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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Traggestell zur Anordnung eines Zellgehäuses eines Energiespeichers, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, eine Befüllvorrichtung, ein Verfahren zum Befüllen von Zellgehäusen sowie einen Energiespeicher.
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Bei der Fertigung von elektrochemischen Zellen einer Batterie bzw. eines Akkumulators muss Elektrolytflüssigkeit in die jeweilige Zelle eingefüllt werden. Hierbei handelt es sich um einen relativ aufwändigen und insbesondere auch langwierigen Prozess. Aus der
WO 2009/117809 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Elektrolyt-Befüllen einer Batteriezelle mit einem Füllkopf bekannt, an welchen für einen Befüllvorgang der Zelle wahlweise Hochdruck, Vakuum oder Umgebungsdruck angelegt werden kann, um die Zelle beispielsweise zu entleeren und dann den Elektrolyten mit Druck von oben ins Innere der Zelle zu pumpen. Ein derartiger Injektionsvorgang kann mehrere Stunden dauern. In der Folge sind derartige Befüllvorrichtungen entsprechend lange belegt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Traggestell, eine Befüllvorrichtung, ein Verfahren zum Befüllen von Zellgehäusen sowie einen (elektrischen) Energiespeicher anzugeben, welche die bekannten Prozesse optimieren bzw. eine Vereinfachung des Herstellungs- oder Produktionsprozesses ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Traggestell gemäß Anspruch 1, durch eine Befüllvorrichtung gemäß Anspruch 11, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 sowie durch einen Energiespeicher gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß ist ein Traggestell zur Anordnung eines Zellgehäuses eines Energiespeichers vorgesehen, insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle/Batterie/Akku, welches derart ausgebildet ist, dass zumindest ein Zellgehäuse austauschbar angeordnet werden kann, und wobei das Traggestell einen Pufferspeicher für ein Fluid, insbesondere einen Elektrolyten, umfasst, worüber oder wodurch zumindest ein in dem Traggestell angeordnetes Zellgehäuse mit dem Fluid befüllt werden kann. Der große Vorteil besteht darin, dass durch ein derartiges Traggestell der Befüllvorgang des Zellgehäuses von der Befüllstation/Befüllvorrichtung bzw. einer Befüllanlage entkoppelt werden kann. Ermöglicht wird dies insbesondere durch den Pufferspeicher, welcher ausgelegt ist, eine vorgesehene Fluidmenge zwischenzuspeichern und in das Zellgehäuse weiterzuleiten. Zweckmäßigerweise sind der Pufferspeicher und das Innere des Zellgehäuses fluidisch leitend, und vorteilhafterweise dicht, verbunden oder verbindbar. Mit Vorteil ist der Pufferspeicher ortsfest an dem Traggestell angeordnet oder befestigt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Traggestell insbesondere tragbar ausgebildet. Dabei bedeutet „tragbar“, dass das Traggestell, mitsamt einem oder mehreren darin angeordneten Zellgehäusen, händisch bewegt werden kann. „Tragbar“ bedeutet auch, dass die vorgenannte Anordnung durch eine geeignete, ggf. maschinelle, Vorrichtung, wie durch einen Roboter, bewegbar ist. Die Tragbarkeit ist insbesondere auch im Zusammenhang mit der vorgenannten Austauschbarkeit gesehen. Insbesondere ist das Traggestell also ausgelegt und eingerichtet, in einer Befüllanlage bzw. Befüllstation angeordnet und wieder entfernt zu werden, wobei in der Befüllstation oder -Anlage das Befüllen des Pufferspeichers erfolgt. Mit Vorteil muss das Traggestell nach der Befüllung des Pufferspeichers aber nicht in der vorgenannten Befüllanlage bleiben, sondern kann sofort wieder entfernt werden, sodass Platz für die Anordnung eines nächsten Traggestells bzw. nächster Traggestelle ist. