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Die Erfindung betrifft ein Zellkontaktierungssystem für ein wenigstens zwei elektrochemische Zellen umfassendes Zellmodul, aufweisend wenigstens ein an dem übrigen Zellmodul festlegbares Trägerbauteil zum Tragen von wenigstens einem die beiden elektrochemischen Zellen elektrisch miteinander verschaltenden Zellverbinder und wenigstens ein den Zellverbinder auf einer den elektrochemischen Zellen abgewandten Seite abdeckendes Abdeckbauteil.
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Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Zellmodul mit wenigstens zwei elektrochemischen Zellen und wenigstens einem Zellkontaktierungssystem zum elektrischen Verschalten der elektrochemischen Zellen miteinander.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Zellmoduls.
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In elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, insbesondere Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen, werden wiederaufladbare Batterien verbaut, die eine Vielzahl von elektrisch miteinander verschalteten, elektrochemischen Zellen aufweisen. Mit den Batterien können elektrische Antriebseinrichtungen der elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeuge mit elektrischer Energie versorgt werden. Hierbei können die elektrochemischen Zellen zu elektrisch miteinander verschalteten Batterieuntereinheiten, sogenannten Zellmodulen, zusammengefasst sein.
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Da durch ein Zellmodul hohe elektrische Ströme fließen, ist es erforderlich, die elektrischen Komponenten des Zellmoduls von außen unzugänglich anzuordnen. Zudem sollten die Komponenten gegen äußere mechanische Einflüsse geschützt werden. Um dies zu erreichen, ist es bekannt, an einem Zellmodul einen Berührungsschutz anzuordnen, der das Zellmodul auf der Seite, auf der die elektrochemischen Zellen über Zellverbinder elektrisch miteinander verschaltet sind, abdeckt. Ein hierzu verwendetes Abdeckbauteil ist herkömmlich meist starr ausgebildet. Das Abdeckbauteil kann beispielsweise als Spritzgussbauteil oder Thermoformbauteil ausgebildet sein. Das Abdeckbauteil wird üblicherweise manuell auf das übrige Zellmodul aufgebracht und mit diesem verrastet.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein automatisiert und kostengünstiger herstellbares Zellkontaktierungssystem mit integriertem Berührungsschutz bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, die jeweils für sich genommen oder in unterschiedlicher Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Ein erfindungsgemäßes Zellkontaktierungssystem für ein wenigstens zwei elektrochemische Zellen aufweisendes Zellmodul umfasst wenigstens ein an dem übrigen Zellmodul festlegbares Trägerbauteil zum Tragen von wenigstens einem die beiden elektrochemischen Zellen elektrisch miteinander verschaltenden Zellverbinder und wenigstens ein den Zellverbinder auf einer den elektrochemischen Zellen abgewandten Seite abdeckendes Abdeckbauteil. Erfindungsgemäß ist das Abdeckbauteil aus einer flexiblen Kunststofffolie hergestellt und in einem gespannten Zustand teilweise stoffschlüssig mit dem Trägerbauteil verbunden.
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Das erfindungsgemäße Abdeckbauteil ist nicht wie herkömmlich starr ausgebildet und in einem vorhergehenden Arbeitsvorgang mit einer bestimmten Formgebung hergestellt worden. Daher sind zur Herstellung des erfindungsgemäßen Abdeckbauteils keine entsprechenden Formwerkzeuge erforderlich, was die Herstellung des erfindungsgemäßen Abdeckbauteils und somit die des erfindungsgemäßen Zellkontaktierungssystems kostengünstiger macht.
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Zudem ist die Herstellung des erfindungsgemäßen Zellkontaktierungssystems ohne manuelle Arbeitsschritte und somit vollständig automatisierbar, was ebenfalls Herstellungskosten einspart. Im Gegensatz hierzu muss herkömmlich ein Berührungsschutz manuell mit dem übrigen Zellmodul verbunden werden.
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Die Erfindung hat des Weiteren den Vorteil, dass eine flexible Kunststofffolie, beispielsweise als Rollenmaterial, zur Ausbildung des Abdeckbauteils verwendet wird, was deutlich kostengünstiger ist als die herkömmliche Verwendung beispielsweise eines thermoformbaren Kunststoffrohlings. Die erfindungsgemäße Verwendung einer flexiblen Kunststofffolie zur Ausbildung des Abdeckbauteils geht zudem mit einer sehr hohen Flexibilität der Herstellung bezüglich unterschiedlicher Zellmodulgrößen und damit unterschiedlich großer Abdeckbauteile einher.
