DE102018005234A1

DE102018005234A1 - Verfahren zum Herstellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen

Info

Publication number: DE102018005234A1
Application number: DE102018005234.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Christ; Marco Franz; Dirk Freivogel; Christian Jetter; Dietmar Pfeffer; Michael Weiland; Matthias Zimmert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2019-01-03
Also published as: DE102018010115A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mehrere Batteriezellen (12) aufweisenden Batterie (10) für ein Kraftfahrzeug, bei welchem auf die Batteriezellen (12) eine Wärmeleitpaste (22) aufgebracht wird, über welche die Batteriezellen (12) zumindest thermisch mit einem Kühler (18) zum Kühlen der Batteriezellen (12) gekoppelt werden, wobei bei dem Aufbringen der Wärmeleitpaste (22) eine jeweilige Höhe (H) der jeweiligen Batteriezelle (12) erfasst wird, wobei die Wärmeleitpaste (22) in Abhängigkeit von der jeweiligen erfassten Höhe (H) auf die jeweilige Batteriezelle (12) aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein solches Verfahren zum Herstellen einer mehrere Batteriezellen aufweisenden Batterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der DE 10 2015 104 264 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren wird eine Wärmeleitpaste auf die Batteriezellen aufgebracht, wodurch die Batteriezellen über die Wärmeleitpaste zumindest thermisch, das heißt zumindest wärmeübertragend, mit einem Kühler zum Kühlen der Batteriezellen gekoppelt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Batterie besonders einfach hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Batterie auf besonders einfache und somit zeit- und kostengünstige Weise hergestellt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei dem Aufbringen der Wärmeleitpaste eine jeweilige Höhe der jeweiligen Batteriezelle erfasst wird, wobei die Wärmeleitpaste in Abhängigkeit von der jeweiligen erfassten Höhe auf die jeweilige Batteriezelle aufgebracht wird. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass beispielsweise wenigstens eine erste Höhe wenigstens einer ersten der Batteriezellen erfasst wird, während auf wenigstens eine zweite der Batteriezellen die Wärmeleitpaste aufgebracht, insbesondere aufgetragen, wird. Wird dann beispielsweise die Wärmeleitpaste auf die wenigstens eine erste Batteriezelle aufgebracht, so wird dabei die Wärmeleitpaste auf die wenigstens eine erste Batteriezelle in Abhängigkeit von der erfassten ersten Höhe der ersten Batteriezelle aufgebracht. Durch das Erfassen der jeweiligen Höhen können beispielsweise, insbesondere fertigungsbedingte, Toleranzen der Höhen beziehungsweise der Batteriezellen zeit- und kostengünstig kompensiert werden, sodass vermieden werden kann, dass eine übermäßige Menge der Wärmeleitpaste auf die jeweilige Batteriezelle aufgebracht wird.
Der Erfindung liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Die beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildeten und auch als Lithium-Zellen bezeichneten Batteriezellen bilden beispielsweise einen auch als Zellstapel bezeichneten Zellblock. Innerhalb des Zellblocks können die Batteriezellen insbesondere hinsichtlich ihrer jeweiligen Höhe und somit hinsichtlich ihrer jeweiligen Position hohe Toleranzen aufweisen, sodass die Höhen der Batteriezellen beispielsweise um +/- 1,5 Millimeter voneinander abweichen können. In der Folge kommt es auch zu unterschiedlichen abständen zwischen dem Kühler und den jeweiligen Batteriezellen. Um trotz der Toleranzen eine hinreichende, zumindest thermische, Kontaktierung der Batteriezellen an dem Kühler zu gewährleisten, wird üblicherweise eine auf die jeweilige Batteriezelle aufzubringende Menge der Wärmeleitpaste an die größtmögliche Toleranz und somit auf den größtmöglichen Abstand zwischen dem Kühler und den Batteriezellen und somit auf einen größtmöglichen Bauraum innerhalb eines zulässigen Toleranzfensters angepasst. Weist dann jedoch zumindest eine der Batteriezellen ihre gewünschte Soll-Höhe auf, so dass der Abstand zwischen dieser zumindest einen Batteriezelle und dem Kühler wesentlich geringer ist als Abstände zwischen Kühler und solchen Batteriezellen, die wesentlich kleiner als die Soll-Höhe sind, so wird auf die zumindest eine Batteriezelle eine unnötig große Menge der Wärmeleitpaste aufgebracht. Dies verhindert zwar nicht die Montage des Kühlers, jedoch führt dies zu einem erhöhten Verbrauch der Wärmeleitpaste und zu erhöhten Fügekräften bei der Montage des auch als Zellkühler bezeichneten Kühlers, da dann der Kühler mit einer hohen Press- beziehungsweise Fügekraft gegen die Batteriezellen gepresst werden muss, um die große Menge der Wärmeleitpaste zu verdrängen.
Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können nun mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden werden, indem die jeweilige Höhe und somit beispielsweise der jeweilige Abstand zwischen der jeweiligen Batteriezelle und dem Kühler zellenweise beziehungsweise plattenweise erfasst und somit gemessen wird.
Hierzu wird beispielsweise die jeweilige, auch als Zelle bezeichnete Batteriezelle mittels eines Messsensors oder mittels eines anderen geeigneten Messsystems während des auch als Applikation bezeichneten Aufbringens der Wärmeleitpaste abgetastet, um dadurch die jeweilige Höhe der jeweiligen Batteriezelle zu messen. Des Weiteren erfolgt eine direkte Beeinflussung aller für das Aufbringen benötigten Dosierparameter durch die erfasste Höhe. Dies bedeutet, dass die Applikation in Abhängigkeit von der jeweiligen, erfassten Höhe erfolgt. Die Dosierparameter umfassen beispielsweise eine Vordruck, eine Auftragsmenge der Wärmeleitpaste, ein Überwachungsvolumen und so weiter.
Das Aufbringen der Wärmeleitpaste auf die jeweilige Batteriezelle wird beispielsweise in Abhängigkeit von der jeweiligen erfassten Höhe geregelt. Weisen somit beispielsweise wenigstens zwei der Batteriezellen voneinander unterschiedliche Höhen auf, so werden auf diese wenigstens zwei Batteriezellen unterschiedliche, auch als Auftragsmengen bezeichnete Mengen der Wärmeleitpaste aufgebracht. Somit erfolgt eine Anpassung der jeweiligen, auf die jeweilige Batteriezelle aufzubringenden Auftragsmenge der Wärmeleitpaste, wobei diese Anpassung vorzugsweise analog ohne schaltende Stufen erfolgt und keine der Applikation vorgeschaltete Messung der Zellen, insbesondere ihrer Zellgeometrien, erfordert. In der Folge ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, Material einzusparen, den Kühler mit nur sehr geringen Füge- beziehungsweise Verpresskräften zu montieren und dabei gleichzeitig eine besonders vorteilhafte thermische Anbindung des Kühlers an die Batteriezellen zu gewährleisten.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer Batterie für ein Kraftfahrzeug;
2 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Seitenansicht der Batterie bei ihrer Herstellung; und
3 eine schematische Darstellung zur weiteren Veranschaulichung des Verfahrens zum Herstellen der Batterie.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine Batterie 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Das Kraftfahrzeug ist als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet. Vorzugsweise ist das Kraftfahrzeug als batterieelektrisches Fahrzeug ausgebildet. Somit umfasst das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand wenigstens eine auch als Traktionsmaschine bezeichnete elektrische Maschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann. Um das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine elektrisch anzutreiben, wird die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben. Hierzu wird die elektrische Maschine mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom versorgt, die beziehungsweise der in der Batterie 10 gespeichert ist. Daher wird die Batterie 10 auch als Traktionsbatterie bezeichnet. Die Batterie 10 ist eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie), sodass die Batterie 10 eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Betriebsspannung aufweist beziehungsweise bereitstellt, welche größer als 50 Volt ist und vorzugsweise mehrere 100 Volt beträgt. Hierdurch können besonders große elektrische Leistungen zum elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs realisiert werden.
