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest zwei Zellpole von benachbarten Speicherzellen direkt miteinander durch zumindest eine Durchsetzfügeverbindung verbunden sind und einen vorzugsweise Y-förmigen Zellverbinder ausbilden.
Die Durchsetzfügeverbindung ist gasdicht abgeschlossen, wodurch eine korrosionsfeste Langzeitverbindung entsteht. Zumindest ein Zellpol kann eine Galvani- sierungsschicht, vorzugsweise eine Nickelbeschichtung, aufweisen. Ein Vorteil von Durchsetzfügeverbindungen ist, dass sie unsensibel gegen Galvanisierung der verwendeten Materialien sind.
Beim Durchsetzfügen (Druckfügen, Clinchen, Toxen) werden zwei oder mehr Bleche über einen Werkzeugstempel und eine Werkzeugmatrize plastisch in sich verformt, wodurch ein Formschluss zwischen den Blechen entsteht. Beim Verbinden von Zellblechen werden diese je nach der gewählten Verschaltungsart (zum Beispiel zwei Bleche bei Serienschaltung oder drei bzw. vier Bleche bei einer Parallelschaltung von jeweils zwei Speicherzellen mit Zellverbindern und Zellspan- nungsüberwachungskabel) in einem Arbeitsgang miteinander verbunden, wobei durch Verwendung von Mehrfachwerkzeugen gleichzeitig mehrere Fügepunkte (Clinchpunkte) auf einem Zellpolpaket (Zellpolstapel) oder auf mehreren Zellpolpaketen gesetzt werden können.
Beim Durchsetzfügeverbinden von unterschiedlichen Materialien sollte das härtere Material immer auf der Stempelseite und das weichere Material auf der Matrizenseite des Durchsetzfügewerkzeuges ausgerichtet sein. Das weichere Material kann mehr verformt werden, so dass ein gute Verformung im äußeren Bereich der Fügepunktes stattfinden kann und eine starke Verbindung entsteht.
Die Mehrfachfügepunkte ermöglichen eine hohe Stromtragfähigkeit.
Die Durchsetzfügeverbindung erlaubt eine einfache Kontaktierung der Zellpole mit unterschiedlichen Materialien (zum Beispiel Kupfer zu Aluminium oder umgekehrt), ohne dass zusätzliche Bauteile erforderlich wären. Weiters ist auch die Verbindung von und mit nicht-metallischen Werkstoffen mit leitfähigen Legierungen möglich.
Zumindest ein Zellpol kann mit zumindest einem Spannungsabgriffelement, vorzugsweise mittels einer Durchsetzfügeverbindung verbunden sein. Beispielsweise kann zum Spannungsabgriff ein als Blättchen ausgebildetes Spannungsabgriffelement, welches zumindest ein Kabel für den Zellspannungsabgriff trägt, mitge- clincht sein. Weiters können auch Anschlüsse für eine Überwachungseinheit und/ oder Thermosensoren oder dergleichen mitgeclincht werden. Die Stromschiene (Busbar) kann auch gleichzeitig als Zellspannnungsabgriffsblättchen fungieren.
Da die Position der Fügepunkte viel mehr streuen darf, als etwa die Bauteilpositionierung bei einer Laserschweißerbindung, ergibt sich ein hohes Toleranzkompensationsvermögen. Zellpole, und Speicherzellen, insbesondere Siegelnahtzellen wie Pouchzellen müssen nicht in einem engen Toleranzband gefertigt werden.
Zumindest zwei Zellpole können unterschiedliche Dicke aufweisen, wobei vorzugsweise zumindest ein Zellpol aus mehreren miteinander verbundene Zellpollagen bestehen kann.
Durch Verwendung von Parallelmehrfachwerkzeugen kann insbesondere für große Stückzahlen eine einfache und kostengünstige Fertigung durch gleichzeitiges Clinchen mehrere Fügepunkte ermöglicht werden, wobei nur wenige und leicht zu beherrschende Einflussgrößen, wie Materialwandstärke, Presskraft oder dergleichen kontrolliert werden müssen. Weiters können während der Durchsetzfügevorganges gleichzeitig zumindest ein Umform- und/oder Schneidevorgang durchgeführt werden (Beschneiden, Umknicken oder dergleichen).
