DE102013017355A1

DE102013017355A1 - Rahmenanordnung für Zellelemente, Stackpaket sowie Montage- und Demontageverfahren dafür

Info

Publication number: DE102013017355A1
Application number: DE201310017355
Authority: DE
Inventors: Helmut Weikert; Stefan Schlayer; Dirk Schröter; Florian Kneer; Jan Kroggel; Richard G. Koehnsen
Original assignee: Daimler AG; Roechling Automotive AG and Co KG
Current assignee: Roechling Automotive SE and Co KG
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Rahmenanordnung zur Aufnahme von Zellelementen (15) bereit. Die Rahmenanordnung weist zumindest zwei Zellrahmen (1) auf, die in einer Gebrauchsanordnung an ihren Stirnflächen aneinander kontaktierend angeordnet sind, wobei jeweils ein Zellelement (15) zwischen zwei benachbarten Zellrahmen (1) aufnehmbar ist. Jeder Zellrahmen (1) weist zumindest an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils zumindest ein nach außen weisendes Verbindungselement (2) auf. Die Rahmenanordnung weist ferner jeweils zumindest einen Verbindungsriegel (10, 11, 12) zur Anordnung an den Verbindungselementen (2) der Seitenflächen der aneinander angeordneten Zellrahmen (1) in der Gebrauchsanordnung auf. Dabei weist jeder Verbindungsriegel (10, 11, 12) Eingriffselemente (2') auf, die in Position und Form zu den Verbindungselementen (2) der jeweiligen Seite der aneinander angeordneten Zellrahmen (1) in der Gebrauchsanordnung korrespondierend ausgebildet sind. Ferner werden ein Stackpaket (20) sowie ein Montage- und ein Demontageverfahren dafür offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rahmenanordnung für Zellelemente wie Pouchzellen, sowie ein Stackpaket, das aus solchen Pouchzellen besteht. Ferner betrifft die Erfindung ein Montageverfahren für ein solches Stackpaket und ein Demontageverfahren im Reparaturfall eines solchen Stackpakets.
Bei der Entwicklung alternativer Antriebskonzepte stehen gegenwärtig Elektroantriebe im Mittelpunkt der Betrachtung. Hierbei werden vorwiegend Lithium-Ionen-Zellen eingesetzt, für deren Gestaltung unterschiedliche Möglichkeiten bestehen. Von der Zellgestaltung hängt auch die Gestaltung der späteren Anordnung der Akkumulatorenpackung, resp. des Akkumulatorenpackagings ab. Die aktuell im Fahrzeugbau eingesetzten Akkumulatorenpakete verwenden meist mehrere aus Lithium-Ionen-Zellen zusammengesetzte Module.
Zelltypen, die im Automobilbau zum Einsatz kommen, sind Zylinder- und Prismazellen sowie Pouchzellen, auch Beutel- oder Coffee-Bag-Zellen genannt, bei denen ein Elektrolyt auf Polymerbasis verwendet wird.
Zur Herstellung von Pouchzellen wird aus bereits zugeschnittenen Komponenten oder durch Laminierung von der Rolle und nachfolgendem Zuschnitt ein Stapel „Anode-Separator-Kathode” gebildet. Die Ableiter werden an Anode und Kathode des Stapels geschweißt. Der Stapel wird in einer meist aus Aluminium bestehenden Beutelverpackung angeordnet, ehe der Elektrolyt eingefüllt wird.
Die Herstellung der Pouchzellen ist somit einfacher als die der Zylinder- und Prismazellen, die einzeln auf Maß gebracht und gewickelt werden müssen, wobei Fertigungsungenauigkeiten schon einer Komponente zu einer Fehlfunktion der Zelle führen können. Hingegen gestatten Pouchzellen einen automatisierten Herstellungsprozess.
Während für Zylinder- und Prismazellen erprobte Konzepte zur Zellgestaltung und Akkumulatorenpakete zum Einsatz im Fahrzeug vorliegen, besteht beim Packaging von Pouchzellen noch Optimierungsbedarf, um eine kostengünstige, leichte und flexible Zellbauweise zu erhalten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur genauen Positionierung und Befestigung in erster Linie von Pouchzellen, aber auch von Brennstoffzellen oder Filtern etc. bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Rahmenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Rahmenanordnung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eine mechanisch stabilen und kompakten Stackpakets aus Zellelementen, die durch ein Stackpaket mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst wird.
Die weitere Aufgabe der Herstellung eines solchen Stackpakets wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Schließlich löst ein Demontageverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 die Aufgabe, ein erfindungsgemäßes Stackpaket im Reparaturfall zum Austausch eines Zellelements zu demontieren.
Eine erfindungsgemäße Rahmenanordnung gestattet die positionierte und fixierende Aufnahme von Zellelementen, wie beispielsweise Pouchzellen, Brennstoffzellen oder Filterelementen. Die Rahmenanordnung weist dazu zwei oder mehr Zellrahmen auf, die in ihrer Gebrauchsanordnung so aneinander angeordnet sind, dass sie sich an ihren Stirnflächen kontaktieren. Dabei findet in der Gebrauchsanordnung jeweils ein Zellelement zwischen zwei benachbarten Zellrahmen Aufnahme. Jeder Zellrahmen hat zumindest an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils ein oder mehr nach außen weisende(s) Verbindungselement(e). Weiter weist die Rahmenanordnung jeweils zumindest einen Verbindungsriegel für jede Seite des Zellrahmens auf, die mit Verbindungselementen ausgestattet ist, d. h. die Rahmenanordnung umfasst zumindest zwei Verbindungsriegel entsprechend den zumindest zwei gegenüberliegenden Seitenflächen, die die Verbindungselemente aufweisen. Selbstverständlich können auch weitere Seitenflächen der Zellrahmen Verbindungselemente aufweisen und entsprechend weitere Verbindungsriegel vorgesehen sein. In der Gebrauchsanordnung der Zellrahmen werden die Verbindungsriegel an den Verbindungselementen der jeweiligen Seitenfläche der Zellrahmen angeordnet. Dazu weisen die Verbindungsriegel Eingriffselemente auf, die in Position und Form korrespondierend zu den Verbindungselementen der jeweiligen Seite, der in der Gebrauchsanordnung aneinander angeordneten Zellrahmen, ausgebildet sind. Generell kann auch die Anzahl der Eingriffselemente am Verbindungsriegel der Anzahl der Verbindungselemente an einer Seitenfläche der in Gebrauchsanordnung angeordneten Zellrahmen entsprechen, sind allerdings an einer Seitenfläche jedes Zellrahmens mehr als ein Verbindungselement vorgesehen, können auch mehrere Verbindungsriegel für diese Seitenfläche eingesetzt werden.
