-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen von Batteriezellen auf einem Träger, wobei der Träger und die Batteriezellen bereitgestellt werden und eine erste Menge der Batteriezellen, die mindestens eine erste Zellgruppe mit mindestens drei der Batteriezellen umfasst, gemäß einem vorbestimmten Anordnungsmuster auf dem Träger angeordnet werden, so dass zwischen den Batteriezellen der mindestens einen ersten Zellgruppe ein gemeinsamer erster Zwischenraum bereitgestellt ist, an den die Batteriezellen der mindestens einen ersten Zellgruppe angrenzen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batteriezellenanordnung.
-
Bei Elektrofahrzeugen, insbesondere batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV, Battery electric vehicles), wird die Energie oft in Hochvoltbatterien gespeichert. Diese wird üblicherweise in der Plattform, das heißt in der unteren Karosseriestruktur, zwischen der Vorder- und Hinterachse positioniert und besitzt Abmessungen von zum Beispiel einer Länge von 2 Metern, eine Breite von 1 Meter und eine Höhe von zum Beispiel 0,2 Metern. Die weitverbreitetsten Zellformate der Batteriezellen einer solchen Hochvoltbatterie sind Pouch-Zellen, prismatische Zellen und zylindrische Zellen. Um die Batteriezellen zu kühlen, werden diese oftmals auf einer Kühlplatte positioniert. Rundzellen, die auch als zylindrische Zellen bezeichnet werden, werden dabei beispielsweise mit ihren Stirnseiten der Kühlplatte zugewandt auf dieser positioniert und befestigt. Um die Zellen dabei in der angedachten Position zu halten, müssen Abstandshalter eingesetzt werden, die oft die Form eines Zellrasters aufweisen und einer Wabenstruktur ähneln, weswegen diese auch als Honeycomb bezeichnet werden. Solche Zellraster haben also typischerweise kreisförmige Löcher gemäß einem bestimmten Anordnungsmuster. In die einzelnen Löcher können die Rundzellen eingesteckt werden, um diese so in einem definierten Abstand zueinander zu halten und ein Verrutschen der Zellen zu verhindern. Dabei kann sowohl ein Kühlplattennahes Zellraster zum Einsatz kommen, also auch ein zusätzliches Zellraster der Kühlplatte gegenüberliegend oben auf die Zellanordnung aufgesetzt werden. Gerade kühlplattenseitig ist jedoch wenig Bauraum, um eine Zellrasterung, welche ein prozesssicheres Einfädeln der Zellen ermöglicht, zu positionieren. Die Zellraster mit den Abmessungen ähnlich denen einer Hochvoltbatterie, wie diese oben beispielhaft angegeben wurden, unterliegen aufgrund ihrer Größe auch sehr hohen fertigungsbedingten Einzelteiltoleranzen, zum Beispiel einem Verzug. Daher ist das automatisierte Einfädeln der Einzelzellen in die Zellrasterung schwierig und zeitaufwändig.
-
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Batteriezellenanordnung bereitzustellen, die die Bereitstellung einer Zellhalterung auf möglichst einfache Weise ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Batteriezellenanordnung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Anordnen von Batteriezellen auf einem Träger werden der Träger und die Batteriezellen bereitgestellt. Weiterhin wird eine erste Menge der Batteriezellen, die mindestens eine erste Zellgruppe mit mindestens drei der Batteriezellen umfasst, gemäß einem vorbestimmten Anordnungsmuster auf dem Träger angeordnet, so dass zwischen den Batteriezellen der mindestens einen ersten Zellgruppe ein gemeinsamer erster Zwischenraum bereitgestellt ist, an den die Batteriezellen der mindestens einen ersten Zellgruppe angrenzen. Weiterhin wird zumindest ein erster Teil eines aushärtbaren Kunststoffs im nicht ausgehärteten Zustand in den ersten Zwischenraum eingebracht, während zumindest die Batteriezellen der mindestens einen ersten Zellgruppe mittels einer Halteeinrichtung in ihrer Position gehalten werden, wobei der erste Teil des Kunststoffs nach dem Einbringen aushärtet und einen Abstandshalter zwischen den Batteriezellen der mindestens einen ersten Zellgruppe bereitstellt. Weiterhin wird die Halteeinrichtung von den mittels der Halteeinrichtung gehaltenen Batteriezellen entfernt.
-
Die Erfindung ermöglicht es so vorteilhafterweise, ein herkömmliches Zellraster durch einen viskos applizierten Zellhalter zu ersetzen. In Zwischenräume zwischen Batteriezellen, die auf einem Träger angeordnet sind, wird ein aushärtbarer Kunststoff eingebracht, der dann entsprechend aushärtet und so die Zellen zueinander und zum Träger fixieren kann. In Summe können so die in die mehreren Zwischenräume zwischen den Zellen eingebrachten Kunststoffteile nach dem Aushärten einen Zellhalter formen, der die Zellen vor dem Verrutschen zueinander und gegenüber dem Träger schützt. Dadurch lassen sich vielzählige Vorteile erzielen: Zum einen kann an Materialeinzelkosten eingespart werden, da Viskosemedien meistens beziehungsweise zumindest in diesem Fall kostengünstiger sind als fertige Einzelteile, wie zum Beispiel ein vorgefertigtes Zellraster. Zudem kann enorm an Prozesszeit für das zeitaufwände Einfädeln der Zellen in ein Zellraster eingespart werden. Im vorliegenden Fall können die Zellen also einfach gemäß dem vorbestimmten Anordnungsmuster auf dem Träger angeordnet, mit der Halteeinrichtung zumindest für die Zeitdauer des Applizieren des aushärtbaren Kunststoffs gehalten und dann die Halteeinrichtung wieder entfernt werden. Zudem können auch Logistikkosten eingespart werden, da weniger Einzelteile benötigt werden.
