DE102014003090B4 - Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls - Google Patents

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Abstract

Verfahren (100) zum Herstellen eines Batteriemoduls (BM), wobei das Verfahren (100) folgende Schritte umfasst:- Einsetzen (110) eines Zellpakets (ZP) in einen Trog (TR);- Aufsetzen (120) eines Gehäuseteils (GT) auf den Trog (TR), wobei◯ das Gehäuseteil (GT) einen spritzgegossenen Schaltungsträger (ST) aufweist;◯ das Gehäuseteil (GT) eine elektrische Schaltung (ZS) aufweist, die auf dem Schaltungsträger (ST) befestigt ist;◯ das Gehäuseteil (GT) mindestens eine Sammelschiene (SS) aufweist;◯ das Material des Schaltungsträgers (ST) für Licht eines Laserstrahls durchlässig ist;- Befestigen (130) des Gehäuseteils (GT) auf dem Trog (TR);dadurch gekennzeichnet, dassvor dem Aufsetzen (120) des Gehäuseteils (GT) Leitkleber an mindestens einer Kontaktfläche (KF) der Sammelschiene (SS) und/oder des Zellpakets (ZP) aufgebracht wird, undnach dem Aufsetzen (120) des Gehäuseteils (GT) die Sammelschiene (SS) mittels Laserdurchstrahlschweißen mit einer elektrischen Anschlussfläche (EA) des Zellpakets (ZP) kontaktiert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls, wobei ein Zellpaket in einen Trog eingesetzte wird und ein Gehäuseteil auf den Trog aufgesetzt wird. Das Gehäuseteil weist einen spritzgegossenen Schaltungsträger auf, und das Gehäuseteil weist eine elektrische Schaltung auf, die auf dem Schaltungsträger befestigt ist. Das Gehäuseteil weist mindestens eine Sammelschiene auf, wobei das Material des Schaltungsträgers für Licht eines Laserstrahls durchlässig ist und wobei das Gehäuseteil auf dem Trog befestigt wird.
  • Das Gehäuseteil umfasst einen spritzgegossenen Schaltungsträger und eine elektrische Schaltung, die auf dem Schaltungsträger befestigt ist. Das Gehäuseteil ist beispielsweise eine Abdeckung, eine Abschlussplatte, eine Seitenwand, eine Zwischenwand, ein Boden oder ein Zwischenboden eines Batteriemoduls. Die elektrische Schaltung ist typischerweise eine Steuerung (Cell-Modul-Controller = CMC), die dafür vorbereitet ist, das Batteriemodul zu überwachen. Hierzu werden in dem Batteriemodul beispielsweise Zellspannungen, Temperaturen und Widerstandswerte erfasst und diese Informationen über einen Steckverbinder an ein übergeordnetes Steuergerät übermittelt. Das übergeordnete Steuergerät wird üblicherweise als Batterie-Management-System (BMS) bezeichnet.
  • Die nachveröffentlichte WO 2014/082853 A1 beschreibt eine Batteriemodulabdeckung, in die Leiterbahnen integriert sind und die als räumlich spritzgegossener Schaltungsträger mit integrierter, strukturierter Metallisierung ausgeführt ist.
  • Die DE 10 2011 002 415 A1 beschreibt ein mittels eines Spritzgussverfahrens hergestelltes Kunststoffgehäuse für eine oder mehrere galvanische Zellen. Eine erste Weiterbildung sieht vor, dass das Kunststoffgehäuse mindestens eine elektrische Leitung umfasst. Eine zweite Weiterbildung sieht vor, dass das Kunststoffgehäuse mindestens eine elektrische Zellüberwachungseinrichtung zur Überwachung eines Lade- und/oder Betriebszustandes von einer oder mehreren galvanischen Zellen umfasst. Das Kunststoffgehäuse weist eine Temperierplatte zur Temperierung der einen oder mehreren galvanischen Zellen auf.
  • Die DE 198 47 190 A1 beschreibt eine Verbindungsplatte für einen Batteriehalter, in die eine Vielzahl von Stromschienen für das Verbinden einer Vielzahl von Batterien eingegossen sind.
  • Die DE 10 2012 205 019 A1 beschreibt ein Trägerelement eines Zellkontaktierungssystems für ein Akkumulatormodul. An dem Trägerelement ist ein Stromleitungssystem und ein Signalleitungssystem gehalten, wobei Signalleiter des Signalleitungssystems in das Trägerelement mittels Heißprägens eingebettet worden sind. Das Trägerelement ist auf ein Akkumulatormodul aufsetzbar und verschließt im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung eine obere Gehäuseöffnung, durch welche Zellterminals der elektrochemischen Zellen der elektrochemischen Vorrichtung hervorstehen. An einer Oberseite des Trägerelements ist ein Abdeckelement angeordnet, welches zum Abdecken des Stromleitungssystems und des Signalleitungssystems dient.
