DE102019109715B4 - Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (20) für ein Kraftfahrzeug, umfassend folgende Verfahrensschritte:- Bereitstellen eines mit einer Einschuböffnung (32) versehenen Batteriemodulgehäuses (30);- Bereitstellen eines Batteriezellenpakets (40), das wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Batteriezellen (42) und wenigstens ein parallel zu den Batteriezellen (42) angeordnetes Kompressionspad (44) aufweist, wobei die wenigstens zwei Batteriezellen (42) und das wenigstens eine Kompressionspad (44) in beliebiger Reihenfolge in einer Dickenrichtung (D) aufeinander gestapelt sind und wobei das Batteriezellenpaket (40) ferner zwei Einschiebehilfsschichten (46) aufweist, welche jeweils in Dickenrichtung (D) gegenüberliegende Außenseiten (41) des Batteriezellenpakets (40) bilden;- Komprimieren des Batteriezellenpakets (40) in Dickenrichtung (D); und- Einschieben des komprimierten Batteriezellenpakets (40) in einer Einschubrichtung (E) durch die Einschuböffnung (32) in das Batteriemodulgehäuse (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Komprimieren des Batteriezellenpakets (40) mittels zylindrischer Rollen (R), vorzugsweise mittels gummierter zylindrischer Rollen erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls für ein Kraftfahrzeug und ein Batteriemodul, das nach diesem Verfahren hergestellt wird.
  • Bei einem Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug unterscheidet man in der Regel zwischen drei unterschiedlichen Zelltypen: Zellen mit festem zylindrischem Gehäuse, sogenannte Rundzellen; Zellen mit quaderförmigem festem Gehäuse, sogenannte prismatische Zellen; und flache Zellen ohne festes Gehäuse, sogenannte Pouch-Zellen.
  • Pouch-Zellen besitzen potenziell die höchste volumetrische und gravimetrische Energiedichte, da sie ohne ein eigenes Gehäuse auskommen.
  • Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammenzufassen. Das Batteriemodul verbindet Zellen zu einer elektrisch und mechanisch handhabbaren Einheit. Da Pouch-Zellen nachgiebig sind, müssen sie durch ein festes Gehäuse geschützt werden. Um darüber hinaus eine lange Lebensdauer aufzuweisen, müssen die Pouch-Zellen mit einem Druck von außen beaufschlagt werden.
  • Aus dem Stand der Technik ist es dazu bekannt, Pouch-Zellen in Dickenrichtung mithilfe von Kompressionspads aus elastischem Schaum mit hohem Gasanteil und damit hoher Komprimierbarkeit bei zugleich kleinem Restblockmaß bei vollständiger Komprimierung verspannt. Aus der Druckschrift US 4,55 4,226 A ist eine solche Batterie bekannt.
  • Aus der Druckschrift AT 519 968 A4 ist bekannt, einen Stapel von Batteriezellen zwischen Gleitschienen einer Manipulationseinrichtung zu komprimieren, die Gleitschienen mit dem komprimierten Zellstapel in ein Gehäuse einzuführen, und die Gleitschienen anschließend aus dem Gehäuse herauszuziehen.
  • Aus der Druckschrift AT 519 967 A4 ist bekannt, mindestens ein Gleitelement zwischen einem Stapel von Batteriezellen und einer inneren Gehäusefläche eines Gehäuses vorzusehen, und die Anordnung vorspannungslos in das Gehäuse einzuführen.
  • Aus der Druckschrift US 9 941 542 B1 ist die Verwendung eines reibungsmindernden Bands zum Einführen eines vorkomprimierten Batteriezellstapels in ein Gehäuse bekannt.
  • Aus der Druckschrift DE 10 2012 222 731 A1 ist zudem ein Batteriemodul mit aus einem Metallblech gefertigten Einschiebehilfen bekannt.
  • Das Kraftfahrzeug kann ein elektrisch angetriebenes oder teilelektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug sein und die Batterie entsprechend eine Traktionsbatterie sein.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemodul vorzuschlagen, dessen Gewicht, Bauraumbedarf und Herstellungskosten reduziert sind. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Batteriemoduls nach Anspruch 1 und durch ein derartig hergestelltes Batteriemodul nach Anspruch 4 gelöst.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
    • - Bereitstellen eines mit einer Einschuböffnung versehenen Batteriemodulgehäuses;
    • - Bereitstellen eines Batteriezellenpakets, das wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Batteriezellen und wenigstens ein parallel zu den Batteriezellen angeordnetes Kompressionspad aufweist, wobei die wenigstens zwei Batteriezellen und das wenigstens eine Kompressionspad in beliebiger Reihenfolge in einer Dickenrichtung aufeinander gestapelt sind und wobei das Batteriezellenpaket ferner zwei Einschiebehilfsschichten aufweist, welche jeweils in Dickenrichtung gegenüberliegende Außenseiten des Batteriezellenpakets bilden;
    • - Komprimieren des Batteriezellenpakets in Dickenrichtung; und
    • - Einschieben des komprimierten Batteriezellenpakets in einer Einschubrichtung durch die Einschuböffnung in das Batteriemodulgehäuse, wobei das Komprimieren des Batteriezellenpakets mittels zylindrischer Rollen, vorzugsweise mittels gummierter zylindrischer Rollen erfolgt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung verlaufen die Einschubrichtung und die Dickenrichtung annähernd orthogonal zueinander.
