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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batteriemodule aus einer Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen bestehen können, welche seriell und/oder parallel elektrisch leitend miteinander verschaltet sein können.
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Die Batteriezellen des Batteriemoduls verändern dabei über ihrer Lebenszeit insbesondere während der Lade- und der Entladevorgänge ihr Volumen.
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So können die Batteriezellen über ihrer Lebensdauer beispielsweise anschwellen, was zu einer Volumenvergrößerung der jeweiligen Batteriezelle führen kann, wodurch Kräfte sowohl auf die Batteriezellen als auch auf das gesamte Batteriemodul wirken können.
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Aus dem Stand der Technik ist es hierzu bekannt, die Batteriezellen mechanisch zu fixieren bzw. zu arretieren und gegebenenfalls auch zu verspannen.
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Zukünftige Generationen von Batteriezellen weisen vermutlich Volumenzunahmen über der Lebensdauer von bis zu 20 % des ursprünglichen Volumens der Batteriezelle auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass ein Ausgleich für das Schwellen für eine Mehrzahl an Batteriezellen des Batteriemoduls zur Verfügung gestellt werden kann und die Mehrzahl an Batteriezellen zugleich mechanisch in dem Batteriemodul fixiert werden können.
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Des Weiteren ist es auch möglich, die einzelnen Batteriezellen elektrisch voneinander zu isolieren.
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Dazu wird ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls zur Verfügung gestellt.
Das Verfahren weist dabei folgende Verfahrensschritte auf:
- - Anordnen einer Mehrzahl an Batteriezellen in einem Gehäuse des Batteriemoduls
- - Ausschäumen des Gehäuses des Batteriemoduls mit einem Polymer, wobei das Ausschäumen nach einem vollständigen Einbringen des Polymers in das Gehäuse des Batteriemoduls gestartet wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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An dieser Stelle sei hierzu angemerkt, dass die Mehrzahl an Batteriezellen zuerst in dem Gehäuse des Batteriemoduls, zumindest provisorisch bzw. temporär montiert, angeordnet wird und anschließend das Gehäuse des Batteriemoduls mit dem Polymer ausgeschäumt wird.
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Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, ein Batteriemodul zur Verfügung zu stellen, bei welchem das geschäumte Polymer als ein Ausgleichselement für die eingangs beschriebenen Schwellvorgänge der Mehrzahl an Batteriezellen dient, um somit entstehende Kräfte in dem Batteriemodul zu reduzieren.
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Dabei kann das geschäumte Polymer zumindest einen Teil der auf der Volumenvergrößerung der jeweiligen Batteriezelle beruhenden Kräfte aufnehmen.
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Neben der Wirkung als Ausgleichselement für die Schwellvorgänge der Mehrzahl an Batteriezellen kann das geschäumte Polymer auch dafür sorgen, dass die Mehrzahl an Batteriezellen in dem Batteriemodul fixiert werden kann, ohne dass hierfür weitere Fügeelemente, wie beispielsweise Schrauben oder Klebstoffe, nötig sind. Somit ist es möglich, den Montageprozess zu vereinfachen, da insbesondere keine Fügeelemente angebracht werden müssen, was insbesondere auch zu Kostenvorteilen gegenüber herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen beiträgt.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Polymer ausgewählt wird als ein Duroplast, so dass ein Duroplast als Polymerwerkstoff ausgewählt wird.
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Duroplastische Kunststoffe eignen sich für den Einsatz in Batteriemodulen und können insbesondere einen Schwellausgleich der Batteriezellen zur Verfügung stellen, die Batteriezellen mechanisch fixieren und auch elektrisch voneinander isolieren.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der duroplastische Kunststoff schwer entflammbar ist.
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Somit ist es möglich, den Flammschutz des Batteriemoduls zu verbessern. Solche duroplastischen Kunststoffe werden beispielsweise gemäß der DIN EN 13501 als B/C eingestuft und sind somit schwer entflammbar.
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Schwer entflammbare duroplastische Kunststoffe bieten also insgesamt den Vorteil, dass der Brandschutz bzw. Flammschutz des Batteriemoduls gegenüber herkömmlichen Lösungen erhöht werden kann.
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Des Weiteren ist es auch zweckmäßig, wenn der duroplastische Kunststoff ausgewählt wird als ein Harz. Insbesondere kann der duroplastische Kunststoff in Form eines Harzes in flüssiger Form in das Gehäuse des Batteriemoduls eingebracht werden, wodurch ein nahezu druckloses Befüllen des Gehäuses möglich ist und Schädigungen der Batteriezellen verhindert werden können.
Bei Raumtemperatur flüssige Harze sind allgemein bekannt und auch für ein erfindungsgemäßes Verfahren einsetzbar.
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Ein Befüllen bei Raumtemperatur verhindert insbesondere eine thermische Schädigung der Mehrzahl an Batteriezellen.
