DE102009016573B4

DE102009016573B4 - Verfahren zum zusammenbauen einer batterie

Info

Publication number: DE102009016573B4
Application number: DE102009016573.8A
Authority: DE
Inventors: Derek R. Weber; Alastair Gordon Anderson; Steven J. Spencer; Paul F. Spacher
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: DE102009016573A1

Abstract

Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie, umfassend,
- dass eine Vielzahl von Batteriekühlplatten (202) vorgesehen wird, die in einer Gestellform miteinander verbunden sind, wobei ein Raum zwischen den Batteriekühlplatten (202) vorgesehen ist, der ausreichend ist, um zwei Batteriezellen (210, 212) aufzunehmen,
- dass ein Federelement (214) zwischen zwei Batteriezellen (210, 212) schichtartig angeordnet wird, um eine Batteriepaket-Baugruppe (208) bereitzustellen,
- dass die Batteriepaket-Baugruppe (208) zusammengepresst wird, so dass die Dicke der Batteriepaket-Baugruppe (208) in dem zusammengepressten Zustand kleiner als die Distanz zwischen zwei benachbarten Batteriekühlplatten (202) in dem Gestell ist,
- dass die Batteriepaket-Baugruppe (208) zwischen zwei benachbarte Batteriekühlplatten (202) geschoben wird, und
- dass, sobald die Batteriepaket-Baugruppe (208) zwischen zwei benachbarten Batteriekühlplatten (202) in dem Gestell positioniert ist, das Federelement (214) eine Ausdehnung erfährt, um die erste Batteriezelle (210) gegen die erste Kühlplatte (202) und die zweite Batteriezelle (212) gegen die zweite Batteriekühlplatte (202) zu pressen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 61/043,614 , die am 09. April 2008 eingereicht wurde.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie. Das Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst insbesondere Batterien und deren Komponenten sowie Verfahren zu deren Herstellung und Zusammenbau, und insbesondere Batteriekühlplatten oder -rippen.
HINTERGRUND
Für den effizienten Betrieb einiger Batterien, beispielsweise Lithiumionenbatterien, kann es erwünscht sein, die Batterie zu kühlen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein flüssiges Kühlmittel durch eine Kühlplatte oder -rippe geführt wird, die benachbart einer Batteriezelle positioniert oder zwischen Batteriezellen angeordnet sein kann. Da der kommerzielle Gebrauch derartiger Batterien zunimmt, werden effektive Verfahren zum Herstellen ihrer Komponenten sowie Montagebetriebsabläufe bei der Herstellung immer wichtiger.
Die EP 1 387 424 A2 lehrt einen Brennstoffzellenstapel, bei welchem Energieerzeugungszellen, Endplatten und erste und zweite Kühlzellen vorgesehen sind. Die ersten und zweiten Kühlzellen sind zwischen den Endplatten ausgebildet. Es wird eine Kühlflüssigkeit den ersten Kühlzellen zugeführt, um die Energieerzeugungszellen zu kühlen. Eine vorbestimmte Anzahl von Energieerzeugungszellen ist zwischen einer jeweiligen ersten Kühlzelle und einer jeweiligen zweiten Kühlzelle angeordnet.
Die EP 1 577 966 A2 offenbart eine Akkumulatoreinrichtung, welche von einer Mehrzahl von Rahmenelementen gebildet wird. Jedes Rahmenelement enthält eine Kühlstruktur und ist ausgebildet, eine jeweilige Akkumulatorzelle aufzunehmen. Die Akkumulatorstruktur wird von einem Stapel aufeinander folgender Rahmen und mithin von einer Abfolge von Akkumulatorzellen und Kühlstrukturen gebildet. Die Kühlstrukturen direkt benachbarter Rahmen können über eine Durchgangsstruktur miteinander fluidisch verbunden sein.
Die WO 1999/05746 A1 betrifft eine Energiespeichereinrichtung und beschreibt einen Batteriezellenstapel, bei welchem zwischen direkt benachbarten Zellenelementen ein Federelement ausgebildet ist, um Verschiebungen zu kompensieren, die auf Grund verschiedener Volumina der Einzelzellen im geladenen und im ungeladenen Zustand auftreten können.