  • Das erfindungsgemäß hergestellte Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Batteriemodulgehäuse mit einer Einschuböffnung und wenigstens ein im Batteriemodulgehäuse angeordnetes Batteriezellenpaket. Das Batteriezellenpaket weist wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Batteriezellen (Pouch-Zellen) und wenigstens ein parallel zu den Batteriezellen angeordnetes Kompressionspad auf. Die wenigstens zwei Batteriezellen und das wenigstens eine Kompressionspad sind in beliebiger Reihenfolge in einer Dickenrichtung aufeinander gestapelt. Das Batteriezellenpaket ist in einer Einschubrichtung durch die Einschuböffnung in das Batteriemodulgehäuse eingeschoben. Das Batteriezellenpaket weist ferner zwei jeweils aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildete Einschiebehilfsschichten auf, welche jeweils in Dickenrichtung gegenüberliegende Außenseiten des Batteriezellenpakets bilden.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können Gewicht, Kosten und Bauraumbedarf reduziert werden. Durch diese Ausgestaltung können ferner eine hohe Prozesssicherheit und niedrige Ausschussquoten erreicht werden. Ferner kann der Einsatz von Bauteilen vermieden werden, die nach dem Zusammenbau der Batterie aus dem Batteriegehäuse entfernt werden müssen.
  • Die Batteriezelle des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann insbesondere eine Pouch-Zelle sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Batteriemodulgehäuse aus einem einteiligen Profil, insbesondere aus einem Aluminium-Strangpressprofil gebildet.
  • Vorzugsweise weist das Batteriezellenpaket zwei parallel zu den Batteriezellen angeordnete Kompressionspads auf, die jeweils zwischen einer äußeren Batteriezelle und einer der Einschiebehilfsschichten angeordnet sind.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der faserverstärkte Kunststoff sich parallel zur Einschubrichtung erstreckende Fasern.
  • Vorzugsweise umfasst das Batteriemodul ferner eine reibungsreduzierende Beschichtung, die entweder außenseitig an den Einschiebehilfsschichten oder innenseitig an den Einschiebehilfsschichten gegenüberliegenden Innenwandungen des Batteriemodulgehäuses angeordnet ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die reibungsreduzierende Beschichtung eine Polytetrafluorethylen-Beschichtung. Die Polytetrafluorethylen-Beschichtung kann auch als Teflon-Beschichtung bezeichnet werden.
  • Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Batteriezellen, das wenigstens eine Kompressionspad und die Einschiebehilfsschichten miteinander verklebt.
  • Einzelheiten und weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Batteriemoduls und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei veranschaulicht:
    • 1: eine schematische Schnittansicht eines Batteriemoduls nach dem Ausführungsbeispiel;
    • 2: eine schematische Schnittansicht eines Batteriezellenpakets des Batteriemoduls nach dem Ausführungsbeispiel;
    • 3 und 4: veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung des Batteriemoduls nach dem Ausführungsbeispiel.
  • Die Anmeldung betrifft ein Batteriemodul 20 für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Batteriemodulgehäuse 30 mit einer Einschuböffnung 32 und wenigstens ein im Batteriemodulgehäuse 30 angeordnetes Batteriezellenpaket 40. Das Batteriezellenpaket 40 weist wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Batteriezellen 42 und wenigstens ein parallel zu den Batteriezellen 42 angeordnetes Kompressionspad 44 auf. Die wenigstens zwei Batteriezellen 42 und das wenigstens eine Kompressionspad 44 sind in beliebiger Reihenfolge in einer Dickenrichtung D aufeinander gestapelt. Das Batteriezellenpaket 40 ist in einer Einschubrichtung E durch die Einschuböffnung 32 in das Batteriemodulgehäuse 30 eingeschoben. Das Batteriezellenpaket 40 weist ferner zwei Einschiebehilfsschichten 46 auf, welche jeweils in Dickenrichtung D gegenüberliegende Außenseiten 41 des Batteriezellenpakets 40 bilden.
  • Durch das anmeldungsgemäße Batteriemodul 20 können Gewicht, Kosten und der Bauraumbedarf der Batterie des Kraftfahrzeugs reduziert werden.