-
Bei den Batteriezellen kann es sich zum Beispiel um Lithium-Ionen-Zellen handeln. Die resultierende, auf dem Träger bereitgestellte Zellanordnung kann Teil einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug sein beziehungsweise zur Herstellung einer solchen genutzt werden. Die Batteriezellen sind weiterhin vorzugsweise als Rundzellen ausgebildet, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als zylindrische Batteriezellen bezeichnet und nachfolgend noch näher beschrieben werden. Der Träger kann zum Beispiel als ein plattenförmiger Träger bereitgestellt sein, insbesondere mit einer ebenen Anordnungsfläche, auf welcher die Batteriezellen angeordnet werden. Die der Anordnungsfläche gegenüberliegende Seite muss nicht notwendigerweise eben sein, sondern kann zum Beispiel auch gewellt sein oder beliebig geformt sein. Der Träger kann zum Beispiel Teil eines Batteriegehäuses oder Modulgehäuses sein. Vorzugsweise wird über den Träger auch eine Kühlung der Batteriezellen bereitgestellt. Zu diesem Zweck kann der Träger an eine Kühleinrichtung angebunden werden oder selbst als Teil einer solchen ausgebildet sein und zum Beispiel von einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, durchströmbare Kühlkanäle aufweisen. Die Halteeinrichtung hält die Batteriezellen zumindest der mindestens einen ersten Zellgruppe nur temporär. Das heißt, die Halteeinrichtung selbst ist nicht Teil der mittels dieses Verfahrens bereitzustellenden Batteriezellenanordnung beziehungsweise zu fertigenden Batterie. Die Halteeinrichtung kann von den durch die Halteeinrichtung gehaltenen Batteriezellen wieder entfernt werden, nachdem der erste Teil des aushärtbaren Kunststoffs in den ersten Zwischenraum eingebracht wurde, insbesondere nachdem der erste Teil des Kunststoffs ausgehärtet ist. Durch die Halteeinrichtung wird verhindert, dass die Zellen zueinander oder relativ zum Träger während des Applizierens des Kunststoffs verrutschen. Der aushärtbare Kunststoff ist zudem insbesondere elektrisch isolierend.
-
Die bereitgestellten Batteriezellen, die auf dem Träger anzuordnen sind, müssen dabei nicht notwendigerweise alle auf einmal auf dem Träger angeordnet werden, sondern können dies beispielsweise gruppenweise beziehungsweise verbundweise nacheinander, zum Beispiel Zellreihe für Zellreihe. Dabei wird vorzugsweise mit mindestens zwei, insbesondere nicht notwendigerweise vollständigen Zellreihen, die nebeneinander angeordnet sind, begonnen. Dann kann der aushärtbare Kunststoff in die Zwischenräume zwischen den Zellen appliziert werden und anschließend die nächste Zellreihe auf dem Träger angeordnet werden und wiederum die entsprechend neu entstandenen Zwischenräume befüllt werden und so weiter. Der erste Zwischenraum ist dabei im Allgemeinen so definiert, dass an diesen die Batteriezellen der mindestens einen ersten Zellgruppe angrenzen, insbesondere nur die Batteriezellen der mindestens einen ersten Zellgruppe. Die Batteriezellen der ersten Zellgruppe müssen dabei diesen Zwischenraum nicht vollständig umschließen. Die Batteriezellen dieser ersten Zellgruppe können auch in einem kleinen Abstand zueinander angeordnet sein. Dieser Abstand ist aber vorzugsweise in Anpassung auf die Viskosität des Kunststoffs im nicht ausgehärteten Zustand so bemessen, dass dieser Kunststoff nach Einbringen nicht durch diese Zwischenräume hinausläuft oder höchstens ein äußerst geringer Anteil, zum Beispiel maximal 5 %. Weiterhin erfolgt das Einbringen des Kunststoffs von oben in den Zwischenraum, das heißt ausgehend von einer dem Träger gegenüberliegenden Seite der auf dem Träger angeordneten Batteriezellen. Die Begrifft „oben“ und „unten“ beziehen sich hierbei auf die bestimmungsgemäße Lage des Trägers und der Batteriezellen während des Einbringens des zumindest einen ersten Teils des Kunststoffs.
