连接元件及电存储单元模块的制作方法

本发明涉及一种用于机械连接且电连接到电存储单元的接触元件(特别是袋式单元的接触片)的连接元件，以及一种包括多个电存储单元(特别是袋式单元)的电存储单元模块。

背景技术：

已知的是，电池(主存储)和蓄电池(次存储)用于存储电能，这些由一个或多个电存储单元组成，其中当施加电负载时，化学能在电化学放电反应中转换成电能。在这种情况下，主存储通常仅被充电一次并且必须在放电之后被丢弃，而次存储通过施加负载电流和放电允许几个放电循环。

近年来，主存储和次存储在锂化合物的基础上变得越来越重要。它们具有高能量密度和热稳定性，在低自放电的情况下提供恒定电压并且没有所谓的记忆效应。

一段时间以来，由于其高能量密度，袋式单元一直是汽车工业中密集研究工作的焦点，以便为牵引电池在电动或混合驱动系统中找到合适的技术平台。袋式单元通常由多个并联连接的电流元件组成，其电极由箔片形成并由隔板分开。该装置位于壳体内，壳体也容纳电解质，因此形成基座单元。这通常封闭到外部，使得同样由箔片组成的一个或多个壳体元件通过连结工艺彼此连接以形成壳体，其中柔性接触片从壳体朝向外部引出作为接触元件。

已知将袋式单元堆叠在框架中，并将它们的接触片彼此串联或并联连接在一起，以便实现高电压和/或高电容。

然而，在现有技术中，为每个特定应用生产具有紧固框架的不同壳体。这导致显着的建设和生产费用。而且，使用诸如焊接或螺纹连接的传统连接技术，柔性的、非尺寸稳定的接触片的电气和机械接触实际上是不可能的。另外，框架降低了各个存储单元可以堆叠的密度。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种连接元件，接触元件(例如袋式单元(pouchcell)的接触片)可以以容易且节省空间的方式连接到该连接元件，并且可以实现相对高的能量密度。

根据本发明，上述目的通过开头所述的连接元件实现，所述连接元件包括：至少一个接触容纳部，其在设定方向上开口，用于接收接触元件的至少一部分；以及至少一个夹紧机构，其在压紧位置至少部分地延伸到接触容纳部中，其中，夹紧机构由形状记忆合金形成，能够通过相变转移到压紧位置。

上文提到的电存储单元模块通过以下事实而实现了上述目的：除了多个电存储单元，特别是袋式单元之外，还包括至少一个本发明的连接元件，存储单元的接触元件的至少一部分接收在其容纳部中，并且连接元件在其压紧位置机械地且电气地连接到接触元件。

借助于本发明的连接元件，可以避免传统的连接技术。诸如紧固框架之类的复杂附加元件变得多余，令人惊奇地已经表明，借助于由形状记忆合金形成的夹紧机构可以简单且可靠地产生与电存储单元的接触元件的机械连接且电气连接。这种连接也可以通过袋式单元的接触片以节省空间的方式实现，这在这方面是有问题的，这使得可以在电存储单元模块中具有非常高的堆叠密度的电存储单元，因此具有非常高的能量密度。

根据本发明的解决方案可以通过以下进一步的改进和构造进一步改进，这些改进和构造本身是有利的并且可以根据需要彼此组合。

在一个实施例中，所述至少一个夹紧机构设计成能够通过相变从设定位置转移到压紧位置，在设定位置中，夹紧机构布置在接触容纳部的外部。以这种方式，如果连接元件在其设定位置在设定方向上被放置在电存储单元的接触元件(例如袋式单元的接触片)上，则可以实现无动力组件(“零插入力”)。在设定位置，夹紧机构布置在接触容纳部的外部，使得连接元件可以以无动力方式设置。此后，发生相变，例如通过向夹紧机构施加电流进行加热，由此将形状记忆合金转移到压紧位置，在压紧位置中夹紧机构延伸到接触容纳部中并且将压紧力施加到容纳部中的接触元件上。