  • Die Batteriezellen 42 können insbesondere Pouch-Zellen sein.
  • Die Einschiebehilfsschichten 46 können relativ flexibel ausgebildet sein und eine relative Dünne aufweisen. Insbesondere können die Einschiebehilfsschichten 46 dünner als das Kompressionspad 42 und/oder die Batteriezellen 42 ausgebildet sein. Flexibel ausgebildet bedeutet in diesem Falle, dass die Einschiebehilfsschichten 46 in Dickenrichtung D elastisch verformbar sind.
  • In der Einschubrichtung E können die Einschiebehilfsschichten 46 relativ steif ausgebildet sein, um Längskräfte übertragen zu können.
  • Das Batteriezellenpaket 40 kann ferner Endplatten 48 umfassen, die in Einschubrichtung E an gegenüberliegenden Enden des Batteriezellenpakets 40 angeordnet sind. Die Endplatten 48 können aus Kunststoff gebildet sein. Die Endplatten 48 können Hochvoltverbinder 49 beherbergen, welche kraftfrei in den Endplatten 48 gehalten sind. Die Endplatten 48 können sich an den Batteriezellen 42 abstützen. Die Endplatten 48 können in Richtung des Inneren des Batteriezellenpakets 40 weicher ausgebildet sein als in Richtung des Äußeren des Batteriezellenpakets 40. Die Einschiebehilfsschichten 46 können vorzugsweise an den Endplatten 48 befestigt sein.
  • Das Batteriemodulgehäuse 30 kann aus einem einteiligen Profil, insbesondere aus einem Aluminium-Strangpressprofil gebildet sein.
  • Das Batteriezellenpaket 40 kann zwei parallel zu den Batteriezellen 42 angeordnete Kompressionspads 44 aufweisen, die jeweils zwischen einer äußeren Batteriezelle 43 und einer der Einschiebehilfsschichten 46 angeordnet sind.
  • Die Einschiebehilfsschichten 46 sind jeweils aus faserverstärktem Kunststoff gebildet.
  • Der faserverstärkte Kunststoff kann sich parallel zur Einschubrichtung E erstreckende Fasern umfassen. Diese Fasern können insbesondere sogenannte Endlosfasern sein.
  • Nach einer besonderen Ausgestaltung können die Einschiebehilfsschichten 46 aus einem endlosglasfaserverstärkten GFK-Band gefertigt sein.
  • Das Batteriemodul kann ferner eine reibungsreduzierende Beschichtung aufweisen, die entweder außenseitig an den Einschiebehilfsschichten 46 oder innenseitig an den Einschiebehilfsschichten gegenüberliegenden Innenwandungen 34 des Batteriemodulgehäuses 30 angeordnet ist. Die reibungsreduzierende Beschichtung kann insbesondere eine Polytetrafluorethylen-Beschichtung sein.
  • Die wenigstens zwei Batteriezellen 42, das wenigstens eine Kompressionspad 44 und die Einschiebehilfsschichten 46 können miteinander verklebt sein.
  • Die Anmeldung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines anmeldungsgemäßen Batteriemoduls 20. Das anmeldungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
    • - Bereitstellen eines mit einer Einschuböffnung 32 versehenen Batteriemodulgehäuses 30;
    • - Bereitstellen eines Batteriezellenpakets 40, das wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Batteriezellen 42 und wenigstens ein parallel zu den Batteriezellen 42 angeordnetes Kompressionspad 44 aufweist, wobei die wenigstens zwei Batteriezellen 42 und das wenigstens eine Kompressionspad 44 in beliebiger Reihenfolge in einer Dickenrichtung D aufeinander gestapelt sind und wobei das Batteriezellenpaket 40 ferner zwei Einschiebehilfsschichten 46 aufweist, welche jeweils in Dickenrichtung D gegenüberliegende Außenseiten 41 des Batteriezellenpakets 40 bilden;
    • - Komprimieren des Batteriezellenpakets 40 in Dickenrichtung D; und
    • - Einschieben des komprimierten Batteriezellenpakets 40 in einer Einschubrichtung E durch die Einschuböffnung 32 in das Batteriemodulgehäuse 30.
  • Die Einschubrichtung E und die Dickenrichtung D können annähernd orthogonal zueinander verlaufen.
  • Das Komprimieren des Batteriezellenpakets 40 erfolgt mittels zylindrischer Rollen R, vorzugsweise mittels gummierter zylindrischer Rollen. Die zylindrischen Rollen R können angetrieben sein oder freidrehend gelagert sein.
  • Das Komprimieren des Batteriezellenpakets 40 in Dickenrichtung D kann zugleich mit dem Einschieben des Batteriezellenpakets 40 in Einschubrichtung E erfolgen. Dies kann insbesondere mittels dieser zylindrischen Rollen R geschehen.