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Ein erfindungsgemäßes Zellkontaktierungssystem kann auch drei oder mehrere, insbesondere eine Vielzahl an elektrochemische(n) Zellen aufweisen, die paarweise elektrisch miteinander verschaltet sein können. Die elektrochemischen Zellen können beispielsweise als Lithium-Ionen-Speicherzellen, Lithium-Polymer-Speicherzellen oder einer Nickel-Metallhybrid-Speicherzellen ausgebildet sein.
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Das Trägerbauteil kann kraft-, form- und/oder stoffschlüssig an dem übrigen Zellmodul festgelegt sein. Vorzugsweise ist das Trägerbauteil zerstörungsfrei von dem übrigen Zellmodul lösbar, um beispielsweise Inspektions- und/oder Wartungsarbeiten an dem Zellmodul vornehmen zu können. Das Trägerbauteil kann auch zwei oder mehrere Zellverbinder tragen, mit denen wenigstens drei elektrochemische Zellen elektrisch miteinander verschaltbar sind. Das Trägerbauteil stellt ein ein- oder mehrteiliges Bauteil aus einem elektrisch isolierenden Material dar. Ferner kann das Trägerbauteil weitere Funktionen erfüllen, wie zum Beispiel die Isolation der Zellseitenwände.
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Dass das Abdeckbauteil den wenigstens einen Zellverbinder auf einer den elektrochemischen Zellen abgewandten Seite abdeckt, soll bedeuten, dass der Zellverbinder von dieser Seite des Zellmoduls aus nicht zugänglich ist, so dass das Abdeckbauteil einen optimalen Berührungsschutz ausbildet.
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Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zellkontaktierungssystems bzw. des Abdeckbauteils kann zunächst ein Folienabschnitt vorgegebener Größe von einer Bevorratungsrolle abgezogen und anschließend von der übrigen Kunststofffolie abgetrennt werden. Danach kann der abgetrennte Folienabschnitt bzw. die flexible Kunststofffolie gespannt werden, um sich im Wesentlichen in einer Ebene zu erstrecken. In diesem gespannten Zustand kann die flexible Kunststofffolie an dem Trägerbauteil angeordnet und anschließend teilweise stoffschlüssig mit dem Trägerbauteil verbunden werden. Einer oder mehrere dieser Arbeitsvorgänge, insbesondere alle Arbeitsvorgänge, können automatisiert durchgeführt werden. Das teilweise stoffschlüssige Verbinden des Abdeckbauteils mit dem Trägerbauteil erfolgt vorzugsweise derart, dass durch die stoffschlüssige Verbindung der gespannte Zustand des Abdeckbauteils weitestgehend dauerhaft aufrechterhalten wird. Die stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise in Form von zwei parallel zueinander und beabstandet voneinander verlaufenden Verbindungslinien gegeben sein. Alternativ kann die stoffschlüssige Verbindung in Form einer geschlossenen, insbesondere O-förmigen, Verbindungslinie gegeben sein.
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Die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Abdeckbauteil und dem Trägerbauteil kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Beispielsweise kann die stoffschlüssige Verbindung durch eine (thermische) Versiegelung, Verschweißung oder Verklebung ausgebildet werden. Eine solche Verschweißung kann beispielsweise durch Laserschweißen hergestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Trägerbauteil einen Boden, an dem der Zellverbinder angeordnet ist, und eine zumindest teilweise umlaufend an dem Boden angeordnete, von den elektrochemischen Zellen weg weisende Seitenwand, wobei das Abdeckbauteil stoffschlüssig mit der Seitenwand verbunden ist. Über die teilweise oder vollständig umlaufend an dem Boden angeordnete Seitenwand kann das Abdeckbauteil beabstandet zu dem wenigstens einen Zellverbinder gehalten werden.
