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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichereinrichtung, welche Energiespeichereinrichtung wenigstens zwei Energiespeicherelemente in einem Gehäuse umfasst.
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In aktuellen Konzepten zur Herstellung von Hochvoltbatterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge unterscheidet man zwischen einer Modulbauweise, bei der Zellmodule vormontiert und dann in eine Batterie eingesetzt werden, und einer Stackbauweise, bei der Stacks aus Zellen mit einer Baulänge, die durch den Bauraum in der Batterie vorgegeben ist, gefertigt und in die Batterie eingesetzt werden.
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Bei der Modulbauweise werden üblicherweise Module mit zwischen 6 und 12 Zellen genutzt, wobei die Maximalzahl der Zellen typischerweise derart gewählt wird, dass die Module noch manuell gehandhabt werden können, das heißt die Gesamtspannung 60 V nicht übersteigt. In den Modulen sind bereits Stromschienen zur Kontaktierung der Zellen im Modul sowie weitere Elemente wie eine Gasabführung oder Überwachungselektronik vorgesehen. Durch eine Nutzung von Modulen kann die Endmontage sehr zügig abgeschlossen werden. Module sind in einem Gehäuse angeordnet und mechanisch stabil. Damit ist bei einer Modulbauweise eine wesentliche leichtere Aufteilung der Montage auf mehrere Montageplätze möglich.
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Nachteilig bei der Modulbauweise ist jedoch, dass Energiespeichereinrichtungen, die in Modulbauweise aufgebaut sind, typischerweise mehr Bauraum benötigen. Da jedes der Module eigene Gehäusewände aufweist, sind beim Übergang zwischen zwei Modulen zwischen benachbarten Zellen jeweils zwei Modulwände angeordnet. Dadurch geht in der Energiespeichereinrichtung Bauraum verloren und die erreichbare Energiespeicherdichte sinkt.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichereinrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das die folgenden Schritte umfasst, gelöst:
- – Verpressen der Energiespeicherelemente zu einer verpressten Baugruppe und Einbringen der verpressten Baugruppe in eine Halteeinrichtung, die die verpresste Baugruppe im verpressten Zustand hält,
- – Anbringen wenigstens einer Komponente an wenigstens einem der Energiespeicherelemente zur Bildung einer vormontierten Baugruppe,
- – Einsetzen der vormontierten Baugruppe in das Gehäuse, derart, dass die Energiespeicherelemente in dem Gehäuse aufgenommen sind, wobei die vormontierte Baugruppe aus der Halteeinrichtung entfernt wird.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zumindest einige der Montageschritte, bei welchen Komponenten an den zur verpressten Baugruppe verpressten Energiespeicherelementen angeordnet werden, durchzuführen, bevor die vormontierte Baugruppe in das Gehäuse der Energiespeichereinrichtung eingesetzt wird. Hierzu ist es notwendig, die verpresste Baugruppe zu haltern, weshalb diese in einer Halteeinrichtung angeordnet wird. Nach der erfolgten Vormontage, also dem Anbringen von zumindest einer der weiteren Komponenten der Energiespeichereinrichtung an den Energiespeicherelementen, wird die vormontierte Baugruppe, die die verpressten Energiespeicherelemente und die daran angeordneten Komponenten umfasst, insgesamt von der Halteeinrichtung in das Gehäuse verbracht.
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Dabei können alle Energiespeicherelemente, die die Energiespeichereinrichtung umfassen soll, zu einer verpressten Baugruppe verpresst und einzeln oder gemeinsam in einer Halteeinrichtung weiterbearbeitet werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, mehrere Gruppen von Energiespeicherelementen jeweils getrennt in verpresste Baugruppe zu verpressen, wobei jeweils in separaten Halteeinrichtungen separate vormontierte Baugruppen aufgebaut werden. Im abschließenden Schritt ist es dann möglich, alle diese Baugruppen in ein gemeinsames Gehäuse einzubringen.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren werden also vor dem Einsetzen der Energiespeicherelemente in das Gehäuse der Energiespeichereinrichtung vormontierte Baugruppen hergestellt. Diese vormontierten Baugruppen können dabei funktional Einheiten entsprechen, wie sie bei einer Modulbauweise von Energiespeichereinrichtungen als Module aufgebaut werden, das heißt sie können bereits eine teilweise Kontaktierung und/oder Verbindung der in der vormontierten Baugruppe enthaltenen Energiespeicherelemente durch Stromschienen, Gasabführungen, Überwachungseinrichtungen oder Ähnliches umfassen. Im Gegensatz zu Modulen, die bei einer Modulbauweise der Energiespeichereinrichtung genutzt würden, umfassen die vormontierten Baugruppen jedoch kein eigenes Gehäuse, das der vormontierten Baugruppe Stabilität verleiht. Die Stabilität der vormontierten Baugruppe, das heißt das Haltern der Energiespeicherelemente wird im erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass eine separate Halteeinrichtung genutzt wird. Diese Halteeinrichtung wird jedoch im Gegensatz zu den Gehäusen der Module nicht mit in die Energiespeichereinrichtung eingebracht. Vielmehr wird im Schritt des Einsetzens der vormontierten Baugruppen in das Gehäuse die vormontierte Baugruppe aus der Halteeinrichtung entfernt. Durch dieses Vorgehen wird erreicht, dass eine Vormontage erfolgen kann, die im Wesentlichen der Vormontage von Modulen bei einer Modulbauweise entspricht, wobei jedoch der Nachteil der Modulbauweise, nämlich die notwendige Aufnahme der zusätzlichen Gehäuse der Module in die endgültige hergestellte Energiespeichereinrichtung, vermieden wird.