Um den zwischen den Zellrahmen aufzunehmenden Zellelementen besseren Halt zu bieten, kann jeder Zellrahmen an beiden Stirnflächen eine umlaufende Elastomerlippe aufweisen, die zudem einen Toleranzausgleich zwischen den Zellrahmen ermöglicht.
Ferner kann vorgesehen sein, dass jeder Zellrahmen Positionierhilfselemente aufweist, die das passgenaue aneinander Anordnen zur Überführung in die Gebrauchsanordnung unterstützen. Dazu können die Positionierhilfselemente auf beiden Stirnflächen jedes Zellrahmens vorgesehen sein, wobei die Positionierhilfselemente auf der ersten Stirnfläche korrespondierend zu den Positionierhilfselementen der zweiten Stirnseite ausgebildet sind, so dass in der Gebrauchsanordnung die ersten Positionierhilfselemente auf der ersten Stirnseite eines ersten Zellrahmens mit den zweiten Positionierhilfselementen auf der zweiten Stirnseite eines zweiten Zellrahmens in Eingriff stehen. Bevorzugt können die Positionierhilfselemente zur Ausbildung einer Nut-Feder-Verbindung konfiguriert sein, wobei nicht zwangsläufig an einer Stirnseite nur Nut-Elemente und an der anderen Stirnseite nur Federelemente vorliegen müssen; es können auch beide Elemente auf beiden Stirnseiten realisiert werden, eben in kombinierbarer Weise, d. h., dass immer ein Nut-Element der einen Stirnseite zu einem Federelement der anderen Stirnseite passt.
Die Verbindungselemente der Zellrahmen und die Eingriffselemente der Verbindungsriegel können vorzugsweise durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Steck- oder Rastverbindung miteinander gekoppelt werden und sind daher entsprechend ausgebildet. Bevorzugt können als Verbindungselemente keilförmige Zapfen und als Eingriffselemente keilförmige Öffnungen gewählt werden, wobei sich die Keilform aus mehrfach gerichteten Keilflächen zusammensetzt. Die Keilform gestattet das Verrasten der Verbindungsriegel, der durch die besondere Keilform dann durch die Selbsthemmung des keilförmigen Zapfens festgelegt ist.
Die Zellrahmen der Rahmenanordnung werden in Bezug zu den aufzunehmenden Zellelementen so dimensioniert, dass ein Rand der Zellelemente zwischen den aneinander angeordneten Zellrahmen in der Gebrauchsanordnung geklemmt wird. Bei den mittels der erfindungsgemäßen Rahmenanordnung fixierbaren Zellelementen kann es sich um Batteriezellen wie Pouchzellen, aber auch um Brennstoffzellen oder Filter handeln.
Zudem können in Platz sparender Weise in die Rahmenanordnung integrierte Funktionselemente vorgesehen sein. Dazu können zumindest einer der Zellrahmen und/oder zumindest einer der Verbindungsriegel Funktionselemente wie Befestigungselemente, Lüftungsöffnungen, Kühl- und/oder Temperierleitungen, Sensoren, Leitungen für ein Löschsystem und/oder elektrische Kontaktierungselemente für das Zellelement aufweisen.
Zellrahmen und Verbindungsriegel können aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Als Materialien bieten sich Leichtmetalllegierungen sowie Kunststoffe oder Keramik an. Bei den Kunststoffen können thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Hochleistungskunststoffe wie Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polypropylen, Polyamid oder Polyphenylensulfid bevorzugt sein. Vorzugsweise können die thermoplastischen Kunststoffe eine Faserverstärkung aufweisen und beispielsweise mit Glasfasern verstärkt sein.
Ein erfindungsgemäßes Stackpaket, das eine vorbestimmte Anzahl von Zellelementen aufweist, umfasst eine erfindungsgemäße Rahmenanordnung mit einer Anzahl der Zellrahmen, die um 1 größer ist als die vorbestimmte Anzahl der Zellelemente, die von der Rahmenanordnung gehalten werden, indem jedes Zellelement zwischen zwei Zellrahmen aufgenommen ist.
Ein erfindungsgemäßes Montageverfahren verwendet eine erfindungsgemäße Rahmenanordnung und ermöglicht die Herstellung eines Stackpakets. Dabei wird ein erster Zellrahmen bereit gelegt und ein erstes Zellelement in den ersten Zellrahmen eingelegt. Nun werden abwechselnd weitere Zellrahmen auf- und weitere Zellelemente eingelegt, bis die vorbestimmte Anzahl an Zellelementen erreicht ist, woraufhin ein letzter Zellrahmen aufgelegt wird, so dass jedes Zellelement zwischen zwei Zellrahmen aufgenommen ist. Es folgt das Anordnen des Stapels aus Zellrahmen und Zellelementen in einer Montagepresse, in der der Stapel in Stapelrichtung zusammengedrückt wird. Dann werden an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten des Stapels die dafür vorgesehenen zwei oder mehr Verbindungsriegel angesetzt und die Verbindungselemente der Zellrahmen mit den Eingriffselementen der Verbindungsriegel in Eingriff gebracht. Daraufhin kann die Montagepresse gelöst und das Stackpaket entnommen werden. Gegebenenfalls können noch weitere Verbindungsriegel angesetzt und miteinander in Eingriff gebracht werden. Daraufhin kann das so vormontierte Stackpaket der Weiterverarbeitung, beispielsweise einem Batterieblock für ein Kraftfahrzeug, zugeführt werden.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren befasst sich mit der Demontage eines erfindungsgemäßen Stackpakets zum Austausch eines Zellelements. Dazu erfolgt das Durchtrennen der Verbindungsriegel vor und hinter dem zu tauschenden Zellelement, wobei das Stackpaket getrennt wird, und so das Zellelement ausgetauscht werden kann, ehe das Stackpaket erneut zusammengesetzt wird. Dieses noch getrennte Stackpaket mit dem ausgetauschten Zellelement wird wie bei der Montage in einer Montagepresse angeordnet und durch diese zusammengedrückt. Nun werden nacheinander die durchtrennten Verbindungsriegel entfernt und neue durchgehende Verbindungsriegel angebracht. Daraufhin kann die Montagepresse gelöst, das Stackpaket entnommen und weiterverarbeitet werden.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines Zellrahmens mit Verbindungsriegelabschnitten,
2 eine perspektivische Detailansicht des Zellrahmens und Verbindungsriegelabschnitts mit Steck- und Rastverbindungselementen,