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Nach einer alternativen weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Trägerbauteil einen Boden, an dem der Zellverbinder angeordnet ist, eine zumindest teilweise umlaufend an dem Boden angeordnete, von den elektrochemischen Zellen weg weisende erste Seitenwand und eine mit der ersten Seitenwand verbundene, die erste Seitenwand zumindest teilweise außen umlaufend in einem Abstand umschließende zweite Seitenwand, wobei die zweite Seitenwand die erste Seitenwand auf der von den elektrochemischen Zellen abgewandten Seite überragt, und wobei das Abdeckbauteil wahlweise stoffschlüssig mit einer der beiden Seitenwände verbunden ist. Über die teilweise oder vollständig umlaufend an dem Boden angeordnete erste Seitenwand bzw. die die erste Seitenwand teilweise oder vollständig außen umlaufend in einem Abstand umschließende zweite Seitenwand kann das Abdeckbauteil beabstandet zu dem wenigstens einen Zellverbinder gehalten werden. Ist das Abdeckbauteil zunächst mit der zweiten Seitenwand verbunden, kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen der zweiten Seitenwand und dem Abdeckbauteil bei Bedarf zumindest teilweise, insbesondere unter teilweiser Zerstörung des Abdeckbauteils im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung, gelöst werden. Anschließend kann der von der zweiten Seitenwand gelöste Abschnitt an einer anderen Stelle des Abschnitts stoffschlüssig mit der ersten Seitenwand verbunden werden. Dies ist insbesondere deshalb möglich, da die erste Seitenwand eine kleinere Fläche zur Anordnung des Abdeckbauteils definiert als die zweite Seitenwand. Folglich ist ein zumindest teilweises Entfernen und erneutes Anbringen des Abdeckbauteils an dem Trägerbauteil über eine weitere stoffschlüssige Verbindung möglich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Abdeckbauteil stoffschlüssig mit einem freien Stirnende der Seitenwand verbunden ist. Das freie Stirnende der jeweiligen Seitenwand ist von außen sehr gut zugänglich, was die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Abdeckbauteil und dem Trägerbauteil vereinfacht.
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Ein erfindungsgemäßes Zellmodul umfasst wenigstens zwei elektrochemische Zellen und wenigstens ein Zellkontaktierungssystem zum elektrischen Verschalten der elektrochemischen Zellen miteinander, wobei das Zellkontaktierungssystem nach einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben ausgebildet ist.
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Mit dem Zellmodul sind die oben mit Bezug auf das Zellkontaktierungssystem genannten Vorteile entsprechend verbunden. Das Zellmodul kann zur Ausbildung einer wiederaufladbaren Batterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs verwendet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Zellmoduls umfasst die Schritte:
- – Herstellen einer kompakten Baugruppe, die wenigstens zwei elektrochemischen Zellen und gegebenenfalls ein die elektrochemischen Zellen teilweise umfassendes Gehäuse aufweist;
- – Anordnen eines Trägerbauteils an den elektrochemischen Zellen, an dem wenigstens ein Zellverbinder zum elektrischen Verschalten der beiden elektrochemischen Zellen miteinander angeordnet ist;
- – stoffschlüssiges Verbinden des Zellverbinders mit jeweils einem elektrischen Anschluss der beiden elektrochemischen Zellen;
- – Anordnen eines aus einer flexiblen Kunststofffolie hergestellten Abdeckbauteils in einem gespannten Zustand an dem Trägerbauteil; und
- – teilweises stoffschlüssiges Verbinden des Abdeckbauteils mit dem Trägerbauteil.
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Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf das Zellkontaktierungssystem genannten Vorteile entsprechend verbunden. Das Herstellen der kompakten Baugruppe kann eine unmittelbar benachbarte Anordnung der elektrochemischen Zellen in einer Reihe umfassen. Zusätzlich können die derart zusammengefassten elektrochemischen Zellen in einem die elektrochemischen Zellen zumindest seitlich umfassenden Gehäuse angeordnet werden. Das Anordnen des Trägerbauteils an den elektrochemischen Zellen bzw. dem Gehäuse kann ein form- und/oder kraftschlüssiges Verbinden, beispielsweise ein Verrasten, dieser Bauteile miteinander umfassen. Das stoffschlüssige Verbinden des Zellverbinders mit dem jeweiligen elektrischen Anschluss einer elektrochemischen Zelle kann durch einen Schweißvorgang erfolgen. Einige oder alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können automatisiert durchgeführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die flexible Kunststofffolie automatisiert von einer Bevorratungsrolle abgezogen und zur Herstellung des Abdeckbauteils abgelängt. Dies geht mit einer einfachen, flexiblen, automatisierten und kostengünstigen Herstellung des Abdeckbauteils einher.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Zellmodul; und
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines Details des in 1 gezeigten Zellmoduls.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Zellmodul 1. Das Zellmodul 1 umfasst wenigstens zwei elektrochemische Zellen 2, von denen in 1 nur eine gezeigt ist. Des Weiteren umfasst das Zellmodul 1 ein Zellkontaktierungssystem 3 zum elektrischen Verschalten der elektrochemischen Zellen 2 miteinander.