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Dabei ist es selbstverständlich möglich, im Schritt des Verpressens der Energiespeicherelemente zwischen den Energiespeicherelementen weitere Elemente, insbesondere Isolations- bzw. Stabilisierungsplatten, anzuordnen. Es ist dabei jede Art von Aufbau möglich, die auch beim Aufbau eines Moduls bzw. beim Aufbau eines Stacks bei einer Stackbauweise genutzt werden kann.
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Das Gehäuse der Energiespeichereinrichtung kann im Wesentlichen quaderförmig und auf einer Seite zumindest teilweise offen sein. Die Öffnung des Gehäuses auf einer Seite kann insbesondere eine oder mehrere quaderförmige Ausnehmungen im Gehäuse bilden, die zur Aufnahme der vormontierten Baugruppen ausgebildet sind. Dabei ist es möglich, dass am Gehäuse auch Rast- oder Halteeinrichtungen vorgesehen sind, um eine lösbare oder eine unlösbare Verbindung des Gehäuses mit einer eingesetzten vormontierten Baugruppe zu ermöglichen.
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Im Schritt des Verpressens und Einbringens der Energiespeicherelemente in die Halteeinrichtung kann die verpresste Baugruppe, die die Energiespeicherelemente zum Speichern der elektrischen Energie umfasst, insbesondere auf ein Nennmaß gepresst werden, das den Abmessungen eines Innenraums des Gehäuses entspricht. Die Zellen, bei denen es sich insbesondere um prismatische Zellen oder Pouch-Zellen handeln kann, werden vor dem Verpressen insbesondere benachbart angeordnet und durch eine Pressvorrichtung auf das Nennmaß gepresst. Dabei können wie erwähnt zusätzliche Elemente zwischen den Zellen angeordnet sein. Die Pressvorrichtung kann dabei insbesondere ein bewegbares Presselement in Form eines Pressstempels umfassen, das einen Stapel von Energiespeicherelementen gegen ein lagefestes Gegenlager presst. Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, zur Verpressung der Energiespeicherelemente Pressvorrichtungen in mehreren Raumrichtungen zu nutzen, um beispielsweise die Energiespeicherelemente zu einer verpressten Baugruppe mit vorgegebenen Längen- und Breitenmaßen zu verpressen. Es ist jedoch auch möglich, die Energiespeicherelemente nur in eine Richtung zu verpressen, wobei sie zusätzlich seitlich geführt sein können um sicherzustellen, dass eine vorgegebene Breitenausdehnung nicht überschritten wird.
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Die verpresste Baugruppe ist typischerweise nicht selbsthaltend stabil, so dass der Transfer der vormontierten Baugruppe in die Halteeinrichtung derart erfolgen sollte, dass zumindest ein Teil des Pressdrucks zum Verpressen der Energiespeicherelemente aufrechterhalten wird. Ein derartiges Einbringen der verpressten Baugruppe ist beispielsweise möglich, indem ein weiterer Pressstempel, senkrecht zur Verpressrichtung, genutzt wird, der die Energiespeicherelemente senkrecht zur Verpressrichtung aus der Presseinrichtung in eine beispielsweise rahmenförmig ausgebildete Halteeinrichtung presst.
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Die Halteeinrichtung erfüllt im erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere zwei Aufgaben. Zum einen kann durch die Halteeinrichtung eine Lösung der Verpressung verhindert werden. Zum anderen ist die verpresste Baugruppe in der Halteeinrichtung gehaltert. Vorzugsweise wird die verpresste Baugruppe derart in die Halteeinrichtung eingebracht, dass die elektrischen Kontakte der Energiespeicherelemente im eingebrachten Zustand zugänglich sind. Dabei ist es vorteilhaft, dass während des Anbringens der wenigstens einen Komponente an dem wenigstens einen Energiespeicherelement im erfindungsgemäßen Verfahren eine in sich stabile und gut handhabbare Einheit aus der verpressten Baugruppe und der Halteeinrichtung gebildet wird.
