DE102014002165B3 - Verfahren zur Fixierung von Rundzellen mittels komprimierter Zellenfixierung und Zellenblock - Google Patents

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Abstract

Zellenblock und Verfahren zur Fixierung von Zellen (1) zur Herstellung eines Zellenblocks, wobei das Verfahren aufweist: Einstecken der Zellen (1)), insbesondere Zellen zur Speicherung elektrischer Energie, in Öffnungen (11) eines ersten Zellenträgers (10), in Öffnungen (21) eines zweiten Zellenträgers (20) und Positionieren der Zellen (1) in Öffnungen (31) einer Zellenfixierung (30), sodass sich die Zellenfixierung (30) zwischen den beiden Zellenträgern (10, 20) befindet; Komprimieren der Zellenfixierung (30) mittels der beiden Zellenträger (10, 20).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung von Zellen zur Herstellung eines Zellenblocks sowie einen Zellenblock mit mehreren Zellen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Hochvoltbatterien für Fahrzeuganwendungen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder einem reinen Elektroantrieb, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Üblicherweise weisen solche Batterien mehrere Batteriezellen auf, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, die als Zellenblock gebündelt sind.
  • Die einzelnen Zellen, die als Rundzellen ausgeführt sein können, müssen so fixiert werden, dass Vibrationen minimiert werden, um Klappergeräusche zu vermeiden und die Lebensdauer der Zellenkontaktierungen zu verlängern. Sind beispielsweise zur Kontaktierung Blechstreifen an den Zellen angeschweißt, können diese durch Vibration ermüden und schließlich brechen. Das Problem wird dadurch verstärkt, dass die Abmessungen der Zellen Toleranzen unterworfen sind, was die sichere Fixierung aller Zellen mit möglichst einfachen mechanischen Mitteln erschwert.
  • Die Verwendung von Schaumstoffen zur Zellenfixierung ist bekannt. Hierzu beschreibt die DE 10 2007 010 748 A1 eine Batterie mit einem Zellenblock. Der Zellenblock weist ein kastenförmiges Gehäuse aus einem Boden und einer Seitenwand mit darin eingesetzten Zellen auf. Der ganze Zellenblock ist mit einem Hüllblech umgeben und wird mit wärmeleitfähiger Vergussmasse ausgegossen. Die Vergussmasse übernimmt gleichzeitig die elektrische Isolation und fixiert die Zellen im Zellenverbund.
  • ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Fixierung von Zellen und einen darauf basierenden Zellenblock bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Zellenblock gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen sowie der folgenden allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der Beschreibung konkreter Ausführungsformen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Zellen zu einem Zellenblock fixiert. Ein oder mehrere solcher Zellenblöcke können zu einer vollständigen Batterie weiterverarbeitet werden. Die hier verwendeten Zellen sind vorzugsweise längliche Körper, etwa zylindrische Rundzellen, von einheitlicher Geometrie.
  • Der Zellenblock weist einen ersten Zellenträger und einen zweiten Zellenträger auf, welche die Zellen von gegenüberliegenden Seiten sandwichartig festhalten. Dazu sind die Zellen von einer Seite in Öffnungen des ersten Zellenträgers und von der gegenüberliegenden Seite in Öffnungen des zweiten Zellenträgers eingesteckt. Im Falle von Rundzellen weisen die Zellenträger runde Öffnungen auf, die den Durchmessern der Zellen entsprechen. Die Zellen werden somit von oben und von unten mittels der Zellenträger gehalten. Darüber hinaus erstrecken sich die Zellen durch Öffnungen einer Zellenfixierung. Die Zellenfixierung befindet sich zwischen den beiden Zellenträgern.
  • Zur endgültigen Fixierung der Zellen wird die Zellenfixierung nun mittels der beiden Zellenträger komprimiert, indem diese zusammengedrückt werden. Sei die Komprimierungsrichtung die Z-Richtung, im Falle von länglichen Zellen somit deren Haupterstreckungsrichtung, weicht das Material der Zellenfixierung in den Raumrichtungen X und Y, die senkrecht auf der Z-Richtung stehen, aus. Somit umschließt das Material der Zellenfixierung jede einzelne Zelle gleichmäßig und fest, unabhängig von etwaigen Toleranzen. Die Fixierung erfolgt mit einfachen Mitteln. Ein individuelles Klemmen, Anpassen usw. der Zellen ist nicht erforderlich. Vibrationen und Klappergeräusche während der Verwendung der Batterie, etwa bei Fahrzeuganwendungen, werden auf ein Minimum reduziert. Damit erhöht sich die Lebensdauer des Zellenblocks und somit der Batterie. Darüber hinaus ist die hier dargestellte Fixierung leicht adaptierbar für verschiedene Zellengeometrien und Zellenanordnungen. Es findet automatisch und mit einfachen Mitteln ein Toleranzausgleich statt. Zudem erfolgt die Fixierung mit ausgesprochen wenigen Einzelteilen, wodurch eine aufwendige Konstruktion vermieden wird. Darüber hinaus muss die Zellenfixierung selbst nicht überaus genau gefertigt werden, da die Anpassung an die Zellen durch die Komprimierung stattfindet. Somit kann eine extreme Feinabstimmung am Werkzeug, etwa am Spritzgusswerkzeug, zur Herstellung der Zellenfixierung vermieden werden. Eine Beanspruchung der Zellen durch ungleichmäßige und übermäßige Presskräfte wird vermieden. Darüber hinaus kann der Zellenblock nach einer Überschreitung seiner Lebensdauer wieder einfach auseinander gebaut, die Zellenfixierung entnommen und sortenrein entsorgt werden, was bei einem Vergießen mit einer Vergussmasse nach dem Stand der Technik nur recht schwer möglich ist.