  • Die US 2010/0266890 A1 (entspricht EP 2 198 472 B1 ) beschreibt ein Modul mit wenigstens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten. Hierbei wird ein Gehäusedeckel zum Abführen von Wärme genutzt, indem er als Kühlkörper (cowling of the casing) ausgebildet ist, der an Stromschienenstreifen möglichst großflächig anliegt. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Stromschienenstreifen mittels Laserdurchstrahlschweißens an Deckeln der Energiespeichereinheiten angeschweißt sind.
  • Die DE 10 2011 113 798 A1 beschreibt eine Batterie mit einem zentralen Batteriemanagement. Hierbei ist eine Gehäuseoberfläche als spritzgegossener Schaltungsträger (MID = molded interconnection device) ausgeführt. Der spritzgegossene Schaltungsträger ist dazu vorgesehen, eine Beschädigung eines Batteriegehäuses mittels kleiner Stromflüsse oder Kapazitäten zu erkennen.
  • Ferner offenbart die DE 10 2012 203 289 A1 einen Batteriedeckel für eine Hochspannungsautobatterie.
  • Des Weiteren offenbart die DE 10 2012 005 120 A1 ein Verbindungssystem für einen Energiespeichereinrichtung, wobei die Energiespeichereinrichtung eine Mehrzahl an Zellen aufweist, mit einer Mehrzahl an Zellverbindern zum elektrischen Zusammenschalten der Zellen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemodul bereitzustellen, das mit geringerem Herstellungsaufwand hergestellt werden kann. Batteriemodule umfassen im Allgemeinen mehrere Batteriezellen (jedoch mindestens eine Batteriezelle), die typischerweise eine prismatische, zylindrische Form aufweisen. Heutzutage ist es üblich, Batteriezellen in Lithium-Ionen-Technologie auszuführen. Alternativ können die Batteriezellen als Sack (Pouch) ausgeführt sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls, umfasst folgende Schritte:
    • - Einsetzen eines Zellpakets in einen Trog;
    • - Aufsetzen eines Gehäuseteils auf den Trog, wobei
      • ◯ das Gehäuseteil einen spritzgegossenen Schaltungsträger aufweist;
      • ◯ das Gehäuseteil eine elektrische Schaltung aufweist, die auf dem Schaltungsträger befestigt ist;
      • ◯ das Gehäuseteil mindestens eine Sammelschiene aufweist;
      • ◯ das Material des Schaltungsträgers für Licht eines Laserstrahls durchlässig ist;
    • - Befestigen des Gehäuseteils auf dem Trog;

    dadurch gekennzeichnet, dass
    vor dem Aufsetzen des Gehäuseteils Leitkleber an mindestens einer Kontaktfläche der Sammelschiene und/oder des Zellpakets aufgebracht wird, und
    nach dem Aufsetzen des Gehäuseteils die Sammelschiene mittels Laserdurchstrahlschweißen mit einer elektrischen Anschlussfläche des Zellpakets kontaktiert wird.
  • Entsprechend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte. In einem ersten Schritt wird ein Zellpaket in einen Trog eingesetzt. In einem zweiten Schritt wird ein Gehäuseteil auf den Trog aufgesetzt. In einem dritten Schritt wird das Gehäuseteil auf dem Trog befestigt. Nach dem Aufsetzen des Gehäuseteils wird die Sammelschiene mittels Laserdurchstrahlschweißens mit einer elektrischen Anschlussfläche des Zellpakets kontaktiert.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hab folgenden Vorteil. Dadurch, dass das Gehäuseteil mindestens eine Sammelschiene aufweist, brauchen zur Endmontage des Batteriemoduls nur das Gehäuseteil (der Batteriemoduldeckel) auf den Trog mit dem Zellpaket aufgesetzt werden und die Kontaktierungsarbeiten (beispielsweise mit Leitkleber und/oder Laserdurchstrahlschweißen) durchgeführt werden. Damit werden die Anzahl der Teile für die Endmontage und der Montageaufwand für das Batteriemodul erheblich verringert. Entsprechend lässt sich ein Fahrzeug mit einem solchen Batteriemodul mit geringerem Aufwand herstellen als bekannte Fahrzeuge.
