-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fixieren von Batteriezellen in einem Batteriemodul, insbesondere in einem Batteriemodul für eine Traktionsbatterie.
-
Eine der wichtigsten Charakterisierungsparameter für ein Elektrofahrzeug ist seine Reichweite, welche neben der Dimensionierung der elektrischen Maschine maßgeblich von seiner Energiequelle, der sogenannten Traktionsbatterie, mitbestimmt wird. Bei der Traktionsbatterie handelt es sich um eine wiederaufladbare Batterie mit einer großen Kapazität. Die Traktionsbatterie ist üblicherweise modular aufgebaut und besteht aus einer Vielzahl von Batteriemodulen. Jedes Batteriemodul weist seinerseits eine Anzahl von Batteriezellen auf. Heutzutage kommt in den Batteriezellen die Lithium-Ionen-Technologie zum Einsatz, welche sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Lebensdauer bietet.
-
Bei der Herstellung der Batteriemodule werden derzeit die Batteriezellen in einteilige Batteriemodulgehäuse eingebracht. Um eine stabile Lagerung der Batteriezellen innerhalb eines Batteriemodulgehäuses zu gewährleisten, werden die Batteriezellen zusammen mit Kompressionselementen (Kompressionspads) in einer gestapelten Anordnung im Batteriemodulgehäuse angeordnet. Die Kompressionselemente bestehen üblicherweise aus einem geschäumten Polymer, z.B. Polyurethanschaum. Die Abmessung des Stapels aus Batteriezellen und Kompressionselementen, etwa dessen Breite, ist größer als der dafür im Batteriemodulgehäuse vorgesehene Bauraum. Deshalb wird der Stapel aus Batteriezellen und den noch nicht komprimierten Kompressionselementen außerhalb des Modulgehäuses mit einem Werkzeug verpresst und an das Modulgehäuse positioniert. Daraufhin wird die Verpressung gelöst und die Komponenten werden unter hohen Reibungskräften in das Batteriemodulgehäuse eingeschoben. Ein solches Vorgehen hat aber den Nachteil, dass die Batteriezellen beim Einschieben des Komponentenstapels in das Batteriegehäuse durch die dabei auftretenden hohen Reibungskräfte beschädigt werden können.
-
Um diesem Problem entgegenzuwirken wurden alternative Einschiebekonzepte entwickelt. So ist beispielsweise die Verwendung von zusätzlichen Elementen mit einer Antihaft-Beschichtung zur Reduzierung der Reibung bekannt. Diese haben jedoch den Nachteil, dass durch ihre Verwendung weniger Platz für die Anordnung von Batteriezellen im Batteriezellenmodul zur Verfügung steht und somit die Energiedichte im Batteriemodul verringert wird.
-
Aus Druckschrift
DE 10 2013 223 085 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batteriemodulbaugruppe bekannt, die eine Mehrzahl von Batteriezellstapeln aufweist, die in einem Batteriegehäuse angeordnet sind. Jeder Batteriezellenstapel wird durch Positionieren einer vorkomprimierten Schaumeinheit, die zwischen zwei benachbarten Batteriezellen angeordnet ist, aufgebaut. Nach einem Einsetzen des Batteriezellenstapels in einen Aufnahmerahmen und seiner Positionierung in dem Aufnahmerahmen wird die vorkomprimierte Schaumeinheit expandiert.
-
Druckschrift
DE 10 2014 217 425 A1 offenbart eine Spannvorrichtung für Batteriezellen mit einem Behältnis, das einem Raum mit einem variablen Volumen umfasst, zur Aufnahme eines Fluids, wobei: das Behältnis derart ausgebildet ist, dass eine Batteriezelle oder eine Vielzahl von Batteriezellen verspannt werden kann.
-
Druckschrift
US 2017/0133705 A1 offenbart eine Druckbeaufschlagungsvorrichtung mit einem Gehäuse, das eine Vielzahl von Batteriezellen und eine Vielzahl von Abstandshaltern aufnimmt, die in gleichmäßigen Abständen in Richtung der Dicke am Gehäuse befestigt sind und Beutelformen bilden, die sich entsprechend dem Luftdruck ausdehnen und zusammenziehen können.
-
Druckschrift
DE 10 2014 206 813 A1 offenbart einen elektrischen Energiespeicher und ein Verfahren zum Betreiben desselben, wobei der elektrische Energiespeicher ein Gehäuse; mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes Energiespeicherelement und mindestens einen in dem Gehäuse angeordneten gasdichten, mit einem Innendruck beaufschlagbaren Hohlraum umfasst, mittels welchem durch Beaufschlagen des Hohlraums mit dem Innendruck ein Druck auf zumindest einen Abschnitt des Energiespeicherelements ausübbar ist.
