DE102018217253B4

DE102018217253B4 - Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls für eine Traktionsbatterie

Info

Publication number: DE102018217253B4
Application number: DE102018217253.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Thurmeier; Martin Schüssler; Simon Gastl; Markus Kralicek
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2038-10-11
Also published as: DE102018217253A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (100) für eine Traktionsbatterie, mit den Schritten:-Anordnen mehrerer Speicherzellen (110) zu einem Zellstapel, wobei an den Enden des Zellstapels eine erste Druckplatte (120) und eine zweite Druckplatte (130), die eine taschenartige Vertiefung (135) aufweist, angeordnet werden;- Anordnen wenigstens eines den Zellstapel umspannenden Spannbandes (140), derart, dass sich die beiden Bandenden (141, 142) dieses Spannbandes (140) an der taschenartigen Vertiefung (135) der zweiten Druckplatte (130) befinden;- Verpressen des Zellstapels in einer Schließeinrichtung (200), wobei die Bandenden (141, 142) des Spannbandes (140) in die taschenartige Vertiefung (135) gedrückt werden und die taschenartige Vertiefung (135) zur dauerhaften Fixierung der Bandenden (141, 142) mit Kunst- oder Klebstoff (K) ausgespritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls für eine Traktionsbatterie sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Batteriemodul.
Eine Traktionsbatterie für den Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs ist für gewöhnlich aus einer Vielzahl von Batteriemodulen (auch als Zellenblöcke bezeichnet) mit jeweils mehreren Einzelzellen aufgebaut. Ein Batteriemodul ist ein Verbund von Einzelzellen (nachfolgend als Speicherzellen bezeichnet), die eine Baueinheit bilden und elektrisch parallel und/oder seriell zusammengeschaltet sind. Besondere Bedeutung hat der mechanische Modulaufbau: Ein Batteriemodul soll einerseits leicht und stabil sein und soll andererseits einfach und mit geringen Kosten herstellbar sein.
Die DE 10 2013 217 903 A1 beschreibt ein Energiespeichermodul und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Prismatische Speicherzellen werden zu einem Zellstapel gestapelt An jedem Ende des Zellstapels wird mindestens eine Druckplatte angeordnet. Der Zellstapel wird durch Beaufschlagen der Druckplatten mit Druck auf Nennmaß verpresst. Sodann wird ein Band aus faserverstärktem Kunststoff auf den verpressten Zellstapel aufgeschoben und die Verpressung gelöst, so dass der Zellstapel nun durch das Band fixiert und auf Maß gehalten wird.
In der WO 2012/009145 A2 ist ein ähnlicher Modulaufbau mit Spannbändern aus Metall oder Plastik und in der DE 10 2010 012 992 A1 ist ein Modulaufbau mit Spannbändern und/oder Zugankern beschrieben.
Die US 2011 / 0 151 312 A1 offenbart ein Verfahren zur Montage eines Batteriemoduls, wobei zunächst mehrere Batteriezellen zwischen zwei Endplatten angeordnet werden. Zur mechanischen Fixierung bzw. Verspannung wird anschließend ein Befestigungsband um den Zellstapel aus Batteriezellen und Endplatten gespannt. Dabei weist jede Endplatte eine Einkerbung auf, in welcher das Befestigungsband fixiert wird.
Die DE 10 2013 015 706 A1 offenbart eine Energiespeicheranordnung, aufweisend wenigstens einen in einem Energiespeichergehäuse aufgenommenen elektrischen Energiespeicher, wobei das Energiespeichergehäuse und / oder der Energiespeicher zumindest abschnittsweise mit wenigstens einem aus einem Kunststoffmaterial mit darin enthaltenen Verstärkungsfasern gebildeten Bandmaterial umwickelt ist.