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Einfüllbereich des Pufferspeichers, über welchen ein Befüllen des Pufferspeichers mit dem Fluid erfolgt, verschließbar ausgebildet. Dies ermöglicht, dass das Traggestell, insbesondere also das befüllte Traggestell, auch beispielsweise verschwenkt werden kann, was für den Befüllvorgang des Zellgehäuses genutzt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Traggestell einen Rahmen, welcher derart geformt ist, dass er die schmalen Umfangsseiten eines prismatischen Zellgehäuses zumindest bereichsweise umschließt. Grundsätzlich kann der Rahmen aus einem metallischen Werkstoff oder aus einem Kunststoffwerkstoff bzw. aus einer Kombination der vorgenannten Materialien gebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform ist der Rahmen auch zur Anordnung einer oder mehrerer Pouch-Zellen ausgelegt. Auch andere, hier nicht genannte Zellgehäuseformen, beispielsweise auch Rundzellen oder zylindrische Zellen, sind möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Traggestell zur Anordnung in einer Befüllstation bzw. allgemein in einer Anlage oder Vorrichtung zum Befüllen eines Speichergehäuses eines Energiespeichers ausgelegt. Die Anordnung kann hierbei bevorzugt form- oder kraftschlüssig, beispielsweise mittels einer Steckverbindung, gestaltet sein.
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Zweckmäßigerweise ist das Traggestell zur Anordnung einer Vielzahl von Zellgehäusen ausgelegt. Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich beispielsweise hierbei um zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Zellgehäuse. Diese können über ein und denselben Pufferspeicher befüllt werden. Alternativ kann das Traggestell auch mehrere Pufferspeicher vorsehen oder aufweisen.
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Bevorzugt ist das zumindest eine Zellgehäuse form- und/oder kraftschlüssig anordenbar bzw. angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine Zellgehäuse in den Rahmen eingeklemmt oder eingespannt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rahmen hierzu zumindest bereichs- oder teilweise flexibel ausgebildet. Zweckmäßigerweise kann dann das Speichergehäuse, beispielsweise insbesondere ein prismatisches Gehäuse, zumindest teilweise in den Rahmen geklemmt werden. Wie bereits erwähnt, ist ein derart federnder Rahmen beispielsweise aus Kunststoff und/oder Metall gefertigt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Traggestell, bzw. insbesondere der Rahmen, einen Dichtabschnitt, welcher zum Zusammenwirken mit einer Einfüllöffnung des Zellgehäuses ausgelegt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wirkt der Kraftschluss über den Dichtabschnitt. Zweckmäßigerweise kann der flexible oder federnde Rahmen dahingehend genutzt werden, dass das Zellgehäuse dichtend angeordnet ist. Mit anderen Worten kann durch die Anordnung bzw. durch den Rahmen eine Dichtkraft erzeugt werden. Der federnde oder flexible Rahmen kann also dazu genutzt werden, dass das Zellgehäuse dichtend angeordnet ist. Gemäß einer Ausführungsform weist der Dichtabschnitt hierzu ein geeignetes Dichtmaterial oder ein Dichtelement, beispielsweise einen O-Ring, auf, welcher mit dem Zellgehäuse zusammenwirkt.