  • Die oben dargelegten Vorteile werden besonders gut erreicht, wenn die Zellenfixierung ein Schaum, etwa eine Schaummatte ist. Dieser ist elastisch, einfach herstellbar und im Sinne der Anwendung gut verformbar. Hier kommt etwa ein Polyurethan-Schaum in Frage.
  • Sowohl die beiden Zellenträger als auch die Zellenfixierung sind vorzugsweise aus nichtleitenden Materialien und die Zellenfixierung aus einem komprimierbaren Material gefertigt, das vorzugsweise elastisch, zumindest aber in seiner Beschaffenheit weicher als das der Zellenträger ist.
  • Die Komprimierung der Zellenfixierung erfolgt vorzugsweise mittels einer Vorrichtung, welche die beiden Zellenträger zusammendrückt. In dieser zusammen gedrückten Lage werden die beiden Zellenträger aneinander befestigt, etwa miteinander verschraubt, verschweißt, vernietet, verklebt oder verclipst. In diesem Fall ist die Vorrichtung zum Zusammendrücken der Zellenfixierung nicht Teil des fertigen Zellenblocks und auch nicht Teil der damit herzustellenden Batterie.
  • Andererseits kann die Komprimierung durchaus mittels einer Vorrichtung erfolgen, welche die Zellenträger nach dem Komprimieren gleichzeitig aneinander befestigt und Teil des Zellenblocks und/oder der Batterie ist. In diesem Fall kann ggf. auf ein nachträgliches Verschrauben, Verclipsen oder anderweitiges Befestigen der Zellenträger verzichtet werden.
  • Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird ganz konkret zunächst die Zellenfixierung in den zweiten Zellenträger eingelegt. Anschließend werden die Zellen in die Öffnungen des zweiten Zellenträgers und der Zellenfixierung eingesteckt. Danach wird der erste Zellenträger auf die Zellen von der gegenüberliegenden Seite aufgesetzt, wobei die Zellen in Öffnungen des ersten Zellenträgers eingesteckt werden. Anschließend werden die beiden Zellenträger zusammengedrückt, wodurch eine Komprimierung der Zellenfixierung stattfindet. Schließlich werden die beiden Zellenträger miteinander verschraubt.
  • Die oben besprochene Zellenfixierung ist für den Anwendungsfall eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines Hybridfahrzeugs oder Elektrofahrzeugs, besonders geeignet, da es hier in ausgesprochen hohem Maße auf eine effiziente Herstellung bei ausgezeichneter Qualität und langer Lebensdauer ankommt. Es versteht sich allerdings, dass die Erfindung auch in anderen Bereichen umgesetzt werden kann, zum Beispiel im Transportbereich allgemein, insbesondere der Luftfahrt, Schifffahrt und im Schienenverkehr, in der Haustechnik, der Elektroindustrie, insbesondere der Unterhaltungselektronik, der Bautechnik usw.. Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung.
  • WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die Figur zeigt einen Zellenblock perspektivisch, zur besseren Darstellung auf eine auseinandergezogene Weise. Damit kommen die einzelnen Bestandteile des Zellenblocks gut zur Geltung.
  • Hier bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen oberen Zellenträger, der auch als erster Zellenträger bezeichnet werden kann, das Bezugszeichen 20 einen unteren Zellenträger, der auch als zweiter Zellenträger bezeichnet werden kann, und das Bezugszeichen 30 eine Zellenfixierung.
  • Der obere Zellenträger 10, der untere Zellenträger 20 und die Zellenfixierung 30 weisen jeweils Öffnungen 11, 21 und 31 auf, durch die bzw. in die Zellen 1 eingesteckt sind. Während die Zellen 1 durch die Öffnungen 31 hindurch gesteckt werden können, sind die Öffnungen 11 und 21 der beiden Zellenträger 10 und 20 einseitig geschlossen oder mit verringertem Radius vorgesehen, sodass die Zellen 1 von den Zellenträgern 10 und 20 gehalten werden und nicht durch die Öffnungen 11 und 21 durchrutschen können.