Um Kurzschlüsse oder Stromverluste während des Fügevorganges zu vermeiden sollte insbesondere bei parallelen Fügevorgängen ein elektrisch nichtleitendes Fügewerkzeug eingesetzt werden.
Ein großer Vorteil von Durchsetzfügeverbindungen ist, dass die Fügepunkte visuell kontrolliert werden können. Ein weiterer Vorteil gegenüber thermischen Fügeverfahren wie zum Beispiel Schweiß- oder Lötverfahren ist, dass keine Wärme in die Speicherzellen eingetragen wird . Auch ein Krafteintrag in die Speicherzellen wird vermieden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest eine Durchsetzfügeverbindung in einem Kühlluftkanal angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Durchsetzfügeverbindung zumindest einen in die Kühlluftströmung des Kühlluftkanals hineinragenden Fügepunkt aufweist. Durch die vorragenden Fügepunkte wird die für die Kühlung, beispielsweise bei direkter Luftkühlung der Zellpole, maßgebende Oberfläche erhöht. Die hervorstehenden Fügepunkte wirken zudem turbulenzsteigernd, was sich vorteilhaft auf den Wärmetransport bei Luftkühlung auswirkt. Durch effiziente Bauteilnutzung kann somit die volumetrische Energiedichte der Speichereinrichtung erhöht werden. Durch Wahl der Struktur, Form und/oder Anordnung der Fügepunkte und der Fügerichtung kann die Kühlwirkung optimiert werden.
In manchen Einbausituation kann es von Vorteil sein, U-förmige Zellverbinder mit nach unten geöffneten Schenkeln auf die Zellpole aufzusetzen, so dass der die Zellpole überspannende Bereich von den Speicherzellen weiter beabstandet ist, als die Schenkel. Der die beiden Zellpole überspannende Bereich würde ein Clinchen von oben verhindern. Um trotzdem den Einsatz eines Clinchwerkzeuges zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der U-förmige Zellverbinder zumindest eine Montageöffnung in einem zumindest zwei Zellpole überspannenden Bereich aufweist, wobei vorzugsweise die Durchsetzverbindung zwischen der Montageöffnung und der Speicherzelle angeordnet ist. Durch die Montageöffnung kann von oben die Clinchzange eingefahren werden und so die nötigen Clinchpunkte der Durchsetzfügeverbindung gesetzt werden.
Die Erfindung eignet sich für Primärbatterien, Sekundärbatterien, Brennstoffzellen und Kondensatoren und Kombination daraus.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Fig. näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Speichereinrichtung in einer Schrägansicht von oben;
Fig. 2 die Speichereinrichtung in einem Schnitt gemäß der Linie II - II in
Fig . 1;
Fig. 3 die Speichereinrichtung in einer Vorderansicht;
Fig. 4 die Speichereinrichtung in einer Schrägansicht von unten;
Fig. 5 ein Speichereinrichtungsmodul der Speichereinrichtung in einer
Schrägansicht; Fig. 6 dieses Speichereinrichtungsmodul in einer Ansicht von unten;
Fig. 7 einen Stapel von Speicherzellen in einer Schrägansicht; Fig. 8 diesen Stapel in einer Seitenansicht;
Fig. 9 die Stapel von Speicherzellen eines Speichereinrichtungsmoduls in einer Schrägansicht;
Fig. 10 einen Stapel von Speicherzellen in einem Schnitt gemäß der Linie X
- X in Fig. 9;
Fig. 11 ein Detail dieses Stapels in einem Schnitt analog zu Fig. 10;
Fig. 12 bis Fig. 14 Details eines Stapels in verschiedenen Ausführungsvarianten in Schrägansichten;
Fig. 15 einen Stapels in einer weiteren Ausführungsvariante in einer
Schrägansicht;
Fig. 16 ein Detail eines Stapels in weiteren Ausführungsvariante in einer
Schrägansicht;
Fig. 17 einen Stapels in einer weiteren Ausführungsvariante in einer
Schrägansicht;
Fig. 18 ein Detail dieses Stapels;
Fig. 19 eine Durchsetzfügeverbindung in einer Schrägansicht;
Fig. 20 einen Fügepunkt einer Durchsetzfügeverbindung in einer ersten
Ausführungsvariante;
Fig. 21 einen Fügepunkt einer Durchsetzfügeverbindung in einer zweiten
Ausführungsvariante; und
Fig. 22 den Fügepunkt aus Fig. 20 im Detail im Schnitt.