在另一实施例中，接触容纳部可布置在两个夹持爪之间。夹持爪可以具有支承表面，该支承表面指向容纳部，即面向相对的夹持爪，并且还可以具有与支承表面相对的外表面。以这种方式，一个夹持爪的支承表面可以形成止动件，该止动件产生相反的力，用于延伸到接触容纳部中的夹紧机构。夹持爪，特别是它们的支承表面可以基本上彼此平行地布置，这允许非常紧凑的设计。在这种配置中，夹持爪之间的间距，特别是它们的支承表面之间的间距可以非常小。如果间距大于接收在容纳部中的接触元件的部分的厚度，则对于无动力组件就足够了。

在一个实施例中，两个夹持爪可以通过结合部(yoke)彼此连接。以这种方式，获得了可以一件式处理的连接元件。结合部可以基本垂直于插入方向延伸，其中可以形成接收孔，该接收孔与结合部相对并且接触元件可以通过该接收孔插入接触容纳部中。在一个实施例中，连接元件可具有基本上u形的横截面，其中两个夹持爪构成肢体，并且结合部构成u形横截面的连接。

根据另一实施例，至少一个夹紧机构可布置在夹持爪中的一个处，这允许紧凑的组装，因为夹紧机构直接布置在连接元件的结构元件处，其接合并形成接触容纳部。夹紧机构可以与夹持爪一体地构造。在该实施例中，完整的夹持爪由形状记忆合金形成。由于形状记忆合金的材料是昂贵的，在成本优化的实施例中，夹持爪可以设置有凹部，夹紧机构插入该凹部中。一体构造的优点在于省去了用于插入夹紧装置的附加工作步骤。

根据另一实施例，至少一个夹紧机构可以布置在夹持爪的平面中的设定位置，这允许紧凑的组装和窄的堆叠，因为在该实施例中连接元件的厚度对应于除了接触容纳部的高度之外，仅限于两个夹持爪的厚度。另外，在该实施例的情况下，配置低温相(马氏体)相对简单，其优选地对应于压紧位置，通过在寒冷时使夹紧机构变形以使其被压入夹紧机构的平面中。

替代配置也是可能的，例如夹紧机构从夹持爪的平面伸出外表面，例如弯曲地伸出。

根据另一实施例，至少两个夹紧机构可布置在夹持爪中的一个处。以这种方式，可以通过夹持爪，特别是其支承表面分配所产生的压紧力。例如，多个夹紧机构可横向于插入方向布置，例如在一个夹持爪处垂直于插入方向。在这种情况下，夹紧机构可以均匀地分布在夹板的宽度上，因此可以在接触容纳部中产生均匀的压紧力。

为了增加压紧力，可以在两个夹持爪中的每一个处设置至少一个夹紧机构。以这种方式，一个夹紧机构在一个夹持爪处沿其延伸到接触容纳部中的方向产生第一压紧力，而另一个夹持爪处的另一个夹紧机构从另一个夹持爪向外产生逆着所述方向的压紧力。

在相互相对的夹持爪处的夹紧机构可以在一个实施例中以对称地相互对齐的方式布置，也就是说相对于接收在接触容纳部中的接触元件的一部分镜面对称地放置。替代地，夹紧机构可以在彼此面对的夹持爪处相对于彼此以不对称地相互偏移的方式布置。对称的布置使得可以选择性地实现特别高的压紧力，而不对称的偏移布置使得压紧力在接收在接触容纳部中的接触元件的部分上产生特别均匀的分布。

在至少一个夹持爪中形成凹槽的另一实施例的情况下也可以实现压紧力的良好分配。该凹槽为夹持爪提供一定的柔性，即可变形性，特别是在由夹持爪跨越的平面中，由此夹持爪可以适应于施加的压紧力，并且以这种方式可以更好地分配压紧力。在一个实施例中，凹槽可以在插入孔的方向上延伸，这改善了横向于凹槽的柔性。