-
Die erste Menge der Batteriezelle kann dabei eine erste Teilmenge aller bereitgestellten Batteriezellen darstellen. Optional, aber weniger bevorzugt, kann die erste Menge auch alle der bereitgestellten Batteriezellen, die letztendlich auf dem Träger angeordnet werden sollen, darstellen. Zudem kann die erste Menge auch mehrere erste Zellgruppen aufweisen. Dabei kann eine Batteriezelle der ersten Menge Teil mehrerer solcher ersten Zellgruppen sein. Dies hängt vom vorbestimmten Anordnungsmuster ab und davon, welcher Anteil der Gesamtanordnung auf den Träger gemäß der ersten Menge aufgebracht wird. Das Anordnungsmuster bestimmt sozusagen die Anordnung aller Batteriezellen auf dem Träger in ihrer finalen Position. Dabei kommen grundsätzlich verschiedene Muster in Frage. Bevorzugt ist es dabei, dass die Batteriezellen reihenweise auf dem Träger angeordnet sind. Weiterhin ist es dabei bevorzugt, dass unmittelbar benachbarte Reihen von Batteriezellen zueinander um den halben Zellabstand zweier benachbart angeordneter Zellen in Zellreihenerstreckungsrichtung versetzt sind. Gemäß dieser Anordnung beziehungsweise gemäß diesem vorbestimmten Anordnungsmuster hat dann jede Zelle, die von einer Randzelle verschieden ist, sechs nächste Nachbarn, die insbesondere den gleichen Abstand zur zentralen Zelle haben. Weiterhin ist dann jede Zelle, die keine Randzelle darstellt, von sechs Zwischenräumen umgeben, und jeder Zwischenraum wird durch drei angrenzende Zellen begrenzt. Dies stellt auch das bevorzugte Anordnungsmuster dar, da dies eine besonders hohe Packdichte erlaubt.
-
Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Anordnungsmuster derart ausgestaltet ist, dass, wenn alle der bereitgestellten Batteriezellen auf dem Träger angeordnet sind, eine Zellanordnung bereitgestellt ist, die mehrere Zellreihen aufweist, wobei je zwei benachbarte Zellreihen in einer Erstreckungsrichtung der jeweiligen Zellreihen um einen halben Zellenabstand zueinander versetzt sind, wobei der Zellabstand als ein Abstand zwischen den Stirnseitenmitten zweier benachbarter Batteriezellen einer gleichen Zellreihe in deren Erstreckungsrichtung definiert ist. Dadurch lassen sich sehr hohe Packungsdichten realisieren. Die Zwischenräume zwischen den Zellen können dadurch minimiert werden. Auch die Menge an benötigtem, aushärtbarem Kunststoff kann hierdurch auf ein Minimum reduziert werden.
-
Denkbar ist es jedoch auch, dass zum Beispiel die Zellen in Zellreihen nebeneinander angeordnet werden, ohne dass diese zueinander in Reihenerstreckungsrichtung versetzt sind. In diesem Fall ist dann jede Zelle von vier Zwischenräumen umgeben und jeder Zwischenraum von vier Zellen begrenzt.
-
Weiterhin muss nicht notwendigerweise jeder Zwischenraum zwischen Zellen einer Zellgruppe mit dem aushärtbaren Kunststoff befüllt werden. Denkbar ist es auch, dass nur jeder zweite Zwischenraum mit einem solchen Kunststoff befüllt wird. Zugunsten der Stabilität ist es jedoch bevorzugt, alle der zwischen den Zellen bereitgestellten Zwischenräume mit entsprechenden Teilen des aushärtbaren Kunststoffs zu befüllen. Die Grenzlinie eines jeweiligen ersten Zwischenraums wird dabei zum Großteil durch die Batteriezellen der mindestens einen ersten Zellgruppe begrenzt. Mit anderen Worten werden die Batteriezellen möglichst eng aneinander angeordnet. Der verbleibende Zwischenraum zwischen den Batteriezellen weist dabei eine Grundfläche auf, die durch eine Teilfläche des Trägers bestimmt ist, auf welche keine weitere Batteriezelle Platz hat. Mit anderen Worten sind die Batteriezellen derart eng beisammen auf dem Träger angeordnet, dass in den definierten ersten Zwischenraum keine gleichartige Batteriezelle mehr eingebracht werden könnte. Grundsätzlich sind vorzugsweise alle der bereitgestellten Batteriezellen hinsichtlich ihrer Geometrie gleichartig ausgebildet.
-
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Kunststoff ein schnell aushärtender Kunststoff, insbesondere ein schnell aushärtendes Polymer, zum Beispiel ein schnell aushärtender Klebstoff, verwendet. Insbesondere stellt der Kunststoff einen derart schnell aushärtenden Kunststoff dar, dass der erste Teil des Kunststoffs nach dem Einbringen innerhalb von einer Zeitdauer aushärtet, die kleiner ist als 1 Minute, insbesondere kleiner als 20 Sekunden, besonders bevorzugt kleiner als 10 Sekunden oder sogar kleiner als 5 Sekunden. Es gibt sogar schnell aushärtende Polymere, zum Beispiel Klebstoffe, die im einstelligen Sekundenbereich, ja sogar innerhalb von 1 Sekunde aushärten. Dadurch lassen sich extrem kurze Prozesszeiten realisieren. Einen beispielhaften, sehr schnell aushärtender Klebstoff gibt es z.B. von der Firma Nolax. Ein solcher schnell aushärtender Kunststoff kann zum Beispiel als Mehrkomponentenkunststoff, insbesondere zwei Komponentenkunststoff, zum Beispiel als Zweikomponenten-PU-Klebstoff bereitgestellt werden. Im Allgemeinen muss der aushärtbare Kunststoff, insbesondere der schnell aushärtende Kunststoff, z.B. ein Polymer, dabei nicht notwendigerweise auch klebenden Eigenschaften besitzen, diese sind lediglich optional. Beim aushärtbaren Kunststoff kann es sich also auch um einen nicht klebenden Kunststoff handeln. Die mehreren Komponenten des Kunststoffs sind dabei vor dem Einbringen voneinander separiert und werden beispielsweise über einen geeigneten Mischer, zum Beispiel einen Statikmischer, in den ersten Zwischenraum eingebracht. Durch den Mischer werden