DE102019128924A1

DE102019128924A1 - Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie sowie Verfahren zum Zusammenbau eines solchen Batteriemoduls

Info

Publication number: DE102019128924A1
Application number: DE102019128924.6A
Authority: DE
Inventors: Walter Schmieder
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-04-29
Also published as: CN112803101A; CN112803101B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie (1), insbesondere eine Traktionsbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, mit einem Modulgehäuse (3), dessen Seitenwände (15) eine Anzahl von Batteriezellen (13) einfassen, und dessen Gehäusedeckel (19) die Oberseite der Batteriezellen (13) überdeckt. Erfindungsgemäß ist der Modulgehäusedeckel (19) aus einem biegeschlaffen Folienmaterial-Zuschnitt mit dünner Materialstärke ausgebildet. Der Folienmaterial-Zuschnitt (19) ist in spaltfreier, großflächiger Anlage mit der Oberseite der Batteriezellen (13) und den Modulgehäuse-Seitenwänden (15).

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Batteriemoduls nach dem Anspruch 6.
Die Traktionsbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs kann ein lasttragendes Batteriegehäuse sein, in dem eine Anzahl von Batteriemodulen angeordnet ist. Jedes der Batteriemodule kann einen Zellenverbund aus Batteriezellen aufweisen, die in Reihe hintereinander in einem Modulgehäuse angeordnet sind.
Bei einem solchen gattungsgemäßen Batteriemodul können die Seitenwände des Modulgehäuses den Zellenverbund einfassen. Das Modulgehäuse weist einen Modulgehäusedeckel auf, der die Batteriezellen-Oberseite überdeckt. Der Modulgehäusedeckel wirkt als ein Berührschutz, um für einen Werker eine Hochvolt-Gefährdung bei der Handhabung des Batteriemoduls zu minimieren.
Im Stand der Technik wird der Modulgehäusedeckel fertigungstechnisch aufwendig als ein separates Bauteil vorgehalten. Der Modulgehäusedeckel ist im Zusammenbauzustand der Batterie in der Modul-Hochrichtung um einen freien Montagespalt von der Batteriezellen-Oberseite beabstandet, wobei in dem Montagespalt Zellenverbinder sowie andere Batteriezellen-Bauteile angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine entsprechend große Bauteilhöhe des Batteriemoduls.
Aus der DE 35 44 003 A1 ist ein Batteriedeckel bekannt. Aus der WO 2013/097968 A1 ist ein Batteriemodul mit Schrumpfschlauch bekannt. Aus der AT 511 819 A4 ist ein elektrischer Energiespeicher bekannt. Aus der DE 10 2015 224 785 A1 ist ein Zellkontaktierungssystem sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Zellmoduls bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Batteriemoduls bereitzustellen, dass im Vergleich zum Stand der Technik mit reduziertem Bauteil- und/oder Fertigungsaufwand herstellbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
In Abkehr vom Stand der Technik ist der Modulgehäusedeckel erfindungsgemäß nicht mehr als ein formstabiles, starres Bauteil realisiert. Vielmehr ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 der Modulgehäusedeckel aus einem biegeschlaffen Folienmaterial-Zuschnitt mit dünner Materialstärke ausgebildet. Der Folienmaterial-Zuschnitt ist im Zusammenbauzustand des Batteriemoduls in spaltfreier, großflächiger Anlage mit der Modul-Oberseite. Insbesondere ist der Folienmaterial-Zuschnitt in spaltfreier sowie großflächiger Anlage mit der Batteriezellen-Oberseite sowie in Anlage mit den Modulgehäuse-Seitenwänden.