根据一个实施例，至少两个夹紧机构可以布置在夹持爪中的一个处，并且凹槽可以至少部分地在相邻的夹紧机构之间延伸。通过这种方式，夹持爪的夹紧机构相对于它们施加的压紧力部分地脱开，并且由布置在夹持爪处的所有夹紧机构总共施加的压紧力更均匀地分布在夹持爪上，特别是其支承表面上。

在具有两个夹持爪的一个实施例中，夹持爪通过结合部彼此连接，凹槽可以远离连接两个夹持爪的结合部延伸，例如在插入孔的方向上。由于附接到结合部的夹持爪的区域通过该附接特别坚固，因此在该实施例的情况下，在夹持爪的区域中精确地实现了更高的柔性，是特别有利的。

在另一个实施例中，凹槽可以穿过结合部并且由此连接两个夹持爪。借助于这种凹槽，连接元件获得梳状构造，其具有良好的柔性，特别是沿着结合部延伸的方向。

根据另一实施例，至少一个夹紧机构可具有压板。压板可以在压紧位置向内弯曲到接触容纳部中。这样的曲率选择性地集中压紧力，并且由于夹紧机构在其高温相(奥氏体)中在温度和压力下压印(impress)，这通常对应于压紧位置，因此在结构方面易于制造。

形状记忆合金是特殊金属，可以以两种不同的晶体结构(相)存在。它们也被称为记忆金属，它源于这样一个事实，即尽管随后变形，它们仍能“记住”早期的形状。

形状记忆合金通常取决于温度，具有两种不同的结构(相)。因此，形状变化基于与这两种晶体结构之一的温度相关的晶格转换。存在称为奥氏体的高温相和低温相马氏体。两个相可以通过温度变化相互融合。通常，夹紧机构的压紧位置在高温下压印。随后，夹紧机构在寒冷时变形，使得它被转移到其设定位置。

从设定位置(马氏体)到压紧位置(奥氏体)的结构转换通常在热条件下进行，例如通过夹紧机构在电流下稍微加温。结果，它返回到其高温相并从设定位置转移到压紧位置。

通过合适的合金选择，使得形状记忆合金能够记住两种形状，对应于压紧位置的奥氏体和对应于设定位置的马氏体的双向效果，可以实现夹紧机构从设定位置可逆地转移到压紧位置并返回。这允许本发明的连接元件的简单更换和改进维护。

根据一个实施例，所述至少一个夹紧机构可以由形状记忆合金形成，所述形状记忆合金选自由镍-钛，镍钛合金，镍-钛-铜，铜-锌，铜-锌-铝和铜-锌-镍组成的组。材料的选择尤其取决于要产生的压紧力，或取决于待接收在接触容纳部中的接触元件的部分的材料。

为了产生特别高的压紧力，在另一个实施例中，本发明的连接元件可以设置有再成形部分，该再成形部分可以以粘合和/或形状配合的方式连接到接收在接触容纳部中的接触元件的部分。例如，连接元件可以设置有铆接片。替代地，焊接部分可以布置在连接元件处，特别是其在插入方向上延伸的边缘，连接元件可以焊接到接触元件的一部分上。

根据本发明的具有在高温相处于压紧位置的夹紧机构的连接元件的一个优点在于，夹紧机构在高温下始终在高温相的方向上松弛，因此，在电流的作用下(当对存储单元充电或放电时)，移出到其压紧位置中。这是一种自动复位的夹紧机构，它具有耐磨性，因此可以长时间可靠地使用，即使在机动车辆中出现的恶劣条件下也是如此。

在下文中，参考附图使用有利的配置和进一步的发展更详细地解释根据本发明的解决方案。这里示出的进一步发展和配置可以彼此组合并且根据需要省略，这取决于在特定应用中期望哪些优点。