3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Rastelements des Zellrahmens,
4 eine perspektivische Detailansicht zweier Zellrahmen, zwischen denen eine Pouchzelle angeordnet ist und die über einen Verbindungsriegelabschnitt verbunden sind,
5 eine Querschnittdetailansicht durch zwei verbundene Zellrahmen,
6 eine perspektivische Detailansicht a) des Zellrahmens mit weiteren Steck- und Rastverbindungselementen und b) mit einem weiteren Verbindungsriegelelement,
7 eine Frontansicht eines Zellrahmens,
8 eine Frontansicht eines (seitlichen oder unteren) Verbindungsriegels,
9 eine Frontansicht eines oberen Verbindungsriegels,
10 eine Abfolge perspektivischer Ansichten ausgehend von dem Zellrahmen a) bis zum Stackpaket e) aus Pouchzellen, die zwischen Zellrahmen aufgenommen sind, die über Verbindungsriegel fixiert sind,
11 schematische Frontansichten eine Zellblocks mit angedeuteter Lastverteilung bei vertikaler Beschleunigung (a) und horizontaler Beschleunigung (b),
12 eine Abfolge von Frontansichten ausgehend von einem vormontierten Stackpaket a) bis zum fertigen Batterieblock d),
13 eine perspektivische Ansicht von Zellrahmen, die durch Verbindungsriegel mittels alternativer Rastelemente verbunden sind,
14 eine perspektivische Ansicht von Zellrahmen, die durch Verbindungsriegel mittels alternativer Steckelemente verbunden sind (a), und eine Seitenschnittansicht durch das Steckelement (b),
15 eine perspektivische Ansicht eines Zellrahmens, der zur Anbindung des Verbindungsriegels mit einem Drehriegel ausgestattet ist,
16 eine perspektivische Ansicht eines Zellrahmens, der zur Anbindung des Verbindungsriegels mit einem Schieber ausgestattet ist,
17 eine perspektivische Ansicht eines Zellrahmens und Verbindungsriegeln mit alternativen Steckelementen,
18 eine schematische Seitenansicht (a), Frontansicht (b) und Detailansicht (c) einer alternativen Anbindung des Verbindungsriegels an die Zellrahmen,
19 eine schematische Seitenansicht (a) und Detailansicht (b) noch einer alternativen Anbindung des Verbindungsriegels an die Zellrahmen,
20a) bis d) perspektivische Ansichten verschiedener alternativer Rast- und Steckelemente zur Anbindung von Verbindungsriegel-Zellrahmen,
21 eine perspektivische Detailansicht einer keilförmigen Rastöffnung des Verbindungsriegels zur Aufnahme eines keilförmigen Zapfens des Zellrahmens.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf eine kunststoffgerechte Rahmenanordnung, die ein Spann- und Gehäusesystem zur Fixierung von Pouchzellen bildet, so dass diese als Batterieblock in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt werden können.
Das Spannsystem gestattet die flächige Auflage der gesamten Stacks auf der Gehäusewanne, während Befestigung und Spannsystem nicht in das Gehäuse integriert sondern davon unabhängig sind. Das erfindungsgemäße Spann- und Gehäusesystem benötigt vorteilhaft wenig Bauraum und verhindert zuverlässig den Kontakt zwischen Zellen, Zellableitern und metallischen Komponenten.
Der aus Kunststoff gefertigte Zellrahmen und die Verbindungsriegel gestatten eine maximale Beschleunigung von 50 g. Als geeigneter Kunststoff für Zellrahmen sowie für Verbindungsriegel kommt z. B. Polybutylenterephthalat (PBT), vorzugsweise faserverstärkt, in Frage. PBT bieten neben der hohen Festigkeit und Steifigkeit auch eine sehr hohe Maßbeständigkeit und gute Verschleißeigenschaften und kann im Temperaturbereich von –50 bis 150°C eingesetzt werden.
In dem erfindungsgemäßen Spann- und Gehäusesystem werden die Pouchzellen jeweils zwischen zwei Zellrahmen gehalten, die ihrerseits seitlich durch Verbindungsriegel zusammengehalten werden. Die Verbindungsriegel umfassen alle Zellrahmen und können sowohl seitlich als auch oben und unten angeordnet sein. Bevor die Zellrahmen durch die Verbindungsriegel aneinander fixiert werden, gestatten form- und/oder kraftschlüssige Fixierelemente die Zellblockbildung durch Verriegelung der Rahmenelemente.
Da das verwendete Kunststoffmaterial PBT sehr dimensionsstabil und spröde ist, können keine klassischen Schnappverbindungen verwirklicht werden. Es hat sich aber gezeigt, dass das Material die Spannungen, die bei einer keilförmingen Verspannung auftreten, in Bezug auf Festigkeit verträgt. Diese keilförmingen Verbindungen entsprechen in etwa einer Schraubverbindung mit abgewickelter Spirale. Der Abstand der Zellrahmen wird durch die Verbindungsriegel verwirklicht, wobei die keilförmingen Zapfen an den Zellrahmen in gleichermaßen geformte Öffnungen in den Verbindungsriegeln greifen.
Die Pouchzellen werden durch eine weiche angespritzte Lippe beispielsweise aus thermoplastischem Elastomer als Elastomerpuffer zwischen den Rahmen gehalten, die durch Reibung die Pouchzellen in Position halten und durch ihre Flexibilität einen Toleranzausgleich erlauben, der einerseits die Pouchzelltoleranzen und andererseits die Zellrahmentoleranzen ausgleichen. Die Gesamttoleranz in der Länge des gesamten Stackpakets wird somit nur durch die kleine Toleranz des Verbindungsriegels beeinflusst.
1 zeigt einen Zellrahmen 1 zur Bildung eines Stackpakets mit Pouchzellen. Der umlaufende Zellrahmen 1, der z. B. aus PBT GF 30 im Spritzguss gefertigt sein kann, weist seitlich nach außen weisende keilförmige Zapfen 2 auf. Diese können in entsprechend geformte Öffnungen des Verbindungsriegels 10 aufgenommen werden, von dem in 1 nur der dem Zellrahmen 1 entsprechende Abschnitt dargestellt ist. Entsprechende oder ähnliche keilförmige Verbindungszapfen sind auch am Boden des Zellrahmens 1 zur Verrastung mit den unteren Verbindungsriegeln 11 und am oberen Ende zur Verrastung mit dem oberen Verbindungsriegel 12 vorgesehen, was in dieser Darstellung aber nicht zu sehen. Zwischen den unteren Verbindungsriegeln 11 sorgt ein Ausschnitt an der Unterkante für das Venting der Pouchzelle.