Durch Bereitstellung eines Folienmaterial-Zuschnitts als Modulgehäusedeckel ergibt sich im Vergleich zu einem materialintensiven, starren Kunststoffdeckel eine kostengünstige Alternative, bei der kein zusätzliches Teile-Handling in Logistik und Produktion anfällt. Zudem ergibt sich eine bedeutende Gewichts- und/oder Volumenreduzierung des zusammengebauten Batteriemoduls. In einer später beschriebenen bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt die Applikation des Folienmaterial-Zuschnitts in einem Unterdruck-Verfahren, bei dem an das noch nach oben offene Batteriemodul-Gehäuse ein Unterdruck angelegt wird. Dadurch kann der Folienmaterial-Zuschnitt unter Einwirkung des Unterdrucks gegen die Modul-Oberseite gesaugt werden. Durch den Saugvorgang werden zusätzlich gegebenenfalls vorhandene Schmutzpartikel in dem Batteriemodul abgesaugt, wodurch in einfacher Weise die Betriebssicherheit des Batteriemoduls gesteigert werden kann.
In einer technischen Umsetzung kann der Folienmaterial-Zuschnitt in einer insbesondere großflächigen Klebeverbindung mit der Modul-Oberseite sein. Bevorzugt kann der Folienmaterial-Zuschnitt sowohl mit der Batteriezellen-Oberseite als auch mit den Modulgehäuse-Seitenwänden in Klebverbindung sein.
Bei einer halb- oder vollautomatischen Batterie-Fertigung mit größeren Stückzahlen ist eine fertigungstechnisch einfache Applikation des Folienmaterial-Zuschnitts auf der Modul-Oberseite von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund kann der Folienmaterial-Zuschnitt einen Zweischichtaufbau aufweisen, und zwar mit einer Folienmaterial-Schicht sowie einer Klebschicht, mittels der die Klebverbindung mit der Modul-Oberseite bereitstellbar ist.
Im Zusammenbauzustand des Batteriemoduls (das heißt bei aufgebrachtem Folienmaterial-Zuschnitt) liegt der Folienmaterial-Zuschnitt (aufgrund seiner geringen Eigensteifigkeit), konturangepasst auf der Modul-Oberseite auf, und zwar spaltfrei sowie in großflächiger Anlage mit der Modul-Oberseite. Auf diese Weise wird im Vergleich zum Stand der Technik eine Batteriemodul-Bauhöhe reduziert. Zudem bildet sich an der Außenseite des Folienmaterial-Zuschnitts die Oberflächenkontur der auf der Batteriezellen-Oberseite angeordneten Batteriezellen-Komponenten, etwa Zellen-Pole und/oder Polverbinder ab. Die Positionierung der Batteriezellen-Komponenten ist daher auch bei appliziertem Folienmaterial-Zuschnitt ohne weiteres erkennbar, wodurch sich Vorteile beim weiteren Zusammenbau-Prozess der Hochvoltbatterie ergeben können.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann die Applikation des Folienmaterial-Zuschnitts mit Hilfe eines Unterdruck-Verfahrens erfolgen. In dem Unterdruck-Verfahren kann der Folienmaterial-Zuschnitt durch UnterdruckBeaufschlagung in spaltfreie, großflächige Anlage mit der Modul-Oberseite gesaugt werden. Im Hinblick auf eine Großserienfertigung ist es bevorzugt, wenn eine zum Beispiel auf eine Wickelrolle aufgewickelte Folienmaterial-Endlosbahn bereitgestellt wird. Diese kann in einer Schneidstation abgewickelt werden und auf den jeweiligen Folienmaterial-Zuschnitt abgelängt werden. Der abgelängte Folienmaterial-Zuschnitt kann in einer prozesstechnisch nachgeschalteten Assemblierstation mittels des Unterdruck-Verfahrens auf die Modul-Oberseite aufgebracht werden.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer perspektivischen Teilansicht eine Hochvoltbatterie;
2 in perspektivischer Darstellung ein in der Hochvoltbatterie verbaubares Batteriemodul;
3 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus der 2;
4 bis 6 jeweils Ansichten, anhand derer Prozessschritte zur Herstellung des Batteriemoduls veranschaulicht sind.