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Gemäß einer Ausführungsform sind das Zellgehäuse und der Pufferspeicher über einen Bajonettverschluss verbunden. Auch dieser ermöglicht eine schnelle und unkomplizierte Anordnung des Zellgehäuses. Gemäß einer Ausführungsform verbindet der Bajonettverschluss das Zellgehäuse und den Rahmen. Der Bajonettverschluss kann auch am Pufferspeicher vorgesehen sein, sodass das Zellgehäuse und der Pufferspeicher direkt verbunden werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Pufferspeicher lösbar an dem Traggestell befestigt bzw. angeordnet. Dies ermöglicht, dass der Pufferspeicher zum Beispiel auch getrennt vom Rahmen oder Traggestell befüllt werden kann und dann ggf. erst nachträglich am Traggestell anordenbar ist. Dies kann den gesamten Befüllprozess noch zusätzlich vereinfachen bzw. zusätzliche Freiheitsgrade bieten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Traggestell Mittel zum Einstellen eines Fluidstroms in das Zellgehäuse. Insbesondere sind am Pufferspeicher Mittel zum Einstellen eines Fluidstroms in das Zellgehäuse vorgesehen. Diese Mittel umfassen beispielsweise ein oder mehrere Ventile, welche einen Zufluss in das Zellgehäuse steuern. Insbesondere kann beispielsweise auch ein Zufluss in das Zellgehäuse komplett verschlossen sein, wenn der Pufferspeicher beispielsweise schon befüllt ist, aber noch kein Zellgehäuse angeordnet ist.
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Zweckmäßigerweise sind auch Mittel zur Druckaufbringung vorgesehen, welche einen Befüllvorgang beschleunigen können. Dies umfasst sowohl einen Überdruck als auch einen Unterdruck. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die tragbare Ausgestaltung des Traggestells mit Vorteil auch ermöglicht, dass die gesamte Anordnung, umfassend das Traggestell und zumindest ein zu befüllendes Zellgehäuse, in einem geeigneten (Unter)Druckraum angeordnet werden kann, um so die Befüllung des Zellgehäuses mit Fluid, insbesondere mit Elektrolyt, zu optimieren, beispielsweise zu beschleunigen.
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Die Erfindung richtet sich weiter auf eine Befüllvorrichtung oder Befüllstation, welche zur Anordnung eines erfindungsgemäßen Traggestells bzw. zumindest eines erfindungsgemäßen Traggestells ausgelegt ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Befüllvorrichtung/Befüllstation nicht ausgelegt oder eingerichtet sein muss, das Speichergehäuse direkt mit dem entsprechenden Fluid bzw. der Elektrolytflüssigkeit zu befüllen, sondern lediglich den Pufferspeicher. Somit kann zwischen dem Pufferspeicher und dem Zellgehäuse eine geschlossene und vor allem dichte fluidische Verbindung geschaffen werden, welche mit Vorteil eine irgendwie geartete Verunreinigung des Speichergehäuses mit Elektrolytflüssigkeit, welche äußerst aggressiv ist, verhindert oder die Wahrscheinlichkeit zumindest auf ein Minimum reduziert. Erreicht wird dies insbesondere dadurch, dass über die Befüllvorrichtung/Befüllstation lediglich der Pufferspeicher befüllt werden muss, welcher relativ unkompliziert so gestaltet werden kann, dass ein „sauberes“ Befüllen möglich ist. Diese Freiheitsgrade sind beim direkten Befüllen des Zellgehäuses so nicht gegeben.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Befüllen von Zellgehäusen, umfassend die Schritte:
- - Verbinden eines Pufferspeichers mit einem Zellgehäuse bzw. einem Speichergehäuse eines Energiespeichers;
- - Befüllen des Zellgehäuses mittels des Pufferspeichers.