Umlaufend um die Öffnung 5, die der Zellrahmen 1 begrenzt, ist eine weiche Lippe 4, beispielsweise aus einem thermoplastischen Elastomer angespritzt, um einen Toleranzausgleich bei der Stackbildung, zu der die Zellrahmen 1 aneinander angeordnet werden, zu schaffen. Um dieses aneinander Anordnen zu erleichtern, sind als Positionierhilfe am Zellrahmen 1 Stifte 3 bzw. entsprechende Ausnehmungen 3' vorgesehen, die entsprechend mit Ausnehmungen und Stiften benachbarter Zellrahmen in Eingriff treten.
2 zeigt vergrößert einen solchen Stift 3, der aus der durch den Zellrahmen 1 aufgespannten Ebene herausragt und auf der abgewandten Rahmenseite eine Ausnehmung 3' (in der 2 nicht zu sehen) aufweist, in die der Stift eines benachbarten Zellrahmens bei der Montage des Stackpakets eingreifen kann. Diese Nut-Feder-Kombinationen der Zellrahmen zur Positionierung zueinander sind so konzipiert, dass die Zellrahmen wechselseitig einbaubar sind und jeder dieselbe Geometrie aufweist. Damit kann der so gestaltete Zellrahmen auch als Anfangs- und Endstück des Zellrahmenstapels eingesetzt werden. Weiter ist in 2 einer der seitlichen keilförmige Verbindungszapfen 2 des Zellrahmens 1 zu sehen, auf den der Verbindungsriegel 10 aufgerastet ist, von dem auch hier lediglich ein dem Zellrahmen entsprechender Abschnitt gezeigt ist, sowie die Elastomerlippe 4.
Ein weiteres Rastelement, das für die Bildung des Stackpakets bei der Anordnung der Zellrahmen aneinander und der Verriegelung der Zellrahmen mittels des Verbindungsriegels 10 eingesetzt werden kann, ist in 3 detailliert dargestellt: Dabei handelt es sich um eine seitlich am oberen Ende des Zellrahmens vorgesehene Rastnase 6, an der der seitliche Verbindungsriegel 10 anliegt.
4 zeigt eine Anordnung aus zwei Zellrahmen 1, zwischen denen eine Pouchzelle 15 aufgenommen ist. Die Zellrahmen 1 werden durch die Stifte 3 und Ausnehmungen 3' (in 4 nicht zu sehen) miteinander verbunden, wobei die Kontaktfläche zum benachbarten Zellrahmen 1 durch den Verbindungsriegel 10 definiert wird, von dem hier ein Abschnitt entsprechend den zwei Zellrahmen 1 dargestellt ist. Tatsächlich erstreckt sich der Verbindungsriegel über das gesamte Stackpaket. Die Stifte 3 und Ausnehmungen 3' an den Zellrahmen 1 ermöglichen die Zentrierung der Zellrahmen 1 zueinander. Durch die Keilverbindungen zwischen den Zapfen 2 und den Verbindungsriegeln 10 werden die Positionierungen noch genauer.
Zur Montage des Stackpakets wird zunächst der gesamte Stack aus Pouchzellen und Zellrahmen zusammengestellt, dann mit einer Montagevorrichtung auf die Montagelänge zusammengestaucht, worauf dann die Verbindungsriegel angesetzt und verrastet werden. Dabei nehmen die Elastomer-Puffer bzw. -Lippen alle Toleranzen auf und bringen die erforderlichen Reibkräfte auf. Verbindungsriegel können wie dargestellt seitlich, ober- und unterhalb der Zellrahmen vorgesehen werden. Es ist aber auch denkbar, dass Verbindungsriegel lediglich an zwei gegenüberliegenden Seiten vorgesehen werden.
In 5 ist ein Querschnitt durch den Randbereich der Zellrahmen 1 entsprechend Ebene Z in 4. Die Pouchzelle 15 wird randseitig zwischen den Zellrahmen 1 mittels der Elastomerlippe 4 aufgenommen und gehalten. Die passgenaue Fixierung der Zellrahmen 1 erfolgt durch die Verrastung des Verbindungsriegels mit den keilförmigen Zapfen 2 der Zellrahmen 1.
6a zeigt den unteren Seitenbereich der zusammengesteckten Zellrahmen 1, die durch den seitlichen Verbindungsriegel 10 fixiert sind. Weiter ist mit der Ausnehmung 3' die am unteren Ende vorliegende Positionierhilfe zu sehen, in die ein entsprechender Stift eines weiteren Zellrahmens eingreifen kann. Auch am Boden des Zellrahmens sind keilförmige Zapfen 2 vorgesehen, auf die, wie in 6b zu sehen, ein unterer Verbindungsriegel 11 mit entsprechenden keilförmigen Öffnungen 2' aufgerastet werden kann.
In 7 ist der Zellrahmen 1 mit seitlichen, unteren und dem oberen keilförmigen Zapfen 2, der angespritzten umlaufenden Elastomerlippe 4 und den Stiften 3 und Ausnehmungen 3', die als Positionierhilfen der Zellrahmen aneinander dienen. Zur Gewichtsreduktion sind die obere und unterer Rahmenstreben nicht massiv, sondern weisen kassettenartige Ausnehmungen auf.
Der aus zwei Reihen keilförmiger Öffnungen 2' bestehende Verbindungsriegel 10, 11 aus 8 kann sowohl an den seitlichen Zapfen 2 des Zellrahmens 1 als auch an jeweils zwei benachbarten Zapfenreihen des Bodens aufgerastet werden. Der Verbindungsriegel 12 aus 9 weist keilförmige Rastöffnungen 2' auf, die zu dem keilförmigen Zapfen 2 an der Oberseite des Zellrahmens 1 passen.