Die US 4,060,670 A beschreibt eine Anordnung flacher Batteriezellen, bei welcher zur Verbesserung der Kontaktierung zwischen benachbarten Batteriezellen in einem Zellstapel sowie zwischen endständigen Batteriezellen und einem externen elektrischen Abgriff Kontaktelemente ausgebildet sind.
Die DE 602 13 474 T2 zeigt Vorrichtungen und Verfahren zur Temperatursteuerung bei elektrochemischen Zellen. Bei einer dort beschriebenen Anordnung ist ein so genannter Kühlbalg vorgesehen, welcher schlangenförmig ausgebildet ist und bei welchem in Zwischenräume einzelne einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Verfahren zum Zusammenbauen von Batterien anzugeben, die besonders effektive sind.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und alternativ dazu erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 2 gelöst.
Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Zusammenbauen von Batteriekühlplatten, die in einer Gestellform miteinander verbunden sind, wobei zwischen Kühlplatten ein Raum vorgesehen ist, der ausreichend ist, um zwei Batteriezellen aufzunehmen. Zwischen zwei Batteriezellen ist ein Federelement schichtartig angeordnet, um eine Batteriepaket-Baugruppe bereitzustellen, die zusammengepresst wird, so dass die Dicke der Batteriepaket-Baugruppe in dem zusammengepressten Zustand kleiner als die Distanz zwischen zwei benachbarten Kühlplatten in dem Gestell ist. Die Batteriepaket-Baugruppe wird dann zwischen zwei benachbarte Kühlplatten geschoben, und sobald die Batteriepaket-Baugruppe zwischen zwei benachbarten Kühlplatten in dem Gestell positioniert ist, dehnt sich das Federelement aus, um die erste Batteriezelle gegen die erste Kühlplatte und die zweite Batteriezelle gegen die zweite Kühlplatte zu pressen.
Eine andere beispielhafte Ausführungsform umfasst ein Verfahren, das umfasst, dass ein einzelnes Substrat vorgesehen wird, das eine Vielzahl beabstandeter Batteriekühlplatten, die darin definiert sind, besitzt. An einer oder beiden Seiten jeder Kühlplatte kann eine Batteriezelle angebracht sein. Das Substrat umfasst einen Verbindungsabschnitt, der benachbarte Kühlplatten miteinander koppelt, und der Verbindungsabschnitt umfasst zumindest einen Kühlkanal, der mit jeder der benachbarten Kühlplatten kommuniziert. Die Anordnung sieht mehrere Kühlplatten vor, die als eine Komponente in Reihe ausgebildet sind. Das Substrat kann an dem Verbindungsabschnitt derart gebogen werden, dass benachbarte Kühlplatten und die die daran angebrachten Batterien in einer übereinanderliegenden Position in Bezug zueinander vorgesehen werden können.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgend vorgesehenen detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
Figurenliste
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

1 ein Verfahren zum Zusammenbau einer Batterie unter Verwendung eines Kühlplattengestells und einer Batteriepaket-Baugruppe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
2 eine Explosionsdarstellung einer Batteriepaket-Baugruppe und zugeordneter Halter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
3 eine Darstellung einer Halter-Batteriepaket-Baugruppe in einem zusammengepressten Zustand gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
4 ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
5A ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
5B ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
5C ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
5D ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
6 ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Abschnitts einer Batterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
7 ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Abschnitts einer Batterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
8 ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt; und
9 ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter (illustrativer) Natur und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Nun Bezug nehmend auf die 1 bis 5 umfasst eine beispielhafte Ausführungsform ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung, die eine Vielzahl von Batteriezellen und Kühlplatten aufweist. Wie in 1 gezeigt ist, kann bei einer illustrativen Ausführungsform eine Kühleranordnung 200 vorgesehen sein, die eine Vielzahl von Kühlplatten 202, die darin definierte Kühlfluidströmungspfade besitzen, und eine erste Serie von Komponenten 204, um einen ersten Verteilerabschnitt bereitzustellen, und eine zweite Serie von Komponenten 206 aufweist, um einen zweiten Verteiler bereitzustellen, und zwar um Kühlfluid von einer Kühlplatte zu der nächsten Kühlplatte in Reihe zu führen. Zwischen den benachbarten Hauptkörperabschnitten von Kühlplatten 202 kann ein Raum 224 vorgesehen sein, in den eine Batteriepaket-Baugruppe 208 eingesetzt werden kann.