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Vorzugsweise kann das Polymer weiterhin auch einen Füllstoff umfassen, welcher weiterhin dazu beiträgt den Flammschutz zu erhöhen.
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Zweckmäßigerweise kann das Polymer als ein Thermoplast ausgewählt werden. Auch thermoplastische Kunststoffe können bei einem Einsatz in einem erfindungsgemäßen Verfahren in dem geschäumten Zustand einen effektiven Schwellausgleich sowie eine zuverlässige mechanische Fixierung zur Verfügung stellen.
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Es ist auch zweckmäßig, wenn nach dem Ausschäumen des Gehäuses des Batteriemoduls die Mehrzahl an Batteriezellen vollständig von dem Polymer umschlossen ist.
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Dadurch ist eine zuverlässige Isolierung und ein zuverlässiger Schwellausgleich sowie insbesondere auch ein zuverlässiger Flammschutz möglich.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es möglich, dass für das Ausschäumen ein chemisches Treibmittel oder ein physikalisches Treibmittel verwendet wird. Insbesondere chemische Treibmittel weisen den Vorteil auf, dass diese auf einfache Weise mit dem Polymer vermischt werden können.
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Somit müssen solche chemischen Treibmittel beispielsweise nicht als superkritisches Fluid im Matrixmaterial des Polymers gelöst werden.
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Weiterhin kann mittels chemischer Treibmittel auch eine Schädigung der Mehrzahl an Batteriezellen verhindert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform bildet der Einsatz von Stoffen die beispielsweise bei einer Vermischung miteinander und/oder bei einem Kontakt mit einem weiteren Reaktionspartner, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit, durch eine chemische Reaktion einen Polymerschaum ausbilden.
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Ein solch bevorzugtes Beispiel ist Polyurethanschaum.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Mehrzahl an Batteriezellen mittels eines Wärmeleitelements wärmeleitend mit dem Gehäuse des Batteriemoduls verbunden ist oder wärmeleitend mit einem Temperierelement des Batteriemoduls verbunden ist, so dass die Mehrzahl an Batteriezellen temperierbar ist, also den Batteriezellen Wärme zugeführt oder von den Batteriezellen Wärme abgeführt werden kann. Das Temperierelement kann hierbei beispielsweise eine Temperierplatte aufweisend einen eigenen von Temperierfluid durchströmbaren Temperierkreislauf sein.
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Insbesondere bei thermisch isolierenden Polymeren sind Wärmeleitelemente vorteilhaft.
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Bevorzugt kann das Ausschäumen beispielsweise durch Erwärmung oder durch Strahlung gestartet werden.
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Des Weiteren können die Batteriezellen jeweils auch zumindest ein elektrisches Kontaktelement aufweisen, das nicht von Polymerschaum umgeben wird.
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Dadurch können die Batteriezellen elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander verbunden werden.
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An dieser Stelle sei noch einmal bemerkt, dass es mit einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, den Schwellausgleich, die mechanische Fixierung und insbesondere auch den Flammschutz mittels einer Komponente, nämlich dem aufgeschäumtem Polymer, zu realisieren, wofür auch nur ein Prozessschritt, nämlich das Ausschäumen, nötig ist.
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Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen entfallen somit zusätzliche Montageschritte für die Mehrzahl an Batteriezellen und des Weiteren kann auf einfache Weise ein Schwellausgleich für die Mehrzahl an Batteriezellen sowie ein Flammschutz zur Verfügung gestellt werden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 schematisch eine Ausführungsform eines mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Batteriemoduls und
- 2 schematisch einen zeitlichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Batteriemoduls.
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Die 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 1, welches mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
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Das Batteriemodul 1 weist dabei eine Mehrzahl an Batteriezellen 2 auf, welche in einem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 angeordnet sind.
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In einem ersten Verfahrensschritt sind dabei die Batteriezellen 2 in dem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 angeordnet worden.
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Das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 ist dabei mit einem Polymer 4 in einem zweiten Verfahrensschritt ausgeschäumt worden.
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Dabei wurden insbesondere zuerst die Batteriezellen 2 in dem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 angeordnet, anschließend das Polymer 4 in einem ungeschäumten, beispielsweise flüssigen Zustand, vollständig in das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 eingebracht bzw. eingefüllt und weiter anschließend wurde das Ausschäumen des Gehäuses 3 mit dem Polymer 4 gestartet.
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Wie bereits erwähnt kann das Polymer 4 ausgewählt sein als ein Duroplast 5 oder als ein Thermoplast 6. Insbesondere der Duroplast 5 ist dabei ein schwer entflammbarer Kunststoff und kann ausgewählt sein als ein Harz 7.