-
Weiter wird noch auf die Druckschrift
JP 2012 -
221 773 A als Stand der Technik hingewiesen.
-
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bereitstellen eines mit Batteriezellen besetzten Batteriemoduls bereitzustellen, mittels welchem ein Batteriemodul flexibel und einfach aufgebaut werden kann und bei dem das Risiko der Beschädigung der Batteriezellen minimiert wird.
-
Diese Aufgabe wird mittels des Verfahrens zum Fixieren von Batteriezellen in einem Batteriemodul gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
-
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Fixieren von Batteriezellen in einem Batteriemodul bereitgestellt, welches insbesondere als ein Verfahren zum Verspannen von Batteriezellen in einem Batteriegehäuse aufgefasst werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren weist Einbringen von Batteriezellen in ein Batteriemodulgehäuse auf, wobei zwischen mindestens zwei Batteriezellen und/oder zwischen einer Batteriezelle und einer Innenwand des Batteriemodulgehäuses ein Beutel angeordnet ist (d.h. bereits beim Einsetzen der Batteriezellen ins Batteriemodulgehäuse) oder wird (d.h. separat nach Einsetzen der Batteriezellen). Obgleich im überwiegenden Teil der Beschreibung von einem Beutel gesprochen wird, können und werden zweckmäßigerweise auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens selbstverständlich mehrere Beutel zur Anordnung im Batteriemodulgehäuse verwendet werden, wobei die Beutel zwar bevorzugt, jedoch nicht zwingend in der gleichen Ausrichtung/Orientierung entlang einer Dimension angeordnet sein können, etwa entlang der Breite des Batteriemodulgehäuses.
-
Beispielsweise kann zwischen jeweils zwei Batteriezellen innerhalb des in einem Batteriemodulgehäuse angeordneten Batteriezellenstapels ein Beutel angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann an einem oder an beiden Enden des Batteriezellenstapels (mit oder ohne dazwischen angeordnete Beutel) ein Beutel zwischen einer äußeren Batteriezelle und einer Innenwand des Batteriemodulgehäuses angeordnet sein. Ferner kann jeweils ein Beutel alle zwei, drei, vier usw. Batteriezellen angeordnet sein, beispielsweise insbesondere dann, wenn mehrere Batteriezellen (z.B. zwei oder drei) in zusammenhängenden Baugruppen bereitgestellt werden. Grundsätzlich kann insgesamt eine beliebige Anzahl der Beutel in dem Batteriezellenstapel zwischen den Batteriezellen und/oder zwischen (mindestens einer äußeren) Batteriezelle des Batteriezellenstapels und einer Innenwand des Batteriemodulgehäuses angeordnet werden. In der Regel, jedoch nicht einschränkend, können bis zu n+1 Beutel verwendet werden, wobei n die Anzahl der Batteriezellen im Batteriegehäuse angibt. Dabei kann zweckmäßigerweise zwischen zwei Batteriezellen und/oder zwischen einer Batteriezelle und einer Innenwand des Batteriemodulgehäuses jeweils nur ein Beutel angeordnet sein.
-
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Beutel kann eine beliebige Form haben. Bevorzugt kann der Beutel eine rechteckige Grundfläche aufweisen, welche in etwa der Grundfläche einer Batteriezelle entsprechen kann. Unter der Grundfläche einer Batteriezelle kann diejenige Fläche verstanden werden, welche innerhalb des Batteriezellenstapels der Grundfläche einer benachbarten Batteriezelle zugewendet ist. Der Beutel kann aus einem Kunststoff, beispielweise aus einer Folie bestehen.
