DE102019122804B3 - Energiespeichersystem und Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichersystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichersystems (1) und ein Energiespeichersystem (1) mit wenigstens einem Modul (2) zur Aufnahme einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen, wobei das Modul (2) von einem Gehäuse (3) zumindest teilweise eingehaust ist, wobei das Gehäuse (3) an gegenüberliegenden, zum Modul (2) hin orientierten Seiten wenigstens eine Lagereinrichtung (5) zur Befestigung des Moduls (2) aufweist, wobei das Modul (2) in einer von der Lagereinrichtung (5) beabstandeten Endposition (E) angeordnet ist, wobei in der Endposition (E) mittels eines Kontaktelements (6) eine Kraft von der Lagereinrichtung (5) auf das Modul (2) übertragbar ist, und wobei in der Endposition (E) das Kontaktelement (6) mit dem Gehäuse (3) und dem Modul (2) positionsfest fixiert ist. Hierdurch wird eine technische Lehre bereitgestellt, die es erlaubt ein Energiespeichersystem einfacher zu fertigen und eine zuverlässige Anordnung von wenigstens einem Modul in einem Energiespeichersystem bereitstellt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Energiespeichersysteme, insbesondere elektrochemischer Energiespeichersysteme, und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespei chersystem s.
  • Stand der Technik
  • Energiespeichersysteme für den elektrischen Antrieb von Fahrzeugen sind typischerweise elektrochemische Energiespeicher, die abhängig von der gewünschten Ausgangsspannung eine Mehrzahl an elektrochemischen Zellen umfassen. Im Bereich der elektrischen Antriebe für Kraftfahrzeuge arbeiten die Energiespeichersysteme mit einer Ausgangsspannung von 60V und höher, insbesondere bis 2kV, abhängig vom gewählten Antriebskonzept und den dabei auftretenden minimalen motorischen und den maximalen generatorischen Spannungen. In diesem Zusammenhang werden diese auch als Hochvoltbatterien bezeichnet.
  • Je nach Einsatzgebiet unterliegen die Energiespeichersysteme teilweise hohen Lastwechseln, sowohl hinsichtlich Leistungsabruf als auch Rückspeisung von Energie. Aus diesem Grund ist eine effektive Kühlung für die elektrochemischen Zellen, wie Batteriezellen, des Energiespeichersystems erforderlich. Diese kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Es kommen insbesondere flüssigkeitsgekühlte Energiespeichersysteme in Betracht.
  • Für die Effizienz der Kühlung ist es maßgeblich, dass ein effektiver Wärmeaustausch zwischen den wärmeerzeugenden Komponenten und den wärmeabführenden Komponenten besteht.
  • Um entsprechende Pfade für die Wärmeableitung aus den Modulen zum Kühlsystem zur Verfügung zu stellen, ist eine exakte Positionierung des Moduls innerhalb des Gehäuses erforderlich.
  • Dabei spielt sowohl die Beschaffenheit der für die Wärmeleitung vorgesehenen Grenzfläche des Moduls als auch die Beschaffenheit des für die Wärmeleitung vorgesehenen Grenzfläche des Gehäuses eine Rolle. Ferner ist sowohl die Lagerung des Moduls innerhalb des Gehäuses von Bedeutung als auch die Toleranzen für die Modulabmessungen. Aufgrund von Abweichungen, insbesondere Fertigungsabweichungen, und Verformung von Komponenten muss eine vergleichsweise hohe Sicherheit an Toleranz zur Verfügung gestellt werden, mittels der diese Ungenauigkeiten und Verformungen ausgeglichen werden können. Dies macht aufwändige Vermessungen der jeweils vorliegenden Bedingungen für das jeweilige Modul im Gehäuse erforderlich, was den Fertigungsdurchsatz beträchtlich reduziert. Ferner ist es ggf. erforderlich, aufgrund der dennoch entsprechend hoch dimensionierten Toleranzen mehr Verbrauchsmaterial, z.B. Füllmaterial, einzusetzen, was kostenmäßig von Nachteil ist. Die Erfindung möchte dahingehend eine Verbesserung erzielen.
  • Aus der DE 10 2016 222 094 A1 ist ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs bekannt.
  • Aus der US 2013 / 0 266 840 A1 ist eine Batteriekühlstruktur bekannt.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Energiespeichersystem anzugeben, welches einfacher zu fertigen ist und eine zuverlässige Anordnung von wenigstens einem Modul in einem Energiespeichersystem bereitstellt, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren für ein Energiespeichersystem anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
  • Ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem umfasst wenigstens ein Modul zur Aufnahme einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen. Das Modul ist von einem Gehäuse zumindest teilweise eingehaust. An gegenüberliegenden, zum Modul hin orientierten Seiten des Gehäuses ist wenigstens eine Lagereinrichtung zur Befestigung des Moduls vorhanden. Ferner ist das Modul in einer von der Lagereinrichtung beabstandeten Endposition angeordnet. In der Endposition des Moduls ist mittels eines Kontaktelements eine Kraft von der Lagereinrichtung auf das Modul übertragbar, wobei in der Endposition das Kontaktelement mit dem Gehäuse und dem Modul positionsfest fixiert ist, d.h. diese im Wesentlichen keine Relativbewegung zueinander ausführen können, ohne dass die Fixierung zerstört wird. Das Kontaktelement ist als eine, insbesondere vom Modul umfasste, Hülse ausgebildet, wobei die Hülse mittels Verschweißen an dem Modul fixiert ist, so dass diese nicht mehr beweglich relativ zu dem Modul ist.