  • Das Gehäuseteil für ein Batteriemodul umfasst einen spritzgegossenen Schaltungsträger und eine elektrische Schaltung, die auf dem Schaltungsträger befestigt ist. Das Gehäuseteil weist mindestens eine Sammelschiene auf. Das Material des Schaltungsträgers ist für Licht eines Laserstrahls durchlässig. Eine Sammelschiene kann auch als Busbar bezeichnet werden.
  • Demgemäß kann das Batteriemodul ein Gehäuseteil aufweisen. Das Fahrzeug kann ein Batteriemodul aufweisen.
  • Beispielsweise ist die Sammelschiene auf den Schaltungsträger aufmetallisiert. Hierdurch lässt sich der Aufwand für eine Bereitstellung von getrennten Sammelschienen einsparen.
  • Beispielsweise ist die Sammelschiene mittels Leitkleben und/oder mittels Laserschweißen mit einer metallisierten Fläche des Schaltungsträgers verbunden. Hierdurch kann zwischen den Sammelschienen und der Überwachungsschaltung eine zuverlässige elektrische Kontaktierung erreicht werden.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Sammelschiene mittels Heißprägens mit dem Schaltungsträger verbunden ist. Hierdurch kann eine zuverlässige mechanische Befestigung der Sammelschiene direkt mit dem Schaltungsträger erfolgen.
  • Besonders bevorzugt kann sein, wenn zumindest ein Teil der elektrischen Schaltung auf den Schaltungsträger aufmetallisiert ist. Diese Maßnahme kann erheblich zu einer Verringerung eines Herstellungsaufwandes für die elektrische Schaltung beitragen.
  • Das Verfahrens sieht vor, dass vor dem Aufsetzen des Gehäuseteils Leitkleber an mindestens einer Kontaktfläche der Sammelschiene und/oder des Zellpakets aufgebracht wird. Hierdurch kann die Sammelschiene mit dem Zellpaket weitgehend frei von einer Scherkraft in der Position verbunden werden, in der sie sich beim Aufsetzen des Gehäuseteils auf den Trog auf dem Zellpaket selbst anordnet.
  • Erfindungsgemäß kann das Verfahren so weitergebildet werden, dass nach dem Aufsetzen des Gehäuseteils die Sammelschiene mittels Laserdurchstrahlschweißen mit einer elektrischen Anschlussfläche des Zellpakets kontaktiert wird. Hierdurch kann die Sammelschiene mit dem Zellpaket weitgehend frei von einer Scherkraft in der Position verbunden werden, in der sie sich beim Aufsetzen des Gehäuseteils auf den Trog auf dem Zellpaket selbst anordnet.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Gehäuseteils;
    • 2 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines Batteriemoduls mit Sicht von schräg oben;
    • 3 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung des Batteriemoduls der 2 mit Sicht von schräg unten;
    • 4 eine schematische perspektivische Darstellung des Batteriemoduls der 2 im zusammengesetzten Zustand;
    • 5 einen schematischen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zum Herstellen eines Batteriemoduls.
  • Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • Heutige Batteriesysteme sind modular aufgebaut. Das in 1 gezeigte Gehäuseteil GT umfasst einen Schaltungsträger ST, der mittels Spritzguss hergestellt ist. Der Schaltungsträger ST besteht beispielsweise aus PBT (Polybutylenterephthalat) oder aus PC/ABS V0 (Gemisch von Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol). Das Material des Schaltungsträgers ST kann für Licht eines Laserstrahls durchlässig sein. Außer den erwähnten Kunststoffen können auch andere Polymere und metallisierbare Kunststoffe verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltungsträger auch aus Keramik bestehen oder Keramik umfassen. Auf den Schaltungsträger ST sind elektrische Verbindungsleitungen VL in MID-Technologie aufmetallisiert (MID = molded interconnection device). Für die Metallisierung ML kann eines der folgenden Verfahren angewendet werden: LDS-(Laser)-Verfahren, Plasma-Dust-Verfahren, 2K-Spritzen mit zwei Kunststoffen, Heißprägen. Typischerweise wird ein dreidimensionales MID-Verfahren (3D-MID) angewendet.