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Als Halteeinrichtung kann dabei insbesondere ein Rahmen mit mehreren, insbesondere vier rechtwinkligen, Seitenwänden und einer ersten und einer zweiten offenen Rahmenseitenfläche, die jeweils durch die Seitenwände begrenzt sind, genutzt werden. Dabei können die vier Seitenwände und die zwei offenen Rahmenseitenflächen insbesondere einen Quader bilden. Damit entspricht die Geometrie der Halteeinrichtung der üblichen Geometrie von Energiespeichereinrichtungen und prismatischen Zellen. Entsprechend kann vorteilhaft auch eine Ausnehmung im Gehäuse zur Aufnahme der vormontierten Baugruppe quaderförmig sein.
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Insbesondere kann das Gehäuse wenigstens eine offene Gehäuseseitenfläche aufweisen, wobei die erste offene Rahmenseitenfläche die gleiche Fläche und Form aufweist, wie die offene Gehäuseseitenfläche. Durch die Ausbildung der Halteeinrichtung als Rahmen, wobei zumindest eine der offenen Flächen des Rahmens, insbesondere beide offenen Rahmenseitenflächen, der offenen Gehäuseseitenfläche im Wesentlichen entspricht, also im Wesentlichen die gleiche Fläche und im Wesentlichen die gleiche Form aufweist, ist es möglich, die vormontierte Baugruppe direkt von der Halteeinrichtung in das Gehäuse zu pressen. Hierzu kann die offene Rahmenseitenfläche im Wesentlichen deckungsgleich mit der offenen Gehäuseseitenfläche angeordnet werden und es kann ein Druck auf die vormontierte Baugruppe ausgeübt werden, derart, dass die vormontierte Baugruppe aus dem Rahmen in das Gehäuse gepresst wird. Um Produktionstoleranzen des Gehäuses und der Halteeinrichtung auszugleichen ist es dabei vorteilhaft, wenn die offene Rahmenseitenfläche geringfügig kleinere Abmessungen aufweist, als die offene Gehäuseseitenfläche. Damit kann sichergestellt werden, dass selbst bei kleinen Abweichungen in der Positionierung oder der Ausbildung von Gehäuse und/oder Halteeinrichtung stets ein Pressen der vormontierten Baugruppe in das Gehäuse möglich ist.
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Die Abmessungen der offenen Rahmenseitenflächen und der offenen Gehäusefläche sollten selbstverständlich auch in dem Fall einander angepasst werden, wenn die Energiespeichereinrichtung mehrere vormontierte Baugruppen umfassen soll. In diesem Fall ist es möglich, dass das Gehäuse mehrere getrennte Ausnehmungen zur Aufnahme von vormontierten Baugruppen aufweist. In diesem Fall sollte die erste offene Rahmenseitenfläche die gleiche Fläche und Form aufweisen wie die Öffnung der entsprechend zugeordneten Aufnahme. Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere vormontierte Baugruppen in eine einzelne Ausnehmung des Gehäuses eingefügt werden sollen. In diesem Fall sollte die Form und Fläche der Ausnehmung ungefähr der Form und Fläche entsprechen, die durch die Summe der Rahmenseitenflächen der mehreren Halteeinrichtungen gebildet wird.
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Der Schritt des Einsetzens der vormontierten Baugruppe in das Gehäuse kann die folgenden Schritte umfassen:
- – Anordnen der Halteeinrichtung und des Gehäuses derart, dass die erste offene Rahmenseitenfläche mit der offenen Gehäuseseite im Wesentlichen deckungsgleich ist, und
- – Ausüben eines Drucks auf die der ersten offenen Rahmenseitenfläche gegenüberliegende Fläche der vormontierten Baugruppe, so dass die vormontierte Baugruppe aus der Halteeinrichtung zumindest teilweise in das Gehäuse gedrückt wird.
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Durch dieses Vorgehen wird das bereits erläuterte Verbringen der vormontierten Baugruppe aus der Halteeinrichtung in das Gehäuse bewerkstelligt. Es ist dabei möglich, dass in den vorangehenden Schritten die offene Rahmenseitenfläche durch eine mit der Halteeinrichtung gekoppelte Platte verschlossen ist, um eine bessere Handhabung zu ermöglichen. Eine derartige Platte ist selbstverständlich vor dem Einsetzen der vormontierten Baugruppe in das Gehäuse zu entfernen.
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Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere vormontierte Baugruppen hergestellt werden, wobei der Schritt des Einsetzens der vormontierten Baugruppen in das Gehäuse dabei die folgenden Schritte umfasst:
- – Anordnen der Halteeinrichtungen, die jeweils eine der vormontierte Baugruppen halten, und des Gehäuses derart, dass die ersten offenen Rahmenseitenflächen eine gemeinsame Fläche bilden, die im Wesentlichen deckungsgleich mit einer offenen Seite des Gehäuses ist, und
- – Ausüben eines Drucks auf die jeweils den ersten offenen Rahmenseitenfläche gegenüberliegenden Flächen der vormontierten Baugruppen, so dass die vormontierten Baugruppen aus den Halteeinrichtungen zumindest teilweise in das Gehäuse gedrückt werden.