Mit Vorteil kann dadurch das Befüllen des Zellgehäuses von einer Befüllvorrichtung/Befüllstation entkoppelt werden. Die Verweilzeit in der Befüllvorrichtung/Befüllstation kann auf ein Minimum reduziert werden. Außerdem kann das Fluid bzw. der Elektrolyt während des Soakings kontinuierlich nachfließen. Dies ist besonders vorteilhaft, da der Injektionsvorgang bzw. das Soaking mehrere Stunden umfassen kann. Die vorgenannte „Entkopplung“ ermöglicht insbesondere ein zuverlässiges und sicheres Befüllen des Jelly Roll oder Stack Bundle, insbesondere bei einer Lithium-Ionen-Batterie.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Befüllen des Pufferspeichers mittels einer Befüllvorrichtung/Befüllstation;
- - Anordnen des Zellgehäuses in der Befüllvorrichtung/Befüllstation oder Anordnen der Befüllvorrichtung/Befüllstation an dem Zellgehäuse.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Befüllstation um eine Vorrichtung, in welcher das Traggestell bzw. auch mehrere Traggestelle angeordnet werden kann bzw. werden können. Alternativ kann es sich bei der Befüllvorrichtung als solche auch um eine tragbare Befüllstation bzw. um eine bewegbare Befüllstation oder Einrichtung handeln, welche zum Traggestell geführt wird. Bei einer derartigen Konfiguration ist ggf. eine Anordnung des Traggestells in der Befüllstation nicht notwendig. Die Befüllstation oder die Befüllvorrichtung ist lediglich dahingehend ausgelegt, das Befüllen des Pufferspeichers bzw. der Pufferspeicher zu ermöglichen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Befüllstation oder die Befüllvorrichtung tragbar ausgebildet.
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Die Erfindung richtet sich auch auf einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
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Die im Zusammenhang mit dem Traggestell erwähnten Merkmale gelten analog für das Verfahren sowie umgekehrt untereinander.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Traggestellen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht eines Traggestells, in welchem ein Zellgehäuse angeordnet ist;
- 2: eine weitere Ausführungsform eines Traggestells, in welchem ein Zellgehäuse angeordnet ist.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht und von der Seite gesehen ein Zellgehäuse 40, in welchem ein Jelly Roll oder ein Stack Bundle 42 angeordnet ist. Das Zellgehäuse 40 ist in einem Rahmen 26 eines Traggestells 20 angeordnet bzw. insbesondere über einen Dichtabschnitt 24 eingeklemmt, verspannt oder verklemmt. Bei dem Zellgehäuse 40 handelt es sich um ein prismatisches Zellgehäuse aus einem Aluminiumwerkstoff, beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie. Das Traggestell 20 umfasst einen Pufferspeicher 22, in welchem ein Fluid F, insbesondere ein Elektrolyt, bevorratet ist. Der Pufferspeicher 22 und das Innere des Zellgehäuses 40 sind fluidisch leitend verbunden und insbesondere über den Dichtabschnitt 24 abgedichtet. Der Rahmen 26 ist in der hier gezeigten Ausführungsform so gestaltet, dass er die schmalen Umfangsseiten des prismatischen Zellgehäuses 40, insbesondere umlaufend, umschließt. Das Zellgehäuse 40 kann quasi seitlich innerhalb des Traggestells 20 angeordnet werden, wobei der Rahmen 26 mit Vorteil zumindest bereichs- oder teilweise federnd oder elastisch ausgebildet ist, wodurch über den Dichtabschnitt 24, hier beispielhaft umfassend einen O-Ring, eine Dichtwirkung zwischen dem Pufferspeicher und einer Einfüllöffnung des Zellgehäuses 40 bereitgestellt werden kann.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Traggestells 20, wobei hier ein Rahmen 26 das Zellgehäuse 40, umfassend im Inneren ein Jelly Roll oder ein Stack Bundle 42, nicht vollständig umschließt. Dargestellt ist weiter schematisch eine Befüllstation 60, über welche ein Befüllen eines Pufferspeichers 22 mit einem Fluid F erfolgt. Zweckmäßigerweise kann nach dem Befüllen des Pufferspeichers 22 mit dem Fluid F das Traggestell von der Befüllstation 60 entfernt werden, bzw. umgekehrt. Vorteilhafterweise kann dann ein nächstes Traggestell 20 über die Befüllstation 60 befüllt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Traggestell
- 22
- Pufferspeicher
- 24
- Dichtabschnitt
- 26
- Rahmen
- 40
- Zellgehäuse
- 42
- Jelly-Roll, Stack-Bundle
- 60
- Befüllvorrichtung, Befüllstation
- F
- Fluid, Elektrolyt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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