die beiden Komponenten während des Durchlaufens der Mischerkanäle gemischt. Ab dem Zeitpunkt der Mischung der Komponenten beginnt dabei das Aushärten des Kunststoffs. Es muss als nicht lange gewartet werden, bis sich dieser viskos applizierte Zellhalter verfestigt und als solcher seine Funktion aufnehmen kann. Somit können noch größere Zeitvorteile gegenüber dem zeitaufwändigen Einfädeln der einzelnen Zellen in ein Zellraster erzielt werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden beim Anordnen der ersten Menge der Batteriezellen auf dem Träger die Batteriezellen der ersten Menge mittels eines Klebstoffs auf den Träger geklebt. Als Klebstoff wird dabei vorzugsweise ein von dem aushärtenden Kunststoff verschiedener Klebstoff verwendet. Dieser weist weiterhin bevorzugt eine längere Aushärtezeit auf. Weiterhin ist es bevorzugt, dass dieser Klebstoff eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist, zum Beispiel besser als die des aushärtenden Kunststoffs. Dieser Klebstoff dient sozusagen als Lückenschließer zwischen den Zellböden und dem Träger. Dies ist besonders vorteilhaft, vor allem wenn durch den Träger eine Kühlfunktion zur Kühlung der Batteriezellen bereitgestellt werden muss, da so die thermische Anbindung der Zellen an den Träger deutlich verbessert wird. Während dieser Klebstoff, mittels welchem die Batteriezellen auf den Träger geklebt werden, aushärtet, kann der in die Zwischenräume eingebrachte und bereits ausgehärtete Kunststoff die Batteriezellen stabilisieren. Damit kann vorteilhafterweise durch den aushärtbaren beziehungsweise ausgehärteten Kunststoff auch ein Verrutschen der Zellen während der Aushärtung des Klebstoffs, mittels welchem die Zelle auf den Träger geklebt sind, verhindert werden. Um die Batteriezellen auf den Träger zu kleben, kann zum Beispiel zunächst der Klebstoff auf dem Träger angeordnet werden, bevor die erste Menge der Batteriezellen auf dem Träger angeordnet wird. Anschließend können die Batteriezellen auf den mit dem Klebstoff versehenen Träger aufgesetzt werden. Der Klebstoff kann dabei großflächig auf den Träger aufgebracht werden, das heißt auch auf Bereiche des Trägers, auf die keine Batteriezellen aufgesetzt werden. Bevorzugt ist jedoch eine punktuelle Auftragung des Klebstoffs gezielt auf die Bereiche des Trägers, auf welche im Anschluss die Batteriezellen zumindest der ersten Menge der Batteriezellen aufgesetzt werden. Dadurch kann Klebstoff eingespart werden. Alternativ ist es auch denkbar, zum Beispiel die Unterseiten der Batteriezellen, das heißt diejenigen Seiten der Batteriezellen, die aufgesetzten Zustand dem Träger zugewandt sind, mit dem Klebstoff zu versehen und anschließend auf den Träger aufzusetzen. Mit anderen Worten kann der Klebstoff zusätzlich oder alternativ auch auf die Batteriezellen aufgebracht werden, die anschließend auf den Träger aufgesetzt werden. Um ein Verfestigen oder Aushärten des Klebstoffs zu verhindern, bevor die Batteriezellen der ersten Menge bestimmungsgemäß auf dem Träger angeordnet sind, ist es entsprechend vorteilhaft, wenn dieser Klebstoff eine längere Aushärtezeit aufweist als der oben beschriebene schnell aushärtende Kunststoff.
-
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellen die Batteriezellen zylindrische Batteriezellen dar, die jeweils eine erste Stirnseite, eine der ersten Stirnseite bezüglich einer ersten Richtung gegenüberliegende zweite Stirnseite und eine die erste und zweite Stirnseite verbindende Mantelfläche und eine Höhe bezüglich der ersten Richtung aufweisen, wobei die Batteriezellen derart auf dem Träger angeordnet werden, dass ihre jeweiligen ersten Stirnseiten dem Träger zugewandt sind. Eine nachträgliche Verschaltung der Batteriezellen kann dann zum Beispiel über ihre jeweiligen zweiten Stirnseiten erfolgen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es zudem bevorzugt, dass der erste Zwischenraum nicht über die gesamte Höhe der Batteriezellen hinweg aufgefüllt wird, sondern beispielsweise maximal zur halben Höhe der Batteriezellen der ersten Zellgruppe mit dem Kunststoff befüllt wird, vorzugsweise bis maximal 10 % deren Höhe. Dies ist bereits vollkommen ausreichend, um durch den ausgehärteten Kunststoff eine robuste Zellhalterung bereitzustellen. Dadurch kann entsprechend Material eingespart werden. Die Füllhöhe kann letztendlich äußerst gering ausfallen und zum Beispiel im einstelligen Millimeterbereich liegen, zum Beispiel 2 mm betragen.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Batteriezellen der mindestens einen ersten Zellgruppe einen minimalen Abstand zueinander auf, der maximal 5 mm beträgt, insbesondere maximal 2 mm, bevorzugt maximal 1 mm. Besonders bevorzugt liegt also der minimale Abstand im Bereich zwischen 0,5 mm und 1 mm. Dadurch können äußerst dichte Zellpackungen und besonders hohe Energiedichten einer Hochvoltbatterie realisiert werden. Gleichzeitig kann dennoch eine einfache und effiziente Zellhalterung durch den viskos applizierten Kunststoff bereitgestellt werden. Dieser kann sich auf besonders einfache Weise noch so filigranen Strukturen der Zwischenräume anpassen. Zudem kann durch so geringe Zellabstände, gemessen senkrecht zur Ausrichtung der Zellhöhen, verhindert werden, dass der in die Zwischenräume eingebrachte Kunststoff vor dem Aushärten aus diesen Zwischenräumen hinausläuft.