Die DE 10 2016 200 496 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Zellmoduls für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Hierbei wird ein Stapel von Speicherzellen mit einem Band umwickelt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1 steht nun ein weiteres und besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls für eine Traktionsbatterie zur Verfügung. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein erfindungsgemäß hergestelltes Batteriemodul. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls weist folgende Schritte auf:

- Anordnen mehrerer Speicherzellen, insbesondere prismatischer bzw. quaderförmiger Speicherzellen, zu einem Zellstapel, wobei an den Enden des Zellstapels eine erste Druckplatte und eine zweite Druckplatte, die (wenigstens) eine taschenartige Vertiefung aufweist, angeordnet werden;
- Anordnen wenigstens eines den Zellstapel umspannenden bzw. umschlingenden Spannbandes, derart, dass sich die beiden Bandenden dieses Spannbandes an der zweiten Druckplatte an bzw. in Nähe der taschenartigen Vertiefung, insbesondere über der taschenartigen Vertiefung, befinden, wobei das Spannband bevorzugt so um den Zellstapel herum drapiert wird, dass dieses kompakt anliegt und bereits eine geringe Vorspannung aufweisen kann;
- Verpressen des Zellstapels in einer Schließeinrichtung, wobei die Bandenden des Spannbandes in die taschenartige Vertiefung gedrückt werden und die taschenartige Vertiefung zur dauerhaften Fixierung der Bandenden (in der taschenartigen Vertiefung) zumindest teilweise mit Kunst- oder Klebstoff ausgespritzt wird.

Die Schließeinrichtung bzw. Schließeinheit umfasst wenigstens zwei in einem Maschinenrahmen angeordnete Platten bzw. Schilde, von denen wenigstens eine verfahrbar ist. Zum Verpressen des Zellstapels führt die verfahrbare Platte einen Schließhub aus und bringt dabei direkt oder indirekt (z. B. über ein Werkzeugteil) einen Montagedruck auf den Zellstapel auf. Bevorzugt gehört diese Schließeinrichtung zu einer Spritzgießmaschine, d. h., das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt mithilfe einer Spritzgießmaschine ausgeführt.
Die Bandenden des Spannbandes können z. B. mittels eines Schiebers oder Stempels (oder dergleichen), der zur Schließeinrichtung oder Spritzgussmaschine (gegebenenfalls auch zu einem in der Spritzgießmaschine eingebauten Werkzeug) gehört, in die taschenartige Vertiefung gedrückt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass zunächst ein Stopfen, insbesondere ein Kunststoffstopfen, oder dergleichen in die taschenartige Vertiefung eingepresst und dann der verbleibende Leerraum in der taschenartige Vertiefung mit dem Kunst- oder Klebstoff ausgespritzt wird. Der Stopfen weist bevorzugt Übermaß auf. Beim Einpressen des Stopfens können die Bandenden vom Stopfen in die taschenartige Vertiefung gedrückt und dabei gleichzeitig auch Zugspannungen auf das Spannband aufgebracht werden. Am Stopfen können Oberflächenstrukturen (wie bspw. Rillen, Narbungen und dergleichen) vorhanden sein, die eine Kraftübertragung begünstigen. Der eingepresste Stopfen kann die Bandenden des Spannbandes zunächst mechanisch fixieren. Die Endfixierung erfolgt dann durch das Ausspritzen mit Kunst- oder Klebstoff.
Beim Ausspritzen kommt es zu einer formschlüssigen, kraftschlüssigen und gegebenenfalls auch stoffschlüssigen Fixierung der Bandenden innerhalb der taschenartigen Vertiefung, ohne dass die Bandenden direkt miteinander verbunden werden. Für das Ausspritzen wird bevorzugt ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere mit Faserverstärkung, verwendet, wie z. B. Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP). Für das Ausspritzen kann auch ein Klebstoff, wie bspw. ein Schmelzklebstoff (Hotmelt) oder ein Zweikomponentenkleber, verwendet werden. Nach dem Aushärten des Kunst- oder Klebstoffs kann die Verpressung bzw. der Montagedruck gelöst werden (wozu die Schließeinrichtung eine Öffnungsbewegung bzw. einen Öffnungshub ausführt) und das Batteriemodul entnommen werden. Die Speicher- bzw. Einzelzellen werden durch das wenigstens eine Spannband dauerhaft zusammengehalten, wobei das Spannband einen vorgesehenen Spanndruck ausübt. Am Batteriemodul können nun noch weitere Arbeiten vorgenommen werden, wie bspw. das elektrische Zusammenschalten der Speicherzellen.