In der 1 ist in perspektivischer Teilansicht eine Hochvoltbatterie 1 angedeutet, die zum Beispiel als eine Traktionsbatterie in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug verbaubar ist. Die Hochvoltbatterie 1 weist ein lasttragendes Batteriegehäuse 3 auf, in dem eine Anzahl von quaderförmigen Batteriemodulen 5 angeordnet ist. Das Gehäuse 3 ist aus einem wannenförmigen Gehäuse-Unterteil 7 aufgebaut, das von einem Batteriedeckel 9 abgedeckt ist.
In der 2 ist eines der Batteriemodule 5 in Alleinstellung gezeigt. Demzufolge weist das Batteriemodul 5 ein Batteriemodul-Gehäuse 11 auf, in dem ein Zellenverbund aus in Reihe hintereinander angeordneten, prismatischen Batteriezellen 13 angeordnet ist.
Das Batteriemodul-Gehäuse 11 ist in der 2 aus umlaufenden GehäuseSeitenwänden 15 aufgebaut, die den Zellenverbund umfassen. Zudem ist die Modul-Oberseite von einem Modulgehäuse-Deckel 19 überdeckt, der als Berührschutz für einen Werker wirkt, um eine Hochvolt-Gefährdung zu realisieren, bei der die auf der Batteriezellen-Oberseite angeordneten Elektronikkomponenten, etwa Zellen-Pole 21 und/oder Polverbinder 23, mit Bezug auf den Werker berührsicher angeordnet sind.
Wie aus der 3 hervorgeht, ist der Modulgehäuse-Deckel 19 als ein Folienmaterial-Zuschnitt mit dünner Materialstärke realisiert, die in den Figuren übertrieben groß dargestellt ist. Der Folienmaterial-Zuschnitt 19 ist mit der Oberseite der Modulgehäuse-Seitenwände 15 sowie mit der Oberseite der Batteriezellen 13 in spaltfreier sowie großflächiger Klebverbindung. Die Klebverbindung ist in der 3 mittels einer Klebschicht 25 bereitgestellt, die Bestandteil des Folienmaterial-Zuschnittes 19 ist. Dieser ist somit zweischichtig aus einer äußeren Folienmaterial-Schicht 20 und der inneren Klebschicht 25 realisiert.
Der Folienmaterial-Zuschnitt 19 ist in der 3 konturangepasst auf der Modul-Oberseite appliziert, so dass sich im Verlauf des Folienmaterial-Zuschnitts (das heißt an dessen Außenseite) die Oberflächenkonturen der auf der Batteriezellen-Oberseite befindlichen Zellen-Komponenten 21, 23 nachbilden.
Nachfolgend werden anhand der 4 bis 6 Prozessschritte zur Herstellung des in den 2 und 3 gezeigten Batteriemoduls 5 beschrieben. Demnach wird in der 4 zunächst das noch oberseitig offene Batteriemodul 5 mit darin eingesetztem Zellenverbund als eine Vormontageeinheit bereitgestellt. Die Applikation des Folienmaterial-Zuschnitts 19 erfolgt mittels eines Unterdruck-Verfahrens, bei dem die Vormontageeinheit in eine Unterdruck-Kavität 27 eines nur grob schematisch angedeuteten Unterdruck-Werkzeugs 29 eingesetzt wird.
Anschließend wird der Folienmaterial-Zuschnitt 19 gemäß der 5 randseitig an einer oberen Außenkante 30 einer Modulgehäuse-Seitenwand 15 angesetzt und verklebt. In einem weiteren Prozessschritt wird die Unterdruck-Kavität 27 und damit die Modul-Oberseite mit einem Unterdruck pu beaufschlagt (6). In dem Unterdruck-Verfahren wird Luft durch freie Strömungsspalte im Zellenverbund über die Modul-Unterseite aus dem Batteriemodul gesaugt. Der Luftströmungsweg ist in der 6 mit gestrichelten Pfeilen angedeutet. Auf diese Weise wird der Folienmaterial-Zuschnitt 19 in Anlage mit der Batteriezellen-Oberseite und mit der Seitenwand-Oberseite gesaugt. In Doppelfunktion werden mittels des Luftstroms Verunreinigungen aus dem Batteriemodul gesaugt, die gegebenenfalls die Betriebssicherheit des Batteriemoduls 5 beeinträchtigen können.
Bezugszeichenliste