附图说明

在下文中，相同的附图标记用于在功能和/或配置方面彼此对应的元件。

在附图中：

图1示出了根据第一实施例的本发明的连接元件的示意性透视图，该连接元件设置在电存储单元的接触元件上；

图2示出了图1的连接元件沿剖面线a-a的截面图，即与设定方向平行的截面图；

图3a示出了来自第二实施例的连接元件的示意图，其处于与设定方向平行的横截面中的设定位置；

图3b示出了来自第二实施例的连接元件的示意图，其处于与设定方向平行的横截面中的压紧位置；

图4a示出了来自第三实施例的连接元件的示意图，其处于与设定方向平行的横截面中的设定位置；

图4b示出了来自第三实施例的连接元件的示意图，其处于与设定方向平行的横截面中的压紧位置；

图5a示出了来自第四实施例的连接元件的示意图，其处于与设定方向垂直的纵向截面中的设定位置；

图5b示出了来自第四实施例的连接元件的示意图，其处于与设定方向垂直的纵向截面中的压紧位置；

图6a示出了来自第五实施例的连接元件的示意图，其处于与设定方向垂直的纵向截面中的设定位置；

图6b示出了来自第五实施例的连接元件的示意图，其处于与设定方向垂直的纵向截面中的压紧位置。

具体实施方式

图1和2示出了用于与电存储单元3的接触元件2机械和电连接的连接元件1的第一实施例。在所示的实施例中，电存储单元3是袋式单元4，其接触元件2设计为柔性接触片5。图1和2示意性地描绘了电存储单元模块6，其包括多个电存储单元3，在所示的示例中为三个。

连接元件1具有容纳部7。容纳部7在设定方向8上开口并且构造成接收接触元件2的至少一部分。

为了取向，在图1中画出了xyz坐标系。这里的x轴对应于连接元件1的纵向方向l。y轴对应于连接元件1的宽度b或深度。设定方向a平行于宽度b延伸，并且相对于坐标系与图1中的y轴方向相反取向。最后，z轴对应于连接元件1或其容纳部7的高度h。

连接元件1还包括至少一个夹紧机构9，在图1和2的实施例中存在四个夹紧机构9，它们通过示例的方式示出。夹紧机构9在压紧位置10(作为示例，在图1，图3b，图4b，图5b和图6b中)延伸到接触容纳部7中。在压紧位置10中，夹紧机构9施加压紧力11，该压紧力11被引导到接触容纳部7中。夹紧机构9将压紧力11施加到接触元件2上，该接触元件2放置在接触容纳部7中，使得连接元件1机械地且电气地连接到存储单元3的接触元件2。

在图1中，在示例性存储单元模块6的情况下，连接元件1设置在三个袋式单元4的两个接触片5中的每一个上，使得袋式单元4的接触片5的一部分接收在所述连接元件的接触容纳部7中，并且在压紧位置10上机械地且电气地连接到接触片5。通过各种袋式单元相对于彼此的相应布置，袋式单元4可以简单地彼此串联和并联连接，以形成期望的存储电池模块6。存储单元3的堆叠沿z方向构建，并且两行接触片5分别形成有电连接和机械连接到其的连接元件1。

根据本发明的连接元件1的夹紧机构9由形状记忆合金形成，其可通过相变转移到压紧位置10。为了将其机械地且电气地连接到存储单元3的接触元件2，至少一个夹紧机构1可以设计成可以从设定位置13通过相变转移到压紧位置10，在设定位置13中，它设置在接触容纳部7的外部，在压紧位置10中，它延伸到接触容纳部7中。在图2中，示出了根据本发明的第一实施例的连接元件1在其设定位置13，其中夹紧机构9在这种情况下例如远离接触容纳部7向外弯曲。

由于接触元件2的厚度或高度h1小于接触容纳部7的内部宽度或高度h2，因此在设定位置13，连接元件1可以在设定方向8上以无动力的方式被推入到接触元件2的远端12上。在连接元件1设定之后，使得接触元件2的至少一部分接收在接触容纳部7中，夹紧机构9从其设定位置13转移到其压紧位置10，例如，通过施加电流使其稍微加温，从而转移到其高温相。

在所示的实施例中，夹紧机构9具有压板20，压板20在压紧位置10处向内弯曲到接触容纳部7中。在图1和2的示例性实施例中，压板20在设定位置13处向外弯曲出夹持爪14的外表面。

形成夹紧机构9的形状记忆合金可以例如选自由镍-钛，镍钛合金，镍-钛铜，铜-锌，铜-锌-铝，和铜-锌-镍组成的组，取决于制造接触元件2的材料或者需要哪种电气和机械性能。

在所示的实施例中，接触容纳部7例如布置在连接元件1的两个夹持爪14，14a之间。夹持爪14，14a具有支承表面15，该支承表面15面向接触容纳部7，并且还具有与该支承表面15相对的外表面16，其远离接触容纳部7向外。两个夹持爪14，14a都构造为夹板并且基本上彼此平行地布置。如示例性实施例中所示，它们可以通过结合部17彼此连接。结合部17基本上垂直于设定方向8延伸，也就是说沿纵向方向l延伸并且与插入孔18相对，接触元件2的远端12通过插入孔18插入到接触容纳部7中。如图2和下面的图所示，连接元件1因此可以具有u形横截面并且以搭扣或夹具的方式构造，其中两个夹持爪14，14a经由结合部17连接，并且可以在高度方向h上弹性偏转。

夹紧机构9布置在夹持爪中的一个处，在图1和2的第一实施例中布置在夹持爪14处。这里，由形状记忆合金形成的夹紧机构9可以与夹持爪14一体地构造。在这种情况下，完整的夹持爪14由形状记忆合金构成。还可以在夹持爪14的凹部(未示出)中插入形状记忆合金的嵌体，以便节省形状记忆合金的材料和/或具有使用与形状记忆合金不同的材料用于夹持爪14，14a的可能性，以满足一定的要求(硬度，弹性，对某些物质的抵抗力等)。

至少两个夹紧机构9可布置在夹持爪14，14a处。在图1和2的示例性实施例中，总共四个夹紧机构9布置在夹持爪14处。四个夹紧机构9横向于插入方向8即在纵向方向l上彼此相邻地布置。夹紧机构9可以均匀地分布在整个夹持爪14上，以便产生尽可能均匀的压紧力11。

如果一个或多个夹紧机构9布置在至少一个夹持爪14上，而与所述夹持爪相对的另一夹持爪14没有夹紧机构(图1和2的示例性实施例)，则抵消压紧力11的相反的力通过相对的夹持爪14a施加。在所示的实施例中，由于夹具或搭扣形状的构造和与之相关的弹簧设计，相反的力得以增强。

如果机械和电气连接需要特别高的压力，则连接元件可另外设置有铆接，压接或焊接部分(未示出)，连接元件以这样的方式配置，使得除了压紧力11之外，它可以还以形状配合和/或粘接的方式连接到接触元件。用于铆接，压接或焊接的部分可以优选地布置在夹持爪14，14a的边缘区域处，其指向并且分别与纵向方向l相反。

如图1和图2所示，可以在连接元件1的夹持爪14中形成凹槽19。作为示例，凹槽可沿插入方向8延伸。在图1和2的实施例中，在每种情况下，凹槽19布置在夹持爪14的两个相邻的夹紧机构9之间。以这种方式，实现了夹紧机构9的压紧力11的更均匀的分布，因为凹槽19在其平面中提供了夹持爪14的灵活性，该平面跨越长度l和宽度b。

在所示的实施例中，凹槽19从结合部17沿插入孔18的方向伸出。因此，凹槽19使夹持爪14具有梳状设计，这使得夹持爪14即使在结合部17处的其他稍微刚性的区域中也具有一定的柔性。替代地，曲折设计也是可能的，其中例如从插入孔18出来的中间凹槽19沿着插入方向8在结合部17的方向上延伸。