Die taschenartige Vertiefung in der zweiten Druckplatte weist bevorzugt eine hinterschnittige Kontur auf, sodass sich ein hinterschnittiger Verschluss ausbilden kann, durch den die Bandenden des Spannbandes sicher fixiert bzw. festgehalten werden. Der Halt kann durch Oberflächenstrukturen (wie bspw. Rillen, Narbungen und dergleichen) in der taschenartigen Vertiefung verbessert werden. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die taschenartige Vertiefung in der zweiten Druckplatte außermittig angeordnet ist. Dies ist im Hinblick auf wirksame Biegemomente vorteilig.
Das Spannband kann aus einem faserverstärktem Kunststoff, z. B. CFK oder GFK, gebildet sein. Bevorzugt handelt es sich um ein UD-Band bzw. UD-Tape mit Endlosfasern, das mit einer thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmatrix imprägniert sein kann.
Das Spannband kann an der ersten Druckplatte befestigt bzw. vorfixiert sein und kann bspw. angeklebt oder angeschweißt sein. D. h., für den Aufbau des Zellstapels kann die erste Druckplatte mit dem bereits daran fixierten Spannband bereitgestellt werden.
Der Aufbau des Zellstapels sowie das Anordnen des Spannbandes kann außerhalb der Schließeinrichtung erfolgen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass das Anordnen der Speicherzellen zu einem Zellstapel sowie auch das Anordnen des Spannbandes direkt in der Schließeinrichtung oder Spritzgießmaschine bzw. in einem in der Spritzgießmaschine eingebauten Werkzeug erfolgt.
Während des Verpressens des Zellstapels in einer Spritzgießmaschine können mittels Spritzgießen auch Gehäuseteile bzw. -komponenten erzeugt werden. Bspw. können an die Druckplatten Lager- und Befestigungselemente angespritzt oder der Zellstapel kann mit einer isolierenden Umhausung umspritzt werden (eine separate Isolierung des Moduls ist dann nicht mehr erforderlich). Hierzu eignet sich insbesondere ein Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren, bei dem für Fixierung der Bandenden in der taschenartigen Vertiefung ein erster Kunststoff und für die Erzeugung der Gehäuseteile ein zweiter Kunststoff verwendet wird.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Batteriemodul weist einen Zellstapel aus mehreren Speicherzellen auf, an dessen Enden sich eine erste und eine zweite Druckplatte befinden, wobei die zweite Druckplatte mit einer taschenartigen Vertiefung ausgebildet ist, in der die Bandenden eines den Zellstapel (einschließlich der Druckplatten) umspannenden Spannbandes hineingedrückt und durch eingespritzten Kunst- oder Klebstoff, gegebenenfalls auch mit einem eingepressten Stopfen, fixiert sind.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Batteriemoduls ohne Verschweißungen und Verschraubungen. Die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können nur mithilfe einer Spritzgießmaschine ausgeführt werden. Im selben Arbeitsgang können zudem auch Gehäuseteile miterzeugt werden (One-Shot-Verfahren). Die Erfindung führt zur Gewichtsreduzierung sowie zu Zeit- und Kosteneinsparungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die in den schematischen Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 veranschaulicht das Verpressen eines Zellstapels aus Speicherzellen und Druckplatten in einer Schließeinrichtung.
2 veranschaulicht des Ausspritzens der taschenartigen Vertiefung in der oberen Druckplatte.

1 zeigt einen aus mehreren prismatischen Speicherzellen 110 gebildeten Zellstapel. Der Zellstapel kann bis zu 25 Speicherzellen 110 umfassen, wobei auch größere Zellstapel möglich sind. Die Speicherzellen 110 sind direkt aufeinanderliegend gestapelt, wobei auch Zwischenlagen möglich sind. Am unteren Ende des Zellstapels befindet sich eine erste Druckplatte 120 und am oberen Ende des Zellstapels befindet sich eine zweite Druckplatte 130. Die Druckplatten 120, 130 sind aus Metall (z. B. Aluminium) und insbesondere aus Kunststoff gebildet. Bevorzugt handelt es sich um einstückige Druckguss- bzw. Spritzgussteile. Die Druckplatten 120, 130 können aber auch mehrstückig ausgebildet sein. Die zweite Druckplatte 130 ist außenseitig mit einer taschenartigen Vertiefung 135 ausgebildet, die eine hinterschnittige Kontur aufweist und außermittig angeordnet ist. Die beiden Druckplatten 120, 130 sind unterschiedlich ausgebildet, können aber auch identisch sein.