  • Die beiden Zellenträger 10 und 20 sind vorzugsweise aus einem Kunststoff, beispielsweise Polyamid, gefertigt. Die Zellenfixierung 30 ist vorzugsweise aus einem Schaum, etwa Polyurethan, gefertigt und liegt in der vorliegenden Ausführungsform als Matte vor. Andere Materialien sind allerdings denkbar. Wichtig ist, dass sowohl die beiden Zellenträger 10 und 20 als auch die Zellenfixierung 30 aus nichtleitenden Materialien gefertigt sind und die Zellenfixierung 30 aus einem komprimierbaren Material gefertigt ist, das vorzugsweise elastisch, zumindest aber in seiner Beschaffenheit weicher als das der Zellenträger 10 und 20 ist.
  • Gemäß der in der Figur dargestellten Ausführungsform ist der untere Zellenträger 20 bezüglich der Zellenfixierung 30 schalenförmig aufgebaut, sodass die Zellenfixierung 30 in den unteren Zellenträger 20 eingelegt werden kann. Anschließend werden die Zellen 1 in die Öffnungen 31 der Zellenfixierung 30 und die Öffnungen 21 des unteren Zellenträgers 20 eingesteckt. Anschließend wird der obere Zellenträger 10 von oben auf die Zellen 1 aufgesteckt. Die beiden Zellenträger 10 und 20 werden zusammengedrückt und schließlich miteinander verschraubt. Dazu sind Öffnungen 12 und 22 vorgesehen, durch welche die Verschraubung erfolgt.
  • In der Figur sind zudem Anschlüsse 23 und 24 angedeutet, durch welche die elektrische Verbindung erfolgen und/oder eine Versorgung mit Kühlflüssigkeit stattfinden kann. Eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Zellen 1 miteinander kann nach dem Komprimieren und Verschrauben des Zellenblocks über die Öffnungen 11 des oberen Zellenträgers 10 und/oder über die unteren Öffnungen 21 (bzw. über deren nicht dargestellte Ausgänge) des unteren Zellenträgers 20 erfolgen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Fixierung von Zellen (1), insbesondere Zellen zur Speicherung elektrischer Energie, zur Herstellung eines Zellenblocks, wobei das Verfahren aufweist: Einstecken der Zellen (1) in Öffnungen (11) eines ersten Zellenträgers (10), in Öffnungen (21) eines zweiten Zellenträgers (20) und Positionieren der Zellen (1) in Öffnungen (31) einer Zellenfixierung (30), sodass die Zellenfixierung (30) sich zwischen den beiden Zellenträgern (10, 20) befindet; Komprimieren der Zellenfixierung (30) mittels der beiden Zellenträger (10, 20).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenfixierung (30) ein Schaum oder eine Schaummatte ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenfixierung (30) aus Polyurethan besteht.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zellenträger (10, 20) zur Komprimierung der Zellenfixierung (30) mittels einer Vorrichtung zusammengedrückt werden und dass die beiden Zellenträger (10, 20) in dieser Lage aneinander befestigt werden, wobei die Vorrichtung nicht Teil des fertigen Zellenblocks ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zellenträger (10, 20) nach der Komprimierung der Zellenfixierung (30) miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschraubt, verschweißt, vernietet, verklebt oder verclipst werden.
  6. Zellenblock mit mehreren Zellen (1), einem ersten Zellenträger (10), einem zweiten Zellenträger (20) und einer Zellenfixierung (30) aus einem komprimierbaren Material, wobei die Zellen (1) von einer Seite in Öffnungen (11) des ersten Zellenträgers (10) und von der gegenüberliegenden Seite in Öffnungen (21) des zweiten Zellenträgers (20) eingesteckt sind, die Zellen (1) sich durch Öffnungen (31) der Zellenfixierung (30) erstrecken und sich die Zellenfixierung (30) zwischen dem ersten Zellenträger (10) und dem zweiten Zellenträger (20) befindet, wobei die Zellenfixierung (30) durch den ersten Zellenträger (10) und den zweiten Zellenträger (20) komprimiert ist.
  7. Zellenblock nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenfixierung (30) ein Schaum oder eine Schaummatte ist.
  8. Zellenblock nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenfixierung (30) aus Polyurethan besteht.
  9. Zellenblock nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zellenträger (10, 20) miteinander verbunden, insbesondere verschraubt, verschweißt, vernietet, verklebt oder verclipst sind.
  10. Zellenblock nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (1) Rundzellen sind.
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