  • Auf die Verbindungsleitungen VL sind elektrische Bauelemente EB wie Widerstände, Thermistoren, Kondensatoren, Induktivitäten, integrierte Schaltungen, Mikrocontroller und andere Halbleiterbauelemente aufgelötet. Die elektrischen Bauelemente EB gehören zu einer Zellmodulsteuerung ZS (elektrischen Schaltung), die beispielsweise dazu vorgesehen ist, für das Batteriemodul BM Sicherheits- und Managementaufgaben auszuführen. Der Schaltungsträger ST kann mit den elektrischen Bauelementen EB mittels einer (in den Figuren nicht dargestellten) Bestückungsanlage bestückt werden. Gleichzeitig oder danach können die elektronischen Bauelemente EB (beispielsweise in SMD-Technik) mit Rückfluss- oder Schwalllöten an den Verbindungsleitungen VL angelötet oder mittels eines Leitklebers an den Verbindungsleitungen VL angeklebt werden (SMD = surface mounted device).
  • Außerdem ist in den Schaltungsträger ST eine Steckverbinderkomponente SK (die auch als Niedervolt- oder Low-Volt-Stecker bezeichnet wird) eingegossen, mit deren Anschlusskontakten AK (siehe 2) ein Teil der elektrischen Verbindungsleitungen VL verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine elektrische Verbindung zur Steckverbinderkomponente SK auch von den elektrischen Bauelemente EB (beispielsweise SMD-Bauteile) direkt erfolgen. Die Steckverbinderkomponente SK ist typischerweise dazu vorgesehen, als Schnittstelle von dem Batteriemodul BM auf ein Batterie-Management-System zu dienen und eine Weitergabe von Informationen aus dem Batteriemodul (beispielsweise Informationen über Zellspannungen, Temperaturen usw.) an ein übergeordnetes Steuergerät zu ermöglichen. Das übergeordnete Steuergerät ist typischerweise dazu vorbereitet, Batterie-Management-Funktionen auszuführen.
  • Auf der Stirnseite des Gehäuseteils GT, die der Steckverbinderkomponente SK diametral gegenüberliegt, ist in dem Gehäuseteil GT ein Durchlass GD (siehe 2 und 3) für Batterieabgase (gasduct) ein- oder angeformt.
  • Zur Realisierung von Spannungsabgriffen an den Batteriezellen BZ (siehe 2) enden einige der Verbindungsleitungen VL in großen Kontaktflächen KF, die auf den Schaltungsträger ST ebenfalls mittels MID-Technologie aufgebracht sind. Im Gehäuseteil GT sind mindestens zwei Hochvoltkontakte HVK (siehe 2) zum Anschluss eines Hochvoltstromkreises eingeschweißt. Die mindestens zwei Hochvoltkontakte HVK sind mit jeweils einer der Kontaktflächen KF elektrisch verbunden.
  • Eine erste Ausführungsvariante sieht vor, dass diese Kontaktflächen KF mittels eines Plasma-Dust-Verfahrens in einer Schichtdicke von 1 mm ausgeführt werden, so dass diese Kontaktflächen KF selbst als Sammelschienen SS genutzt werden können. Hierzu können vor dem Aufsetzen des Gehäuseteils GT auf den Trog TR (2) an den gewünschten Positionen in der gewünschten Stärke (beispielsweise mittels Plasma Dust) pulverförmige Kupferpartikel aufgetragen werden. Damit kann sich eine verbindende Kupferschicht aufbauen. Das Kupferpulver kann bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 250 °C zugeführt werden.
  • Eine zweite Ausführungsvariante sieht vor, dass auf den Kontaktflächen KF Sammelschienen SS (beispielsweise aus Aluminium) befestigt sind. Hierzu brauchen die metallisierten Kontaktflächen KF für die Sammelschienen SS eine Schichtdicke von nur etwa 1 bis 2 µm aufweisen. Die Befestigung der Sammelschienen SS auf den Kontaktflächen KF kann beispielsweise mittels eines Leitklebers oder mittels Laserschweißens erfolgen.
  • Eine dritte Ausführungsvariante sieht vor, dass auf den Metallisierungsprozess ganz verzichtet wird. In diesem Fall können vorgefertigte Sammelschienen SS mittels Heißprägens (d.h. unter Anwendung von Temperatur und einer Druckkraft) in den Schaltungsträger ST eingepresst werden.
  • Eine vierte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Stromschienen SS zusammen mit dem Schaltungsträger ST in einem Insert-Molding-Verfahren mittels einer Spritzgussmaschine umspritzt werden.