Nun Bezug nehmend auf 2 kann bei einer beispielhaften Ausführungsform die Batteriepaket-Baugruppe 208 eine erste Batteriezelle 210 und eine zweite Batteriezelle 212 aufweisen. Zwischen der ersten Batteriezelle 210 und der zweiten Batteriezelle 212 kann ein Federelement 214 angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform kann das Federelement 214 ein oder mehrere wellenförmige Substrate zum Aufbringen einer Vorspannkraft gegen sowohl die erste Batteriezelle 210 als auch die zweite Batteriezelle 212 umfassen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Feder 214 ein nachgiebiger Schaum, ein Kautschuk bzw. Gummi oder ein elastomeres Material sein. Sowohl die erste Batteriezelle 210 als auch die zweite Batteriezelle 212 können einen ersten Anschluss 218 und einen zweiten Anschluss 220 aufweisen. Die erste Batteriezelle 210, das Federelement 214 und die zweite Batteriezelle 212 können durch einen oder mehrere Halter 216 in einem zusammengepressten Zustand aneinander gehalten werden. Bei einer Ausführungsform können mehrere Halter 216 verwendet werden. Bei einer Ausführungsform können die Batteriepaket-Baugruppe 208 und der Halter 216 durch eine hydraulische Klemme 500 aneinander gehalten werden. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Halter-Batteriepaket-Baugruppe 222, bei der die erste Batteriezelle 210, das Federelement 214 und die zweite Batteriezelle 212 in einem zusammengepressten Zustand aneinander gehalten werden.
Nun Bezug nehmend auf 4 kann bei einer beispielhaften Ausführungsform die Halter-Batteriepaket-Baugruppe 222 dazu verwendet werden, die Batteriepaket-Baugruppe 208 in den zwischen den Hauptkörperabschnitten von benachbarten Kühlplatten 202 vorgesehenen Raum 224 einzusetzen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Halter-Batteriepaket-Baugruppe 222 über benachbarten Kühlplatten 202 angeordnet werden, so dass die Halter 216 zumindest teilweise auf einem Abschnitt der benachbarten Kühlplatten 202 aufliegen. Die Halter-Batteriepaket-Baugruppe 222 kann derart positioniert sein, dass die Batteriepaket-Baugruppe 208 mit dem Raum 224 ausgerichtet ist, und die Batteriepaket-Baugruppe 208 kann abwärts in den Raum 224 geschoben werden, so dass die Batteriepaket-Baugruppe 208 vollständig in dem Raum 224 aufgenommen ist und das Federelement 214 die erste Batteriezelle gegen eine erste Kühlplatte treibt und so dass das Federelement 214 die zweite Batteriezelle 212 gegen eine zweite benachbarte Kühlplatte 202 treibt, um die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen 210, 212 in den Kühlplatten 204 zu fördern.
Nun Bezug nehmend auf 5A kann eine elektrische, pneumatische oder hydraulische Montagespannklemmeinrichtung 500 die Halter 216 um das Batteriepaket 208 herum, das die erste und zweite Batteriezelle 210, 212 mit der Feder dazwischen aufweist, schließen. Die Montagespanneinrichtung 500 presst das Batteriepaket 208 (5B) zusammen und wird dann dazu verwendet, das Batteriepaket 208 zwischen zwei Kühlplatten 202 des Gestells einzusetzen (5C). Sobald das Batteriepaket 208 in das Gestell eingesetzt worden ist, wird die Montagespanneinrichtung 500 geöffnet, so dass die Halter 216 ihren Griff auf das Batteriepaket 208 freigeben.