Die Montage eines Stackpakets mittels der erfindungsgemäßen Rahmenanordnung sieht zunächst (10a) das Bereitlegen eines ersten Zellrahmens 1 vor. Die Zellrahmen 1 sind passend zu den Abmessungen der Pouchzellen 15 hergestellt, die jeweils zwischen zwei Zellrahmen 1 aufgenommen werden (10b). Eine Pouchzelle 15 wird in den ersten Zellrahmen 1 eingelegt, auf die der nächste Zellrahmen 1 aufgelegt wird. Die Ableiter 15' ragen oben zwischen den Zellrahmen 1 heraus. Die Zellrahmen 1 sind so dimensioniert, dass die Pouchzelle 15 in dem durch den Zellrahmen 1 begrenzten Fenster 5 Aufnahme findet, wobei der Rand der Pouchzelle 15 zwischen den Stirnflächen der Zellrahmen 1 durch die umlaufende Elastomerlippe 4 gehalten werden. Es folgt der Aufbau des Stacks aus Zellrahmen 1 und einer vorbestimmten Anzahl von Pouchzellen 15 bis zur benötigten Länge, bis der letzte Zellrahmen 1 aufgelegt wird.
Nach der Stackbildung, bei der Pouchzellen 15 mittels der Zellrahmen 1 aneinander gereiht werden, wobei jede Pouchzelle zwischen zwei Zellrahmen 1 aufgenommen ist, wird der gesamte Stack von einer Montagepresse zusammengedrückt, so dass in (10c) die zwei seitliche Verbindungsriegel 10 an die keilförmigen Zapfen 2 der gegenüberliegenden Seiten des Stacks angesetzt und eingeriegelt werden können. Durch die Elastomerlippen ist es möglich, die Länge der Pouchzellen-Zellrahmen-Anordnung 1/15 in gewissem Umfang zu variieren, so dass das Gesamtmaß des Stackpakets durch die Verbindungsriegel 10 vorgeben wird. Nach Verrastung der seitlichen Verbindungsriegel 10 kann der Druck der Montagepresse gelöst werden, gegebenenfalls kann der Stack aber auch noch in der Montagepresse bleiben, bis der obere und die unteren Verbindungsriegel 11, 12 (10d) ebenfalls auf die entsprechenden Zapfenreihen aufgerastet werden, so dass das maßgenaue und stabile Stackpaket 20 erhalten wird (10e).
Das so vormontierte Stackpaket 20 kann entnommen und weiterverarbeitet werden. Beispielsweise können die Kontaktierung der Pouchzellen und die Anordnung an einem Trägersystem oder in einem Gehäuse erfolgen. Die Erfindung gestattet so eine einfache Montage eines Batterieblock aus einem Pouchzellenstack, wobei keine (Metall-)Einlegteile notwendig sind. Durch die Elastomerlippen der Zellrahmen kann ein sehr guter Toleranzausgleich für die einzelnen Pouchzellen erreicht werden. Die Elastomerlippen an den Zellrahmen übernehmen den Toleranzausgleich. Durch das durch die Verbindungsriegel vorgegebene diskrete Rastermaß erfolgt keine Addition der Toleranzen.
Die Festigkeit der Verbindung der Zellrahmen 1 zu dem seitlichen Verbindungsriegel 10 sind aufgrund der Lastaufnahme bei Beschleunigung besonders wichtig. Bei vertikaler Beschleunigung v (11a) verteilt sich die Last gleichmäßig auf die zwei lateralen Flächen, d. h. über die Zellrahmenwand auf die Verbindungsriegel 10. Im Fall einer horizontalen Beschleunigung h (11 b) muss eine laterale Klemmung, d. h. die Verbindung von Zellrahmen mit seitlichem Verbindungsriegel 10 die gesamte Massenbeschleunigung aufnehmen.
Zur Bildung eines Batterieblocks (skizziert in 12a bis d), der zum Einsatz in einem Elektrofahrzeug vorgesehen sein kann, kann ein solches vormontiertes Stackpaket 20 verwendet werden (12a). Die Ableiter 15' der Pouchzellen werden wechselseitig umgelegt und lasergeschweißt (12b). Eine passend bemaßte Gehäusewanne 21 wird zumindest am Boden mit einer Dämpfungsschicht 22, beispielsweise einer elastischen Folie (TPE) ausgekleidet, bevor das Stackpaket 20 in die Gehäusewanne 21 eingesetzt und eine Wärmeleitfolie 23 aufgelegt werden (12c). Zum Abschluss werden Kühlplatten 24 aufgesetzt, die von einer (nicht dargestellten) Abdeckung bedeckt werden (12d). Die Montage der Abdeckung an der Gehäusewanne 21 erfolgt an den Befestigungsflanschen 25.
Das durch die erfindungsgemäße Rahmenanordnung gebildete Befestigungs- und Fixiersystem für Pouchzellen mittels selbsthemmender Keilverbindungen und stackübergreifender Verbindungsriegel gestattet eine einfache Montage durch selbstständiges Verriegeln. Durch die Verbindungsriegel kann ein festes Rastermaß und damit eine feste Blocklänge vorgegeben werden. Ferner wird nicht nur der Verzicht auf Einlegeteile ermöglicht, sondern auch erforderliche Reparatureingriffe vereinfacht.
Sowohl die Zellrahmen als auch die Verbindungsriegel bieten sich zur Integration von Funktionen an, wie z. B. Kühlleitungen, weitere Befestigungselemente, Kühlplatten (v. a. in die Zellrahmen), ein Löschsystem, Komponenten eines Heiz- bzw. Klimasystems. So können beispielsweise in den Zellrahmen Kühl- und/oder Temperierleitungen sowie Sensoren und Leitungen für den Brandschutz integriert werden. Ferner können Mittel vorgesehen sein, um die elektrische Kontaktierung der Pouchzellen durch den Zellrahmen zu ermöglichen.
Weiter besteht bei der Herstellung eines Batterieblocks die Möglichkeit, die Verbindungsriegel in das Gehäuse zu integrieren.
Die erfindungsgemäße Rahmenanordnung bzw. das dadurch bereitgestellte Befestigungssystem ist nicht nur auf Stacks aus Pouchzellen beschränkt; es eignet sich außer für Batteriestacks auch für Brennstoffzellenstacks und Filterstacks, d. h. die erfindungsgemäße Rahmenanordnung ermöglicht generell die genaue Positionierung und Befestigung von Elementen wie Pouchzellen, aber auch Brennstoffzellen oder Filtern u. ä.
