Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Batterie für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Batterie für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug.

Die DE 102016 011 787 A1 offenbart bereits einen Zellblock für eine Kraftfahrzeugbatterie mit zumindest einer Batteriezelle, mit zumindest einer Zellhalterung zur Fixierung der zumindest eine Batteriezelle sowie mit zumindest zwei durch Umformen gefügten, spannungsgeführten Bauteilen, welche elektrisch mit der zumindest eine Batteriezelle verbunden sind. Darüber hinaus umfasst der Zellblock zumindest ein zumindest teilweise in einem Verbindungsbereich der spannungsführenden Bauteile angeordnetes Matrizenelement. Unter dem Matrizenelement ist ein Element zu verstehen, welches bei einem Fügen der spannungsführenden Bauteile durch Umformen als Matrize diente. Dabei beschreibt die Matrize ein Werkzeuggegenstück eines Werkzeugs, insbesondere für einen Stempel für ein Umformverfahren. Das zumindest eine Matrizenelement ist in die zumindest eine Zellhalterung zumindest teilweise integriert, insbesondere einstückig mit der Zellhalterung ausgebildet. Die zwei spannungsführenden Bauteile sind mittels Durchsetzfügen, wie beispielsweise mittels Clinchen oder Toxen, gefügt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Batterie für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug zu schaffen, mittels welchen jeweilige Batteriezellen eines Batterieblocks besonders schnell elektrisch kontaktierbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Batterie für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung angegeben.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Batterie für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, bei welchem eine Mehrzahl an Batteriezellen zu einem Batterieblock aneinander angeordnet werden, mehrere Matrizen in wenigstens einem Element der Batterie eingebracht werden, und die Batteriezellen mittels Durchsetzfügen über wenigstens ein weiteres Bauteil miteinander elektrisch verbunden werden. Aufgrund des Einbringens der Matrizen in das wenigstens eine Element der Batterie, können die Batteriezellen mittels einseitigen Durchsetzfügens elektrisch kontaktiert werden. Durch das Durchsetzfügen können jeweilige Zellableiter mit dem die Matrize aufweisenden Element der Batterie formschlüssig verbunden werden. Insbesondere kann der wenigstens eine Zellableiter mittels eines Stempels in die jeweilige von dem Element bereitgestellte Matrize eingestempelt werden, wodurch der wenigstens eine Zellableiter mit dem die Matrize aufweisenden Element durchsetzgefügt ist.

Um die Batteriezellen der Batterie bei einer besonders kurzen Montagezeit elektrisch zu kontaktieren beziehungsweise eine elektrische Verbindung der Batteriezellen hersteilen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels eines Werkzeugs sämtliche an einer gleichen Seite des Batterieblocks angeordnete Matrizen gleichzeitig über das Durchsetzfügen mit dem wenigstens einen weiteren Bauteil verbunden werden. Das bedeutet, dass mittels des Werkzeugs wenigstens eine der Batteriezellen an mehreren zueinander unterschiedlichen Stellen gleichzeitig elektrisch kontaktiert wird. Hierfür umfasst das Werkzeug mehrere Stempel, mittels welchen ein mehrere Batteriezellen umfassender Batterieblock der Batterie an mehreren, insbesondere an einer Vielzahl von Stellen gleichzeitig durchsetzgefügt wird, insbesondere mit einem elektrisch leitenden Material, um die Batteriezellen des Batterieblocks elektrisch miteinander zu verbinden. Dieses die mehrere Stempel aufweisende Werkzeug kann insbesondere gegen einen Kurzschluss isoliert ausgebildet sein. Das Verfahren ermöglicht somit ein besonders schnelles elektrisches Kontaktieren besonders vieler Batteriezellen eines Batterieblocks einer Batterie, wodurch die Batterie besonders schnell bereitstellbar ist. Bei der Batterie handelt es sich insbesondere um eine Fahrzeugbatterie, deren einzelne Batteriezellen mit jeweiligen Zellableitern über Durchsetzfügen zu verbinden sind. Bei dem Verfahren zum Bereitstellen der Batterie werden die Matrizen in einen Zellrahmen beziehungsweise einen Zellblock als Elemente der Batterie eingebracht, sodass mittels des Werkzeugs unter Ausnutzen der einseitigen Zugänglichkeit direkt in den Batterieblock hineingeclincht werden kann. Bei dem Verfahren kommt ein Mehrfachstem pelwerkzeug zur Anwendung, welches alle an einer selben Seite des Batterieblocks angeordneten Clinchpunkte in einem Takt ausführen kann, wodurch eine besonders geringe Taktzeit erreicht werden kann. Bei dem Verfahren kann mittels des Durchsetzfügens zusätzlich zu der elektrischen Kontaktierung eine elektrische Isolierung an dem Batterieblock angeordnet werden.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Batterie für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Aufnahmeeinrichtung, mittels welcher eine Mehrzahl an Batteriezellen zu einem Batterieblock aneinander angeordnet aufnehmbar sind. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Stempeleinrichtung, mittels welcher die Batteriezellen an mehreren zueinander unterschiedlichen Stellen gleichzeitig mittels Durchsetzfügen über wenigstens ein weiteres Bauteil der Batterie miteinander elektrisch verbindbar sind, wobei wenigstens ein Element der Batterie jeweilige Matrizen für das Durchsetzfügen bereitstellt. Hierbei kann beispielsweise ein Zellrahmen beziehungsweise ein Zellblock der Batterie die mehreren Matrizen aufweisen, über welche mittels der Clinchverbindungen und somit mittels des Durchsetzfügens die Batteriezellen elektrisch kontaktierbar sind. Die Stempeleinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, sämtliche an einer gleichen Seite des Batterieblocks angeordnete Matrizen gleichzeitig über das Durchsetzfügen mit dem wenigstens einen weiteren Bauteil zu verbinden.

Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzusehen und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die weiteren Vorteile und vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Verfahrensschema für ein Durchsetzfügen einer Batterie mit einer einseitigen Zugänglichkeit, wobei über das Durchsetzfügen ein erster Zellableiter und ein zweiter Zellableiter mit einem Zellrahmen beziehungsweise einem Zellblock aus Kunststoff verbunden werden, um mehrere Batteriezellen der Batterie elektrisch zu kontaktieren; und

Fig. 2 ein Verfahrensschema zum Durchsetzfügen mehrerer Batteriezellen gleichzeitig mittels eines Werkzeugs in einem einzigen Takt.

In Fig. 1 ist ein Verfahren zum Durchsetzfügen eines ersten Zellableiters als erstes Bauteil 10 und eines zweiten Zellableiters als zweites Bauteil 12 mit einer Batteriezelle 14 eines Batterieblocks 16 einer Batterie gezeigt. Über das Durchsetzfügen können die jeweiligen Batteriezellen 14 mit den Bauteilen 10, 12 elektrisch kontaktiert werden. Das Durchsetzfügen, welches auch als Clinchen bezeichnet werden kann, ist eine effiziente Lösung, die Bauteile 10, 12 in einem durchgehenden Umformvorgang formschlüssig und partiell stoffschlüssig mit dem Batterieblock 16 zu verbinden. Das Durchsetzfügen ermöglicht, dass mehrere Lagen jeweiliger Bauteile 10, 12 zuverlässig miteinander verbunden werden können. Da das Durchsetzfügen ohne Wärmezufuhr abläuft, kann ein Verzug in einem durchsetzzufügenden Werkstück zumindest im Wesentlichen vermieden werden. Darüber hinaus können thermisch empfindliche Werkstoffe während des Durchsetzfügens im Nahbereich einer Stelle, an welcher das Durchsetzfügen durchgeführt wird, angeordnet werden.

Vorliegend erfolgt über das Durchsetzfügen eine elektrische Kontaktierung von Batteriezellen 14 des Batterieblocks 16. Der Batterieblock 16 ist vorliegend Teil einer Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs. Mittels der Batterie ist elektrische Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellbar. Um die Batteriezellen 14 elektrisch kontaktieren zu können, werden das erste Bauteil 10 auf das zweite Bauteil 12 in einer Fügerichtung 18 aufeinander gestapelt und die Bauteile 10, 12 werden eine von der Batteriezelle 14 bereitgestellte Matrize 20 in der Fügerichtung 18 überdeckend an der Batteriezelle 14 angeordnet. Anschließend wird, wie in Fig. 1 erkannt werden kann, mittels eines Werkzeugs 22 wenigstens ein Stempel 24 in der Fügerichtung 18 auf eines der Bauteile 10, 12 aufgelegt und die Bauteile 10, 12 an die von der Batteriezelle 14 bereitgestellte Matrize 20 eingedrückt. Hierdurch erfolgt ein Formschluss zwischen den Bauteilen 10, 12 miteinander sowie mit der Matrize 20 der Batteriezelle 14. Nach dem derartigen Durchsetzfügen der Bauteile 10, 12 mit der Batteriezelle 14 wird der Stempel 24 von den Bauteilen 10, 12 entfernt. Es handelt sich bei dem ersten Bauteil 10 um einen ersten Zellableiter, welcher vorliegend aus Kupfer oder Aluminium gebildet ist. Bei dem zweiten Bauteil 12 handelt es sich um einen zweiten Zellableiter, welcher vorliegend aus Aluminium oder Kupfer gebildet ist. Über das Durchsetzfügen sind die Zellableiter elektrisch mit der Batteriezelle 14 kontaktierbar. Über die elektrische Kontaktierung der jeweiligen Batteriezelle 14 kann die kontaktierte Batteriezelle 14 mit weiteren Batteriezellen 14 verschalten werden, insbesondere in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung.

Um die Batterie für das Kraftfahrzeug bereitzustellen, werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist, mehrere Batteriezellen 14 zu dem Batterieblock 16 aneinander angeordnet, insbesondere gestapelt. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass in jeweilige Zellrahmen der Batteriezellen 14 die Matrizen 20 eingebracht werden. Hierbei können die Matrizen 20 in die Zellrahmen eingebracht werden, bevor die Batteriezellen 14 zu dem Batterieblock 16 gestapelt werden oder danach. Bei dem Zellrahmen handelt es sich vorliegend vorteilsgemäß um Kunststoffbauteile. In diese Kunststoffbauteile können die Matrizen 20 beim Herstellen der Kunststoffbauteile geformt werden, beispielsweise während eines Spritzgießverfahrens.