Nun Bezug nehmend auf die 6 bis 9 umfasst eine andere beispielhafte Ausführungsform ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieanordnung, die eine kontinuierliche Komponente 300 aufweist, die mehrere in Reihe ausgebildete Kühlplatten aufweist. Die kontinuierliche Komponente 300 kann ein erstes Substrat 302 aufweisen, das zumindest teilweise eine Vielzahl von Kühlplatten und dazwischen verlaufenden Verbindungsabschnitten definiert. Ein zweites Substrat (nicht gezeigt) kann gestanzt bzw. geprägt oder anderweitig geformt werden, um ein Muster aus Stegen und Kanälen zu definieren. Das erste Substrat 302 kann die Stege und Kanäle bedecken. Beispielsweise kann das erste Substrat 302 zumindest einen Abschnitt einer ersten Kühlplatte 304, einen ersten Verbindungsabschnitt 306, der davon weg führt und mit einer zweiten Kühlplatte 308 verbunden ist, einen zweiten Verbindungsabschnitt 310, der davon weg führt und mit einer dritten Kühlplatte 312 verbunden ist, und einen dritten Verbindungsabschnitt 314, der davon weg führt und mit einer vierten Kühlplatte 316 verbunden ist, und einen vierten davon wegführenden Verbindungsabschnitt 318 definieren. Das Muster einer ersten Kühlplatte und eines Verbindungsabschnitts, der davon weg führt und mit einer zweiten Kühlplatte verbunden ist, kann abhängig von der Größe der herzustellenden Batterieanordnung mehrmals wiederholt werden. Die Verbindungsabschnitte 306, 310, 314, 318 können variierende Größen besitzen und können an verschiedenen Orten positioniert sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform können der erste Verbindungsabschnitt 306, der zweite Verbindungsabschnitt 310, der dritte Verbindungsabschnitt 314 und der vierte Verbindungsabschnitt 318 durch Formen eines ersten Fensters 320, eines zweiten Fensters 322, eines dritten Fensters 324 und eines vierten Fensters 326 in dem Substrat 302 bereitgestellt werden, so dass die Verbindungsabschnitte 306, 310, 314 und 318 eine Höhe besitzen, die im Wesentlichen geringer als die der Kühlplatten 304, 308, 312, 316 ist, und so dass die Verbindungsabschnitte leicht um 180° gebogen werden können. Es wird zumindest ein Kühlpfad 328 durch die Kühlplatten 304, 308, 312, 316 und die Verbindungsabschnitte 306, 310, 314 und 318 vorgesehen. Eine erste Batteriezelle 330 kann über einer ersten Seite 332 einer Kühlplatte 304 positioniert sein. Bei einer Ausführungsform ist die erste Batteriezelle 330 beispielsweise durch Verwendung eines thermisch leitenden Klebstoffes an der ersten Seite 332 angebracht. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Batteriezelle 330 schichtartig in Position angeordnet sein, wenn das Substrat 302 gebogen ist. Gegebenenfalls kann eine zweite Batterie 334 über einer zweiten Seite 336 einer Kühlplatte 304 positioniert werden. Die Batteriezellen können an der ersten Seite 332 und/oder der zweiten Seite 336 von jeder der Kühlplatten angebracht oder benachbart der ersten Seite 332 und/oder der zweiten Seite 336 von jeder der Kühlplatten positioniert sein.
Bei einer Ausführungsform, bei der Batteriezellen an sowohl der ersten Seite 332 als auch der zweiten Seite 336 jeder Kühlplatte angebracht sind, können die Verbindungsabschnitte um 180° gebogen sein, so dass die Batteriezellen, die an der ersten Seite 332 von benachbarten Kühlplatten angebracht sind, unmittelbar benachbart zueinander positioniert sind. Beispielsweise kann eine Batteriezelle 330 an jeder der ersten Seiten 332 der ersten Kühlplatte 304 angebracht sein, und eine andere Batteriezelle 330 kann an einer zweiten Kühlplatte 308 angebracht sein, wobei der erste Verbindungsabschnitt 306 derart gebogen sein kann, dass eine Blockierung des Kühldurchganges 328, der durch den ersten Verbindungsabschnitt 306 verläuft, vermieden wird, so dass die ersten Batteriezellen 330 unmittelbar benachbart zueinander liegen. Anschließend kann der zweite Verbindungsabschnitt 310 in der entgegengesetzten Richtung gebogen werden, so dass die zweite Batteriezellen 330 an jeder der zweiten Seite 336 der zweiten Kühlplatte 308 und der dritten Kühlplatte 312 unmittelbar benachbart zueinander liegen.