-
Im Allgemeinen kann eine geeignete Anzahl der Beutel bereits vor Einbringen des Batteriezellenstapels zwischen den Batteriezellen angeordnet sein. In diesem Fall werden die Beutel zusammen mit den Batteriezellen ins Batteriemodulgehäuse eingebracht. Alternativ können die Beutel aber in einem separaten Schritt, welcher nach dem Einsetzen der Batteriezellen in das Batteriemodulgehäuse erfolgt, eingebracht werden. Im letzteren Fall können beispielsweise geeignete Halteschablonen verwendet werden, mittels welchen ein Beutel faltenfrei an seine Zielposition (d.h. zwischen zwei Batteriezellen oder zwischen eine Batteriezelle und eine Innenwand des Batteriemodulgehäuses) eingeführt werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner Einfüllen eines Fluides in den Beutel auf, um die in dem Batteriemodulgehäuse angeordneten Batteriezellen gegen die Innenwände des Batteriemodulgehäuses zu verspannen. Durch das Einfüllen eines Fluides in den oder die im Batteriegehäuse angeordneten Beutel kann das von einem Beutel eingenommene Volumen vergrößert werden, wodurch der innerhalb des Batteriemodulgehäuses angeordnete Batteriezellenstapel insgesamt mehr Platz einnimmt und dadurch gegen die Innenwände des Batteriemodulgehäuses verspannt wird. Bei dem Fluid kann es sich um eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch aus beiden handeln.
-
Der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Beutel weist mindestens ein erstes Ventil auf, durch welches der Beutel mit dem Fluid gefüllt werden kann. Das erste Ventil kann folglich einem Befüllventil entsprechen. Das erste Ventil kann beispielsweise an einer Randfläche des Beutels angeordnet sein, so dass es zur Öffnung des Batteriezellengehäuses freiliegt, durch die die Batteriezellen in das Batteriezellengehäuse eingesetzt worden sind.
-
Der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Beutel weist (mindestens) ein zweites Ventil auf, durch welches das erste Fluid entweichen kann, wenn der Druck im Inneren des Beutels einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Bei dem zweiten Ventil kann es sich also um ein Überdruckventil handeln.
-
Das Einfüllen des bisher angesprochenen Fluides in den Beutel entspricht dem Einfüllen eines ersten Fluides und das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner Einfüllen eines zweiten Fluides in den mit dem ersten Fluid gefüllten Beutel auf. Bei dem zweiten Fluid kann es sich um eine Flüssigkeit handeln, etwa eine zähe Flüssigkeit, beispielsweise ein Gel. Das zweite Fluid kann bevorzugt einen (zäh-)flüssigen Polymer-Schaum aufweisen, beispielsweise Polyurethan-Schaum. Bei dem zweiten Fluid kann es sich ferner bevorzugt um ein aushärtendes Fluid handeln, z.B. einen aushärtenden Polymer-Schaum (z.B.
-
Polyurethan-Schaum). Generell kann das erste Fluid einen von dem zweiten Fluid unterschiedlichen Aggregatzustand aufweisen. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass das mindestens eine zweite Ventil, welches zum Ablassen des ersten Fluides aus dem Beutel bei Überdruck eingerichtet ist, selektiv nur das erste Fluid, nicht jedoch das zweite Fluid aus dem Beutel nach außen treten zu lassen. So kann beispielsweise beim Einfüllen des zweiten Fluides in den Beutel das erste Fluid durch das mindestens eine zweite Ventil aus diesem verdrängt werden. Wird beispielsweise Polyurethan-Schaum eingefüllt, so entweicht das erste Fluid, beispielsweise (Druck)Luft, zugleich aus dem Beutel bzw. wird aus diesem verdrängt und der Polyurethan-Schaum härtet aus, wodurch die Zellen innerhalb des Batteriemodulgehäuses verspannt werden. Durch das Vorbefüllen des Beutels mit dem ersten Fluid kann dieses aus seiner zusammengelegten bzw. in erster Näherung zweidimensionalen Form in eine dreidimensionale Form gebracht werden, wodurch das zweite Fluid einfacher und gleichmäßiger in den Beutel eingefüllt werden kann.
-
In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann dieses zu Beginn das Bereitstellen eines Batteriemodulgehäuses zur Aufnahme von Batteriezellen aufweisen.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann es sich bei dem Batteriemodulgehäuse um ein einteiliges Batteriemodulgehäuse („Monoframe“) handeln, also anders ausgedrückt um ein einstückig ausgebildetes Gehäuse, welches zum Einsetzen der Batteriezellen nicht auseinandergebaut bzw. entsprechend geöffnet werden kann.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann der Beutel vor Befüllen mit dem Fluid in einem ungefüllten (nicht gefüllten) oder in einem teilweise gefüllten Zustand vorliegen. Anders ausgedrückt kann der Beutel, wenn es sich bei dem Fluid beispielsweise um Druckluft handelt, bis zum Befüllen mit dem Fluid in einem unaufgepumpten Zustand vorliegen. Im unbefüllten Zustand nimmt der Beutel wenig Raum ein und erschwert nicht da Einsetzen des Zellmodulstapels in das Batteriemodulgehäuse.