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Das Zellkontaktierungssystem 3 umfasst ein an dem übrigen Zellmodul 4 festgelegtes Trägerbauteil 5 zum Tragen von wenigstens einem die beiden elektrochemischen Zellen 2 elektrisch miteinander verschaltenden Zellverbinder 6.
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Das Trägerbauteil 5 umfasst einen Boden 7, an dem der Zellverbinder 6 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst das Trägerbauteil 5 eine umlaufend an dem Boden 7 angeordnete, von den elektrochemischen Zellen 2 weg weisende erste Seitenwand 8. Zudem umfasst das Trägerbauteil 5 eine mit der ersten Seitenwand 8 verbundene, die erste Seitenwand 8 außen umlaufend in einem Abstand umschließende zweite Seitenwand 9. Die zweite Seitenwand 9 kann die die erste Seitenwand 8 auf der von den elektrochemischen Zellen 2 abgewandten Seite überragen oder auf gleicher Höhe ausgeführt sein. Die erste Seitenwand 8 ist über einen umlaufenden Steg 10 mit der zweiten Seitenwand 9 verbunden. Das Trägerbauteil 5 ist monolithisch ausgebildet.
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Das Zellkontaktierungssystem 3 umfasst zudem ein den Zellverbinder 6 auf einer den elektrochemischen Zellen 2 abgewandten Seite und die elektrochemischen Zellen 2 abdeckendes Abdeckbauteil 11. Das Abdeckbauteil 11 ist aus einer flexiblen Kunststofffolie hergestellt und in einem gespannten Zustand teilweise stoffschlüssig mit dem Trägerbauteil 5 verbunden. Insbesondere ist das Abdeckbauteil 11 umlaufend entlang einer geschlossenen Verbindungslinie stoffschlüssig mit der zweiten Seitenwand 9 verbunden. Dabei ist das Abdeckbauteil 11 über eine stoffschlüssige Verbindung 13 mit einem freien Stirnende 12 der zweiten Seitenwand 9 verbunden.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Details des in 1 gezeigten Zellmoduls 1. Dieser Darstellung sind zwei alternative Anordnungen des Abdeckbauteils 11 an dem Trägerbauteil 5 zu entnehmen, wobei das Abdeckbauteil 11 wahlweise stoffschlüssig mit einer der beiden Seitenwände 8 bzw. 9 verbunden ist. Das Abdeckbauteil 11 kann zunächst mit dem freien Stirnende 12 der zweiten Seitenwand 9 stoffschlüssig verbunden sein. Bei Bedarf kann die stoffschlüssige Verbindung 13 zwischen dem Abdeckbauteil 11 und der zweiten Seitenwand 9 zumindest teilweise gelöst oder das Abdeckbauteil 11 in diesem Bereich zerstört werden, um den Zellverbinder 6 und die elektrochemischen Zellen 2 zugänglich zu machen. Je nach Ausführung kann entweder nur das Abdeckbauteil 11 zerstört werden oder das Abdeckbauteil zusammen mit dem Trägerbauteil 5. Wobei letzteres so zerstört wird, dass die zweite Seitenwand 9 danach nicht mehr vorhanden ist. Anschließend kann das Abdeckbauteil 11 dann stoffschlüssig mit dem freien Stirnende 12 der ersten Seitenwand 8 verbunden werden, wodurch das Abdeckbauteil 11 wiederverwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellmodul
- 2
- elektrochemische Zelle
- 3
- Zellkontaktierungssystem
- 4
- übriges Zellmodul
- 5
- Trägerbauteil
- 6
- Zellverbinder
- 7
- Boden von 5
- 8
- erste Seitenwand von 5
- 9
- zweite Seitenwand von 5
- 10
- Steg von 5
- 11
- Abdeckbauteil
- 12
- freies Stirnende von 8, 9
- 13
- stoffschlüssige Verbindung