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Dabei können die Halteeinrichtungen insbesondere gleichgeformte und gleichgroße Rahmen darstellen, wobei die Fläche der offenen Seite einer Ausnehmung des Gehäuses insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der Fläche der Rahmenseitenflächen ist. Sollen mehrere vormontierte Baugruppen in eine Ausnehmung des Gehäuses eingebracht werden, so kann es vorteilhaft sein, das Ausüben des Drucks für alle dieser vormontierten Baugruppen gleichzeitig durchzuführen.
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Wie bereits erwähnt, ist es auch möglich, im Gehäuse mehrere separate Aufnahmen vorzusehen, denen jeweils eine Halteeinrichtung zugeordnet ist, aus der jeweils eine vormontierte Baugruppe in die Ausnehmung eingebracht wird.
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Die Energiespeichereinrichtung kann dabei insbesondere in einer Richtung in mehrere Abschnitte unterteilt sein, in die jeweils eine einzelne vormontierte Baugruppe in das Gehäuse eingebracht wird. Dabei können zwischen den Abschnitten Zwischenwände vorgesehen sein, die als Teil des Gehäuses ausgebildet sein können, oder im Gehäuse angeordnet werden können. Insbesondere kann das Gehäuse mit den Zwischenwänden einstückig, beispielsweise in einem Tiefzieh- oder Spritzgussverfahren, hergestellt werden.
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Um die Handhabbarkeit der verpressten bzw. der vormontierten Baugruppe in der Halteeinrichtung zu verbessern, ist es möglich, dass eine an dem Rahmen lösbar befestigte Platte zum Verschluss der ersten offenen Rahmenseitenfläche verwendet wird. Dabei kann die lösbare Verbindung beispielsweise durch eine kraftschlüssige Verbindung oder durch an der Platte und/oder dem Rahmen angeordnete Befestigungselemente erfolgen. Dabei kann die Platte, insbesondere während des Einbringens der verpressten Baugruppe in das Gehäuse und/oder während des Anbringens der wenigstens einen Komponente, an dem Rahmen befestigt sein. Durch die Nutzung der zusätzlichen Platte wird die Position der verpressten bzw. der vormontierten Baugruppe bezüglich des Rahmens in einer weiteren Richtung festgelegt. Damit wird die verpresste bzw. vormontierte Baugruppe zusätzlich stabilisiert. Alternativ zur Nutzung einer zusätzlichen Platte ist es auch möglich, das Verfahren derart durchzuführen, dass in den oben genannten Schritten bzw. beim Transfer der Halteeinrichtung zwischen verschiedenen Montageplätzen, an denen die Schritte durchgeführt werden, der Rahmen auf einer flachen Fläche steht, die damit eine zusätzliche Begrenzung der Halteeinrichtung bildet.
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Soll die Halteeinrichtung, wie oben beschrieben, durch Pressen der vormontierten Baugruppe aus der Halteeinrichtung in das Gehäuse eingesetzt werden, so ist die Platte vor diesem Schritt vom Rahmen zu entfernen.
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Im Schritt des Anbringens wenigstens einer Komponente an wenigstens einem der Energiespeicherelemente zur Bildung der vormontierten Baugruppe kann auch eine Vielzahl verschiedenartiger Komponenten an dem wenigstens einen Energiespeicherelement angebracht werden. Damit wird ein großer Teil der elektrischen und mechanischen Montage der Energiespeichereinrichtung bereits bei der Bildung der vormontierten Baugruppe durchgeführt. Insbesondere kann die oder wenigstens eine der Komponenten, die an wenigstens einem Energiespeicherelement angebracht wird, wenigstens eine Stromschiene sein, wobei das Anbringen der Stromschiene das Koppeln der Stromschiene mit an den Energiespeicherelementen vorhandenen elektrischen Anschlusspunkten umfasst. Damit kann die elektrische Kopplung der einzelnen Energiespeicherelemente innerhalb der vormontierten Baugruppe bereits vor dem Einbringen der vormontierten Baugruppe in das Gehäuse durchgeführt werden.
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Die Verbindung der Stromschiene mit den elektrischen Anschlusspunkten kann dabei durch adäquate Fügeverfahren, wie z. B. Schrauben, Schweißen oder Kleben, erfolgen.