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hält die Halteeinrichtung die Batteriezellen der ersten Zellgruppe auf dem Träger dadurch, dass die Halteeinrichtung auf eine jeweilige zweite Stirnseite eine zumindest zum Großteil in Richtung des Trägers gerichtete Haltekraft ausübt. Beispielsweise kann die Halteeinrichtung ein Halteelement pro zu haltender Batteriezelle aufweisen, welches auf der entsprechenden Stirnseite der betreffenden Batteriezelle, das heißt der zweiten Stirnseite, aufliegt und eine Haltekraft nach unten auf diese ausübt. Dieses Halteelement ist dabei flächenmäßig maximal so groß, wie die Fläche der zweiten Stirnseite der Batteriezelle. Eine solche Halterung von oben hat den großen Vorteil, dass dieser nicht in die Zwischenräume zwischen die Zellen eingreifen muss, in die der Kunststoff eingebracht werden soll. Mit anderen Worten ist die Halteeinrichtung dem Einbringen des Kunststoffs nicht im Weg. So können vorteilhafterweise die Batteriezellen während des Einbringens des Kunststoffs stabilisiert und ein Verrutschen der Zellen verhindert werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Batteriezellen der ersten Menge mittels einer Positioniereinrichtung auf dem Träger angeordnet, die die Batteriezellen im Bereich ihrer Mantelflächen greift, insbesondere wobei die Positioniereinrichtung von den auf dem Träger angeordneten Batteriezellen erst entfernt wird, wenn die Halteeinrichtung die Batteriezellen zumindest der ersten Zellgruppe, insbesondere der ersten Menge, hält. Um die Batteriezellen auf dem Träger zu positionieren, ist eine Positioniereinrichtung ähnlich eines Greifers besonders vorteilhaft, die die Batteriezellen seitlich fasst, das heißt an ihren Mantelflächen greift. Dadurch lassen sich Batteriezellen besonders effizient und zuverlässig heben und anordnen. Die Positioniereinrichtung kann zum Beispiel Greifelemente aufweisen, die sich, wenn die Batteriezellen an ihrer bestimmungsgemäßen Position auf dem Träger angeordnet wurden, in den Zwischenräumen zwischen den Zellen befinden. Damit diese Greifelemente beim Einbringen des Kunststoffs nicht im Weg sind, ist es entsprechend vorteilhaft, nach dem Anordnen der Batteriezellen auf dem Träger die Positioniereinrichtung wieder von den Batteriezellen zu entfernen und während des Einbringens des Kunststoffs in die Zwischenräume stattdessen die Halteeinrichtung zum Halten der Batteriezellen zu verwenden, die stirnseitig an den Batteriezellen angreift. Denkbar ist es aber dennoch, dass diese Positioniereinrichtung gleichzeitig auch die Halteeinrichtung darstellt. Die Positioniereinrichtung kann zum Beispiel mit drei Greifelementen pro zu greifender Batteriezelle ausgebildet sein, die den Batteriezellenmantelbereich greifen und auf dem Träger positionieren. Wie oben bereits beschrieben ist gemäß dem bevorzugten Anordnungsmuster jede Batteriezelle von sechs Zwischenräumen umgeben. Drei davon wären in diesem Beispiel von den Greifelementen der Positioniereinrichtung belegt. In die übrigen drei freien Zwischenräume könnte entsprechend der aushärtbare Kunststoff eingebracht werden. Anschließend könnte die Positioniereinrichtung entfernt werden und optional in die weiteren freien Zwischenräume ebenfalls ein Teil des aushärtbaren Kunststoffs eingebracht werden. So lässt sich eine Einrichtung gleichzeitig zum Positionieren der Zellen auf dem Träger und zum Halten der Zellen während der Applikation des aushärtbaren Kunststoffs verwenden. Darüber hinaus gibt es noch zahlreiche weitere Ausbildungsmöglichkeiten sowohl für die Positioniereinrichtung als auch für die Halteeinrichtung.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach dem Aushärten des ersten Teils des Kunststoffs im ersten Zwischenraum der mindestens einen ersten Zellgruppe, eine zweite Menge der Batteriezellen auf dem Träger gemäß dem vorbestimmten Anordnungsmuster angeordnet, wobei eine zweite Zellgruppe mit mindestens drei der auf dem Träger angeordneten Batteriezellen bereitgestellt ist, die mindestens eine der Batteriezellen der ersten Menge und mindestens eine der Batteriezellen der zweiten Menge umfasst, wobei zwischen den Batteriezellen der zweiten Zellgruppe ein zweiter Zwischenraum gebildet ist, in den ein zweiter Teil des aushärtbaren Kunststoffs eingebracht wird. Wie oben bereits beschrieben, können die einzelnen bereitgestellten und letztendlich auf dem Träger anzuordnenden Batteriezellen reihenweise nacheinander auf dem Träger angeordnet werden und entsprechend auch nacheinander die entsprechenden Zwischenräume zwischen den Zellen befüllt werden. Dies hat sich als besonders effiziente Vorgehensweise erwiesen. Zudem können hierbei die einzelnen Einrichtungen, wie zum Beispiel die beschriebene Positionier- und/oder Halteeinrichtung kleiner und einfacher dimensioniert werden, da diese immer nur eine bestimmte Teilmenge an Batteriezellen positionieren und halten müssen.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batteriezellenanordnung, die mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder einem seiner Ausgestaltungen bereitgestellt wurde. Auch eine Hochvoltbatterie mit einer solchen Batteriezellenanordnung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezellenanordnung, sollen als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Das Kraftfahrzeug ist dabei vorzugsweise als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
-
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
-
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung hier nicht noch einmal beschrieben.