Vorteilhaft bietet die erfindungsgemäße Rahmenanordnung zudem vereinfachte Reparaturmöglichkeiten zum Austausch einzelner Zellen. Dazu wird das Stackpaket demontiert, indem die Kontaktierung aufgetrennt wird, ehe die seitlichen Verbindungsriegel an der Stelle der zu tauschenden Pouchzelle getrennt werden. Hierzu werden die Verbindungsriegel zweimal (vor und hinter der auszutauschenden Pouchzelle) in der Mitte der Keile aufgetrennt, so dass der Stack getrennt und die Pouchzelle getauscht werden kann. Danach wird der Stack wieder vollständig zusammengeschoben und mittels Schraubzwingen oder einer Montagepresse so zusammengedrückt, dass die Verbindungsriegel entfernt werden können. Nacheinander werden die aufgetrennten Verbindungsriegel entfernt und durch neue durchgehende Verbindungsriegel ersetzt. Wenn alle Verbindungsriegel getauscht sind, kann die Kontaktierung wieder hergestellt werden.
Außer den Verbindungsriegeln sind keine zusätzlichen Befestigungselemente notwendig. Die Verwendung von Kunststoffen und die damit verbundenen Gestaltungsmöglichkeiten des Zellrahmens (kassettenartige Ausnehmungen) und der Verbindungsriegel birgt ein hohes Gewichtseinsparungspotential.
Die Verbindung der Zellrahmen mit dem Verbindungsriegel kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zwar ist die bisher beschriebene Verbindung durch keilförmige Zapfen an dem Zellrahmen und entsprechend keilförmige Öffnungen am Verbindungsriegel bevorzugt, die erfindungsgemäße Rahmenanordnung ist allerdings nicht darauf beschränkt. In den 13 bis 20 sind alternative Anbindungsmöglichkeiten skizziert, darüber hinaus sind weitere form- und/oder kraftschlüssige Verbindungstechniken zwischen Zellrahmen und Verbindungsriegel denkbar und vom Schutzumfang umfasst.
Formschlüssige Verbindungen umfassen beispielsweise Steckverbindungen, zu denen auch die keilförmigen Verbindungszapfen zählen. 13 und 17 deuten ein Nut-Feder-Konzept an, bei dem in dem Verbindungsriegel 10 zylindrische Federn 2 vorliegen, die in entsprechend geformte Nuten 2' im Zellrahmen 1 eingreifen. In 17 an der Stirnseite des Zellrahmens 1 ist ein weiteres Formschlusselement 3 gezeigt, das zur Positionierung der Zellrahmen 1 aneinander bei der Stackbildung in ein Gegenformschlusselement auf der Rückseite des nächsten Zellrahmens eingreifen kann.
In 14a sorgt eine Steckverbindung mit einem Stecker 21 für die Verriegelung der Zellrahmen 1 durch den Verbindungsriegel 10. Dazu kann der Zellrahmen 1 eine Ausnehmung 1' aufweisen, in der die Rastnase des Steckers 21 Aufnahme findet, wie in 14b zu sehen ist.
Dabei bedingt jedes Halteelement immer mindestens eine Öffnung pro Zellrahmen im Verbindungsriegel. Durch die festgelegte Verbindungsanordnung zwischen Zellrahmen und Verbindungsriegel werden auch die Zellrahmen positioniert.
Ferner kann die Verriegelung auch über eine Kombination von Form und Kraftschluss erfolgen. So können beispielsweise in zwei Ebenen gekippte Haltekeile an Zellrahmen oder Verbindungsriegel in entsprechend geformte Öffnungen oder Taschen des Verbindungspartners gesteckt werden. 18a bis c und 19a, b zeigen Varianten, in denen hakenförmige Verbindungselemente 2 an dem Zellrahmen 1 vorgesehen sind, die in entsprechend geformte Öffnungen oder geschlossene Taschen des Verbindungsriegels 10 eingreifen können. In 20a liegt umgekehrt für jeden Zellrahmen 1 ein hakenförmiges Verbindungselement 24' an dem Verbindungsriegel vor, während an dem Zellrahmen 1 eine Lasche 24 angeformt ist, in der der Haken 24' aufgenommen werden kann.
20b deutet ein kreuzförmiges Verbindungselement 25' an dem nicht dargestellten Verbindungsriegel an, das in eine entsprechend geformte Ausnehmung 25 am Zellrahmen 1 eingreifen kann.
In 20c und 20d ist der Verbindungsriegel 1 derart ausgeführt, dass er den Kraft- bzw. Formschluss mit einem Verbindungspartner am Zellrahmen 1 ausführt. In 20c weist der Verbindungsriegel 10 einen L-förmigen Querschnitt auf und bildet so ein Formelement 26', das von einem an den Zellrahmen 1 angeformten Haken 26 aufgenommen wird. Der Verbindungsriegel 10 kann dabei längs dem Profil 26' Rastelemente (nicht dargestellt) aufweisen, die ein exaktes Positionieren des Zellrahmens 1 ermöglichen. Die Verbindung zwischen Zellrahmen 1 und Verbindungsriegel 10 in 20d entspricht einem Kabelbinderverschluss mit der profilierten Oberfläche 27' des bandförmigen Verbindungselements 10 und der Lasche 27 mit Rastelement.
Außerdem ist eine stoffschlüssige Anbindung des Verbindungsriegels an die Zellrahmen nicht ausgeschlossen; allerdings sollte dann ein Klebstoff eingesetzt werden, dessen Klebwirkung im Reparaturfall gelöst werden kann.
15 und 16 zeigen Verbindungsvarianten, in denen durch einen Drehmechanismus 22 oder Schiebemechanismus 23 ein Verbindungselement 22', 23' betätigt wird, das in den dort nicht gezeigten Verbindungsriegel eingreifen kann.
Die Verbindungsriegel können die Funktion eines Zugankers übernehmen. Wie in 7 und 8 gezeigt, kann der Zellrahmen 1 so konzipiert werden, dass Verbindungsriegel 10, 11 als Gleichteile an verschiedenen Positionen am Zellrahmen 1, nämlich seitlich und am Boden, angeordnet werden können. Als Verbindungsriegel könne ferner auch entsprechend geformte Funktionsteile, z. B. Kühlplatten, eingesetzt werden oder das Gehäuse oder Gehäusebauteile können in geeigneter Weise ausgeführt sein, um die Funktion des Verbindungsriegels zu erfüllen.
Die Verbindungsriegel können ferner die Befestigung an einem Trägersystem ermöglichen oder als Halterung für eventuell benötigte Aggregate, z. B. für die Zuführung von Kühlflüssigkeit oder Temperierungsmedien in die Zellrahmen, als Träger für Sensoren oder für Kabel und Leitungen dienen.