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Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Stromschiene bereits vor dem Schritt des Anbringens der wenigstens einen Komponente an einem Stromschienenträger angebracht ist und der Stromschienenträger vor dem Koppeln der Stromschiene mit den Anschlusspunkten an der verpressten Baugruppe angeordnet wird. Ein solcher Stromschienenträger kann insbesondere aus nicht leitfähigem Material, beispielsweise nicht leitfähigem Kunststoff, bestehen. Die Nutzung eines Stromschienenträgers ist insbesondere vorteilhaft, wenn mehrere Stromschienen an den Energiespeicherelementen angebracht werden sollen. In diesem Fall können die Stromschienen schon derart am Stromschienenträger angeordnet sein, dass die relative Position und Orientierung der Stromschienen zueinander festgelegt ist. Damit wird die Positionierung der Stromschienen bezüglich der Energiespeicherelemente deutlich erleichtert, da nur noch ein Objekt, nämlich der Stromschienenträger bezüglich der Energiespeicherelemente positioniert und orientiert werden muss. Gleichzeitig kann ein Stromschienenträger bereits einen Berührschutz bilden, der einen unbeabsichtigten Kontakt von Personen oder Gegenständen mit den Stromschienen bzw. den elektrischen Anschlusspunkten in vielen Fällen verhindern kann.
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Es ist auch möglich, dass die oder wenigstens eine der Komponenten, die an wenigstens einem Energiespeicherelement angebracht wird, wenigstens eine Gasabführung ist, die auf den Energiespeicherelementen derart angeordnet wird, dass sich die Gasabführung über an den Energiespeicherelementen vorhandene Gasventile erstreckt. In momentan hergestellten Energiespeichereinrichtungen werden typischerweise Energiespeicherelemente auf elektrochemischer Basis genutzt. Unter gewissen Betriebsbedingungen kann es bei diesen Energiespeicherelementen zu einer Gasbildung und damit zur Ausbildung eines Überdrucks in den Energiespeicherelementen kommen. Um eine Beschädigung der Energiespeicherelemente oder der gesamten Energiespeichereinrichtung in diesem Fall zu verhindern, sind Energiespeicherelemente häufig mit Gasventilen ausgestattet, die bei Bildung eines Überdrucks in den Energiespeicherelementen Gas entweichen lassen. Dieses Gas kann durch eine Gasabführung des Energiespeicherelements kontrolliert abgeführt werden.
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Zugleich kann eine derartige Gasabführung genutzt werden, um einen Berührschutz für die Stromschienen bzw. die elektrischen Anschlusspunkte der Energiespeichereinrichtung auszubilden. Hierzu kann die Gasabführung derart ausgebildet sein, dass sie die elektrischen Anschlusspunkte bzw. Stromschienen ganz oder teilweise abdeckt und damit sowohl in der fertig hergestellten Energiespeichereinrichtung als auch während der folgenden Montageschritte einen Berührschutz bildet, der es verhindert, dass Gegenstände oder Personen mit den potentiell hohen Spannungen der Energiespeichereinrichtung bzw. der vormontierten Baugruppe in Berührung kommen. Ein solcher Berührschutz kann beispielsweise durch eine flächig angespritzte Platte, eine gitterförmige oder andersgeformte Abdeckung oder Ähnliches gebildet sein. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Gasabführung und einen Berührschutz als getrennte Komponenten an dem wenigstens einen Energiespeicherelement anzubringen oder ausschließlich einen Berührschutz anzubringen und auf eine Gasabführung zu verzichten.
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Die Gasabführung kann zumindest teilweise als spritzgegossener Schaltungsträger ausgebildet sein und die hergestellte Energiespeichereinrichtung kann eine Überwachungseinrichtung aufweisen, die den spritzgegossenen Schaltungsträger umfasst. Als spritzgegossener Schaltungsträger (auch molded interconnect devices, MID) werden elektronische Bauteile bezeichnet, bei denen metallische Leiterbahnen auf spritzgegossene Kunststoffträger aufgetragen werden. Hierfür sind mehrere Herstellungsverfahren bekannt, wobei es beispielsweise möglich ist, spritzgegossene Schaltungsträger im Zweikomponentenspritzguss oder durch MID-Heißprägen herzustellen. Dadurch ist es möglich, Kunststoffbauteile, insbesondere Spritzgussbauteile, ganz oder teilweise als Platinen für elektrische Schaltungen zu nutzen.
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Durch die zumindest teilweise Ausbildung der Gasabführung als spritzgegossenen Schaltungsträger können die elektrischen Bauteile einer Überwachungseinrichtung direkt auf dem Material der Gasabführung angeordnet werden, ohne dass für die Überwachungseinrichtung eine zusätzliche Platine notwendig ist. Damit ist es zum einen möglich, den durch die Überwachungseinrichtung beanspruchten Bauraum zu verringern, zum anderen kann auf das zusätzliche Gewicht der Platine verzichtet werden. Zudem kann durch die gemeinsame Ausbildung von Gasabführung und Überwachungseinrichtung eine effiziente Herstellung der Energiespeichereinrichtung erreicht werden.
