DE102013223085A1

DE102013223085A1 - Verwendung von vakuum zur vorkomprimierung von schaum, um ein einsetzen von zellen während eines zusammenbaus eines hv-batteriemoduls zu ermöglichen

Info

Publication number: DE102013223085A1
Application number: DE201310223085
Authority: DE
Inventors: Benjamin R. Christian; Sami A. Syed; Herman K. Phlegm; John G. Dorrough
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2014-05-22
Also published as: US20140141307A1; US9054361B2; CN103840214B; CN103840214A

Abstract

Ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batteriemodulbaugruppe umfasst einen Schritt zum Herstellen einer Mehrzahl von Batteriezellenstapeln. Jeder Batteriezellenstapel wird durch Positionieren einer vorkomprimierten Schaumeinheit, die zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle angeordnet ist, aufgebaut. Jeder Batteriezellenstapel ist in einem Aufnahmerahmen positioniert. Nach einer derartigen Positionierung wird die vorkomprimierte Schaumeinheit jedes Batteriezellenstapels expandiert.

Description

ANMERKUNG BEZÜGLICH VON DER REGIERUNG UNTERSTÜTZTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Die Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung gemäß Vertragsnummer DE-FC26-08NTO4386 gemacht. Die Regierung besitzt gewisse Rechte an der Erfindung.
GEBIET DER ERFINDUNG
Gemäß zumindest einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Systeme und Verfahren zum Zusammenbauen von Batteriemodulbaugruppen.
HINTERGRUND
Wiederaufladbare Batterien mit großer Kapazität werden derzeit zur Verwendung in Elektrofahrzeugen untersucht. Die schließliche Machbarkeit von Elektrofahrzeugen hängt von der signifikanten Reduzierung der damit in Verbindung stehenden Kosten ab. Die Reduzierung der Kosten von Batteriebaugruppen ist besonders wichtig.
Lithiumionenbatterien stellen einen wichtigen Typ der Batterietechnologie dar. Die meisten Batteriebaugruppen, einschließlich Lithiumionenbatteriebaugruppen, weisen eine Mehrzahl einzelner elektrochemischer Zellen auf. Eine Zelle besteht aus einer Anode, einer Kathode, einem porösen Separatorfilm und einem ionenleitenden, jedoch elektrisch isolierenden Elektrolyt. Die Spannung der Zelle ist von dem elektrochemischen Potential der Zellenchemie abhängig, der Strom ist von der Rate abhängig, mit der die Ionen zwischen der Anode und der Kathode pendeln, und die Kapazität hängt von der Gesamtoberfläche der Zelle ab. Um die Kapazität über die Lebensdauer der Zelle beizubehalten, ist es wichtig, einen Druck gleichmäßig über die Zellenoberfläche aufzubringen. Es existieren zwei hauptsächliche Konstruktionen für Zellen mit großer Amperestundenkapazität, die typischerweise in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden; zylindrisch und prismatisch. Für zylindrische Zellen wird der Druck durch die spiralförmige Beschaffenheit der Zellenkonstruktion beibehalten. Für prismatische Zellen wird der gleichförmige Druck mittels eines Schaumes oder einer federbelasteten Platte beibehalten.
Für Hochleistungsanwendungen wird eine Mehrzahl von Batteriezellen verwendet und in ein Batteriemodul zusammengebaut. Überdies werden derartige Batteriemodule in Batteriepackungen zusammengebaut, die ein Kühlsystem und damit in Verbindung stehende Elektronik zum Betrieb der Batterien aufweisen. Die Kühlsysteme weisen typischerweise eine Mehrzahl von luft- oder flüssigkeitsgekühlten metallischen (z. B. Kupfer und/oder Aluminium) Rippen auf, die zwischen den Batteriezellen verteilt sind und die auch einen engen Kontakt mit der Zelle für eine optimale Wärmeübertragung beibehalten müssen. Stand der Technik für den Zusammenbau eines Batteriemoduls umfasst entweder Stapeln oder die mechanische Vorkomprimierung der Baugruppe vor dem Einsetzen in einen Modulrahmen.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach verbesserten Konstruktionen einer Batteriemodulbaugruppe und nach Verfahren zum Aufbauen derartiger Batteriemodulbaugruppen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehrere Probleme nach dem Stand der Technik dadurch, dass ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batteriemodulbaugruppe vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von Batteriezellenelementen aufweist. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Herstellen einer Mehrzahl von Batteriezellenstapeln. Jeder Batteriezellenstapel wird durch Positionieren einer vorkomprimierten Schaumeinheit, die zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle angeordnet ist, aufgebaut. Jeder Batteriezellenstapel ist in einem Aufnahmerahmen positioniert. Nach einer derartigen Positionierung wird die vorkomprimierte Schaumeinheit jedes Batteriezellenstapels expandiert.
Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Zusammenbau einer Batteriemodulbaugruppe, die eine Mehrzahl von Batteriezellenelementen aufweist, vorgesehen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Herstellen einer Mehrzahl von Batteriezellenstapeln. Jeder Batteriezellenstapel ist durch Positionieren einer vorkomprimierten Schaumeinheit, die zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle angeordnet ist, aufgebaut. Die vorkomprimierte Schaumeinheit weist eine vakuumabgedichtete Packung, die ein Strömungsrohr bzw. einen Stutzen aufweist, sowie ein Polyurethanschaumpolster auf, das in der vakuumabgedichteten Packung positioniert ist. Jeder Batteriezellenstapel ist in einem Aufnahmerahmen positioniert. Der Stutzen wird abgetrennt, um das Polyurethanschaumpolster jedes Batteriezellenstapels zu expandieren.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist auch eine Batteriemodulbaugruppe, die durch die oben dargestellten Verfahren gebildet ist, vorgesehen. Das Batteriemodul weist eine Mehrzahl von Batteriezellenstapeln auf, die jeweils eine erste Batteriezelle, eine zweite Batteriezelle und eine expandierte Schaumeinheit aufweisen, die zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle angeordnet ist. Die expandierte Schaumeinheit besitzt eine Packung und ein in der Packung positioniertes Schaumpolster. Charakteristisch wird die Packung abgetrennt. Das Batteriemodul weist auch einen Aufnahmerahmen auf, in welchem die Batteriezellenstapel positioniert sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1A ein schematisches Flussdiagramm ist, das die Expansion einer vorkomprimierten Schaumeinheit nach einem Abtrennen eines vakuumgepackten Schaumpolsters zeigt;
1B ein schematisches Flussdiagramm ist, das die Expansion einer vorkomprimierten Schaumeinheit nach einem Abtrennen eines vakuumgepackten Schaumpolsters zeigt; und
2 ein schematisches Flussdiagramm ist, das den Zusammenbau einer Batteriemodulbaugruppe unter Verwendung vorkomprimierter Schaumeinheiten zeigt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun detailliert Bezug auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, die die besten Arten zur Ausführung der Erfindung, die den Erfindern derzeit bekannt sind, bilden. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet. Es sei jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sollen spezifische Einzelheiten, die hier offenbart sind, nicht als beschränkend sondern lediglich als eine repräsentative Basis für irgendeinen Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis zur Unterrichtung des Fachmanns interpretiert werden, um die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise anzuwenden.
Ausgenommen in den Beispielen oder wo dies ausdrücklich anderweitig genannt ist, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, welche die Mengen von Material oder Reaktionsbedingungen und/oder Verwendung bezeichnen, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Erfindung als durch das Wort „ungefähr” modifiziert zu verstehen. Die Anwendung innerhalb der genannten Zahlenbegrenzungen ist im Allgemeinen bevorzugt. Sofern nicht gegenteilig ausgeführt: sind Prozent, „Teile von” und Verhältniswerte pro Gewicht; beinhaltet die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien für einen vorgegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung als geeignet oder bevorzugt, dass Mischungen von zwei oder mehr der Mitglieder der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; ist die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung hier auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und auf normale grammatikalische Abweichungen der anfänglich definierten Abkürzung anwendbar und wird, sofern nicht gegenteilig ausgeführt, die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik, wie zuvor oder nachfolgend für dieselbe Eigenschaft dargelegt, bestimmt.