-
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung in einer Draufsicht, die mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bereitgestellt wurde;
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Zellgruppe der Batteriezellenanordnung aus 1;
- 3 eine schematische Darstellung der Batteriezellenanordnung aus 1 mit einer Positioniereinrichtung zum Positionieren der Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 4 eine schematische Veranschaulichung des Ablaufs zum Bereitstellen der Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 10 in einer Draufsicht, die mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bereitgestellt wurde. Die Batteriezellenanordnung 10 weist dabei zunächst einen Träger 12 auf, der als eine Grundplatte, insbesondere als eine Kühlplatte, bereitgestellt sein kann. Zudem umfasst die Batteriezellenanordnung 10 mehrere Rundzellen 14, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die aus Rundzellen 14 ausgebildeten Batteriezellen 14 sind dabei gemäß einem vorbestimmten Anordnungsschema auf dem Träger 12 angeordnet. Gemäß diesem Anordnungsmuster beziehungsweise Anordnungsschema sind die Batteriezellen 14 in einzelnen Reihen, vorliegend exemplarisch drei Reihen R1, R2, R3 angeordnet. Jede Reihe R1, R2, R3 weist dabei mehrere Batteriezellen 14, in diesem Beispiel fünf Batteriezellen, auf. Zudem sind in diesem Beispiel zueinander benachbarte Reihen R1, R2, R3 in Reihenerstreckungsrichtung, die hier zur dargestellten x-Richtung korrespondiert, zueinander versetzt, und zwar um einen halben Zellabstand A. Dieser Zellabstand A ist insbesondere von Zellmitte M zur Zellmitte M gemessen, wobei sich hier die Zellmitte M auf eine Mitte der jeweiligen Stirnseiten 14a der Batteriezellen 14 bezieht. Durch dieses Anordnungsmuster ergeben sich zwischen den Zellen 14 Zwischenräume 16, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit hier ebenfalls nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Ein jeweiliger dieser Zwischenräume 16 ist gemäß diesem Anordnungsmuster der Zellen 14 von drei Batteriezellen 14 umschlossen. Die einen solchen Zwischenraum 16 umschließenden Batteriezellen 14 werden im Folgenden auch als Zellgruppe 18 bezeichnet. Eine solche Zellgruppe ist exemplarisch perspektivisch noch einmal in 2 dargestellt. Die mehreren auf dem Träger 12 angeordneten Batteriezellen 14 können zudem noch von einem Rahmen 20 umschlossen sein. Wie vor allem in 2 zu erkennen ist, weist eine jeweilige Rundzelle 14 zwei Stirnseiten 14a, 14b auf sowie eine die Stirnseiten 14a, 14b verbindende Mantelfläche 14c. Dabei sind die Batteriezellen 14 mit einer ihrer Stirnseiten 14b dem Träger 12 zugewandt auf diesem angeordnet. Insbesondere sind die Zellen 14 dabei auf dem Träger 12 angeklebt. Entsprechend befindet sich zwischen den jeweiligen Zellen 14 und dem Träger 12 ein Klebstoff 22. Dieser stellt vorzugsweise einen thermisch gut leitenden Klebstoff 22 dar, um die thermische Anbindung der Zellen 14 an den Träger 12 zu optimieren.
-
Um solche Zellen während der Aushärtezeit eines solchen Klebstoffs 22 sowie auch während der Fahrt bei kurzzeitigen, stoßartigen Belastungen, zum Beispiel bei einem Crash, vor einem Verrutschen zu schützen, weisen herkömmliche Zellanordnungen Zellraster auf. Dies erschwert jedoch die Herstellung solcher Zellanordnungen, gerade bei sehr großen Zellanordnungen, wie dies bei Hochvoltbatterien für Kraftfahrzeuge der Fall ist. Um möglichst hohe Packungsdichten realisieren zu können, sollten die Abstände zwischen den Zeilen möglichst klein gehalten werden. In 1 ist beispielsweise der minimale Zellabstand mit d bezeichnet. Dies führt wiederum zu sehr filigranen Strukturen solcher herkömmlichen Zellhalter, die dann aufgrund ihrer Größe unvermeidbar einen gewissen Verzug aufweisen. Dadurch erschwert sich das Einfädeln der einzelnen Zellen in einen solchen Zellhalter.