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Es ist möglich, dass eine oder die Überwachungseinrichtung für die Energiespeichereinrichtung an der Gasabführung angeordnet wird.
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Die Energiespeichereinrichtung kann insbesondere eine wiederaufladbare Speichereinrichtung sein. Als Energiespeicherelemente können insbesondere Lithium-Ionen-Zellen genutzt werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Energiespeichereinrichtung, welche Energiespeichereinrichtung wenigstens zwei Energiespeicherelemente in einem Gehäuse umfasst, wobei die Energiespeichereinrichtung mit einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Dabei kann die erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung gemäß den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens fortgebildet werden.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 das Verpressen der Energiespeicherelemente zu einer verpressten Baugruppe und das Einbringen der verpressten Baugruppe in eine Halteeinrichtung, gemäß eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßem Verfahrens,
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2 eine schematische Darstellung der im Halteelement angeordneten Energiespeicherelemente nach dem in 1 gezeigten Schritt,
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3 die Anordnung gemäß 2 nach dem Anbringen von Stromschienen, die an einem Stromschienenträger angeordnet sind, an den Energiespeicherelementen,
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4 schematisch eine geschnittene Ansicht durch eine in der Halteeinrichtung angeordnete Baugruppe,
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5 den Schritt des Einsetzens der vormontierten Baugruppe in das Gehäuse gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und
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6 eine Energiespeichereinrichtung, die zwei vormontierte Baugruppen umfasst, und die gemäß eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
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1 zeigt schematisch den Schritt des Verpressens der Energiespeicherelemente 1 zu einer verpressten Baugruppe und des Einbringens der verpressten Baugruppe in eine Halteeinrichtung 7 gemäß eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung einer Energiespeichereinrichtung. Zur Durchführung dieses Schritts werden mehrere prismatische Energiespeicherelemente 1 nebeneinander angeordnet, derart, dass die elektrischen Anschlusspunkte 2 der Energiespeicherelemente 1 in die gleiche Richtung weisen. Anschließend werden die Energiespeicherelemente 1 zumindest in eine Richtung verpresst, indem sie durch einen Pressstempel 4 gegen ein lagefestes Gegenlager 3 gepresst werden. Durch dieses Pressen werden die Energiespeicherelemente 1 auf ein Nennmaß gepresst, das der Größe einer Aufnahme in dem Gehäuse 19 der herzustellenden Energiespeichereinrichtung entspricht.
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Die Pressung erfolgt, indem ein Antriebsmittel 6 den Pressstempel 4 über ein Gestänge 5 in Richtung des Gegenlagers 3 presst. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherelemente 1 derart angeordnet, dass jeweils die Umhüllung eines der Energiespeicherelemente 1 die Umhüllung eines weiteren der Energiespeicherelemente 1 direkt berührt. Alternativ wäre es möglich, zwischen die Energiespeicherelemente 1 zusätzliche Isolations- und/oder Stabilisierungsplatten einzubringen.
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Durch die Verpressung der Energiespeicherelemente 1 auf das Nennmaß wird eine verpresste Baugruppe gebildet, die anschließend in die Halteeinrichtung 7 eingebracht wird. Die Halteeinrichtung 7 ist als ein Rahmen, der vier rechtwinklige Seitenwände und eine erste und eine zweite offene Rahmenseitenfläche aufweist, die jeweils durch die Seitenwände begrenzt sind, ausgebildet. Um die Handhabbarkeit der verpressten bzw. vormontierten Baugruppe in der Halteeinrichtung 7 zu verbessern, ist an dem Rahmen zudem eine Platte 8 lösbar befestigt. Die Platte 8 ist durch nicht gezeigte Befestigungselemente an dem Rahmen befestigt. Zum Einbringen der verpressten Baugruppe aus den verpressten Energiespeicherelementen 1 ist eine zweite Presseinrichtung mit einem zweiten Pressstempel 9, einem zweiten Gestänge 10 und einem zweiten Antriebsmittel 11 vorgesehen. Durch die zweite Pressvorrichtung kann die verpresste Baugruppe aus der ersten Pressvorrichtung in den Rahmen gepresst werden. Das Pressen erfolgt dabei mit einer solchen Kraft, dass die verpresste Baugruppe aus der ersten Presseinrichtung entfernt wird, jedoch durch die Platte 8, die am Rahmen befestigt ist, gegen den Pressdruck gehaltert ist. Damit wird die verpresste Baugruppe genau so weit in das Gehäuse eingepresst, bis die Energiespeicherelemente 1 an der Platte 8 anliegen.