Dieses Verfahren zum Biegen der Verbindungsabschnitte kann so lange wiederholt werden, bis eine Batterie mit ausreichender Größe gebildet worden ist.
8 veranschaulicht eine andere beispielhafte Ausführungsform, die ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie unter Verwendung einer kontinuierlichen Komponente 300, die einen darin definierten Kühlfluidströmungspfad 328 aufweist, umfasst, wobei die kontinuierliche Komponente 300 an Orten A und B gebogen sein kann und dazu verwendet werden kann, eine Batterie auf eine Art und Weise herzustellen, die ähnlich der ist, die in den 6 bis 7 beschrieben ist.
9 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform, die ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie unter Verwendung einer kontinuierlichen Komponente 300 umfasst, die Kühlfluidströmungspfade 328 darin aufweist, um eine Vielzahl von Kühlplattenteilen zu definieren (einzeln definiert durch Linien C, D und E). Es können jeweils ein Einlassverteilerströmungspfad 900 und ein Auslassverteilerströmungspfad 902 für Kühlfluid vorgesehen sein, die mit jedem der Kühlplattenteile C, D und E kommunizieren. Die kontinuierliche Komponente 300 kann allgemein an der Überschneidung der Linien C-D und D-E gebogen sein und dazu verwendet werden, eine Batterie auf eine Art und Weise herzustellen, die ähnlich der ist, wie in den 6 bis 7 beschrieben ist.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen derselben nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie, umfassend, - dass eine Vielzahl von Batteriekühlplatten (202) vorgesehen wird, die in einer Gestellform miteinander verbunden sind, wobei ein Raum zwischen den Batteriekühlplatten (202) vorgesehen ist, der ausreichend ist, um zwei Batteriezellen (210, 212) aufzunehmen, - dass ein Federelement (214) zwischen zwei Batteriezellen (210, 212) schichtartig angeordnet wird, um eine Batteriepaket-Baugruppe (208) bereitzustellen, - dass die Batteriepaket-Baugruppe (208) zusammengepresst wird, so dass die Dicke der Batteriepaket-Baugruppe (208) in dem zusammengepressten Zustand kleiner als die Distanz zwischen zwei benachbarten Batteriekühlplatten (202) in dem Gestell ist, - dass die Batteriepaket-Baugruppe (208) zwischen zwei benachbarte Batteriekühlplatten (202) geschoben wird, und - dass, sobald die Batteriepaket-Baugruppe (208) zwischen zwei benachbarten Batteriekühlplatten (202) in dem Gestell positioniert ist, das Federelement (214) eine Ausdehnung erfährt, um die erste Batteriezelle (210) gegen die erste Kühlplatte (202) und die zweite Batteriezelle (212) gegen die zweite Batteriekühlplatte (202) zu pressen.
Verfahren zum Zusammenbauen einer Batterie, umfassend, - dass ein einzelnes Substrat (302) vorgesehen wird, das eine Vielzahl darin definierter, beabstandeter Batteriekühlplatten (304, 308, 321, 316) aufweist, wobei das einzelne Substrat (302) einen Verbindungsabschnitt (306, 310, 314) umfasst, der benachbarte Batteriekühlplatten (304, 308, 321, 316) miteinander koppelt, und der Verbindungsabschnitt (306, 310, 314) zumindest einen Kühlkanal (328) aufweist, der mit jeder der benachbarten Batteriekühlplatten (304, 308, 321, 316) kommuniziert, - dass eine Batteriezelle (330, 334) an zumindest einer oder beiden Seiten (332, 336) jeder Batteriekühlplatte (304, 308, 321, 316) angebracht wird, und - dass eine Biegung an dem Verbindungsabschnitt (306, 310, 314) derart ausgeführt wird, - dass benachbarte Batteriekühlplatten (304, 308, 321, 316) in einer übereinanderliegenden Position in Bezug aufeinander positioniert werden.