  • Die zylindrischen Rollen R können in Rollenpaaren angeordnet sein. In einem ersten Abschnitt A können die Rollen R trichterförmig angeordnet sein und in Einschubrichtung E zulaufen, d.h., dass die Rollenpaare in Einschubrichtung E einen kleiner werdenden Abstand zueinander aufweisen. Durch diese Ausgestaltung kann das Batteriezellenpaket 40 durch eine Bewegung des Batteriezellenpakets 40 in Einschubrichtung E durch den ersten Abschnitt A in Dickenrichtung D komprimiert werden.
  • In einem zweiten Abschnitt B, der in Einschubrichtung E hinter dem ersten Abschnitt A angeordnet ist, können die Rollenpaare einen gleichbleibenden Abstand aufweisen und zur Zuführung des komprimierten Batteriezellenpakets 40 in die Einschuböffnung 32 dienen. Diese Ausgestaltungen sind insbesondere in den 3 und 4 wiedergegeben.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (20) für ein Kraftfahrzeug, umfassend folgende Verfahrensschritte: - Bereitstellen eines mit einer Einschuböffnung (32) versehenen Batteriemodulgehäuses (30); - Bereitstellen eines Batteriezellenpakets (40), das wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Batteriezellen (42) und wenigstens ein parallel zu den Batteriezellen (42) angeordnetes Kompressionspad (44) aufweist, wobei die wenigstens zwei Batteriezellen (42) und das wenigstens eine Kompressionspad (44) in beliebiger Reihenfolge in einer Dickenrichtung (D) aufeinander gestapelt sind und wobei das Batteriezellenpaket (40) ferner zwei Einschiebehilfsschichten (46) aufweist, welche jeweils in Dickenrichtung (D) gegenüberliegende Außenseiten (41) des Batteriezellenpakets (40) bilden; - Komprimieren des Batteriezellenpakets (40) in Dickenrichtung (D); und - Einschieben des komprimierten Batteriezellenpakets (40) in einer Einschubrichtung (E) durch die Einschuböffnung (32) in das Batteriemodulgehäuse (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Komprimieren des Batteriezellenpakets (40) mittels zylindrischer Rollen (R), vorzugsweise mittels gummierter zylindrischer Rollen erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschubrichtung (E) und die Dickenrichtung (D) annähernd orthogonal zueinander verlaufen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, außerdem umfassend: -Verkleben der wenigstens zwei Batteriezellen (42), des wenigstens einen Kompressionspads (44) und der Einschiebehilfsschichten (46) vor dem Einschieben in das Batteriemodulgehäuse (30).
  4. Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend ein Batteriemodulgehäuse (30) mit einer Einschuböffnung (32) und wenigstens ein im Batteriemodulgehäuse (30) angeordnetes Batteriezellenpaket (40), wobei das Batteriezellenpaket (40) wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Batteriezellen (42) und wenigstens ein parallel zu den Batteriezellen (42) angeordnetes Kompressionspad (44) aufweist, wobei die wenigstens zwei Batteriezellen (42) und das wenigstens eine Kompressionspad (44) in beliebiger Reihenfolge in einer Dickenrichtung (D) aufeinander gestapelt sind, wobei das Batteriezellenpaket (40) in einer Einschubrichtung (E) durch die Einschuböffnung (32) in das Batteriemodulgehäuse (30) eingeschoben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellenpaket (40) ferner zwei jeweils aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildete Einschiebehilfsschichten (46) aufweist, welche jeweils in Dickenrichtung (D) gegenüberliegende Außenseiten (41) des Batteriezellenpakets (40) bilden.
  5. Batteriemodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodulgehäuse (30) aus einem einteiligen Profil, insbesondere aus einem Aluminium-Strangpressprofil gebildet ist.
  6. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellenpaket (40) zwei parallel zu den Batteriezellen (42) angeordnete Kompressionspads (44) aufweist, die jeweils zwischen einer äußeren Batteriezelle (43) und einer der Einschiebehilfsschichten (46) angeordnet sind.
  7. Batteriemodul nach Anspruch 4 oder nach Anspruch 4 in Kombination mit Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff sich parallel zur Einschubrichtung (E) erstreckende Fasern umfasst.
  8. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch eine reibungsreduzierende Beschichtung, die entweder außenseitig an den Einschiebehilfsschichten (46) oder innenseitig an den Einschiebehilfsschichten gegenüberliegenden Innenwandungen (34) des Batteriemodulgehäuses (30) angeordnet ist.
  9. Batteriemodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsreduzierende Beschichtung eine Polytetrafluorethylen-Beschichtung ist.
  10. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Batteriezellen (42), das wenigstens eine Kompressionspad (44) und die Einschiebehilfsschichten (46) miteinander verklebt sind.
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