-
Diese Problem können nun vorteilhafterweise durch die Erfindung und ihre Ausgestaltungen vermieden werden, indem als Zellhalter ein viskoseappliziertes Zellraster bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck kann in die Zwischenräume 16, wie diese in 1 illustriert sind, ein schnell aushärtender Kunststoff 24, insbesondere ein schnell aushärtendes Polymer ähnlich einem Sekundenkleber, appliziert beziehungsweise eingebracht werden. Wie in 2 zu sehen ist, wird dieser Kunststoff 24 dabei nicht über die gesamte Höhe H einer Batteriezelle 14 in den Zwischenraum 16 eingefüllt, sondern nur über einen kleinen Teil dieser Höhe H, vorzugsweise bei maximal 10 %. Solche schnell aushärtenden Polymere 24 beziehungsweise Kunststoffe 24 können dabei binnen Sekunden, zum Beispiel innerhalb von 1 Sekunde, aushärten. Dabei wirkt sich die Aushärtezeit zwar gegenläufig, aber nur geringfügig auf die gesamte Prozesszeit aus. Im Gegensatz zu einem Vollverguss wird bei dem viskos applizierten Zellraster, welches durch diesen eingefüllten Kunststoff 24 bereitgestellt wird, nur eine geringe Menge des Materials lokal appliziert, das heißt in die Zwischenräume 16 eingefüllt. Dadurch kann enorm an Materialeinzelkosten eingespart werden, sowie vor allem auch Prozesszeit für ein zeitaufwändiges Einfädeln der Zellen in ein Zellraster.
-
Um eine solche Zellanordnung 10 bereitzustellen, müssen nicht notwendigerweise alle auf dem Träger 12 anzuordnenden Batteriezellen 14 gleichzeitig auf dem Träger 12 angeordnet und auch die Zwischenräume 16 nicht notwendigerweise alle gleichzeitig mit einem solchen Kunststoff 24 befüllt werden. Vielmehr ist hierbei eine reihenweise Vorgehensweise bevorzugt. Um dies zu veranschaulichen, sind in 1 zwei Teilmengen T1, T2 der Batteriezellen 14 veranschaulicht, nämlich eine erste Menge T1, die die ersten beiden Reihen R1, R2 umfasst, und eine zweite Menge T2, die die dritte Reihe R3 bereitstellt. So können zum Beispiel zunächst die ersten beiden Reihen R1, R2, das heißt die erste Menge T1 an Batteriezellen 14 auf den Träger 12 aufgeklebt werden und dann die zwischen jeweiligen Zellgruppen 18 bereitgestellten Zwischenräume 16 mit dem schnell aushärtenden Kunststoff befüllt werden. Anschließend kann die zweite Menge T2, also beispielsweise die dritte Reihe R3, auf dem Träger 12 neben den bereits angeordneten Batteriezellen 14 angeordnet werden und anschließend die sich neu ergebenden Zwischenräume 16 mit dem Kunststoff 24 befüllt werden. So kann fortgefahren werden, bis alle Batteriezellen 14 bestimmungsgemäß auf dem Träger 12 angeordnet sind. Beispielsweise könnten somit jeweils zehn Zellen 14, das heißt zwei Reihen R1, R2 ä fünf Zellen 14 gleichzeitig auf der Kühlplatte, das heißt dem Träger 12, positioniert werden. In den Zwischenraum von je drei Zellen 14 wird kühlplattennah ein schnell vernetzendes Polymer, zum Beispiel ein schnell aushärtender Klebstoff, appliziert. Dadurch können die Zellen 14 zueinander fixiert. Zum Positionieren der Zellen 14 auf dem Träger 12 kann eine Positioniereinrichtung 26, zum Beispiel ein Greifer, verwendet werden (vergleiche 3), der mehrere einzelne Greifeinheiten 28 aufweist. Dieser kann nach dem Fixieren der Zellen 14, oder bereits auch früher, wie später näher erläutert, wieder entfernt werden.
-
3 veranschaulicht dabei das Prinzip der Positioniereinrichtung 26 anhand der Batteriezellenanordnung 10, wie diese auch zu 1 beschrieben wurde. Dies ist hierbei wiederum in einer Draufsicht dargestellt. Die Positioniereinrichtung 26 weist also mehrere Greifeinheiten 28, zum Beispiel eine pro Batteriezelle 14 auf. Diese Greifeinheiten 28 sind dazu ausgelegt, eine jeweilige Batteriezelle 14 im Bereich ihrer Mantelfläche 14c zu greifen. Dazu kann eine jeweilige Greifeinheit 28 mehrere Greifelemente 30, zum Beispiel drei Greifelemente 30, wie in 3 dargestellt, aufweisen. Die einzelnen Greifelemente 30 können zum Beispiel über Spannelemente 29, zum Beispiel Federn, miteinander verbunden sein, die die Greifelemente 30 zueinander spannen, woraus eine Haltekraft der Greifelemente 30 in Richtung der gehaltenen Zelle 14 resultiert. Wie oben bereits erwähnt, sind die minimalen Abstände d (vergleiche 1) zwischen den einzelnen Zellen 14 möglichst klein und liegen zum Beispiel im Bereich von 1 mm. Die Greifelemente 30 können zum Beispiel als Spanntechnik-Haltestifte realisiert sein, die dann einen maximalen Durchmesser von z.B. 5 mm in der in 3 dargestellten Ebene aufweisen. Dadurch passen drei solcher Haltestifte 30 gleichzeitig in den Zwischenraum 16 zwischen den Zellen 14, insbesondere wenn die Zellen 14 einen Durchmesser von 21 mm aufweisen, da sich dann ein frei zugänglicher Bereich 16 mit einem Durchmesser D von 9 mm ergibt. Denkbar sind aber auch größere Zelldurchmesser der Batteriezellen 14 als 21 mm, zum Beispiel 46 mm. Der Durchmesser D beträgt in diesem Fall dann ca. 1 cm. Weist eine jeweilige Greifeinheit 28 drei solcher Greifelemente 30 auf und sind diese wie in 3 zu sehen angeordnet, so sind nicht alle Zwischenräume 16 zwischen den Zellen 14 durch solche Greifelemente 30 belegt, wenn die Zellen 14 auf der Trägerplatte 12 angeordnet sind. Somit ist es beispielsweise denkbar, dass die nicht durch solche Greifelemente 30 belegten Zwischenräume 16 zuerst mit dem aushärtenden Kunststoff 24 befüllt werden, anschließend die Positioniereinrichtung 26 von den Zellen 14 entfernt wird und dann die verbleibenden Zwischenräume 16 mit dem aushärtenden Kunststoff befüllt werden. Denkbar ist es aber auch, die Zellen 14 während des Befüllens der Zwischenräume 16 mit dem Kunststoff 24 durch eine separate Halteeinrichtung 32 (vergleiche 4) zu halten. Wie dies nun nachfolgend näher erläutert wird.