Die beispielsweise durch eine Sekundärbatterie gebildete Speichereinrichtung 1 weist im Ausführungsbeispiel sieben Speichereinrichtungsmodule 2 auf, wobei jedes Speichereinrichtungsmodul 2 zwei Stapel 3, 4 von nebeneinander angeordneten und verspannten Speicherzellen 5 aufweist. Die Stapel 3, 4 jedes Speichereinrichtungsmoduls 2 sind zwischen zwei struktursteifen gewellten Platten 6 aus Metall, z. B. Aluminium, oder Kunststoff, angeordnet, wobei die Platten 6 durch Druckgussteile gebildet sein können. Die Platten 6 selbst sind zwischen zwei Halteplatten 7, 8 an der Vorder- und Rückseite der Speichereinrichtung 1 eingespannt, wobei die Halteplatte 7 an der Vorderseite über Spannschrauben 9 mit der Halteplatte 8 an der Rückseite fest verbunden ist. Die Spannschrauben 9 sind dabei jeweils im Bereich der Platten 6 angeordnet. Die Platten 6 bilden zusammen mit den Halteplatten 7, 8 einen Halterahmen 10 für die Speichereinrichtungsmodule 2. Die Halteplatten 7, 8 weisen Öffnungen auf, um das Gewicht so gering wie möglich zu halten. Der - in Stapelrichtung y gesehene - definierte Abstand zwischen den Spannschrauben 9 gewährleistet, dass die Speicherzellen 5 lagerichtig und mit bestimmter und über die Lebensdauer der Speichereinrichtung 1 im Wesentlichen unveränderlicher Vorspannung verbaut sind . Zwischen den Platten 6 und den angrenzenden Speicherzellen 5 ist dabei jeweils eine elastische Isolierschicht 6a, beispielsweise aus einem Schaumstoff, angeordnet, welcher eine gleichmäßige und schonende Druckverteilung ermöglicht.
Nach unten wird die Speichereinrichtung 1 durch eine Bodenplatte 11 abgeschlossen.
Die Speichereinrichtung 1 samt Halterahmen 10 ist in einem Gehäuse 12 angeordnet, wobei zwischen dem Gehäuse 12 und der Speichereinrichtung 1 Kühlluft- strömungswege ausgebildet sind . Zur Führung der Kühlluftströmung sind in den Gehäuseboden 12a Strömungsleitflächen 13 eingearbeitet, wie aus Fig . 2 und 4 ersichtlich ist.
Jede Speicherzelle 5 ist von einer Kunststoffhülle 14 umgeben, wobei die Kunststoffhülle 14 etwa im Bereich einer Zellmittelebene 15 entlang der Schmalseite 5a eine vorragende Siegelnaht 16 zur Abdichtung aufweist. Zwischen den Siegelnähten 16 zweier benachbarter Speicherzellen 5 eines Stapels 3, 4 ist jeweils ein Freiraum 17 aufgespannt.