Generell kann als Material zur Herstellung der lastaufnehmenden Komponenten Zellrahmen und Verbindungsriegel auch ein metallischer Werkstoff, insbesondere eine Leichtmetalllegierung, beispielsweise auf Aluminiumbasis verwendet werden, bevorzugt werden jedoch Kunststoffe, insbesondere auch faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, da hier sowohl dem Leichtbau Rechnung getragen wird in Verbindung mit guten mechanischen Eigenschaften und einfacher Herstellbarkeit der Komponenten im Spritzguss thermoplatischer Kunststoffe oder – bei Verwendung von Faser-Kunststoffmatrix-Halbzeugen (BMC, SMC) – durch Heiß- oder Fließpressen. Geeignete thermoplastische Kunststoffe können Polybutylenterephthalat PBT, Polyethylenterephthalat PET, Polypropylen PP, Polyamid, insbesondere PA 66 oder Polyphenylensulfid PPS sein. Als Faserverstärkung können Glasfasern gewählt werden. Ferner ist denkbar, wenn auch aufwändiger, Keramik als Material für Zellrahmen und Verbindungsriegel vorzusehen.
Für Verbindungsriegel und Zellrahmen kann gleiches Material gewählt werden, so dass z. B. bei Temperaturänderungen weniger Wärmespannungen auftreten. Es können aber auch unterschiedliche Werkstoffe für Verbindungsriegel und Zellrahmen vorgesehen sein, um den unterschiedlichen Ansprüchen an Zellrahmen und Verbindungsriegel gerecht zu werden.
Gerade bei Verwendung von Kunststoff können bei der Herstellung der Zellrahmen und Verbindungsriegel Zusätze von Flammschutzmitteln sinnvoll sein. Ferner können Materialzusätze oder Beschichtungen für bessere Wärmeübertragung sowie Materialien zur Abdichtung vor verschiedenen Medien vorgesehen sein.
In den im Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Beispielen ist eine Elastomerlippe beidseitig auf den Stirnseiten der Zellrahmen vorgesehen, die Reibkräfte bestimmt und damit durch die Haftreibungserhöhung die Gesamthaltekräfte und damit die Belastungen auf die Pouchzelle reduziert. Zudem übernimmt die Elastomerlippe den Toleranzausgleich. Als Material für die Elastomerlippe kommen Thermoplastische Elastomere, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Polypropylen mit Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk oder Polyurethane in Frage. Die erfindungsgemäße Rahmenanordnung ist bei ausreichender Verspannung der Zellrahmen aber auch ohne Elastomerlippe denkbar.
Die Verbindungsriegel dienen in erster Linie dazu, die Zellrahmen in der Stapelanordnung zu fixieren, indem der Verbindungsriegel alle Klemmkräfte übernimmt. Es ist allerdings gegebenenfalls erforderlich, die Verbindungsriegel gegen seitliches Herausrutschen nach außen zu sichern. Die Länge und Anzahl der keilförmigen Zapfen bestimmen die Scherspannung der keilförmigen Zapfen. Die eigentliche Verriegelung erfolgt über den in mehreren Richtungen funktionierenden keilförmigen Zapfen, so dass nach Anordnung der Verbindungsriegel mit den entsprechenden keilförmigen Öffnungen an den Zapfen der Verbindungsriegel z. B. in zwei Translationen und drei Rotationen durch die besondere Keilform festgelegt ist. Die in dem Verbindungsriegel 10 vorgesehene keilförmige Öffnung 2', zu sehen in 21, weist eine mehrfach geneigte Riegelfläche 2a, b auf. Die verbleibende Translation wird z. B. durch die Selbsthemmung des keilförmigen Zapfens unterbunden oder aber mit einer Fixierung des Zapfens in einer Endlage erreicht. Ferner kann das Lösen der Verbindungsriegel seitlich nach außen durch weitere Formschlusselemente verhindert werden.
Die Lösbarkeit der Verbindungsriegel hängt vom Reibwinkel ab, der die Reibkraft zur Selbsthemmung bestimmt. Um das Lösen der verrasteten Verbindungsriegel zu mittels Formschluss zu verhindern, können beispielsweise Anlagepins oder zusätzliche Haken wie Schnapphaken, oder Verschraubungen vorgesehen sein, die auch im Reparaturfall einfach zu lösen sind. Ferner kann eine stoffschlüssige Verbindung z. B. durch Kleben oder Schweißen zwischen Seitenriegel und der Stapelanordnung vorgesehen sein. Dabei kann die Spitze des keilförmigen Zapfens so gestalten werden, dass eine Trennung der Seitenriegel für die Reparaturlösung ohne Beschädigung der Haltekeile möglich ist, wozu die geneigte Keilebene an der Keilspitze entfällt. Sinnvollerweise ist die Endlage des Verbindungsriegels dann nicht durch den Anschlag am Kopf realisiert, um Platz für Trennoperationen zu haben.
Die Verbindungsriegel der erfindungsgemäßen Rahmenanordnung bieten vorteilhaft die Möglichkeit, einen aus Zellrahmen und Zellelementen gebildeten Stapel in einem festen Rastermaß aufzubauen und mechanisch stabil auszuführen. Die einzelnen Komponenten Zellrahmen und weitgehend auch die Verbindungsriegel je nach Funktionalität sind als Gleichteile ausführbar. Die Zellrahmen dienen dem Fixieren und Positionieren der Zellelemente und die Verbindungsriegel zum Verbinden und Fixieren der Zellrahmen mit den Zellelementen und zum Festlegen der Zellabstände. Durch Funktionsintegration in die Zellrahmen und/oder Verbindungsriegel ist eine äußerst kompakte Bauweise möglich, etwa wenn der Verbindungsriegel auch als Kühlplatte oder zur elektrischen Verbindung der Zellen bzw. als Platine mit integrierter Elektronik ausgeführt sein kann.