  • 2 und 3 zeigen in perspektivischer Explosionsdarstellung und aus unterschiedlicher Sichtrichtung den Aufbau eines Batteriemoduls BM. Das Batteriemodul BM umfasst einen Trog TR, ein Zellpaket ZP (Block) von mehreren miteinander verschweißten oder verpressten Batteriezellen BZ und das in 1 gezeigte Gehäuseteil GT als Batteriemoduldeckel. Die einzelnen Batteriezellen BZ weisen auf ihrer Oberseite elektrische Anschlussflächen EA (Anschlusspole) auf. Die Sammelschienen SS im Gehäuseteil GT sind im Gehäuseteil GT so angeordnet, dass sie nach dem Aufsetzen 120 (siehe 5) des Gehäuseteils GT mit den elektrischen Anschlussflächen EA der Batteriezellen BZ in elektrischem Kontakt stehen. 4 zeigt das Batteriemodul BM im zusammengesetzten Zustand.
  • Das in 5 gezeigte Herstellungsverfahren 100 zum Herstellen eines Batteriemoduls BM umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt 110 wird ein Zellpaket ZP in einen Trog TR eingesetzt. In einem zweiten Schritt 120 wird auf den Trog TR ein Gehäuseteil GT aufgesetzt. In einem dritten Schritt 130 wird das Gehäuseteil GT auf dem Trog TR befestigt. Das Gehäuseteil GT wird beispielsweise mittels Ausschäumens mit Polyurethan auf dem Trog TR verklebt.
  • In einem erfindungsgemäßen Beispiel des Verfahrens 100 wird vor dem Aufsetzen 120 des Gehäuseteils GT auf den Trog TR ein Leitkleber an mindestens einer Kontaktfläche KF der Sammelschiene SS und/oder des Zellpakets ZP aufgebracht. Das Kontaktieren der Sammelschienen SS mit den entsprechenden elektrischen Anschlussflächen EA der Batteriezellen BZ erfolgt dann mit dem Aufsetzen 120 des Gehäuseteils GT auf den Trog TR.
  • In einem erfindungsgemäßen Beispiel des Verfahrens 100 werden die Sammelschienen SS nach dem Aufsetzen 120 des Gehäuseteils GT auf den Trog TR mittels Laserdurchstrahlschweißen mit den elektrischen Anschlussflächen EA der Batteriezellen BZ kontaktiert.
  • Mittels des beschriebenen Herstellungsverfahrens konnte die Teilezahl eines aus dreizehn Teilen bestehenden Gehäuseteils GT (Batteriemoduldeckels) auf ein Teil verringert werden. Mit einer Anbindung der Sammelschienen SS an den Schaltungsträger ST konnten aufwändige Löt-Prozesse zum Herstellen von Spannungsabgriffen vermieden werden. Eine Integration der Sammelschienen SS in den Batteriemoduldeckel GT mittels eines Plasma-Metallisierungsverfahrens oder mittels eines Heißprägeverfahrens verringert den Montageaufwand, der für den Batteriemoduldeckel erforderlich ist, zusätzlich.
  • Mögliche Vorteile des beschriebenen Gehäuseteils, des beschriebenen Batteriemoduls und des beschriebenen Herstellungsverfahrens sind: geringeres Gesamtgewicht, verringerte Teilevielfalt, verringerter Bauraumbedarf, verringerte Herstellungskosten, verringerte Fehlerwahrscheinlichkeit.

Claims (1)

  1. Verfahren (100) zum Herstellen eines Batteriemoduls (BM), wobei das Verfahren (100) folgende Schritte umfasst: - Einsetzen (110) eines Zellpakets (ZP) in einen Trog (TR); - Aufsetzen (120) eines Gehäuseteils (GT) auf den Trog (TR), wobei ◯ das Gehäuseteil (GT) einen spritzgegossenen Schaltungsträger (ST) aufweist; ◯ das Gehäuseteil (GT) eine elektrische Schaltung (ZS) aufweist, die auf dem Schaltungsträger (ST) befestigt ist; ◯ das Gehäuseteil (GT) mindestens eine Sammelschiene (SS) aufweist; ◯ das Material des Schaltungsträgers (ST) für Licht eines Laserstrahls durchlässig ist; - Befestigen (130) des Gehäuseteils (GT) auf dem Trog (TR); dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufsetzen (120) des Gehäuseteils (GT) Leitkleber an mindestens einer Kontaktfläche (KF) der Sammelschiene (SS) und/oder des Zellpakets (ZP) aufgebracht wird, und nach dem Aufsetzen (120) des Gehäuseteils (GT) die Sammelschiene (SS) mittels Laserdurchstrahlschweißen mit einer elektrischen Anschlussfläche (EA) des Zellpakets (ZP) kontaktiert wird.
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