Um Bauraum einzusparen, sind die zwei nebeneinander angeordneten Stapel 3, 4 jedes Speichereinrichtungsmoduls 2 versetzt und überlappend zueinander ausgebildet. Der Versatz V beträgt dabei etwa der halben Dicke D einer Speicherzelle 5. Die Siegelnähte 16 einer Speicherzelle 5 des einen Stapels 3, 4 ragen dabei in einen von Siegelnähten 16 zweier benachbarter Speicherzellen 5 des anderen Stapels 4, 3 aufgespannten Freiraum 17 hinein. Dadurch kann der Freiraum 17 zumindest teilweise durch die Unterbringung eines Teiles der Siegelnähte 16 genutzt werden. Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf die Größe des verbauten Raumes und auf die volumetrische Energiedichte aus. Der Versatz v zwischen den beiden Stapeln 3, 4 bewirkt, dass die Platten 6 im Bereich einer Längsmittelebene la der Speichereinrichtung 1 eine Stufe 24 ausbilden. An der oberen Schmalseite 5a ragen aus den Kunststoffhüllen 14 Zellpole 18, welche über U- und Y-förmige Zellverbinder 19, 20 miteinander verbunden sind. Die Verbindung zwischen den beispielsweise durch separate Zellverbinderelemente ZV gebildeten Zellverbindern 19, 20 und den Zellpolen 18 kann als einen oder mehrere Fügepunkte 21a aufweisende Durchsetzfügeverbindung 21 in einem Durchsetzfügeverfahren ausgeführt sein. Dies ermöglicht eine besonders hohe Stromtragfähigkeit durch nebeneinander angeordnete Mehrfachfügepunkte sowie eine korrosionsfeste Langzeitverbindung auf Grund der luftdicht abgeschlossenen Fügestellen und eine einfache Kontaktierung der Zellpole 18 mit unterschiedlichen Materialien (Kupfer zu Aluminium und umgekehrt), ohne zusätzliche Bauteile. Mittels Durchsetzfügeverfahren lassen sich zwei bis vier Bleche miteinander elektrisch verbinden, wobei sich besonders die Materialien Kupfer, Aluminium und Stahl, bei Wandstärken von 0, 1 mm bis 0,5 mm eignen. Gegebenenfalls können somit in einem Arbeitsschritt gleichzeitig mit den Zellverbindern 19, 20 auch Zellspannungsüberwachungskabel 22 - beispielsweise mittels Zell- spannungsblättchen, an denen ein Kabel konfektioniert wird - an den Zellpolen 18 in einem Durchsetzfügeverfahren angebunden werden. Für gleiche Gesamtstärken kann dabei das selbe Werkzeug verwendet werden. Da die Position der Fügepunkte 21a der Durchsetzfügeverbindung 21 mehr streuen darf, als zum Beispiel bei einer Laserschweißverbindung, ergibt sich ein relativ hohes Toleranzkompensationsvermögen. Durch Verwendung von Parallel- und Mehrfachwerkzeugen lässt sich für größere Stückzahlen eine einfache und kostengünstige Fertigung realisieren, wobei nur wenige und leicht beherrschbare Einflussgrößen wie Materialwandstärke, Presskraft etc. vorliegen. Durch die in den Kühlluftkanal 27 ragenden Fügepunkte 21a wird die wärmeableitende Oberfläche der Speichereinrichtung 1 erhöht, was insbesondere bei direkter Luftkühlung der Zellpole 18 von Bedeutung ist. Die hervorstehenden Fügepunkte 21a tragen dabei auch zur Turbulenzerhöhung bei, was insbesondere bei Luftkühlung den Wärmetransport verbessert. Durch Ihre positive Auswirkung auf die Kühlung tragen somit Fügepunkte 21a auch zur Erhöhung der volumetrischen Energiedichte durch effiziente Bauraumausnutzung bei.
Um eine besonders gute volumetrische Energiedichte zu erreichen, ist es erforderlich, die Speicherzellen 5 möglichst nahe aneinander zu positionieren. Dazu wird zwischen den Speicherzellen 5 eine möglichst dünne, thermische und elektrische Isolatorschicht 23, zum Beispiel eine Isolationsfolie, angeordnet, um das Auftreten eines "Dominoeffektes" bei einer thermischen Überlastung einer benachbarten Speicherzelle 5 zu vermeiden.
Die Freiräume 17 bilden zugleich Kühlluftkanäle 26, 27 aus. Im Bereich der Überlappung 25 der beiden Stapel 3, 4, also im Bereich der Längsmittelebene la der Speichereinrichtung 1, bilden die Freiräume 17 erste Kühlluftkanäle 26, welche in Richtung der Hochachse z der Speichereinrichtung 1 angeordnet sind . Die Siegelnähte 16 bilden dabei Strömungsleitflächen für die Luftströmung und wärmeabführende Oberflächen. In Richtung einer Querachse x normal auf die Hochachse z und normal auf die Stapelrichtung y sind zweite Kühlluftkanäle 27 im Bereich der Zellpole 18 durch die Freiräume 17 an der Oberseite der Speicherzellen 5 gebildet.