Aus 1 ist erkennbar, dass die Batterie 10 mehrere, einfach auch als Zellen bezeichnete Batteriezelle 12 aufweist, welche entlang einer in 1 durch einen Doppelpfeil 14 gezeigten Stapelrichtung aufeinanderfolgend beziehungsweise hintereinander angeordnet sind. Die Batteriezellen 12 sind beispielsweise als Lithiumlonen-Zellen ausgebildet, sodass die Batterie 10 als Lithium-Ionen Batterie ausgebildet sein kann. Die Zellen bilden beispielsweise einen auch als Zellstapel bezeichneten Zellblock 16. Die Batterie 10 weist darüber hinaus wenigstens einen als Wärmetauscher beziehungsweise Wärmeübertrager fungieren Kühler 18 auf, welcher auf einer jeweiligen Seite 20 der jeweiligen Batteriezellen 12 angeordnet ist. Aus 1 ist erkennbar, dass zwischen dem Kühler 18 und der jeweiligen Batteriezelle 12 ein jeweiliger Abstand vorgesehen ist, welcher von einer jeweiligen Höhe H der jeweiligen Batteriezelle 12 abhängt. Da zwischen der jeweiligen Batteriezelle 12 und dem Kühler 18 der jeweilige Abstand vorgesehen ist, ist zwischen der jeweiligen Batteriezelle 12 und dem Kühler 18 ein Zwischenraum beziehungsweise ein Bauraum vorgesehen, in welchem eine Wärmeleitpaste 22 angeordnet wird.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen der Batterie 10 beschrieben. Bei dem Verfahren wird auf die jeweilige Batteriezelle 12 die Wärmeleitpaste 22 aufgebracht, sodass die jeweilige Batteriezelle 12 über die Wärmeleitpaste 22 zumindest thermisch, das heißt zumindest wärmeübertragend mit dem Kühler 18 gekoppelt wird. Beispielsweise wird zunächst die Wärmeleitpaste 22 auf die jeweilige Batteriezelle 12 aufgebracht. Nachdem die Wärmeleitpaste 22 auf die Batteriezellen 12 aufgebracht wurde, wird beispielsweise der Kühler 18 montiert und dabei derart auf beziehungsweise über den Batteriezellen 12 angeordnet, dass der Kühler 18 die Wärmeleitpaste 22 direkt berührt beziehungsweise kontaktiert. Dadurch berührt die Wärmeleitpaste 22 einerseits die jeweilige Batteriezelle 12 und andererseits den Kühler 18 direkt, sodass ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang von der jeweiligen Batteriezelle 12 über die Wärmeleitpaste 22 an den Kühler 18 erfolgen kann. Hierdurch kann die jeweilige Batteriezelle 12 besonders vorteilhaft gekühlt werden.
Der Kühler 18 ist beispielsweise eine einfach auch als Platte bezeichnete Kühlplatte. Insbesondere ist es denkbar, dass der Kühler 18 von einem beispielsweise als Flüssigkeit ausgebildeten Kühlmedium durchströmbar ist. In der Folge kann ein Wärmeübergang von dem Kühler 18 an das Kühlmedium erfolgen, wodurch der Kühler 18 und somit die Batteriezellen 12 besonders effektiv und effizient gekühlt werden können.
Wie aus 1 ferner erkennbar ist, können die Batteriezellen 12 hinsichtlich ihrer Höhen H variieren. Mit anderen Worten können die Höhen H voneinander unterschiedlich sein, sodass die Abstände zwischen den Batteriezellen 12 und dem Kühler 18 voneinander unterschiedlich sein können. Je größer die Höhe H ist, desto geringer ist der Abstand beziehungsweise der Bauraum. Wird nun trotz der unterschiedlichen Abstände beziehungsweise Höhen H stets dieselbe, auch als Auftragsmenge bezeichnete Menge der Wärmeleitpaste 22 auf die Batteriezellen 12 aufgebracht, so wird beispielsweise auf diejenige Batteriezelle 12, deren Höhe H einer gewünschten Soll-Höhe entspricht, eine unnötig große Auftragsmenge aufgebracht und es kommt zu hohen Fügebeziehungsweise Verpresskräften mit denen der Kühler 18 gegen die Batteriezellen 12 gepresst werden muss, da die unnötig große Auftragsmenge aus dem aufgrund der Soll-Höhe nur sehr kleinen Bauraum verdrängt werden muss. Zu den unterschiedlichen Höhen H kommt es aufgrund von Fertigungstoleranzen sowie aufgrund von Toleranzen bei einem Verbau beziehungsweise bei einer Montage der Batteriezellen 12 in dem Zellblock 16.
Üblicherweise wird die auf die jeweilige Batteriezelle 12 aufzubringende Auftragsmenge an die größtmögliche Toleranz und somit an die geringstmögliche Höhe H angepasst, sodass dann, wenn die jeweilige Höhe H größer als die geringste Höhe ist, eine unnötig große Menge auf die jeweilige Batteriezelle 12 aufgebracht wird. Mit anderen Worten kommt es dann zu einer Überdosierung der Wärmeleitpaste 22, welche dann bei der Montage des Kühlers 18 zu verdrängen ist. Dies kann im schlimmsten Fall zu Beschädigungen an den Batteriezellen 12 und/oder an dem Kühler 18 sowie zu Materialaustritt aus dem Zellblock 16 führen. Zudem wird hierdurch mehr Material als benötigt aufgetragen, was zu höheren Herstellungskosten und/oder zu einem unnötig hohen Gewicht der Batterie 10 führen kann.