Das erste Bauteil 10 und das zweite Bauteil 12 werden in Fügerichtung 18 übereinander gestapelt und auf den Batterieblock 16 aufgelegt, wodurch die Bauteile 10, 12 mehrere Matrizen 20 in Fügerichtung 18 überdecken. Insbesondere überdecken die Bauteile 10, 12 sämtliche an einer selben Seite des Batterieblocks 16 angeordnete Matrizen 20. Mittels eines Werkzeugs 22, welches vorliegend eine Stempeleinrichtung 26 mit einer Vielzahl an Stempeln 24 umfasst, sind sämtliche an einer gleichen Seite des Batterieblocks 16 angeordnete Matrizen 20 gleichzeitig über das Durchsetzfügen mit den Bauteilen 10, 12 verbindbar. In der vorliegenden Fig. 2 ist die Stempeleinrichtung 26 des Werkzeugs 22 lediglich ausschnittsweise für eine besonders gute Übersichtlichkeit dargestellt. Das Werkzeug 22 umfasst vorliegend eine Aufnahmeeinrichtung, mittels welcher die Mehrzahl an Batteriezellen 14 zu dem Batterieblock 16 aneinander angeordnet aufnehmbar ist. Mittels der Stempeleinrichtung 26 des Werkzeugs 22 sind die Bauteile 10, 12 gleichzeitig über die Vielzahl an Stempeln 24 mit den Matrizen 20 des Batterieblocks 16 durchsetzfügbar. Die Stempeleinrichtung 26 umfasst vorliegend wenigstens genauso viele Stempel 24 wie der Batterieblock 16 an der mit den Bauteilen 10, 12 elektrisch zu kontaktierenden Seite Matrizen 20 aufweist. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, weist das Werkzeug 22 zusätzlich zu der Stempeleinrichtung 26 eine Isolierung 28 auf, mittels welcher die Stempel 24 zueinander sowie zu einer Elektronik des Werkzeugs 22 elektrisch isolierbar sind.

Dem beschriebenen Werkzeug 22, bei welchem es sich um eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Batterie für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug handelt, sowie dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Herstellen von elektrischen Kontaktierungen an Batteriezellen 14 mittels Durchsetzfügen, welches auch als Clinchen bezeichnet werden kann, bei einer beidseitigen Zugänglichkeit für Stempel und Matrize Nachteile hinsichtlich der Zugänglichkeit sowie eine besonders hohe Taktzeit mit sich bringt. Um besonders kurze Taktzeiten beim Herstellen der elektrischen Kontaktierungen umsetzen zu können, ist es vorgesehen, dass bei dem Verfahren zum Bereitstellen der Batterie die Matrizen 20 in den Batterieblock 16 eingebracht werden, sodass direkt in dem Batterieblock 16 hineingeclincht werden kann. Hierbei wird eine einseitige Zugänglichkeit des Batterieblocks 16 für das Durchsetzfügen ausgenutzt. Um die Batteriezellen 14 des Batterieblocks 16 elektrisch zu kontaktieren, wird das Werkzeug 22 angewendet, bei welchem es sich um ein Mehrfachstempelwerkezug handelt, welches alle einer selben Seite des Batterieblocks 16 zugeordneten Clinchpunkte in einem einzigen Takt ausführen kann, wodurch besonders kurze Taktzeiten erreicht werden können. Mittels des Werkzeugs 22 kann eine Isolierung an jeweiligen Fügestellen des Durchsetzfügens eingebracht werden.

Das beschriebene Verfahren ist ein besonders kostengünstiges Fügeverfahren, da lediglich ein einziges Stempelwerkzeug, vorliegend das Werkzeug 22, zu verwenden ist. Darüber hinaus kann ein aufwendiges Matrizenwerkzeug zum Bereitstellen jeweiliger Gegenhalter für die Stempel 24 entfallen. Eine Matrizenintegration in Zellrahmen der Batteriezellen 14 ist bei deren Herstellungsprozess besonders einfach ausführbar. Das beschriebene Werkzeug 22 ist für unterschiedlichste Werkstoffkombinationen und - anordnungen anwendbar. Darüber hinaus ermöglicht das Werkzeug 22 eine besonders hohe Verbindungsqualität und ist mit einer konventionellen Anlagentechnik nutzbar. Das Werkzeug 22 ermöglicht einen besonders einfachen Prozessablauf beim elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen 14.

Insgesamt zeigt die Erfindung, wie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontaktierung von Batteriezellen 14 geschaffen werden können. Bezugszeichenliste

10 erstes Bauteil

12 zweites Bauteil

14 Batteriezelle

16 Batterieblock

18 Fügerichtung

20 Matrize

22 Werkzeug

24 Stempel

26 Stempeleinrichtung

28 Isolierung