DE102011112634A1

DE102011112634A1 - Verfahren zum Fertigen einer Hochvoltbatterie und Batterieanordnung

Info

Publication number: DE102011112634A1
Application number: DE102011112634A
Authority: DE
Inventors: Jörg Schmidt; Michael Hinterberger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-03-07
Also published as: WO2013034226A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug, bei welchem eine Mehrzahl von Batteriezellen miteinander gekoppelt wird (S10, S14). Ein Elektrolyt wird erst nach dem Koppeln der Batteriezellen miteinander in zumindest eine der Batteriezellen eingebracht (S18). Dadurch wird das Auftreten gefährlich hoher Spannungen bei der Fertigung besonders weitgehend vermieden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterieanordnung mit einer Mehrzahl von miteinander gekoppelten Batteriezellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Hochvoltbatterie, bei welchem eine Mehrzahl von Batteriezellen miteinander gekoppelt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterieanordnung mit einer Mehrzahl von miteinander gekoppelten Batteriezellen.
Beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen werden Hochvoltbatterien eingesetzt, wobei die von der Batterie gelieferte elektrische Spannung je nach Batterie zwischen 250 V und 600 V liegen kann. Es kann so bei einem vergleichsweise geringen Strom eine vergleichsweise große elektrische Leistung von den Hochvoltbatterien abgegeben werden, sodass die stromführenden Leitungen einen vergleichsweise geringen Leitungsquerschnitt aufweisen können. Um eine Hochvoltspannung bereitzustellen, werden einzelne Batteriezellen in Reihe geschaltet.
Bei der Batteriemontage werden derzeit Batteriezellen miteinander gekoppelt, welche einen vergleichsweise geringen Ladezustand aufweisen. Jedoch sind auch bei diesem geringen Ladezustand die Batteriezellen als Gefahrgut einzustufen, sodass beim Transport der Batteriezellen hin zu einem Montageort Bestimmungen für einen Gefahrguttransport eingehalten werden müssen. Auch kann es bei der Handhabung der Batteriezellen zu einem elektrischen Kurzschluss einer einzelnen Zelle kommen, was zu einer unerwünschten Erhitzung der Batteriezelle führen kann. Werden die einen geringen Ladezustand aufweisenden Batteriezellen bei der Montage elektrisch miteinander gekoppelt, so können zudem Spannungen auftreten, welche für den Menschen gefährlich sind. Die Handhabung der Batteriezellen bei der Fertigung von Hochvoltbatterien bedarf daher einer großen Sorgfalt und eines entsprechend geschulten Personals.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung sowie eine Batterieanordnung zu schaffen, bei welchem bzw. bei welcher eine besonders geringe Gefährdung gegeben ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fertigen einer Hochvoltbatterie wird ein Elektrolyt erst nach dem Koppeln der Batteriezellen miteinander in zumindest eine der Batteriezellen eingebracht. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass erst nach dem Einbringen des Elektrolyten in die Batteriezelle der elektrochemische Prozess einsetzen kann, welcher zum Aufbau einer Spannung der Batteriezelle führt. Ist nun zumindest eine der Batteriezellen frei von Elektrolyt, so ist das Hantieren mit dieser Batteriezelle im Hinblick auf eine Gefährdung weniger problematisch. Eine Gefährdung von mit der Fertigung der Hochvoltbatterie befasstem Personal durch eine zu hohe elektrische Spannung kann nämlich so vermieden werden. Dies gilt auch für eine Gefährdung durch gegebenenfalls aus der Batteriezelle austretende Gefahrstoffe, insbesondere den Elektrolyten selbst. Auch kann an der von Elektrolyt freien Batteriezelle kein Kurzschluss auftreten, welcher zu einer unerwünschten Überhitzung der Batteriezelle führen könnte.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden elektrische Pole der Batteriezellen zunächst elektrisch miteinander verbunden, und anschließend wird der Elektrolyt in die zumindest eine Batteriezelle eingebracht. Durch das elektrische Verbinden der Pole miteinander kann es nämlich zum Aufbau vergleichsweise hoher Spannungen kommen, wenn die Batteriezellen bereits den Elektrolyten enthalten. Wenn jedoch die Batteriezellen frei von dem Elektrolyten sind, so können diese miteinander verschaltet werden, ohne dass tatsächlich eine hohe, möglicherweise sogar lebensgefährlich hohe, Spannung an den elektrisch miteinander verbundenen Batteriezellen anliegt. Wenn bei diesem Fertigungsschritt zumindest eine der Batteriezellen frei vom Elektrolyten ist, so lässt sich die mit dem elektrischen Verbinden der Pole miteinander einhergehende Gefährdung besonders gering halten. Sind nämlich von einer Mehrzahl von Batteriezellen einzelne noch nicht mit dem Elektrolyten befüllt, so tritt auf jeden Fall eine geringere als die maximal mögliche Spannung auf.