Zwar wird die erfindungsgemäße Rahmenanordnung vorliegend im Zusammenhang mit der Bildung von Zellstapeln aus beutelartigen Pouchzellen beschrieben, generell kann aber das Prinzip auch für andere Zellbauformen, wie z. B. prismatische Zellen, eingesetzt werden. Auch hier lässt sich der Toleranzausgleich über Einsatz von Elastomerlippen im Bereich der Zellklemmung oder durch Vorhalt im Zellrahmen durchführen. Die Einstellung eines festen Rastermaßes erfolgt auch hier über die separaten Verbindungsriegel: Die Rastermaßbildung erfolgt durch Aufsetzen von Verbindungsriegeln, die die Zellrahmen aneinander positionieren und fixieren. Dabei kann vorzugsweise die Ausrichtung der Zellrahmen, die keilförmige Zapfen aufweisen, durch Verbindungsriegel mit mehrfach gerichteten Keilflächen erfolgen. Ein fertiger Batterieblock aus einem Stackpaket kann im Reparaturfall partiell aufgetrennt werden, während benachbarte Zellstapelabschnitte verriegelt bleiben, d. h. die Verriegelung lässt sich durchtrennen, ohne dass der Rest des Stackpakets zerfällt.

Claims

Rahmenanordnung zur Aufnahme von Zellelementen (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenanordnung zumindest zwei Zellrahmen (1) aufweist, die in einer Gebrauchsanordnung an ihren Stirnflächen aneinander kontaktierend angeordnet sind, wobei jeweils ein Zellelement (15) zwischen zwei benachbarten Zellrahmen (1) aufnehmbar ist, und wobei jeder Zellrahmen (1) zumindest an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils zumindest ein nach außen weisendes Verbindungselement (2) aufweist, und dass die Rahmenanordnung jeweils zumindest einen Verbindungsriegel (10, 11, 12) zur Anordnung an den Verbindungselementen (2) der Seitenflächen der aneinander angeordneten Zellrahmen (1) in der Gebrauchsanordnung aufweist, wobei jeder Verbindungsriegel (10, 11, 12) Eingriffselemente (2') aufweist, die in Position und Form mit den Verbindungselementen (2) der jeweiligen Seite der aneinander angeordneten Zellrahmen (1) in der Gebrauchsanordnung korrespondier.
Rahmenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zellrahmen (1) an beiden Stirnflächen eine umlaufende Elastomerlippe (4) aufweist.
Rahmenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zellrahmen (1) auf der einen Stirnfläche erste Positionierhilfselemente (3, 3') und auf der zweiten Stirnseite zweite Positionierhilfselemente (3, 3') aufweist, die zu den ersten Positionierhilfselemente (3, 3') korrespondierend ausgebildet sind, so dass in Gebrauchsanordnung die ersten Positionierhilfselemente (3, 3') eines ersten Zellrahmens (1) mit den zweiten Positionierhilfselemente (3, 3') eines zweiten Zellrahmens (1) in Eingriff stehen, wobei bevorzugt die ersten und zweiten Positionierhilfselemente (3, 3') eine Nut-Feder-Verbindung bilden.
Rahmenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (2) der Zellrahmen (1) und die Eingriffselemente (2') der Verbindungsriegel (10) für eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Steck- oder Rastverbindung ausgebildet sind, wobei bevorzugt die Verbindungselemente (2) keilförmige Zapfen (2) und die Eingriffselemente (2') keilförmige Öffnungen (2') sind, wobei sich die Keilform aus mehrfach gerichteten Keilflächen (2a, 2b) zusammensetzt.
Rahmenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellrahmen (1) in Bezug zu den Zellelementen (15) so dimensioniert sind, dass ein Rand der Zellelemente (15) zwischen den aneinander angeordneten Zellrahmen (1) in der Gebrauchsanordnung geklemmt wird, wobei die Zellelemente (15) Batteriezellen, bevorzugt Pouchzellen (15), Brennstoffzellen oder Filter sind.
Rahmenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Zellrahmen (1) und/oder zumindest einer der Verbindungsriegel (10) Funktionselemente aufweist, die Befestigungselemente, Lüftungsöffnungen, Kühl- und/oder Temperierleitungen, Sensoren, Leitungen für ein Löschsystem und/oder elektrische Kontaktierungselemente für das Zellelement (15) umfassen.
Rahmenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellrahmen (1) und der Verbindungsriegel (10) aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, die aus Leichtmetalllegierungen, Kunststoffen, bevorzugt thermoplastischen Kunststoffen, besonders bevorzugt faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen und/oder Keramik ausgewählt sind.
Stackpaket (20) mit einer vorbestimmten Anzahl von Zellelementen (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Zellelemente (15) von einer Rahmenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 gehalten werden, wobei eine Anzahl der Zellrahmen (1) um 1 größer ist als die vorbestimmte Anzahl der Zellelemente (15) und jedes Zellelement (15) zwischen zwei Zellrahmen (1) aufgenommen ist.
Montageverfahren zur Herstellung eines Stackpakets (20) nach Anspruch 8 unter Verwendung einer Rahmenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte – Bereitlegen eines ersten Zellrahmens (1) und Einlegen eines ersten Zellelements (15) in den ersten Zellrahmen (1), – abwechselnd Auflegen eines weiteren Zellrahmens (1) und Einlegen eines weiteren Zellelements (15), bis die vorbestimmte Anzahl an Zellelementen (15) erreicht ist, und Auflegen eines letzten Zellrahmens (1), – Anordnen des Stapels aus Zellrahmen (1) und Zellelementen (15) in einer Montagepresse und Zusammendrücken des Stapels in Stapelrichtung durch die Montagepresse, – Ansetzen der zumindest zwei Verbindungsriegel (10, 11, 12) an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten des Stapels und in Eingriff Bringen der Verbindungselemente (2) der Zellrahmen (1) mit den Eingriffselementen (2') der Verbindungsriegel (10, 11, 12), – Lösen der Montagepresse und Entnehmen des Stackpakets (20) und Weiterverarbeiten des Stackpakets (20).
Demontageverfahren zum Austausch eines Zellelements (15) aus einem Stackpacket (20) nach Anspruch 8, umfassend die Schritte – Durchtrennen der Verbindungsriegel (10, 11, 12) vor und hinter dem zu tauschenden Zellelement (15), wobei das Stackpaket (20) getrennt wird, – Austauschen des Zellelements (15) und erneut Zusammensetzten des Stackpakets (20), – Anordnen des getrennten Stackpakets (20) in einer Montagepresse und Zusammendrücken des getrennten Stackpakets (20) durch die Montagepresse, – sequenziell Entfernen der durchtrennten Verbindungsriegel (10, 11, 12) und Anbringen neuer Verbindungsriegel (10, 11, 12), – Lösen der Montagepresse und Entnehmen des Stackpakets (20) und Weiterverarbeiten des Stackpakets (20).