1: Hochvoltbatterie
3: Batteriegehäuse
5: quaderförmige Batteriemodule
7: Gehäuse-Unterteil
9: Batteriedeckel
11: Batteriemodul-Gehäuse
13: Batteriezellen
15: Batteriemodul-Seitenwände
19: Batteriemodul-Deckel
20: Folienmaterial-Schicht
21: Zellen-Pole
23: Polverbinder
25: Klebschicht
27: Unterdruck-Kavität
29: Unterdruck-Werkzeug
pu: Unterdruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3544003 A1 [0005]
WO 2013/097968 A1 [0005]
AT 511819 A4 [0005]
DE 102015224785 A1 [0005]

Claims

Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie (1), insbesondere eine Traktionsbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, mit einem Modulgehäuse (3), dessen Seitenwände (15) eine Anzahl von Batteriezellen (13) einfassen, und dessen Gehäusedeckel (19) die Oberseite der Batteriezellen (13) überdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulgehäusedeckel (19) aus einem biegeschlaffen Folienmaterial-Zuschnitt mit dünner Materialstärke ausgebildet ist, und dass der Folienmaterial-Zuschnitt (19) in spaltfreier, großflächiger Anlage mit der Oberseite der Batteriezellen (13) und den Modulgehäuse-Seitenwänden (15) ist.
Batteriemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienmaterial-Zuschnitt (19) in, insbesondere großflächiger Klebverbindung mit der Oberseite der Batteriezellen (13) und den Modulgehäuse-Seitenwänden (15) ist.
Batteriemodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienmaterial-Zuschnitt (19) einen Zweischichtaufbau aufweist mit einer Folienmaterial-Schicht (20) und einer Klebschicht (25) zur Bereitstellung der Klebverbindung mit der Batteriezellen-Oberseite und den Modulgehäuse-Seitenwänden (15).
Batteriemodul nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienmaterial-Zuschnitt (19) konturangepasst auf der Modul-Oberseite aufliegt, so dass sich auf der Außenseite des Folienmaterial-Zuschnitts (19) die Oberflächenkontur der auf der Oberseite der Batteriezellen (13) angeordneten Zellen-Komponenten, etwa Zellen-Pole (21) und/oder Polverbinder (23), nachbildet.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Applikation des Folienmaterial-Zuschnitts (19) mittels eines Unterdruck-Verfahrens erfolgt, bei dem der Folienmaterial-Zuschnitt (19) mittels Unterdruck (pu) in spaltfreie, großflächige Anlage mit der Modul-Oberseite gedrückt wird.
Verfahren zum Zusammenbau eines Batteriemoduls (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem Verfahren insbesondere eine Folienmaterial-Endlosbahn bereitgestellt wird, die in einer Schneidstation auf den Folienmaterial-Zuschnitt (19) abgelängt wird, und/oder in einer Assemblierstation (29) der Folienmaterial-Zuschnitt (19) auf die Modul-Oberseite aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Applikation des Folienmaterial-Zuschnitts (19) mittels eines Unterdruck-Verfahrens erfolgt, bei dem der Folienmaterial-Zuschnitt (19) mittels Unterdruck (pu) in spaltfreie, großflächige Anlage mit der Modul-Oberseite gedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Unterdruck-Verfahren wird Luft von der Modul-Oberseite durch freie Strömungsspalte im Zellenverbund im Batteriemodul (5) über die Modul-Unterseite aus dem Batteriemodul (5) gesaugt wird, und dass mittels des Luftstroms Verunreinigungen innerhalb des Batteriemoduls (5) abgesaugt werden.