Bevorzugt wird in sämtliche Batteriezellen der Hochvoltbatterie erst nach dem elektrischen Verbinden der Pole miteinander der Elektrolyt eingebracht. Dann sind nämlich auch sämtliche Batteriezellen der Hochvoltbatterie während des elektrischen Verbindens der Pole miteinander frei von Spannung.
Die elektrischen Pole der Batteriezellen können durch Verschweißen und/oder durch Verschrauben mit einem Kontaktelement elektrisch miteinander verbunden werden. Derartige Fügeverfahren, welche Wärme in die Batteriezellen einbringen, sind dann weniger kritisch, da die noch nicht mit dem Elektrolyten befüllten Batteriezellen spannungsfrei sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein die Batteriezellen umfassender Zellstapel in einem Gehäuse der Hochvoltbatterie angeordnet, und dann wird der Elektrolyt in die zumindest eine Batteriezelle eingebracht. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass erst die mit dem Elektrolyten befüllte Batteriezelle einen Druck aufbaut, welcher zu einem Aufbauchen der Batteriezelle führen kann. Dementsprechend braucht auch der Zellstapel nicht mit einem Pressdruck beaufschlagt zu werden, welcher das Aufbauchen verhindert, wenn der Elektrolyt noch nicht in die Batteriezellen eingebracht ist. Dies vereinfacht die Fertigung der Hochvoltbatterie, da die Batteriezellen in den vor dem Befüllen mit dem Elektrolyten erfolgenden Fertigungs- oder Prüfschritten nicht im verpressten Zustand vorzuliegen brauchen.
Nach dem Befüllen der Batteriezellen mit dem Elektrolyten baut sich innerhalb derselben ein Druck auf, während sie sich in dem Gehäuse der Hochvoltbatterie befinden. Durch diesen Innendruck werden die Batteriezellen gegeneinander und gegen Wände des Gehäuses gepresst. Dann wird durch das Gehäuse der zum Verhindern des weiteren Aufbauchens der Batteriezellen notwendige Pressdruck auf die Batteriezellen ausgeübt, und ein Verpressvorgang mittels einer gesonderten Verpresseinrichtung kann entfallen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Batteriezellen erstmals geladen werden, sobald sie miteinander gekoppelt sind und den Elektrolyten aufweisen. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Fertigungsverfahren erfolgt ein solches Laden vor der Montage der Batteriezellen in die Hochvoltbatterie. Vorliegend treten hingegen die mit dem Ladevorgang einhergehenden hohen Spannungen erstmals im Fertigungsprozess auf, sodass bis dahin eine Handhabung der Batteriezellen vergleichsweise einfach und aufwandsarm ist.
Bevorzugt werden die geladenen Batteriezellen im Rahmen des Fertigungsvorgangs wenigstens einmal entladen und erneut geladen. Derartige Vorgänge dienen, ebenso wie ein anschließendes Ruhenlassen oder Altern der Batteriezellen, einer Verbesserung der Leistungsabgabe der Hochvoltbatterie beim späteren Einsatz, etwa in einem Fahrzeug.
Es kann des Weiteren vorgesehen sein, dass im miteinander gekoppelten und den Elektrolyten aufweisenden Zustand der Batteriezellen erstmals wenigstens eine etektrische Größe der Batteriezellen erfasst wird. Hierbei kann beispielsweise überprüft werden, ob die einzelnen Batteriezellen die geforderte Spannung oder ob elektrische Isolatoren die gewünschte Isolation bereitstellen. Ebenso kann festgestellt werden, ob zwischen einem elektrischen Pol einer Batteriezelle und dem Gehäuse eine gewünschte Potentialdifferenz vorliegt, oder ob die Unterschiede der Potentialdifferenzen in einem bestimmten Toleranzintervall liegen. Es kann also festgestellt werden, ob eine einzelne Batteriezelle als fehlerhaft einzustufen ist.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn zum Fertigen der Hochvoltbatterie eine Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellen miteinander gekoppelt werden. Eine Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie auch nach einer großen Anzahl von Lade- und Entladezyklen noch nahezu die Leistung einer neuwertigen Hochvoltbatterie bereitstellen kann.
Die erfindungsgemäße Batterieanordnung umfasst eine Mehrzahl von miteinander gekoppelten Batteriezellen. Die Batteriezellen weisen eine jeweilige Nennspannung auf, welche bei einer elektrischen Kopplung der Batteriezellen eine Hochvoltspannung ergibt. Hierbei ist zumindest eine der Batteriezellen in dem miteinander gekoppelten Zustand frei von einem in die Batteriezellen einbringbaren Elektrolyten. Dadurch ist das tatsächliche Auftreten einer Hochvoltspannung, also einer Spannung von mehr als 60 V vermieden, und es besteht eine besonders geringe Gefährdung durch die Spannung selbst bei der Montage bzw. beim Umgang mit den Batteriezellen.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Batterieanordnung.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt Verfahrensschritte beim Fertigen einer Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug.
Bei einem anhand der Figur veranschaulichten Verfahren zum Fertigen einer Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug werden einzelne Lithium-Ionen-Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet, um eine Hochvoltspannung bereitzustellen, etwa eine Spannung aus dem Bereich zwischen 250 V und 600 V. Da eine einzelne Lithium-Ionen-Batteriezelle ca. 3,7 V liefert, wird eine Vielzahl von derartigen Batteriezellen zusammengeschaltet, um die gewünschte Hochvoltspannung zu erreichen.
Vorliegend werden bei der Montage Batteriezellen verwendet, welche noch nicht mit dem für die elektrochemische Reaktion notwendigen Elektrolyten befüllt sind.
Zunächst werden in einem Schritt S10 Batteriezellen, welche noch keinen Elektrolyten enthalten, in einem Stapel angeordnet. Hierbei werden die Batteriezellen so ausgerichtet, wie es für das spätere Anbringen von Stromschienen an den elektrischen Polen der Batteriezellen günstig ist. In einem Schritt S12 werden eine Position und eine Kennung einer jeden Batteriezelle erfasst. Dadurch können in einem späteren Prüfschritt als fehlerhaft eingestufte Batteriezellen leicht aufgefunden und bei Bedarf ausgetauscht werden. Auch werden die Batteriezellen von ihrer Höhenlage her so ausgerichtet, dass in einem anschließenden Schritt S14 die elektrischen Pole der Batteriezellen durch Anbringen von Stromschienen einfach und unter Ausbildung eines guten elektrischen Kontakts mit der Stromschiene miteinander verbunden werden können. Es können hierbei Batteriezellen in Reihe geschaltet werden, oder es können die elektrischen Pole der Batteriezellen so verbunden werden, dass die Batteriezellen elektrisch parallel geschaltet sind.
Anschließend wird in einem Schritt S16 der Stapel in ein Gehäuse der Hochvoltbatterie eingebracht, bevor in einem Schritt S18 die Batteriezellen mit einem Elektrolyten befüllt werden. Durch das Befüllen der Batteriezellen mit dem Elektrolyten baut sich in den Batteriezellen ein Innendruck auf, durch welchen diese gegeneinander und gegen Wände des Gehäuses gepresst werden. Dieser Pressdruck sorgt dafür, dass die Wände der Batteriezellen sich nicht weiter aufwölben können.
Die Batteriezellen können auch zunächst lose in das Gehäuse der Batterie eingesetzt werden, bevor ihre elektrischen Pole mit den Stromschienen verschraubt, verschweißt und/oder durch Kleben verbunden werden. Es kann also der Schritt S16 vor dem Schritt S14 erfolgen, und anschließend werden die Batteriezellen dann mit dem Elektrolyten befüllt (Schritt S18).
Erst mit dem Befüllen der Batteriezellen mit dem Elektrolyten können elektrochemische Reaktionen an den Elektroden der jeweiligen Batteriezellen stattfinden, welche zum Aufbau einer elektrischen Spannung führen.
Vorliegend sind daher die dem Befüllen (vgl. Schritt S18) vorangehenden Schritte des Fertigungsverfahrens besonders aufwandsarm, da es nicht zum Auftreten von hohen Spannungen, insbesondere lebensgefährlich hohen Spannungen, kommen kann. Zudem sind so Kurzschlüsse vermieden, welche ansonsten zu einer unerwünschten Überhitzung der betroffenen Batteriezelle und dann gegebenenfalls der benachbarten Batteriezellen führen könnten. Auch eine Gefährdung durch aus den Batteriezellen austretenden Elektrolyten ist so bis dahin vermieden.
Das erstmalige Laden und anschließende Entladen der Batteriezellen zum so genannten Formieren derselben erfolgt in einem Schritt S20 erst nach dem Befüllen der Batteriezellen mit dem Elektrolyten. Auch ein Prüfen der Batteriezellen, also das Ermitteln von elektrischen Größen derselben (vgl. Schritt S22), erfolgt vorliegend erst im bereits verschalteten Zustand der Batteriezellen.
In alternativen Ausführungsformen kann vor dem Befüllen (vgl. Schritt S18) der Batteriezellen mit dem Elektrolyten der Stapel der Batteriezellen mit einer Kühleinrichtung versehen werden. Die Kühleinrichtung, etwa eine von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlplatte, kann jedoch auch nachträglich angebracht werden, bevor der mit der Kühleinrichtung versehene Stapel der Batteriezellen von einem den Stapel hermetisch dicht umschließenden Gehäuse umgeben wird.

Claims

Verfahren zum Fertigen einer Hochvoltbatterie, insbesondere für ein Fahrzeug, bei welchem eine Mehrzahl von Batteriezellen miteinander gekoppelt wird (S10, S14), dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrolyt erst nach dem Koppeln der Batteriezellen miteinander in zumindest eine der Batteriezellen eingebracht wird (S18).
Verfahren nach Anspruch 1, elektrische Pole der Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden werden (S14) und nach dem elektrischen Verbinden (S14) der Pole miteinander der Elektrolyt in die zumindest eine Batteriezelle eingebracht wird (S18).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in sämtliche Batteriezellen der Hochvoltbatterie erst nach dem elektrischen Verbinden der Pole miteinander der Elektrolyt eingebracht wird (S18).
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Pole der Batteriezellen durch Verschweißen und/oder durch Verschrauben mit einem Kontaktelement elektrisch miteinander verbunden werden (S14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Batteriezellen umfassender Zellstapel in einem Gehäuse der Hochvoltbatterie angeordnet und dann der Elektrolyt in die zumindest eine Batteriezelle eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen im miteinander gekoppelten und den Elektrolyten aufweisenden Zustand erstmals geladen werden (S20).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geladenen Batteriezellen im Rahmen des Fertigungsvorgangs wenigstens einmal entladen und erneut geladen werden (S20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im miteinander gekoppelten und den Elektrolyten aufweisenden Zustand der Batteriezellen erstmals wenigstens eine elektrische Größe der Batteriezellen erfasst wird (S22).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Fertigen der Hochvoltbatterie eine Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellen miteinander gekoppelt werden (S10, S14).
Batterieanordnung mit einer Mehrzahl von miteinander gekoppelten Batteriezellen, wobei die Batteriezellen eine jeweilige Nennspannung aufweisen, welche bei einer elektrischen Kopplung (S14) der Batteriezellen eine Hochvoltspannung ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Batteriezellen in dem miteinander gekoppelten Zustand frei von einem in diese einbringbaren Elektrolyten ist.