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2 zeigt schematisch die Anordnung der verpressten Baugruppe in der Halteeinrichtung 7 von oben. Dabei ist zu erkennen, dass die verpresste Baugruppe aus acht nebeneinander liegenden prismatischen Energiespeicherelementen 1 aufgebaut ist, die jeweils zwei elektrische Anschlusspunkte 2 und ein Gasventil 12 aufweisen. Die Energiespeicherelemente 1 sind durch die Halteeinrichtung 7 seitlich gehaltert. Die im Bild nicht gezeigte Platte 8 stabilisiert die Energiespeicherelemente in Richtung senkrecht zur Bildebene. Durch die Halterung der Energiespeicherelemente 1 als verpresste Baugruppe durch die Halteeinrichtung 7 liegt nun eine gut handhabbare Einheit aus mehreren Energiespeicherelementen 1 vor, an der während einer Vormontage bereits Komponenten der Energiespeichereinrichtung angebracht werden können. Diese Vormontage kann entsprechend einer Montage von Modulen bei einem Aufbau einer Energiespeichereinrichtung in Modulbauweise erfolgen, wobei im Unterschied zu einer Modulbauweise die verpresste bzw. vormontierte Baugruppe keine eigenen Wände aufweist, die die Energiespeicherelemente 1 haltern, sondern die Halterung durch die Halteeinrichtung 7 erfolgt, die beim Einbringen der vormontierten Baugruppe in das Gehäuse 19 der Energiespeichereinrichtung entfernt wird.
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3 zeigt eine teilweise vormontierte Baugruppe in der Halteeinrichtung 7 von oben, wobei an den Energiespeicherelementen 1 bereits mehrere Stromschienen 14 angebracht sind. Die Stromschienen 14 sind in einem Stromschienenträger 13 angeordnet, der die Stromschienen 14 durch ein nicht leitendes Material derart verbindet, dass die relative Anordnung und Orientierung der Stromschienen 14 zueinander festgelegt ist. Durch die Nutzung eines derartigen Stromschienenträgers 13 muss ausschließlich der Stromschienenträger 13 selbst bezüglich der Energiespeicherelemente 1 richtig positioniert und orientiert werden, um alle einzelnen Stromschienen 14 korrekt zu positionieren und zu orientieren. Die Stromschienen 14 sind dabei derart orientiert und positioniert, dass sie mit je einem der elektrischen Anschlusspunkte 2 zweier benachbarter Energiespeicherelemente 1 gekoppelt werden können. Die Kopplung der Stromschienen 14 mit den elektrischen Anschlusspunkten 2 soll dabei elektrisch leitend erfolgen und wird im Ausführungsbeispiel durch Schweißen hergestellt. In 3 ist ein Stromschienenträger 13 dargestellt, der die Stromschienen 14 nur seitlich haltert. Um gleichzeitig einen Berührschutz zu erreichen ist es jedoch möglich, dass der Stromschienenträger 13 die Stromschienen 14 derart trägt, dass sie nur auf der den Energiespeicherelementen 1 zugewandten Seite zugänglich sind. Der Stromschienenträger 13 lässt den Mittelbereich der Energiespeicherelemente 1, in dem die Gasventile 12 angeordnet sind, frei, um in diesem Bereich eine Gasabführung 15 vorzusehen.
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4 zeigt eine geschnittene Ansicht der vormontierten Baugruppe, die in der Halteeinrichtung 7 gehaltert ist. Gegenüber der in 3 gezeigten teilweise vormontierten Baugruppe ist in 4 zusätzlich eine Gasabführung 15 an den Energiespeicherelementen 1 angeordnet. Die Gasabführung 15 ist dabei derart an den Energiespeicherelementen 1 angeordnet, dass sie sich über die an den Energiespeicherelementen 1 angeordneten Gasabführungen 12 erstreckt. Die Gasabführung 15 ist dabei aus elektrisch isolierendem Kunststoff gefertigt und weist seitlich angespritzte Kunststoffelemente auf, die die Stromschienen 14 vollständig abdecken und somit einen Berührschutz gewähren. Ein Bereich 17 der Gasabführung 15 ist als spritzgegossener Schaltungsträger (auch molded interconnect device, MID) ausgebildet. Durch das Aufbringen von metallischen Leiterbahnen im Bereich 17 der Gasabführung 15 wird der Schaltkreis für die an der Gasabführung 15 angeordnete Überwachungseinrichtung 16 gebildet. Die Anordnung der Überwachungseinrichtung 16 an der Gasabführung 15 kann also, insbesondere vor Anbringen der Gasabführung 15 an den Energiespeicherelementen 1, durch Verbinden der elektronischen Bauteile der Überwachungseinrichtung 16 mit dem Schaltkreis, der als spritzgegossener Schaltungsträger an der Gasabführung 15 angebracht ist, hergestellt werden.
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Die gesamte vormontierte Baugruppe, die mehrere Energiespeicherelemente 1, die Stromschienen 14 am Stromschienenträger 13 sowie die Gasabführung 15 mit der daran angeordneten Überwachungseinrichtung 16 umfasst, wird durch die Halteeinrichtung 7 sowie die Platte 8 getragen. Durch die rahmenförmige Halteeinrichtung 7 und die Platte 8 wird gemeinsam mit der vormontierten Baugruppe eine in sich stabile Einheit gebildet.