连接元件1在由纵向和宽度方向形成的平面中的柔性可以进一步增强，因为凹槽19穿过结合部19以及两个夹持爪14，14a。

因此，根据本发明的连接元件1允许存储单元3的接触元件2(例如袋式单元4的接触片5)的有效且节省空间的机械和电气连接。结果，存储单元3可以非常紧密地封装在存储单元模块中，并且可以提供具有高能量密度的存储单元模块6。

夹紧机构9从其设定位置13到其压紧位置10的相变和转移将在下文中特别参考图3a至6b更详细地讨论。

在图3a和3b中，以横截面示出了根据第二实施例的连接元件1。在图3a中，连接元件1处于其设定位置13，其中夹紧机构9分别布置在夹持爪14和14a的平面中。

在图3b中，连接元件1示出为处于压紧位置10，其中在形状记忆合金发生相变之后，夹紧机构9延伸到接触容纳部7中。

在图3a和3b的实施例中，在每种情况下，夹紧机构9布置在每个夹持爪14，14a处。因此，两个夹持爪9从两侧主动地将压紧力11施加到接触容纳部7中的接触元件2上。

为了使形状记忆合金在设定位置13和压紧位置10上都具有夹紧机构9的所需空间构造，夹紧机构9首先可以在温度和压力下以其压紧位置10的构造进行压花，其中所述夹紧机构延伸到接触容纳部7中。该构造对应于高温相。

随后，夹紧机构9在寒冷时变形，使得其成形为在接触容纳部7之外，在图3a和3b的实施例中作为示例，使得它形成在夹持爪14，14a的平面中。该构造对应于冷温相。

为了使夹紧机构9从冷温相返回到高温相，夹紧机构可以在电流下稍微加温，由此减小形状记忆合金中的内应力并且进行相转换。

在图4a和4b中，示出了连接元件1的第三示例性实施例。

该实施例基本上对应于图1和2的实施例，唯一的例外是夹紧机构9在图4a和4b的实施例的情况下在夹持爪14的平面中布置在其压紧位置13，而不如图1和2中的实施例的情况那样向外弯曲。

在图3b和4b中，由冷温相的夹持爪14，14a形成的接触容纳部7的空间(即图3a和4a)部分地由虚线描绘，其示出了夹紧机构9在压紧位置10中延伸到接触容纳部7中，例如向内弯曲。

最后，参考图5a和6b，将提到根据本发明的连接元件1的其他示例性实施例。在图5a和6b中，连接元件1以纵向截面示出，也就是说示出为沿纵向l切割。另外，在图5a和6b中省略了接触元件2。

在这些实施例中，每个夹持爪14设置有多个夹紧机构9，使得如果连接元件位于其压紧位置10中，则压紧力11在两侧主动地指向接触容纳部7中。

在图5a和5b的实施例中，夹紧机构9以对称地相互对齐的方式布置在彼此面对的夹持爪14，14a处。结果，相对的夹紧机构9的压紧力11基本上以它们在公共点处相遇的方式抵消。

与此相反，在图6a和6b的示例性实施例中，夹紧机构9以对称地相互偏移的方式布置在彼此面对的夹持爪14，14a处，由此通过接触容纳部7可以实现更均匀的压紧力分布11。

附图标记列表

1连接元件

2接触元件

3电存储单元

4袋式单元

5接触片

6电存储单元模块

7接触容纳部

8设定方向

9夹紧机构

10压紧位置

11压紧力

12接触元件的远端

13设定位置

14夹持爪

14a夹持爪

15支承表面

16外表面

17结合部

18插入孔

19凹槽

20压板

a设定方向

b宽度/深度

h高度

h1接触元件的高度

h2接触容纳部的高度

l纵向方向

xx轴

yy轴

zz轴