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Des Weiteren ist in der 1 schematisch angedeutet, dass das Polymer 4 weiterhin Füllstoffe 8 umfassen kann, welche beispielsweise den Flammschutz erhöhen sollen.
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Aus der 1 ist weiterhin zu erkennen, dass die Batteriezellen 2 nach dem Ausschäumen des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 mit dem Polymer 4 vollständig von dem Polymer 4 umschlossen sind. Die 1 zeigt dabei einen solchen Zustand nach dem Ausschäumen des Gehäuses 3.
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Weiterhin weist das Batteriemodul 1 auch Wärmeleitelemente 9 auf.
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Die Wärmeleiterelement 9 sind dabei jeweils wärmeleitend mit einer der Batteriezellen 2 verbunden und weiterhin wärmeleitend mit dem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 verbunden, so dass mittels der Wärmeleitelemente 9 die Batteriezellen 2 wärmeleitend mit dem Gehäuse 3 verbunden sind.
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Die Wärmeleitelemente 9 sind beispielsweise plattenförmig ausgebildet. Weiterhin können die Wärmeleitelemente 9 dazu dienen, dass vor dem Einbringen des Polymers 4 in einem ungeschäumten Zustand die Batteriezellen 2 bereits mit den Wärmeleiterelementen 9 verbunden werden und somit innerhalb des Gehäuses 3 positioniert werden können.
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Weiterhin kann das Batteriemodul 1 auch ein Temperierelement 10 aufweisen, wobei beispielsweise auch das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 als ein Temperierelement 10 ausgebildet sein kann.
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Das Temperierelement 10 kann dabei beispielsweise von einem Temperierfluid durchströmbar ausgebildet sein.
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Weiterhin weisen die Batteriezellen 2 jeweils auch ein elektrisches Kontaktelement 11 auf, welches nicht von Polymer 4 umschäumt ist.
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Somit können die Batteriezellen 2 elektrisch kontaktiert und elektrisch leitend miteinander verbunden werden.
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An dieser Stelle sei hierzu angemerkt, dass das in der 1 gezeigte Batteriemodul 1 bevorzugt mittels eines in der 1 nicht dargestellten Deckelelements verschlossen werden kann.
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Die 2 zeigt schematisch einen zeitlichen Ablauf des Verfahrensschritts des Ausschäumens eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Dazu ist in der 2 eine Ausschäumgeschwindigkeit 12 über einer Prozesszeit 13 aufgetragen.
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Dabei ist zu erkennen, dass der zeitliche Ablauf einen ersten Abschnitt 14 und einen zweiten Abschnitt 15 aufweist, welcher sich an den ersten Abschnitt 14 anschließt.
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Während des ersten Abschnittes 14 wird das Polymer 4 in einem ungeschäumten beispielsweise flüssigen Zustand in das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 eingebracht bzw. eingefüllt.
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Dabei sind während des ersten Abschnittes 14 die Batteriezellen 2 beispielsweise mittels der Wärmeleitelemente 9 in dem Gehäuse 3 des Batteriemoduls positioniert.
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Während des ersten Abschnittes 14 wird dabei das zu schäumende Polymer 4 vollständig in das Gehäuse 3 eingebracht bzw. eingefüllt.
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An den ersten Abschnitt 14 schließt sich zeitlich der zweite Abschnitt 15 an, welcher durch den Start der Schäumprozesses definiert sein soll.
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Dabei kann das Ausschäumen beispielsweise durch Erwärmung oder durch Strahlung gestartet werden.
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Die 2 zeigt dabei beispielhaft den Verlauf der Ausschäumgeschwindigkeit 14 über der Zeit. Der Verlauf kann dabei durch eine negative Parabel beschrieben werden.
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Solche Verläufe haben den Vorteil eines gleichmäßigen Schäumens innerhalb des Batteriemoduls 1, wodurch schließlich auch eine gleichmäßige Schaumstruktur mit homogenen Eigenschaften ausgebildet werden kann.
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Startet der Schaumprozess beispielsweise bereits während des Einfüllens, kann unter Umständen eine inhomogene Schaumstruktur mit nicht definierten Eigenschaften ausgebildet werden, wodurch beispielsweise mechanische Spannungen, die zu Schädigungen des Batteriemoduls bzw. der Batteriezellen führen können, ausgebildet werden.
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Es ist möglich, das Ausschäumen sowohl in einem offenen Zustand, wobei das Gehäuse 3 nicht mittels eines nicht gezeigten Deckelelements verschlossen ist, als auch in einem geschlossenen Zustand, wobei das Gehäuse 3 mittels seines nicht gezeigten Deckelelements verschlossen ist, auszuführen.
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Insbesondere ein geschlossener Zustand führt zu einer gleichmäßigen Struktur des Schaumprofils.
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Insbesondere ein offener Zustand reduziert mechanische Spannungen innerhalb der Schaumstruktur.