-
4 zeigt dabei eine schematische Veranschaulichung des Ablaufs des Anordnens der Zellen 14 auf dem Träger 12 anhand einiger exemplarischer Zellen. Die einzelnen Ablaufschritte sind hierbei schematisch durch gestrichelte Linien separiert. Zunächst wird in einem ersten Verfahrensschritt S10, der in 4 ganz links dargestellt ist, der Träger 12 bereitgestellt und dieser punktuell mit dem Klebstoff 22 zum Ankleben der Batteriezellen 14 versehen. Der Klebstoffauftrag ist dabei durch den Pfeil 34 veranschaulicht. Anschließend wird in Schritt S12 eine Batteriezelle 14 mittels der beschriebenen Positioniereinrichtung 26 auf den Träger 12 aufgesetzt, insbesondere in dem mit dem Klebstoff 22 versehenen Bereich. Dies ist in 4 exemplarisch nur für eine einzelne Batteriezelle 14 veranschaulicht, kann aber gleichzeitig für eine größere Menge T1, T2 an Batteriezellen 14 gleichzeitig durchgeführt werden, zum Beispiel für eine oder zwei Zellreihen R1, R2, R3, wie diese in 1 veranschaulicht sind. Das Aufsetzen der Batteriezelle 14 auf die Trägerplatte 12 ist durch den Pfeil 36 veranschaulicht. Anschließend wird in Schritt S14 der Klebstoff 22 verpresst, was durch das Andrücken der Stirnseite 14b der Batteriezelle 14 an dem mit Klebstoff 22 versehenen Bereich der Trägerplatte 12 mittels der Positioniereinrichtung 26 erfolgt. Im nächsten Schritt S16 wird eine Halteeinrichtung 32 in Form eines Niederhalters auf der oberen Stirnseite 14a der Batteriezelle 14 positioniert. Das Positionieren ist dabei wiederum durch einen Pfeil 38 veranschaulicht. In darauf folgenden Schritt S18 wird die Spanntechnik, das heißt die Positioniereinrichtung 26 zurückgefahren. Das Zurückfahren ist durch die Pfeile 40 veranschaulicht. Währenddessen bleibt die Halteeinrichtung 32 an Position und verhindert ein Verrutschen der Zelle 14.
-
Im nächsten Schritt S20 wird zunächst ein Dosierer 41 für den Kunststoff 24 in den Zwischenraum 16 zwischen drei Zellen 14 eingefahren, wobei das Einfahren durch den Pfeil 42 veranschaulicht ist. Dies ist vorliegend anhand einer Zellgruppe 18 mit drei Zellen 14 veranschaulicht. Diese werden jeweils währenddessen von der Halteeinrichtung 32 in Position gehalten. Danach wird der Kunststoff 24 mittels des Dosieres 41 in Schritt S22 eingefüllt, während die Zellen 14 weiterhin durch die Halteeinrichtung 32 gehalten werden. Anschließend wird der Dosierer 41 in Schritt S24 wieder aus dem Zwischenraum 16 herausgefahren, was durch den Pfeil 44 veranschaulicht ist. Anschließend wird in Schritt S26 die Halteeinrichtung 32 entfernt, was durch die Pfeile 46 veranschaulicht ist. Mit anderen Worten wird der Niederhalter 32 zurückgefahren. Durch das zusätzliche Vorsehen eines solchen Niederhalters 32, das heißt zusätzlich zur Positioniereinrichtung 26, wird das Einfüllen des Kunststoffs 24 in die Zwischenräume 16 erleichtert, da diese nicht mehr durch die Greifelemente 30 blockiert werden. Wie zuvor beschrieben gibt es aber auch Möglichkeiten, ein Einfüllen ohne einen solchen Niederhalter 32 zu bewerkstelligen.
-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein viskoseappliziertes Zellraster mit Honeycomb-Struktur bereitgestellt werden kann.
-
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
-
- WO 2021025313 A1 [0003]
- EP 3654444 A1 [0003]