Die ersten und zweiten Kühlluftkanäle 26, 27 sind Teil eines geschlossenen Kühlluftkreislaufes 28 zur Kühlung der Speichereinrichtung 1, wobei der Kühlluftkreislauf 28 zumindest ein Kühlluftgebläse 29 und zumindest einen Wärmetauscher 30 aufweist. Die Kühlluft wird dabei - vom Kühlluftgebläse 29 und dem Wärmetauscher 30 kommend - in das Gehäuse 12 im Bereich der Halteplatte 9 an der Rückseite und/oder Oberseite der Speichereinrichtung 1 oder im Bereich der Zellpole 18 zugeführt. Die Kühlluft durchströmt dabei die zweiten Kühlluftkanäle 27 und kühlt Zellpole 18 und Zellverbinder 19, 20. Danach gelangt zumindest ein Teil der Kühlluft in die ersten Kühlluftkanäle 26, welche die Kühlluft entgegen der Hochachse z nach unten führen. Dabei werden alle Zwischenräume und Freiräume 17 der Speichereinrichtung 1 durchströmt und anfallende Wärme abgeführt. Zwischen der Halteplatte 8 an der Vorderseite der Speichereinrichtung 1 und dem Gehäuse 12 strömt auch die restliche Kühlluft zum Gehäuseboden 12a des Gehäuses 12, wo es durch die Strömungsleitflächen 13 zur Fahrzeuglängsmittelebene ε geleitet und gesammelt wird. Danach wird die Kühlluft wieder durch das Kühlluftgebläse angesaugt und im Wärmetauscher 30 abgekühlt, bevor es wieder im geschlossenen Kühlkreislauf 28 der Speichereinrichtung 1 zugeführt wird .
Fig . 12 zeigt eine Ausschnitt aus einem Stapel 3, wobei die die Funktion der Zellverbinder 20 übernehmenden Zellpole (Zelltaps) 18 zweier benachbarter Speicherzellen 5 elektrisch seriell miteinander verbunden sind. Die Zellverbinder 20 werden somit durch die Y-förmig zusammengebogenen und miteinander durch eine Durchsetzfügeverbindung (Clinchverbindung) 21 verbundenen Zellpole 18 selbst gebildet. Dabei sind die beiden Zellpole 18 zusammen mit einem bläschenförmigen Spannungsabgriffselement 31 verclincht. Ein Zellpol 18 oder Zell- ableiter ist dabei mit dem Gegenpol der benachbarten Speicherzelle 5 verbunden.
Die Fig. 13 und Fig. 14 zeigen Ausführungsvarianten mit jeweils einer Parallelschaltung von Speicherzellen 5, wobei zwei gleichpolige Zellpole 18 zusammen mit zwei weiteren Speicherzellen 5 mit einem Gegenpol und einem Spannungsabgriffselement 31 verbunden werden können. Die Fig. 15 und Fig. 16 zeigen eine weitere Ausführungsvariante eines Stapels 3 von Speicherzellen 5, wobei Speicherzellen 5 mit U-förmigen Zellverbindern 19 oder Stromschienen (Busbar) miteinander verbunden sind. Dabei sind gleichpolige Zellpole 18 von zwei Speicherzellen 5 über einen U-förmigen Zellverbinder 19 (Stromschiene, Busbar) mit weiteren zwei Speicherzellen 5 mit dem Gegenpol verbunden sind . Die Stromschiene kann gleichzeitig als Spannungsabgriffelement fungieren.
Wie in Fig . 15 dargestellt ist, kann ein U-förmiger Zellverbinder ebenfalls die Möglichkeit der Anbindung für Zellüberwachungsmessleitungen bieten. In Fig. 15 ist ein Spannungsabgriffselement 31 als am U-Profil vorgesehene Steckfahne für Flachstecker mit Kabel 22 dargestellt. Alternativ zu einer Steckverbindung kann auch eine Verlötung mit der Leitung durchgeführt werden. Weiters kann über Widerstandsschweißen, Ultraschallkompaktierschweißen, oder über eine Schraubverbindung an der Fahne eine Verbindung hergestellt werden.
Die Zellüberwachungsmessleitungen werden bei aktuellen Energiespeichern mit Lithiumzellen von jeder Speicherzelle 5 zu einer Überwachungseinheit geführt. Diese Überwachungseinheit misst die einzelnen Zellspannungen. In den meisten Fällen kann diese auch Zellspannungsungleichheiten ausbalancieren.
Fig . 16 zeigt eine weitere Anbindungsmöglichkeit für die Zellüberwachungsmessleitungen mittels mitgeclinchter Spannungsabgriffselemente 31.