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Nachdem die vormontierte Baugruppe wie in 4 gezeigt fertiggestellt ist, kann die vormontierte Baugruppe in das Gehäuse 19 eingesetzt werden, derart, dass die Energiespeicherelemente 1 in dem Gehäuse 19 aufgenommen sind, wobei die vormontierte Baugruppe aus der Halteeinrichtung 7 entfernt wird.
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In 5 ist eine Ausführungsmöglichkeit für dieses Einsetzen der vormontierten Baugruppe in das Gehäuse 19 gezeigt. Die vormontierte Baugruppe, die aus den Energiespeicherelementen 1 sowie den schematisch gezeigten weiteren Komponenten 18 besteht, ist dabei zunächst durch die Halteeinrichtung 7 gehaltert. Wie in 5 gezeigt, ist jedoch die Platte 8 von der Halteeinrichtung 7 getrennt. Die rahmenförmige Halteeinrichtung 7 kann nun so an dem Gehäuse 19 angeordnet werden, dass die offene Rahmenseitenfläche, die von den elektrischen Anschlusspunkten 2 der Energiespeicherelemente 1 bzw. den weiteren Komponenten 18 abgewandt ist, mit der offenen Seitenfläche des Gehäuses 19 deckungsgleich ist. Wird nun durch eine Pressvorrichtung, die einen Pressstempel 20 umfasst, der durch ein zugehöriges Antriebsmittel 22 über ein Gestänge 21 bewegbar ist, ein Druck auf die vormontierte Baugruppe, das heißt auf die an den Energiespeicherelementen 1 angeordneten Komponenten 18, ausgeübt, so wird die gesamte vormontierte Baugruppe gegenüber der Halteeinrichtung 7 verschoben und in das Gehäuse 19 eingeführt.
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Nach dem Einführen der vormontierten Baugruppe in das Gehäuse 19 sind die Energiespeicherelemente 1 vollständig im Gehäuse 19 aufgenommen und die weiteren Komponenten 18 befinden sich teilweise innerhalb des Gehäuses 19 und teilweise im unteren Bereich der Halteeinrichtung 7. Wird die Halteeinrichtung 7 anschließend abgehoben, so bilden die Energiespeicherelemente 1, die weiteren Komponenten 18 und das Gehäuse 19 eine weitgehend vollständig aufgebaute Energiespeichereinrichtung.
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Nach dem Einsetzen der vormontierten Baugruppe in das Gehäuse 19 können beispielsweise noch zusätzliche Stromschienen 14 zur äußeren Kontaktierung der Energiespeichereinrichtung an der Energiespeichereinrichtung angebracht werden oder Ähnliches.
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Wesentlich ist jedoch, dass ein Großteil des Aufbaus der Energiespeichereinrichtung bereits durch die Vormontage der vormontierten Baugruppe außerhalb des Gehäuses 19 erfolgen kann. Damit werden die Vorteile eines Aufbaus von Energiespeichereinrichtungen in Modulbauweise erhalten, wobei jedoch ein platzsparender Aufbau möglich ist, da im Gegensatz zur Modulbauweise die Halteeinrichtung 7, die die verpresste bzw. vormontierte Baugruppe haltert, nicht mit in die Energiespeichereinrichtung eingebracht wird.
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Die Möglichkeit der Ausbildung der vormontierten Baugruppe außerhalb des Gehäuses 19 der Energiespeichereinrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Energiespeichereinrichtung hergestellt werden soll, die mehrere vormontierte Baugruppen umfasst. Eine solche Energiespeichereinrichtung ist schematisch in 6 gezeigt. Im Gehäuse 23 sind dabei zwei Ausnehmungen zur Aufnahme von Stapeln von Energiespeicherelementen 1 vorgesehen. Beispielsweise können in jeder der Ausnehmungen jeweils vier Energiespeicherelementen 1 angeordnet werden. Dabei kann jeder Stapel aus vier Energiespeichereinrichtungen 1, wie mit Bezug auf die vorangehenden Abbildungen erläutert, als einzelne vormontierte Baugruppe aufgebaut werden. Anschließend können die beiden vormontierten Baugruppen entweder gleichzeitig oder nacheinander in die Ausnehmungen des Gehäuses 23 eingesetzt werden. Hierzu kann jede der vormontierten Baugruppen in einem nicht gezeigten Rahmen angeordnet sein, der eine Halteeinrichtung bildet, die Rahmen können auf das Gehäuse 23 aufgesetzt werden und anschließend kann durch einen Druck auf die vormontierte Baugruppe diese in das Gehäuse 23 eingesetzt werden.