Es sei auch zu verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen und Verfahren, wie nachfolgend beschrieben ist, beschränkt ist, da selbstverständlich spezifische Komponenten und/oder Bedingungen variieren können. Ferner dient die hier verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ist nicht dazu bestimmt, in irgendeiner Weise einzuschränken.
Es muss auch angemerkt werden, dass, wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet ist, die Singularform ”ein”, ”eine”, ”einer” und ”der”, ”die”, ”das” Pluralbezüge umfassen, sofern der Kontext dies nicht anderweitig deutlich angibt. Beispielsweise ist ein Bezug auf eine Komponente im Singular dazu bestimmt, eine Mehrzahl von Komponenten zu umfassen.
Bezug nehmend auf die 1A, 1B und 2 ist ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Batteriemodulbaugruppe vorgesehen. 1A zeigt ein schematisches Flussdiagramm, das die Expansion einer vorkomprimierten Schaumeinheit nach einem Abtrennen eines vakuumgepackten Schaumpolsters zeigt. 1B ist ein schematisches Flussdiagramm, das die Expansion der vorkomprimierten Schaumeinheit nach einem Abtrennen eines vakuumgepackten Schaumpolsters zeigt. 2 ist ein schematisches Flussdiagramm, das den Einschluss einer vakuumgepackten Schaumschicht in eine Batteriebaugruppe zeigt. Die vorkomprimierte Schaumeinheit 10 weist eine vakuumabgedichtete Packung 12 (z. B. eine Tasche) mit einem Stutzen 14 sowie ein Schaumpolster 16 auf, das in der vakuumabgedichteten Packung positioniert ist. Bei einer Ausführung ist das vorkomprimierte Schaumpolster 16 mit einem Druck von etwa 8 bis 20 psi, wobei ein Wert von etwa 14 psi typisch ist, komprimiert. Bei einer Ausführung ist die Vakuumpackung 12 aus einem Polyester, wie Polyethylenterephthalat, ausgebildet. Bei einer weiteren Ausführung ist das Schaumpolster 16 aus einem geschäumten Polymer geformt. Beispiele derartiger komprimierbarer Polymere umfassen Polyurethan, Polyester, Polyether und dergleichen, sowie Kombinationen daraus. Ein Polyurethanschaumpolster hat sich für die vorliegende Ausführungsform als besonders nützlich herausgestellt. Polyurethanschaumpolster werden aus Isocyanaten, Polyolen, Kettenverlängerern, wie Ethanolamin, Diethanolamin Ethylenglykol, Diethylenglykol, Katalysatoren und oberflächenaktiven Stoffen gebildet. Beispiele von Isocyanaten umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Toluoldiisocyanat, Diphenylmethandiisocyanat und Kombinationen daraus. Beispiele von Polyolen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Polyetherpolyole. Beispiele von Kettenverlängerern umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Ethanolamin, Diethylanolamin Ethylenglykol, Diethylenglykol und Kombinationen daraus. Beispiele von Katalysatoren umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Triethylendiamin, Dimethylcyclohexamin und Kombinationen daraus. Beispiele von oberflächenaktiven Stoffen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Polydimethylsiloxan, Nonylphenylethoxylate, Silikonöle und Polyoxylenblockcopolymere und Kombinationen daraus.
Bei einer Ausführung wird das Schaumpolster 16 auf eine Dicke komprimiert, die zwischen etwa 50 bis 80 Prozent der Dicke des nicht komprimierten Schaumpolsters beträgt, wenn es vakuumverpackt ist. Typischerweise besitzt das nicht komprimierte Schaumpolster eine Dicke von etwa 4 mm bis etwa 12 mm. Die vorkomprimierte Schaumeinheit 10 wird zwischen der Batteriezelle 20 und der Batteriezelle 22 positioniert, um einen Batteriezellenstapel 24 zu bilden. Eine Vakuumpackung 12 wird dadurch abgetrennt, wodurch das Vakuum freigesetzt wird und das Schaumpolster 16 expandiert wird. Bei einer Ausführung wird die Vakuumpackung 12 an einem Stutzen 14 an Position 26 abgetrennt.