-
Beispielsweise kann der Beutel in einem zwar flächig ausgebreiteten, jedoch evakuierten Zustand vor Befüllen mit dem Fluid vorliegen, so dass seine Seitenflächen dicht aneinander anliegen. Die laterale Ausdehnung des Beutels, .d.h. seine Ausdehnung in Richtung des Abstandes zwischen den Batteriezellen, entspricht dann in erster Näherung der doppelten Wandstärke und ist damit minimal. Allgemein kann der Beutel derart ausgebildet sein, dass beim Befüllen mit dem Fluid der Volumenzuwachs durch Vergrößerung des Beutels im Wesentlichen entlang nur einer Dimension erfolgt, beispielsweise seitlich/lateral (entlang der Richtung des Abstandes der Batteriezellen im Batteriezellenstapel). Das kann dadurch erreicht werden, dass die entsprechenden Seitenoberflächen des Beutels entsprechend starr/unflexibel ausgebildet werden.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann das Einfüllen des Fluides in den Beutel das Einfüllen eines Gases, bevorzugt Luft, in den Beutel aufweisen. Das Fluid kann insbesondere Druckluft aufweisen. Folglich kann das Einfüllen des Fluides in den Beutel einem Aufpumpen bzw. Aufblasen des Beutels entsprechen.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann das zweite Fluid mittels eines mit dem Beutel fluidmechanisch gekoppelten Einfüllelements in den Beutel eingefüllt werden. Bei dem Einfüllelement kann es sich um ein zusätzliches Element handeln, welches an den Beutel befestigt ist und welches nach dem Einfüllen des zweiten Fluides in den Beutel aus dem Batteriemodulgehäuse entfernt wird.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann das Einfüllelement eine Mehrzahl von Düsen aufweisen, die mit entsprechenden am Beutel vorgesehenen Ventilen fluidmechanisch gekoppelt sind. Die Ventile können beispielsweise gleichmäßig entlang eines Randes des Beutels angeordnet sein, so dass der Beutel gleichmäßig von einer Randseite her, beispielsweise von unten (entgegen der Gravitationskraft), mit dem zweiten Fluid aufgefüllt wird.
-
Die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt ein Batteriemodulgehäuse und eine darin einzusetzende Anordnung aus Batteriezellen, zwischen welchen Beutel angeordnet sind.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung des im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Beutels.
-
In 1 ist ein mögliches Ausgangsszenario für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Es ist eine Seite eines Batteriemodulgehäuses 1 gezeigt, welche eine Öffnung 2 aufweist, durch die hindurch die Batteriezellen 4, im gezeigten Beispiel insgesamt sechs Batteriezellen 4, in das Batteriegehäusemodul 1 eingeschoben/eingesetzt werden sollen. Je nach Abmessung des Batteriemodulgehäuses 1 kann selbstverständlich eine andere Anzahl von Batteriezellen 3 zu dessen Bestückung verwendet werden. Das Batteriegehäuse 1 weist üblicherweise eine quaderförmige Form auf, was jedoch nicht zwingend vorausgesetzt ist. Die relevante Abmessung des Batteriemodulgehäuses 1, welche hier der Breite 3 der Öffnung 2 entspricht, ist größer als die entsprechende Breite 6 des Komponentenstapels, welcher die einzusetzenden Batteriezellen 4 und die dazwischen angeordneten Beutel 5 umfasst. Die Beutel 5 liegen dabei in einem ungefüllten Zustand vor und nehmen daher kaum Platz ein. Der Komponentenstapel kann problemlos, insbesondere ohne übermäßigem Kraftaufwand und damit ohne nennenswerte Reibungskräfte durch die Öffnung 2 in das Batteriegehäuse 1 eingeschoben werden. Obgleich bei dem gezeigten Beispiel nur am rechten Rand des Komponentenstapels ein Beutel 5 angeordnet ist, kann in weiteren Ausführungsbeispielen ein Beutel 5 auch am linken Rand des Komponentenstapels angeordnet sein. Ferner sei drauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf eine Ausführungsform beschränkt ist, bei der die Beutel 5 bereits beim Einschieben der Batteriezellen 4 zwischen diesen angeordnet sind.
-
Nach dem Einbringen des Komponentenstapels in das Batteriemodulgehäuse 1, werden die Beutel 5 mit einem Fluid befüllt, so dass sie ein größeres Volumen annehmen. Dadurch üben sie Druck auf die jeweils benachbarten Batteriezellen 5 und ggfs. die entsprechende Innenwand des Batteriemodulgehäuses 1 aus. Dadurch nimmt die Breite 6 des Komponentenstapels zu und die Batteriezellen 4 werden gegen die Innenwände des Batteriemodulgehäuses 1 gedrückt bzw. verspannt. Es sei drauf hingewiesen, dass die Beutel 5 nicht schon vor dem Einschieben der Batteriezellen 4 in das Batteriemodulgehäuse 1 an ihren angedachten Positionen angeordnet sein müssen. Es können genau so gut in einem Schritt zunächst die Batteriezellen 4 in das Batteriemodulgehäuse 1 eingeschoben werden und in einem nachfolgenden Schritt die Beutel 5 an ihre angedachten Positionen angeordnet werden. Generell können die Beutel 5 als Flachbeutel ausgebildet sein, deren Volumen beim Einfüllen des Fluides im Wesentlichen nur in einer Dimension zunimmt - im gezeigten Beispiel lateral/seitlich, also parallel zur Richtung der Anordnung der Batteriezellen 4.
-
Nach Befüllen der Beutel 5 mit einem ersten Fluid können die Beutel 5 in einem weiteren Schritt mit einem zweiten Fluid befüllt werden. Dabei kann, während das zweite Fluid in den Beutel 5 eingefüllt wird, das erste Fluid aus dem Beutel 5 entweichen bzw. aus diesem verdrängt werden. Wie bereits erwähnt, kann das zweite Fluid mit der Zeit aushärten und somit für eine für die Dauer der Verwendung des Batteriemoduls stabile Verspannung der Batteriezellen 4 innerhalb des Batteriemodulgehäuses 1 sorgen.
-
In 2 ist eine perspektivische Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform des Beutels 5 gezeigt, welcher im Rahmen des hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. Wie dargestellt, kann der Beutel 5 eine flache, insgesamt quaderförmige Form aufweisen. An einer Randseite 53 des Beutels 4 sind ein erstes Ventil 51 und ein zweites Ventil 52 angeordnet. Das erste Ventil 51 kann als ein Befüllventil eingerichtet sein und folglich zum Einfüllen des ersten und optional auch des zweiten Fluides eingerichtet sein. Das zweite Ventil 52 kann als ein Überdruckventil eingerichtet sein, durch welches das erste Fluid aus dem Inneren des Beutels 5 entweichen kann, wenn der Druck im Inneren des Beutels einen bestimmen Schwellenwert erreicht. Dieser Schwellenwert kann insbesondere erreicht werden, wenn nach Befüllen des Beutels 5 mit dem ersten Fluid das zweite Fluid in den Beutel 5 eingefüllt wird. Folglich kann das zweite Ventil 52 gezielt zum Austausch des ersten Fluides mit dem zweiten Fluid verwendet werden. Der Rand des Beutels 5, welcher die große Seitenoberfläche 56 des Beutels 5 umgibt, kann versteift sein, wodurch sich der Beutel 5 leichter zwischen die Batteriezellen 4 einschieben und positionieren lässt. In einer Ausführungsform kann die große Seitenoberfläche 56 des Beutels 5 steif bzw. unflexibel sein und die umgebenden Ränder, unter anderem die Randseite 53, können weich ausgebildet sein, so dass die Volumenzunahme des Beutels 5 beim Befüllen im Wesentlichen senkrecht zur Seitenoberfläche erfolgt.
-
In 2 ist ferner ein optionales mit dem Beutel 5 fluidmechanisch gekoppeltes Einfüllelement 54 dargestellt. Das Einfüllelement 54 weist eine Mehrzahl von Düsen 55 auf, die mit entsprechenden weiteren Ventilen am Beutel 5 (in 2 nicht dargestellt) fluidmechanisch gekoppelt sind. Mittels des Einfüllelements 54 kann das zweite Fluid in den Beutel 4 eingefüllt werden. Nach Befüllen des Beutels 5 mit dem zweiten Fluid kann das Einfüllelement 54 entfernt werden. Das Einfüllelement 54 muss nicht notwendigerweise gemäß der in 2 gezeigten Darstellung am unteren Seitenrand des Beutels 5 mit diesem fluidmechanisch gekoppelt sein, sondern kann auch in der in 2 gezeigten Darstellung bei Bedarf am hinteren Seitenrand oder am oberen Seitenrand mit diesem gekoppelt sein. Mittels des Einfüllelements 54 kann das zweite Fluid gleichmäßig in den Beutel 5 eingefüllt werden.