Die Fig . 17 und Fig. 18 zeigen eine Ausführungsvariante mit verkehrt, also mit nach unten geöffneten Schenkeln 19a auf die Zellpole 18 aufgesetzten U-förmigen Zellverbindern 19. Um das Ansetzen eines Clinchwerkzeuges an den Zellpolen 18 zu ermöglichen, sind im die Zellpole 18 überspannenden Gurtbereich 19b der U-förmigen Zellverbinder 19 Montageöffnungen 35 vorgesehen, durch welche die Clinchzange eingeführt und somit die Durchsetzfügeverbindung 21 durchgeführt werden kann.
Fig . 19 zeigt eine Durchsetzfügeverbindung 21 mit zwei versetzten Reihen von kreisförmigen Fügepunkten 21a. Die Mindestanforderung zur ausreichenden Stromüberwachung mit minimalem Wärmeverlust sind in diesem Beispiel vier Fügepunkte 21a. Für eine ausreichende mechanische Stabilität und Verbesserung des Übergangswiderstandes sind acht Fügepunkte 21a in zwei Reihen versetzt angeordnet. Eine Schälbeanspruchung, welche in Fig . 19 von unten einwirken kann, wird von der unteren Reihe abgefangen, so dass die zweite Reihe mechanisch nicht beansprucht und somit auch nicht die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigt wird. Fig . 20 zeigt ein Beispiel einer Durchsetzfügeverbindung 21 mit im Wesentlichen kreisrundem Grundriss. In Fig . 21 dagegen ist eine Durchsetzfügeverbindung 21 mit rechteckigem Grundriss dargestellt. Aufgrund der Korrosionsbeständigkeit, Wasser- und Gasdichtigkeit, wie auch der Eigenschaft der beschichtungsschonen- den Ausführung, so wie eine durch die Formgebung erhaltenen relativ großflächige Oberflächenverbindung der Materialien wird ein runder Grundriss für die Durchsetzfügeverbindung 21 für den Einsatz als elektrische Verbindung bevorzugt.
Der Vorgang des einstufigen Clinchens mit öffnender Matrize 32 besteht aus folgenden Schritten (siehe Fig . 22) :
1. Im ersten Teil des Verfahrens werden die überlappenden Bleche A, B von einem Stempel 33 plastisch verformt und in einen Matrizenholraum gedrückt. Die Matrizenwand 34, üblicherweise zwei- oder viergeteilt, bleibt dabei geschlossen .
2. Sobald das untere Blech A den Amboss 35, dass heißt den Boden des Matrizenhohlraums, erreicht, fließt der Werkstoff seitlich und bildet einen pilzförmigen Fügepunkt 21a . In dieser Phase werden die Matrizenwände 34 auf einer nicht weiter dargestellten Grundplatte entsprechend den Pfeilen P gleitend, nach außen gedrückt. Nach Rückzug des Stempels 33 und Herausnehmen des Werkstückes werden die Matrizenwände 34 wieder geschlossen, wobei sie durch Federkraft zusammengedrückt werden .
Durch diesen Vorgang wird ein Hinterschnitt Cl (siehe Fig . 22) der gefügten Materialen erzeugt. Der Hinterschnitt Cl, die Halsbreite Sl, und die Restbodenstärke ST, sind Merkmale der Qualität der Verbindung . Das Ergebnis des Durchsetzfügeprozesses ist eine optisch ansprechende, hochfeste und reproduzierbare Verbindung.
Um eine gute Durchsetzfügeverbindung 21 zu erhalten, sollte das härtere Material B immer auf die Stempelseite und das weichere Material A auf der Seite des Amboss 35 der Matrize 32 ausgerichtet sein . Das weichere Material A kann mehr verformt werden, so dass eine gute Verformung des außen liegenden "Bodens" stattfinden kann und eine widerstandsfähige Durchsetzfügeverbindung 21 entsteht.
Die Erfindung wurde anhand einer durch eine Sekundärbatterie gebildeten Speichereinrichtung 1 beschrieben . Die Speichereinrichtung 1 kann aber genauso durch eine Primärbatterie, eine Brennstoffzelle oder einen Kondensator gebildet sein .