Mit Bezug auf die 1A, 1B und 2 wird der Brennstoffzellenstapel 24 in dem Aufnahmerahmen 30 positioniert, wie bei Schritt a) gezeigt ist. Nach einer derartigen Positionierung wird die vorkomprimierte Schaumeinheit 10 bei Schritt b) durch Abtrennen der Vakuumpackung 12, wie oben dargestellt ist, expandiert. Bei einer Ausführung weist der Aufnahmerahmen 30 eine Mehrzahl von Kühlrippen 32 auf, die typischerweise zwischen Batteriezellenstapeln 24 angeordnet sind. Bei einer weiteren Ausführung weist der Aufnahmerahmen 30 ferner einen Kühlkörper 34 auf, der mit den Kühlrippen 32 in Kontakt steht. Typischerweise ist der Kühlkörper 34 aus einem Metall, wie Kupfer und/oder Aluminium, geformt. Kühlrippen 32 sind typischerweise an dem Kühlkörper 34 angebunden, um eine thermische Übertragung zu umfassen und eine Kühlung der Batteriezellen während des Betriebs des Batteriemoduls zu verbessern. Bei einer Ausführung sind die Kühlrippen 32 über Schweißen an dem Kühlkörper angebunden. Bei einer weiteren Ausführung sind die Kühlrippen 32 an den Kühlkörper 34 gelötet oder hartgelötet. Bei einer noch weiteren Ausführung sind die Kühlrippen 32 durch leitenden Klebstoff an dem Kühlkörper angebunden. Das Herstellverfahren der vorliegenden Ausführungsform erlaubt die Verwendung verschiedener Konstruktionen für den Aufnahmerahmen 30. Beispielsweise sind Kühlsysteme mit geteilten Rippen, die Kühlrippen 32 aufweisen, leicht an die vorliegende Ausführungsform anpassbar. Typischerweise wird, wenn die Vakuumpackung 12 abgetrennt wird und das Schaumpolster expandiert wird, der Schaum zwischen benachbarten Kühlrippen 32 geringfügig komprimiert.
Während Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung veranschaulichen und beschreiben. Vielmehr ist der in der Beschreibung verwendete Wortlaut ein Wortlaut der Erläuterung anstatt der Beschränkung, und es sei zu verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Zusammenbauen einer Batteriemodulbaugruppe, wobei die Batteriemodulbaugruppe eine Mehrzahl von Batteriezellenelementen aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Mehrzahl von Batteriezellenstapeln, wobei jeder Batteriezellenstapel durch Positionieren einer vorkomprimierten Schaumeinheit, die zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle angeordnet ist, aufgebaut ist; Positionieren jedes Batteriezellenstapels in einem Aufnahmerahmen; und Expandieren der vorkomprimierten Schaumeinheit jedes Batteriezellenstapels.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede vorkomprimierte Schaumeinheit eine vakuumabgedichtete Packung, die einen Stutzen aufweist, sowie ein Schaumpolster umfasst, das in der vakuumabgedichteten Packung positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die vakuumabgedichtete Packung ein Polyester umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Schaumpolster durch Abtrennen des Stutzens expandiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Schaumpolster eine Komponente umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus Polyurethan, Polyester, Polyether und Kombinationen daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aufnahmerahmen eine Mehrzahl von Kühlrippen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Aufnahmerahmen ferner einen Kühlkörper aufweist, der mit den Kühlrippen in Kontakt steht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kühlrippen zwischen Batteriezellenstapeln angeordnet sind.
Batteriemodulbaugruppe, umfassend: eine Mehrzahl von Batteriezellenstapeln, wobei jeder Batteriezellenstapel eine erste Batteriezelle, eine zweite Batteriezelle und eine expandierte Schaumeinheit, die zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle angeordnet ist, umfasst, wobei die expandierte Schaumeinheit eine Packung sowie ein Schaumpolster besitzt, das in der Packung positioniert ist, wobei die Packung einen abgetrennten Stutzen besitzt; und einen Aufnahmerahmen, in welchem die Batteriezellenstapel positioniert sind.
Batteriemodul nach Anspruch 9, wobei der Aufnahmerahmen eine Mehrzahl von Kühlrippen aufweist.