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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch einer defekten Einzelzelle eines elektrischen Batteriemoduls einer elektrischen Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In der
JP 2012069332 A ist ein Verfahren zur Reparatur einer Batterie beschrieben, wobei eine defekte Zelle aus der Batterie entfernt und eine Ersatzzelle aufgenommen wird. Insbesondere wird hierbei ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Elektrode der Ersatzzelle mit einer Elektrode einer benachbarten Zelle verbunden wird.
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Weiterhin sind in der
DE 10 2013 010 313 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Austausch einer Einzelzelle eines, mehrere elektrisch miteinander verschaltete Einzelzellen umfassenden Batteriemoduls einer elektrischen Batterie beschrieben. Hierbei ist eine Trägerkonstruktion zur Aufnahme des Batteriemoduls vorgesehen, wobei die Trägerkonstruktion eine zumindest einfach teilbare Befestigungsstruktur zur kraft-, stoff- und/oder formschlüssigen Befestigung des Batteriemoduls umfasst, wobei die Befestigungsstruktur derart ausgebildet ist, dass zumindest zwei unmittelbar benachbarte Rahmenelemente des Batteriemoduls durch relative Bewegung der zumindest zwei Teilbereiche der Befestigungsstruktur voneinander beabstandbar sind. Weiterhin ist eine Aufnahmestruktur zur Aufnahme mehrerer Werkzeuge zum Trennen der stoffschlüssigen Verbindung der jeweiligen Zellableiterfahne vom zugehörigen Zellverbinder oder der benachbarten Zelle und zu einer mechanischen Nachbearbeitung der Zellverbinder oder Zellableiterfahne im Verbindungsbereich beschrieben.
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Darüber hinaus ist in der
DE 10 2013 010 314 A1 ein Verfahren zum Austausch einer Einzelzelle eines, mehrere elektrisch miteinander verschaltete Einzelzellen umfassenden Batteriemoduls einer elektrischen Batterie beschrieben. Jede Einzelzelle ist innerhalb eines aus zwei Rahmenelementen gebildeten Rahmens angeordnet, wobei eine erste Zellableiterfahne der jeweiligen Einzelzelle mit einem Zellverbinder eines ersten Rahmenelements oder direkt mit der Zellableiterfahne einer benachbarten Einzelzelle in einem Verbindungsbereich stoffschlüssig verbunden ist und eine zweite Zellableiterfahne mit einem Zellverbinder eines zweiten Rahmenelements oder direkt mit der Zellableiterfahne einer weiteren benachbarten Einzelzelle stoffschlüssig verbunden ist. Zur Demontage der Einzelzelle werden in einem ersten Verfahrensschritt die Zellableiterfahnen mittels einer geführten Trennscheibe zwischen dem Verbindungsbereich und der Einzelzelle vollständig durchtrennt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Austausch einer defekten Einzelzelle eines elektrischen Batteriemoduls sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und hinsichtlich der Vorrichtung mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Verfahren ist zum Austausch einer defekten Einzelzelle eines elektrischen Batteriemoduls einer elektrischen Batterie vorgesehen. Die Einzelzellen sind hierbei zumindest stirnseitig mit einem thermisch leitenden Trägerkörper form- und stoffschlüssig verbunden. Der stoffschlüssige Verbund zwischen den Einzelzellen und dem Trägerkörper ist durch eine in einem Zwischenraum zwischen dem Trägerkörper und den Einzelzellen sowie zwischen den Einzelzellen angeordnete Vergussmasse hergestellt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem Verfahrensschritt ein einen hohlzylindrischen Körper und stirnseitig an dem hohlzylindrischen Körper angeordneten Schneidzähnen umfassendes Trennelement auf die defekte Einzelzelle aufgesetzt wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die stoffschlüssige Verbindung zwischen der defekten Einzelzelle und dem Trägerkörper mittels einer rotierenden Bewegung des hohlzylindrischen Körpers gelöst, wobei die gelöste, defekte Einzelzelle in einem weiteren Verfahrensschritt aus dem elektrischen Batteriemodul entnommen wird.
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Das Verfahren ermöglicht in einfacher Weise den Austausch von defekten Rundzellen eines Batteriemoduls einer Batterie, ein so genanntes Remanufacturing, so dass eine Reparatur von elektrischen Batterien bei Defekten einzelner Einzelzellen und daraus folgend auch eine Verringerung des Ausschusses bei der Herstellung der elektrischen Batterien möglich sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Batteriemoduls mit einer Vielzahl von als Rundzellen ausgebildeten Einzelzellen, die in einem Trägerkörper angeordnet sind,
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2 schematisch eine perspektivische Ansicht des Trägerkörpers,
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3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Trennelements zum Austausch einer defekten Einzelzelle des elektrischen Batteriemoduls,
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4 schematisch eine perspektivische Ansicht des elektrischen Batteriemoduls gemäß 1 mit einem auf einer defekten Einzelzelle angeordneten Trennelement und
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5 schematisch eine perspektivische Ansicht des elektrischen Batteriemoduls gemäß 14, wobei die defekte Einzelzelle demontiert ist.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein elektrisches Batteriemodul 1 einer nicht näher dargestellten elektrischen Batterie mit einer Vielzahl von elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen 2 und einem thermisch leitfähigen Trägerkörper 3, in welchem die Einzelzellen 2 aufgenommen sind. 2 zeigt den Trägerkörper 3 einzeln in einer perspektivischen Darstellung.
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Die Einzelzellen 2 umfassen jeweils ein Zellengehäuse 2.1, in dem ein nicht dargestelltes Zelleninneres, beispielsweise in Form von elektrochemisch aktiven Folien, angeordnet ist.
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Das Zellengehäuse 2.1 ist hierzu kreiszylindrisch ausgebildet. Eine Mantelfläche M des Zellengehäuses 2.1 ist dabei z. B. aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gebildet oder elektrisch neutral.
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Eine Deckfläche des Zellengehäuses 2.1 bildet hierbei ein Zellendeckel 2.2, der das Zelleninnere vorteilhaft vor äußeren Einflüssen schützt bzw. dieses von der Umwelt abgrenzt. Auf dem Zellendeckel 2.2 sind zwei elektrische Pole 2.3, insbesondere ein Pluspol und ein Minuspol der Einzelzelle 2 angeordnet. Mittels der Pole 2.3 kann die Einzelzelle 2 elektrisch parallel und/oder seriell verschaltet sein. Um die Pole 2.3 hinsichtlich deren Polarität unterscheiden zu können, sind diese insbesondere verschiedenartig ausgeformt auf dem Zellendeckel 2.2 angeordnet. Dem Zellendeckel 2.2 ist ein nicht näher dargestellter Zellenboden gegenüberliegend angeordnet, wobei der Zellenboden eine ebenfalls nicht gezeigte Berstscheibe als Sollbruchstelle umfasst, die weniger stabil gegen einen Innendruck in der Einzelzelle 2 ausgebildet ist, so dass sich das Zellengehäuse 2.1 bei wachsendem Innendruck in diesem Bereich öffnet und dort Gas und/oder Elektrolyt aus der Einzelzelle 2 austreten kann. Insbesondere bei als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildeten Einzelzellen 2 können bei Überladung oder Kurzschluss die Temperatur und der Innendruck im Zellengehäuse 2.1 stark ansteigen.
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Für eine effiziente Abführung bei Ladevorgängen in der Einzelzelle 2 entstehender Verlustwärme sind die Einzelzellen 2 thermisch mit dem Trägerkörper 3 gekoppelt.
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Der Trägerkörper 3 ist aus einem thermisch leitenden Material, z. B. Aluminium, gebildet und weist eine Anzahl von Aussparungen 3.1 auf, die mit einer Anzahl von Einzelzellen 2 des Batteriemoduls 1 korrespondiert. Dabei ist jede Aussparung 3.1 zur Aufnahme des Zellenbodens der Einzelzelle 2 formschlüssig in der Aussparung 3.1 aufgenommen ist.