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Elektrische Speichereinrichtung (1), insbesondere Sekundärbatterie, insbesondere Hochspannungsbatterie, vorzugsweise für ein Elektrofahrzeug, mit zumindest einem Stapel (3, 4) von aneinandergereihten Speicherzellen (5), wobei zumindest zwei Zellpole (18) von benachbarten Speicherzellen (5) - vorzugsweise durch zumindest einen Zellverbinder (19, 20) - miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Verbindung zwischen zumindest einem Zellpol (18) und dem Zellverbinder (19, 20) und/oder zwischen zumindest einem Zellpol (18) und zumindest einer Stromschiene und/oder unmittelbar zwischen zwei Zellpolen (18) durch zumindest eine vorzugsweise kalt-flächenverpresste Durchsetzfügeverbindung (21) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zellverbinder (19, 20) ein U-Profil oder Y-Profil aufweist.
2. Speichereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchsetzfügeverbindung (21) mehrere nebeneinander angeordnete Fügepunkte (21a) aufweist.
3. Speichereinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepunkte (21a) in mehreren, vorzugsweise zueinander versetzt angeordnete Reihen übereinander angeordnet sind.
4. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fügepunkt der Durchsetzfügeverbindung (21) einen kreisförmigen, ovalen, rechteckigen oder dreieckigen Grundriss aufweist.
5. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Durchsetzfügeverbindung (21) gasdicht abgeschlossen ist.
6. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, zumindest ein Zellpol (18) und zumindest ein mit dem Zellpol (18) mittels der Durchsetzfügeverbindung (21) verbundener Zellverbinder (19, 20) aus verschiedenen metallischen Werkstoffen bestehen.
7. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zellverbinder (19, 20) durch die Zellpole von miteinander verbundenen Zellpolen (18) gebildet ist.
8. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zellverbinder (19, 20) durch ein von den Zellpolen (18) unterschiedliches Zellverbinderelement (ZV) gebildet ist.
9. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zellverbinder (19, 20) aus zwei verschiedenen metallischen Werkstoffen besteht.
10. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Zellverbinder (19, 20) mit U-Profil und mit Y-Profil abwechselnd zwischen aufeinanderfolgenden Speicherzellen (5) angeordnet sind .
11. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Zellpole (18) von benachbarten Speicherzellen (5) direkt miteinander durch zumindest eine Durchsetzfügeverbindung (21) verbunden sind und einen vorzugsweise Y-förmigen Zellverbinder (19) ausbilden.
12. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Durchsetzfügeverbindung (21) in einem Kühlluftkanal (27) angeordnet ist.
13. Speichereinrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Durchsetzfügeverbindung (21) zumindest einen in die Kühlluftströmung des Kühlluftkanals (27) hineinragenden Fügepunkt (21a) aufweist.
14. Speichereinrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fügepunkt (21a) zumindest einer Durchsetzfügeverbindung (21) turbulenzerzeugend ausgebildet ist.
15. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Durchsetzfügeverbindung (21) auch zumindest ein Zellspannungsüberwachungskabel (22) mit zumindest einem Zellpol (18) elektrisch leitend verbunden ist.
16. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (1) eine elektrische Primärbatterie, eine Sekundärbatterie, einen Kondensator oder eine Brennstoffzelle ist.
17. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Speicherzelle (5) durch eine Pouchzelle gebildet ist.
18. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Zellpole (18) unterschiedliche Dicke aufweisen, wobei vorzugsweise zumindest ein Zellpol (18) aus mehreren miteinander verbundene Zellpollagen besteht.
19. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zellpol (18) eine Galvanisierungs- schicht, vorzugsweise eine Nickelbeschichtung, aufweist.
20. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mit zumindest einem Zellpol (18) zumindest ein Spannungsabgriffelement (31), vorzugsweise mittels einer Durchsetzfügeverbindung (21) verbunden ist.
21. Speichereinrichtung (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Spannungsabgriffselement (31) über den gesamte Bereich der Durchsetzfügeverbindung (21) erstreckt.
22. Speichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein vorzugsweise U-förmiger Zellverbinder (19) zumindest eine Montageöffnung (35) in einem zumindest zwei Zellpole (18) überspannenden Gurtbereich (19b) aufweist, wobei vorzugsweise die Durchsetzfügeverbindung (21) zwischen der Montageöffnung (35) und der Speicherzelle (5) angeordnet ist.
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