Um nun die zuvor genannten Probleme und Nachteile vermeiden zu können, ist es im Rahmen des Verfahrens vorgesehen, dass - wie besonders gut aus 2 und 3 erkennbar ist - bei dem Aufbringen der Wärmeleitpaste 22 die jeweilige Höhe H der jeweiligen Batteriezelle 12 erfasst wird, wobei die Wärmeleitpaste 22 in Abhängigkeit von der jeweiligen erfassten Höhe H auf die jeweilige Batteriezelle aufgebracht wird. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass eine umso größere Auftragsmenge der Wärmeleitpaste 22 auf die jeweilige Batteriezelle 12 aufgebracht, insbesondere aufgetragen, wird, je geringer die erfasste Höhe H dieser jeweiligen Batteriezelle 12 ist. Mit anderen Worten, je größer beispielsweise die Höhe H der jeweiligen Batteriezelle 12 ist, desto geringer ist die Menge der Wärmeleitpaste 22, die auf die jeweilige Batteriezelle 12 aufgebracht wird.
Aus 2 und 3 ist erkennbar, dass die Wärmeleitpaste 22 mittels einer auch als Spender oder Dispenser bezeichneten Aufbringeinrichtung 24 auf die jeweilige Batteriezelle 12 aufgebracht wird. Dabei weist die Aufbringeinrichtung 24 beispielsweise einen Mischer 26 auf, mittels welchem beispielsweise wenigstens zwei Komponenten, aus welchen die Wärmeleitpaste 22 gebildet wird, miteinander gemischt werden. Des Weiteren ist an der Aufbringeinrichtung 24 ein mit der Aufbringeinrichtung 24 mit bewegbarer und beispielsweise als Lasersensor ausgebildeter Sensor 28 gehalten, welcher wenigstens einen Laserstrahl 30 bereitstellt. Mittels des Laserstrahls 30 wird die jeweilige Höhe H der jeweiligen Batteriezelle 12 erfasst, sodass die jeweilige Höhe H besonders präzise sowie besonders schnell gemessen werden kann. Während beispielsweise mittels des Sensors 28 eine erste der Höhen H gemessen wird, wobei eine erste der Batteriezellen 12 die ersten Höhe H aufweist, wird mittels der Aufbringeinrichtung 24 auf eine zweite der Batteriezellen 12 die Wärmeleitpaste 22 aufgebracht. Zuvor wurde beispielsweise die Höhe H der zweiten Batteriezelle 12 mittels des Sensors 28 gemessen, sodass die Wärmeleitpaste 22 in Abhängigkeit von der gemessenen Höhe H der zweiten Batteriezelle 12 auf die zweite Batteriezelle 12 aufgebracht wird. Wird nach dem Aufbringen der Wärmeleitpaste 22 auf die zweite Batteriezelle 12 die Wärmeleitpaste 22 auf die die erste Höhe H aufweisende erste Batteriezelle 12 aufgebracht, so wird dabei die Wärmeleitpaste 22 auf die erste Batteriezelle 12 in Abhängigkeit von der zuvor mittels des Sensors 28 erfassten ersten Höhe H der ersten Batteriezelle 12 aufgebracht. Weisen somit beispielsweise die Batteriezellen 12 unterschiedliche Höhen H auf, so werden unterschiedliche Auftragsmengen der Wärmeleitpaste 22 auf die Batteriezellen 12 aufgebracht. Mit anderen Worten wird die jeweilige Auftragsmenge an die jeweilige erfasste Höhe H angepasst, wodurch die Wärmeleitpaste 22 materialsparend aufgebracht werden kann. In der Folge können die Kosten und das Gewicht der Batterie 10 besonders gering gehalten werden, und die Batterie 10 kann zeit- und kostengünstig hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015104264 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer mehrere Batteriezellen (12) aufweisenden Batterie (10) für ein Kraftfahrzeug, bei welchem auf die Batteriezellen (12) eine Wärmeleitpaste (22) aufgebracht wird, über welche die Batteriezellen (12) zumindest thermisch mit einem Kühler (18) zum Kühlen der Batteriezellen (12) gekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Aufbringen der Wärmeleitpaste (22) eine jeweilige Höhe (H) der jeweiligen Batteriezelle (12) erfasst wird, wobei die Wärmeleitpaste (22) in Abhängigkeit von der jeweiligen erfassten Höhe (H) auf die jeweilige Batteriezelle (12) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Höhe (H) mittels wenigstens eines Laserstrahls (30) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitpaste (22) mittels einer Aufbringeinrichtung (24) auf die Batteriezellen (12) aufgebracht wird, wobei an der Aufbringeinrichtung (24) ein mit der Aufbringeinrichtung (24) mitbewegbarer Sensor (28) gehalten ist, mittels welchem die jeweilige Höhe (H) erfasst wird.