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Zwischen den Aussparungen 3.1 weist der Trägerkörper 3 Fixierelemente 3.2 auf, die sich ausgehend vom Trägerkörper 3 parallel zu einer Längsachse A der Einzelzellen 2 nach oben erstrecken und die beispielsweise einteilig mit dem Trägerkörper 3 gebildet sind. Die Fixierelemente 3.2 sind in Umlaufrichtung der Aussparungen 3.1 zueinander beabstandet und dienen einer Stabilisierung der Einzelzellen 2 bei der formschlüssigen Aufnahme derselben im Trägerkörper 3.
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Zur Verspannung der Einzelzellen 2 ist zwischen den Einzelzellen 2 und dem Trägerkörper 3 sowie zwischen den Einzelzellen 2 eine elektrisch isolierende und vorzugsweise thermisch leitfähige Vergussmasse 4 angeordnet, welche beispielsweise aus Urethan gebildet ist und in die Zwischenräume zwischen den Einzelzellen 2 sowie zwischen dem Trägerkörper 3 und den Einzelzellen 2 gefüllt wird und anschließend aushärtet.
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Das Batteriemodul 1 ist weiterhin mit einem Batteriemanagementsystem und einer Zellspannungsüberwachungseinheit koppelbar, wobei diese Komponenten der elektrischen Batterie in den vorliegenden Ausführungsbeispielen nicht dargestellt sind.
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Im Betrieb des elektrischen Batteriemoduls 1 können ein oder mehrere Einzelzellen 2 einen Defekt erleiden und damit ausfallen. Um eine Leistungsfähigkeit des elektrischen Batteriemoduls 1 und der elektrischen Batterie zu erhalten, ohne das elektrische Batteriemodul 1 vollständig auszutauschen, schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Austausch einer defekten Einzelzelle 2 des elektrischen Batteriemoduls 1 vor.
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Dazu zeigt 3 ein Trennelement 5 einer Vorrichtung zum Austausch einer defekten Einzelzelle 2 in perspektivischer Ansicht.
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Das Trennelement 5 umfasst einen hohlzylindrischen Körper 5.1, welcher an einer offenen Stirnseite Schneidzähne 5.1.1 aufweist, die über einen Umfang der offenen Stirnseite verteilt angeordnet sind. Ein Innendurchmesser des hohlzylindrischen Körpers 5.1 ist beispielsweise größer als ein Außendurchmesser einer Einzelzelle 2 mit Zellengehäuse 2.1, aber kleiner als ein Außendurchmesser einer Einzelzelle 2 mit Zellengehäuse 2.1 und Mantelfläche M. Eine Wandstärke des hohlzylindrischen Körpers 5.1 ist gegenüber dem Innendurchmesser sehr gering. Eine Stabilisierung des hohlzylindrischen Körpers 5.1 erfolgt durch das Zellengehäuse 2.1 der defekten Einzelzelle 2 bei Anordnung des hohlzylindrischen Körpers 5.1 auf der defekten Einzelzelle 2, wie es in 4 näher beschrieben wird.
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An einer gegenüberliegenden Stirnseite des hohlzylindrischen Körpers 5.1 ist ein Aufnahmeteller 5.2 angeordnet, welcher der Aufnahme des hohlzylindrischen Körpers 5.1 dient. Der hohlzylindrische Körper 5.1 ist mit dem Aufnahmeteller 5.2 z. B. mittels eines Bajonettverschlusses oder mittels Gewindestifte kraftschlüssig verbunden.
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Die Verwendung des Trennelements 5 zur Demontage einer defekten Einzelzelle 2 wird in der nachfolgenden 4 erläutert.
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4 zeigt das gemäß 1 beschriebene elektrische Batteriemodul 1 in einer perspektivischen Darstellung, wobei das elektrische Batteriemodul 1 auf einem Kreuztisch K angeordnet ist.
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Die Anordnung des elektrischen Batteriemoduls 1 auf dem Kreuztisch K ermöglicht einen Ausgleich von Lagetoleranzen der Einzelzellen 2 bei der Demontage der defekten Einzelzelle 2. Der Kreuztisch K weist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Linearführungen L1, L2 auf, die dem elektrischen Batteriemodul 1 eine Bewegung mit zwei Freiheiten in einer horizontalen Ebene ermöglichen. Das elektrische Batteriemodul 1 kann damit zum Trennelement 5 schwimmend gelagert werden, wodurch mechanische Beschädigungen der defekten Einzelzelle 2, insbesondere beim maschinellen Antrieb, durch Lagetoleranzen weitestgehend vermieden werden können.
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Die unmittelbar zur defekten Einzelzelle 2 benachbart angeordneten Einzelzellen 2 sind mittels einer Befestigungsstruktur 6 verspannt, wobei eine Längsachse A der verspannten Einzelzellen 2 leicht zur Längsachse A der defekten Einzelzelle 2 geneigt ist. Dazu werden die zu verspannenden Einzelzellen 2 mittels der Befestigungsstruktur 6 beim Verspannen gespreizt, so dass ein horizontaler Abstand zwischen den verspannten Einzelzellen 2 und der defekten Einzelzelle 2 zumindest abschnittsweise vergrößert ist. Die Einzelzellen 2 werden dabei in einem Bereich von wenigen Zehntel Millimetern gespreizt. Die Befestigungsstruktur 6 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel Klemmschrauben oder Feststellschrauben, wobei die Befestigungsstruktur 6 nur auf zwei zur defekten Einzelzelle 2 benachbarten Einzelzellen 2 angeordnet dargestellt ist. Vorzugsweise sind alle zur defekten Einzelzelle 2 benachbarten Einzelzellen 2 mittels der Befestigungsstruktur 6, wie zuvor beschrieben, verspannt.
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Die Verspannung der benachbarten Einzelzellen 2 erfolgt zweckmäßigerweise vor der Anordnung des Trennelements 5 auf der defekten Einzelzelle 2. Zur Verringerung eines Kurzschlussrisikos erfolgt weiterhin vor der Anordnung des Trennelements 5 eine Maskierung der Pole 2.3 der Einzelzellen 2 des elektrischen Batteriemoduls 1.
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Beim Anordnen des Trennelements 5 auf der defekten Einzelzelle 2 wird der hohlzylindrische Körper 5.1 manuell auf die defekte Einzelzelle 2 aufgesetzt. Dadurch, dass der Innendurchmesser des hohlzylindrischen Körpers 5.1 größer ist als der Außendurchmesser der defekten Einzelzelle 2 mit Zellengehäuse 2.1, aber kleiner ist als der Außendurchmesser der defekten Einzelzelle 2 mit Zellengehäuse 2.1 und Mantelfläche M, wird die Mantelfläche M durch eine Rotationsbewegung des hohlzylindrischen Körpers 5.1 nach dem Aufsetzen auf die defekte Einzelzelle 2 entfernt, insbesondere abgefräst. Der hohlzylindrische Körper 5.1 wird durch Krafteinwirkung in Richtung der Längsachse A der defekten Einzelzelle 2 und durch die Rotationsbewegung in Richtung des Trägerkörpers 3 bewegt, wobei sich der hohlzylindrische Körper 5.1 mit seiner geringen Wandstärke an der defekten Einzelzelle 2 abstützt und dabei eine Schrägstellung der defekten Einzelzelle 2, die z. B. beim Aushärten der Vergussmasse 4 entsteht, ausgeglichen werden kann.
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Liegen die Schneidzähne 5.1.1 des hohlzylindrischen Körpers 5.1 an der Vergussmasse 4 an, so kann das Trennelement 5 weiter manuell oder alternativ maschinell angetrieben werden. Beispielsweise kann ein maschineller Antrieb des Trennelements 5 mittels eines Loslagers und/oder einer Kardanwelle realisiert werden. Das Trennelement 5 ist dabei z. B. in eine Ständerbohrmaschine integriert.
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Durch weitere Rotationsbewegungen des hohlzylindrischen Körpers 5.1 wird die Vergussmasse 4 aufgetrennt und eine stoffschlüssige Verbindung der defekten Einzelzelle 2 zum Trägerkörper 3 sowie zu den benachbarten Einzelzellen 2 gelöst. Mit anderen Worten: Die defekte Einzelzelle 2 wird aus dem elektrischen Batteriemodul 1 herausgesägt.
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Nachdem die defekte Einzelzelle 2, wie oben beschrieben, aus der Vergussmasse 4 herausgetrennt wurde, kann diese aus dem elektrischen Batteriemodul 1 entnommen werden. Aufgrund der geringen Differenz zwischen dem Außendurchmesser der defekten, herausgetrennten Einzelzelle 2 und dem Innendurchmesser des hohlzylindrischen Körpers 5.1 besteht ein Reibschluss zwischen der defekten Einzelzelle 2 und dem hohlzylindrischen Körper 5.1, so dass die defekte Einzelzelle 2 beim Entfernen des Trennelements 5 vom elektrischen Batteriemodul 1 gleichzeitig mit entfernt wird. Alternativ ist zur Entnahme der defekten Einzelzelle 2 ein Abziehwerkzeug vorgesehen, welches beispielsweise als eine Kunststoffscheibe ausgebildet ist, die mit den Polen 2.3 der zu entnehmenden Einzelzelle 2 verschraubt wird und dabei eine Angriffsfläche zum Greifen ermöglicht.
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5 zeigt das elektrische Batteriemodul 1 gemäß 4, wobei eine defekte Einzelzelle 2 gemäß der vorherigen Beschreibung aus dem elektrischen Batteriemodul 1 entfernt wurde.
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Nach der Demontage der defekten Einzelzelle 2 wird der aufgetrennte Bereich der Vergussmasse 4 auf einen vordefinierten Durchmesser ausgespindelt, wobei die Aussparung 3.1, in welcher die defekte Einzelzelle 2 zuvor angeordnet war, frei zugänglich ist. Anschließend wird eine Ersatzeinzelzelle in das elektrische Batteriemodul 1 montiert und stoffschlüssig mit dem Trägerkörper 3 und den benachbarten Einzelzellen 2 verbunden. Der stoffschlüssige Verbund kann hierbei mittels Einbringen von Vergussmasse 4 erfolgen, die vorzugsweise aus dem gleichen Material gebildet ist wie die in dem elektrischen Batteriemodul 1 verbliebene Vergussmasse 4. D. h. beispielsweise; die Ersatzeinzelzelle wird durch Eingießen von Polyurethan stoffschlüssig mit dem Trägerkörper 3 und den anderen Einzelzellen 2 verbunden.
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Das Einbringen der Vergussmasse 4 kann dabei folgendermaßen erfolgen: Es wird ein Stempel von unten durch die entsprechende Aussparung 3.1 des Trägerkörpers 3 eingeführt, in welcher die Anordnung der Ersatzeinzelzelle vorgesehen ist. Der Stempel wird dabei derart gegen den Zellenboden gedrückt, dass der Stempel die Berstscheibe im Zellenboden der Ersatzeinzelzelle abdichtet. Der Stempel wird mit einer Dichtscheibe gegen den Trägerkörper 3 abgedichtet. Anschließend wird eine vordefinierte Menge an Vergussmasse 4 in einen Freiraum zwischen dem Stempel und dem ausgespindelten Durchmesser eingebracht. Beim Absenken der Ersatzeinzelzelle und damit des Stempels in Richtung des Trägerkörpers 3 wird die eingefüllte Vergussmasse 4 verdrängt, wobei der Freiraum zwischen dem ausgespindelten Durchmesser und der Ersatzeinzelzelle vollständig gefüllt wird.
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Alternativ kann das Einbringen der Vergussmasse 4 auch derart erfolgen, dass die Ersatzeinzelzelle im Bereich des ausgespindelten Durchmessers angeordnet wird, wobei eine Abdichtung der Ersatzeinzelzelle, insbesondere des Zellenbodens, zum Trägerkörper 3 über eine Dichtscheibe erfolgt. Anschließend wird eine vordefinierte Menge an Vergussmasse 4 über ein Angusssystem zugeführt, wobei ein Freiraum zwischen dem ausgespindelten Durchmesser und der Ersatzeinzelzelle vollständig gefüllt wird.
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Nach der Montage der Ersatzeinzelzelle kann das elektrische Batteriemodul 1 wieder in die elektrische Batterie integriert werden.
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Das Verfahren ist dabei geeignet auch mehr als nur eine defekte Einzelzelle 2 des elektrischen Batteriemoduls 1 auszutauschen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2012069332 A [0002]
- DE 102013010313 A1 [0003]
- DE 102013010314 A1 [0004]