Um den Zellstapel herum ist wenigstens ein Spannband 140 angeordnet, das auch die beiden Druckplatten 120, 130 umschließt. Das Spannband 140 ist aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet und an der ersten Druckplatte 120 vorfixiert (siehe Bezugszeichen 145). Die Bandenden 141, 142 des Spannbandes 140 befinden sich an der taschenartigen Vertiefung 135 der zweiten Druckplatte 130.
Die Druckplatten 120, 130 sind an ihren Außenseiten gewölbt ausgebildet, sodass einerseits Gewicht bzw. Masse eingespart wird (im Mittenbereich besteht dennoch eine hohe Druckfestigkeit) und andererseits ein abgerundeter und insbesondere kantenfreier Verlauf für das Spannband 140 vorgegeben wird. Die Druckplatten 120, 130 können außenseitig mit einem vorstehenden Rand ausgebildet sein, der die Steifigkeit erhöht und dem Spannband 140 Schutz bietet. Ebenso können außenseitig nutartige Bandführungen für das Spannband 140 vorgesehen sein.
Der Zellstapel befindet sich in einer Schließeinrichtung 200, die insbesondere zu einer Spritzgießmaschine gehört, und wird durch Absenken eines oberen Werkzeugteils 210 (Schließhub) mit einem Montagedruck P beaufschlagt und verpresst, bis ein Nennmaß oder ein Nenndruck erreicht ist. (Das Verpressen kann auch vertikal erfolgen.) Dabei werden die Bandenden 141, 142 des Spannbandes 140 in die taschenartige Vertiefung 135 der oberen Druckplatte 130 gedrückt (z. B. mittels eines nicht gezeigten Stempels oder Schiebers). Zur dauerhaften Fixierung der Bandenden 141, 142 wird die taschenartige Vertiefung 135 dann mittels einer Düse 220 oder dergleichen mit Kunst- oder Klebstoff K ausgespritzt, wie in 2 gezeigt. Dabei wird innerhalb der taschenartigen Vertiefung 135 ein keilartiger Kunststoff- oder Klebstoffpfropfen (Verschluss) erzeugt, durch den die Bandenden 141, 142 des Spannbandes 140 sicher fixiert bzw. festgehalten werden. Wie oben erläutert kann vorgesehen sein, dass zunächst ein Stopfen in die taschenartige Vertiefung 135 eingepresst und dann der verbleibende Leerraum mit Kunst- oder Klebstoff K ausgespritzt wird. Nach dem Aushärten des Kunst- oder Klebstoffs K kann das Batteriemodul 100 aus der Schließeinrichtung 200 entnommen werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (100) für eine Traktionsbatterie, mit den Schritten: -Anordnen mehrerer Speicherzellen (110) zu einem Zellstapel, wobei an den Enden des Zellstapels eine erste Druckplatte (120) und eine zweite Druckplatte (130), die eine taschenartige Vertiefung (135) aufweist, angeordnet werden; - Anordnen wenigstens eines den Zellstapel umspannenden Spannbandes (140), derart, dass sich die beiden Bandenden (141, 142) dieses Spannbandes (140) an der taschenartigen Vertiefung (135) der zweiten Druckplatte (130) befinden; - Verpressen des Zellstapels in einer Schließeinrichtung (200), wobei die Bandenden (141, 142) des Spannbandes (140) in die taschenartige Vertiefung (135) gedrückt werden und die taschenartige Vertiefung (135) zur dauerhaften Fixierung der Bandenden (141, 142) mit Kunst- oder Klebstoff (K) ausgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Stopfen in die taschenartige Vertiefung (135) eingepresst und dann der verbleibende Leerraum mit Kunst- oder Klebstoff (K) ausgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die taschenartige Vertiefung (135) in der zweiten Druckplatte (130) eine hinterschnittige Kontur aufweist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die taschenartige Vertiefung (135) in der zweiten Druckplatte (130) außermittig angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannband (140) aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannband (140) an der ersten Druckplatte (120) vorfixiert ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen der Speicherzellen (110) zu einem Zellstapel in der Schließeinrichtung (200) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließeinrichtung (200) zu einer Spritzgießmaschine gehört.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verpressens des Zellstapels in der Spritzgießmaschine mittels Spritzgießen auch Gehäuseteile erzeugt werden.
Batteriemodul (100) für eine Traktionsbatterie, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche.