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Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Fahrzeug, welche eine Mehrzahl von einen Stapel bildenden Batteriezellen aufweist. Zwischen zwei Batteriezellen ist jeweils ein Separator angeordnet, der die beiden Batteriezellen voneinander elektrisch isoliert. Die jeweilige Batteriezelle ist hierbei von zwei Separatoren eingefasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fertigen einer solchen Batterie.
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Für die Anwendung in Hochvolt-Energiespeichern, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen verwendet werden, werden häufig prismatische Batteriezellen verwendet, welche beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein können. Die Zellen werden dabei in einem Stapel oder Stack aneinandergereiht, verpresst und elektrisch miteinander verbunden. In einem solchen Stapel oder Modul besteht die Anforderung, dass die Batteriezellen voneinander elektrisch isoliert sind. Hierfür werden jeweils zwischen zwei Batteriezellen Separatoren angeordnet, welche auch als Spacer bezeichnet werden. Derartige Spacer können auch als Halbschalen ausgebildet sein, welche eine jeweilige Batteriezelle von zwei Seiten her einfassen.
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Die einzelnen Batteriezellen verfügen über ein metallisches, üblicherweise aus Aluminium gebildetes Gehäuse, in welches ein Zellwickel oder Elektrodenstapel eingesetzt ist. Um die elektrische Isolation der Batteriezellen untereinander sicherzustellen, ist es notwendig, Feuchtigkeit aus der Batterie fernzuhalten. Damit wird auch erreicht, dass die metallischen Gehäuse der einzelnen Batteriezellen über lange Zeit, und zwar möglichst über die Lebensdauer der Batterie hinweg korrosionsbeständig sind.
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Prinzipiell ist es hierfür möglich, ein Batteriegehäuse, in welchem der Stapel der Batteriezellen angeordnet ist, so abzudichten das keine Feuchtigkeit eindringen kann. Da Batteriegehäuse für mobile Anwendungen jedoch in der Regel vergleichsweise groß sind, ist es schwierig, ein solches Batteriegehäuse prozesssicher und über die Lebensdauer der Batterie hinweg sicher abzudichten.
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Die
DE 10 2009 011 656 A1 beschreibt ein Verfahren zum Fertigen einer Batterie für einen Elektroantrieb in einem Fahrzeug, bei welcher Rundzellen in Halbschalen-Aufnahmen angeordnet werden. Jeweils zwei Halbschalen-Aufnahmen fassen hierbei zwei nebeneinander angeordnete Rundzellen von der Seite her ein, wobei zwischen den beiden Halbschalen eine Fuge ausgebildet ist. Auf die Rundzellen wird vor deren Einbringen in die Halbschalen eine aushärtbare Vergussmasse aufgebracht, um Fertigungstoleranzen der Rundzellen zu kompensieren.
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Des Weiteren beschreibt die
EP 1 063 748 B1 ein Abdichtgehäuse eines wasserdichten Geräts, beispielsweise eines Batterieladegeräts. Hierbei ist ein Deckel mit einem Gehäuse durch Schweißen verbunden. Ein Verbindungsstecker, welcher im Inneren des Gehäuses aufgenommen ist, ragt im Bereich einer Aussparung des Gehäuses aus dem Gehäuse heraus. Mit einem Schmelzelement, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als der des Gehäuses und des Deckels, sind Zwischenräume zwischen dem Verbindungsstecker und dem Gehäuse sowie zwischen dem Verbindungsstecker und dem Deckel abgedichtet. Dies geschieht beim Verschweißen des Gehäuses mit dem Deckel.
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Das Ultraschallschweißen als ein Verfahren, um zwei Hälften eines Plastikgehäuses miteinander zu verbinden, ist des Weiteren aus der
DE 41 26 903 A1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Fertigen einer solchen Batterie zu schaffen, bei welcher bzw. bei welchem eine besonders einfache und prozesssichere Abdichtung der Batteriezelle realisiert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Batterie ist in einem Spalt, welcher zwischen zwei einander zugewandten Stirnseiten der die jeweilige Batteriezelle einfassenden Separatoren ausgebildet ist, ein Dichtelement angeordnet, welches durch ein zumindest partielles Schmelzen mit den Stirnseiten der Separatoren verbunden ist. Das Dichtelement verhindert so wirkungsvoll ein Eindringen von Wasser oder feuchter Luft in den Spalt, sodass das – üblicherweise metallische – Gehäuse der Batteriezellen vor einem korrosiven Angriff geschützt ist. Dies gilt insbesondere, wenn das Wasser oder die feuchte Luft Salze enthält.
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Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, die Batteriezellen einzeln abzudichten, indem die ohnehin zur Isolation der Zellen untereinander vorgesehenen Separatoren oder Spacer die jeweilige Batteriezelle einhausen, wobei dann diese Einhausungen untereinander abgedichtet werden.
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Das Einbringen des Dichtelements in den Spalt ist zudem besonders prozesssicher durchführbar, und außerdem kann die Qualität der Abdichtung sehr gut optisch erkannt und somit überprüft werden.
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Damit die Batterie nicht mehr als den notwendigen Bauraum einnimmt, ist es günstig, wenn die Separatoren vergleichsweise dünnwandig ausgebildet sind. Entsprechend schmal sind dann auch die einander zugewandten Stirnseiten der Separatoren. Dies gestaltet es schwierig, prozesssicher als Dichtmittel einen Klebstoff auf die Stirnseiten aufzutragen. Das Auftragen des Klebstoffs oder eines solchen Dichtmaterials muss jedoch prozesssicher erfolgen, wenn eine Funktionsprüfung der Abdichtung nicht zerstörungsfrei möglich und daher nach Möglichkeit zu vermeiden ist.
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Selbst wenn man zum Auftragen des Klebstoffs auf die Stirnseiten einen Industrieroboter verwendet, kann nicht ausgeschlossen werden, dass weitere Verarbeitungsschritte bei der Herstellung der Batterie manuell erfolgen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn vergleichsweise geringe Stückzahlen an Batterien produziert werden und somit eine hohe Automatisierung unwirtschaftlich ist. Hier ist jedoch das Handling von Teilen schwierig, auf welche zuvor der Klebstoff aufgebracht wurde. Insbesondere ist nicht sichergestellt, dass nicht durch die Handhabung der Teile der Klebstoff an den Händen einer die Teile handhabenden Person haften bleibt und somit vom eigentlich zu verklebenden Teil wieder abgetragen wird.
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Durch das Vorsehen des mit den Stirnseiten verschmolzenen Dichtelements anstelle des auf die Stirnseiten aufzutragenden Klebstoffs lässt sich demgegenüber besonders gut sicherstellen, dass das Dichtelement auch tatsächlich die geforderte Dichtwirkung aufbringt. Da das Dichtelement nachträglich, also nach einem Verpressen der Batteriezellen in den Spalt eingebracht werden kann, kann das Einstreichen der Stirnseiten der Separatoren mit Klebstoff vor dem Verpressen des Stapels entfallen.
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Das Dichtelement lässt sich zudem besonders prozesssicher in den Spalt einbringen. Des Weiteren kann aufgrund der Verwendung des in den Spalt eingelegten und mit den Stirnseiten stoffschlüssig verbundenen Dichtelements eine Prüfung der Dichtigkeit nach dem Verpressen des Stapels bedeutend einfacher durchgeführt werden als bei dem Auftragen des Klebstoffs vor dem Verpressen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet, welcher durch ein Schweißverfahren schmelzbar ist. Durch Verwendung eines solchen, schmelzbaren Kunststoffmaterials kann besonders sichergestellt werden, dass sich das Dichtelement mit den beiden Separatoren gut verbindet. Dies gilt insbesondere, wenn auch die Separatoren aus einem Kunststoff gebildet sind.
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Insbesondere das Ultraschallschweißen ist besonders gut dafür geeignet, ein randliches Anschmelzen des in dem Spalt angeordneten Dichtelements zu bewirken und so für eine innige, stoffschlüssige und gut abdichtende Verbindung desselben mit den Stirnseiten der Separatoren zu sorgen.
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Besonders einfach lässt sich das Dichtelement in den Spalt einlegen, wenn es durch eine Schnur gebildet ist, welche vor dem Verbinden mit den Stirnseiten der Separatoren flexibel ist. Eine solche Schnur lässt sich nämlich besonders gut von außen um den Spalt herumlegen und dann in diesen hineindrücken oder direkt in den Spalt einlegen. Zudem ist durch Verwendung eines als Dichtschnur ausgebildeten Dichtelements sichergestellt, dass das Dichtelement über die gesamte Länge des Spalts hinweg durchgängig in diesem vorhanden ist.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn durch die Separatoren im Zusammenwirken mit dem Dichtelement die jeweils eingefasste Batteriezelle zu zumindest einer Seite der Batteriezelle hin wasserdicht umschlossen ist.
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Damit isolieren die Separatoren die Batteriezellen nicht nur elektrisch, sondern sie schützen diese auch gegenüber Umwelteinflüssen, da zumindest von dieser Seite her Wasser und Luftfeuchtigkeit nicht zu dem metallischen Gehäuse der Batteriezelle gelangen kann.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn durch die Separatoren im Zusammenwirken mit dem Dichtelement eine geschlossene Bodenplatte und wenigstens eine an die Bodenplatte angrenzende, geschlossene Seitenwand gebildet wird, wobei der Stapel der Batteriezellen in einem von der wenigstens einen Seitenwand umgebenen Aufnahmeraum angeordnet ist. Dann ist durch die Separatoren und das Dichtelement ein zu den Seiten und zum Boden hin hermetisch dichtes Gehäuse um den Stapel gebildet. Ein solches Gehäuse kann besonders einfach zu einer weiteren Seite hin verschlossen werden, um eine Batterie mit einem zu allen Seiten hin vor Umwelteinflüssen geschützten Stapel zu schaffen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Batteriezellen in dem Stapel gegeneinander gepresst angeordnet, wobei durch äußere Begrenzungswände des Stapels ein Pressdruck aufrechterhalten ist. So kann besonders gut sichergestellt werden, dass die durch das Dichtelement bereitgestellte Dichtigkeit auch aufrechterhalten bleibt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fertigen einer Batterie für ein Fahrzeug werden eine Mehrzahl von Batteriezellen so angeordnet, dass sie einen Stapel bilden. Zwischen zwei Batteriezellen wird jeweils ein Separator angeordnet, welcher die beiden Batteriezellen elektrisch voneinander isoliert. Hierbei wird eine jeweilige Batteriezelle von zwei Separatoren eingefasst. In einem Spalt, welcher zwischen zwei einander zugewandten Stirnseiten der die jeweilige Batteriezelle einfassenden Separatoren ausgebildet ist, wird ein Dichtelement angeordnet und durch zumindest partielles Schmelzen mit den Stirnseiten der Separatoren verbunden. Durch dieses Dichtelement lässt sich einfach und prozesssicher eine gute Abdichtung der jeweiligen Batteriezellen erreichen, so dass ein Gehäuse der jeweiligen Batteriezelle angreifende Substanzen von diesem ferngehalten werden.
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Die für die erfindungsgemäße Batterie beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Bevorzugt wird das Dichtelement nach einem Verpressen der Batteriezellen von außen in den Spalt eingebracht. Dadurch entfällt das mühselige und nur schwer prozesssicher zu gestaltende Aufbringen eines Dichtmaterials auf die Stirnseiten vor dem Verpressen der Batteriezellen. Zudem ist der Spalt von außen gut zugänglich, und die Qualität der durch das Dichtelement bewirkten Abdichtung des Spalts lässt sich von außen besonders einfach optisch erkennen und somit überprüfen.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn als das Dichtelement eine flexible Kunststoffschnur in den jeweiligen Spalt eingelegt und anschließend durch ein Schweißverfahren mit den Stirnseiten verbunden wird. Durch ein Schweißverfahren lässt sich nämlich besonders gut ein Verschmelzen der Kunststoffschnur mit den Separatoren sicherstellen, welche die jeweilige Batteriezelle einhausen. Bevorzugt wird der Schmelzvorgang durch Ultraschallschweißen erledigt.
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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.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt stark schematisiert eine Batterie für ein Fahrzeug, bei welcher die einzelnen Batteriezellen von aus einem Kunststoff gebildeten Spacern in Form von eigensteifen Halbschalen eingehaust sind, wobei in einen zwischen jeweils zwei Halbschalen ausgebildeten Spalt eine Kunststoffschnur eingelegt und mit den Spacern verschweißt ist.
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Eine in der Figur schematisch und in einer Draufsicht von oben gezeigte Batterie 10 weist eine Mehrzahl von Batteriezellen 12 auf, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein können. Damit die Batterie 10 in einem Fahrzeug als Traktionsbatterie verwendet werden kann, wird üblicherweise eine Vielzahl dieser Batteriezellen 12 elektrisch miteinander verschaltet.
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Die vorliegend prismatischen Batteriezellen 12 sind durch jeweils zwei Separatoren oder Spacer 14, 16 eingehaust. Diese eigensteifen und aus einem wasserdichten Kunststoff gebildeten Spacer 14, 16 schirmen die einzelne Batteriezelle 12 gegenüber einem Eindringen von Wasser oder feuchter Luft ab und dienen somit dem Korrosionsschutz eines metallischen, insbesondere aus Aluminium gebildeten, Gehäuses der jeweiligen Batteriezelle 12.
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Zudem isolieren die zwischen jeweils zwei Batteriezellen 12 angeordneten Spacer 16 die Batteriezellen 12 elektrisch voneinander. Die an den Enden des Stapels angeordneten Spacer 14 bilden zusammen mit dem jeweils benachbarten Spacer 16, welcher zwischen zwei Batteriezellen 12 angeordnet und von welchem in der schematischen Figur lediglich einer gezeigt ist, eine Einhausung für die jeweilige Batteriezelle 12.
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Damit die Batterie 10 möglichst wenig Bauraum beansprucht, werden die als Halbschalen ausgebildeten Spacer 14, 16 sehr dünnwandig ausgeführt. Die Spacer 14, 16 werden hierbei bevorzugt so dünn gestaltet, dass die elektrischen Isolationsanforderungen gerade eben erfüllt werden. Entsprechend schmal sind damit auch die einander zugewandten Stirnseiten von jeweils zwei aneinander angrenzenden Spacern 14, 16.
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Dies gestaltet es schwierig, vor einem Verpressen der Batteriezellen 12, also vor einem Beaufschlagen des Zellstapels mit einem Pressdruck, welcher in der Figur durch Pfeile 18 veranschaulicht ist, prozesssicher einen Klebstoff als Dichtmittel auf die Stirnseiten aufzutragen. Zudem ist es schwierig, den Erfolg der Dichtwirkung eines solchen vorab aufgetragenen Klebstoffs nach dem Verpressen zu überprüfen.
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Vorliegend werden daher zunächst die den Stapel bildenden Batteriezellen 12 zusammen mit den Spacern 14, 16 verpresst, also mit dem Pressdruck beaufschlagt. Dies führt dazu, dass die Spacer 14, 16 bis auf einen minimalen, zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnseiten ausgebildeten Spalt 20 zusammengedrückt werden. In diesen Spalt 20 wird anschließend, also nach dem Verpressen des Stapels, eine Dichtschnur 22 aus Kunststoff eingelegt. Die Dichtschnur 22 wird dann mit dem Kunststoffmaterial der Spacer 14, 16 verschmolzen.
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Hierfür werden nach dem Einlegen der Dichtschnüre 22 in den jeweiligen Spalt 20 die Dichtschnüre 22 mittels eines Schweißverfahrens weich gemacht. Als Schweißverfahren kann hierbei insbesondere Ultraschallschweißen zum Einsatz kommen, welches für ein randliches Anschmelzen der Dichtschnüre 22 sorgt, sodass sich diese mit den Spacer 14, 16 stoffschlüssig verbinden können.
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Der schwer prozesssicher durchführbare Umgang mit Klebematerialien und das umständliche Auftragen des Klebstoffs auf die Stirnseiten der Spacer 14, 16 können so entfallen, und eine sichere Abdichtung der Spalte 20 kann besonders einfach erreicht werden. Die durch Ultraschallschweißen mit den Spacern 14, 16 verbundenen Dichtschnüre 22 aus Kunststoff können insbesondere mittels eines Industrieroboters in die Spalte 20 eingelegt werden.
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Dadurch, dass die Dichtschnüre 22 von außen in die Spalte 20 zwischen den Spacern 14, 16 eingebracht werden, welche in dem bereits verpressten Stapel vorhanden sind, kann auch sehr gut optisch geprüft werden, ob tatsächlich die mit den Spacern 14, 16 verschmolzenen Dichtschnüre 22 im Bereich der Spalte 20 für die gewünschte Dichtigkeit sorgen. Eine weitere funktionale Überprüfung der Dichtigkeit ist so nicht erforderlich. Auch die optische Überprüfung der Dichtigkeit kann automatisiert durchgeführt werden, sodass sich der Aufwand für die von Bedienpersonen durchzuführende Arbeiten bei der Fertigung der Batterie 10 verringern lässt.
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Durch die Separatoren 14, 16 wird im Zusammenwirken mit den Dichtschnüren 22 eine geschlossene Bodenplatte des Stapels sowie ein die Gesamtheit der Batteriezellen 12 des Stapels außenumfangsseitig umschließendes Gehäuse gebildet. Dieses braucht dann nach oben hin lediglich noch mit einem Deckel versehen zu werden, um den Stapel insgesamt hermetisch gegenüber Umwelteinflüssen abzuschirmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009011656 A1 [0005]
- EP 1063748 B1 [0006]
- DE 4126903 A1 [0007]