  • Die Positionierung des Moduls in der Endposition kann mittels eines Führungsmittels erfolgen. Mittels des Führungsmittels kann gewährleistet werden, dass das Modul im Rahmen der zulässigen Toleranz innerhalb des Gehäuses positioniert wird. Insbesondere kann das Modul derart innerhalb des Gehäuses positioniert werden, dass die Lagereinrichtung in einer gewünschten Position und Orientierung relativ zum Kontaktelement beabstandet angeordnet ist.
  • Das Führungsmittel kann als separate Vorrichtung zur Positionierung des Moduls ausgebildet sein, welche ein Modul bzw. die Module in einer jeweils gewünschten Position relativ zu den Lagereinrichtungen positioniert, bspw. in Form einer Bestückungsvorrichtung mit Positions- und/oder Lagesteuerung für das zu bestückende Modul. Hierzu kann eine entsprechende Vermessung, insbesondere der Koordinaten der Lagereinrichtung, in einer Ebene parallel zur Bodenplatte erfolgen.
  • Das Führungsmittel kann bspw. auch als separates Bauteil ausgestaltet sein, welches mit dem Modul und dem Gehäuse zusammenwirkt. Dies kann auch auf vom Modul oder vom Gehäuse umfasst sein. Das Führungsmittel muss derart ausgestaltet sein, dass eine geführte Bewegung des Moduls relativ zum Gehäuse erlaubt und mit welchem das Modul in einer vorgesehenen Endposition führbar ist.
  • Indem die Endposition des Moduls von der Lagereinrichtung beabstandet ist, werden die Fertigungsungenauigkeiten des Moduls und der Lagereinrichtung eliminiert, indem diese flexibel von einem Kontaktelement ausgeglichen werden können. Hierdurch können die vorzusehenden Toleranzen, um entsprechende Ungenauigkeiten ausgleichen zu können, reduziert werden. Insbesondere kann bspw. ein Spalt bzw. eine Schichtdicke zwischen dem Boden des Moduls und einer Bodenplatte des Gehäuses verringert werden. Dies ist insbesondere auch von Vorteil, wenn Module des Energiespeichersystems zu ersetzen sind bzw. ausgetauscht werden müssen, da durch die erfindungsgemäße Lehre eine einfache, sichere und genaue Positionierung des Moduls im Gehäuse auch im Rahmen einer Reparatur oder eines Modulaustausches möglich ist.
  • Das Gehäuse kann mehrteilig ausgeführt sein. Es dient insbesondere der Befestigung des Moduls mittels der Lagereinrichtung. Insbesondere kann dieses bei der Führung des Moduls mit dem Führungsmittel zusammenwirken, so dass eine gewünschte Endposition des Moduls einstellbar ist. Insbesondere kann das Gehäuse bspw. eine Form oder Struktur, insbesondere eine Nut, aufweisen, welche mit dem Modul, bspw. mit einem an dem Modul angeordneten, in die Nut eingreifenden Stift, zusammen eine Führung bewirkt. Das Gehäuse für ein Modul kann als Trennwand zwischen den jeweiligen Modulen ausgestaltet sein und bspw. auch Teil des Gehäuses des Außengehäuses des Energiespeichersystems sein.
  • Unter Beabstandung des Moduls von der Lagereinrichtung in der Endposition ist zu verstehen, dass das Modul die Lagereinrichtung nicht direkt kontaktiert. Der verbleibende Abstand wird mit dem relativ zum Modul beweglichen Kontaktelement überbrückt. Das Modul kann dabei einen Abschnitt aufweisen, der senkrecht über der Lagereinrichtung angeordnet ist.
  • Solange das Modul nicht in der Endposition angeordnet ist, kann das Kontaktelement relativ zum Modul beweglich ausgestaltet sein. Somit kann bspw. durch Verschieben des Kontaktelements in Richtung der Lagereinrichtung ein Kontakt nach Positionieren des Moduls auf einem Gehäuseboden eine Überbrückungsfunktion hinsichtlich des vorhandenen Abstands übernehmen. Ist das Kontaktelement dann in Kontakt mit der Lagereinrichtung wird es am Modul und Gehäuse fixiert. Diese Position des Moduls relativ zum fixierten Kontaktelement und zum Gehäuse wird als Endposition bezeichnet.
  • Das Kontaktelement wird nach seiner Positionierung auf der Lagereinrichtung fest mit dem Modul und dem Gehäuse verbunden bzw. fixiert, bspw. durch Kleben, Schweißen, oder mittels einer anderen, ggf. auch lösbaren, Befestigungsmethode. Wesentlich ist, dass das Kontaktelement, das Modul und das Gehäuse relativ zueinander fixiert sind, wobei in dieser Anordnung das Kontaktelement eine Kraft zwischen Lagereinrichtung und Modul vermitteln kann. Das Kontaktelement kann insbesondere aus Metall gefertigt sein.
  • Die Ausgestaltung des Kontaktelements zur Kraftübertragung von der Lagereinrichtung auf das Modul, insbesondere in Führungsrichtung, erlaubt es, einen harten Verbindungsfall, bspw. im Fall einer Verschraubung bzw. Klemme, einen harten Verschraubungsfall bzw. harten Klemmfall, zu realisieren. Das Kontaktelement kann also eine entsprechende Gegenkraft zwischen Lagereinrichtung und Modul übertragen.
  • Die Anzahl der Lagereinrichtungen kann insbesondere gleich der Anzahl der Kontaktelemente sein. Es kann eine Mehrzahl an Kontaktelementen, insbesondere vier Kontaktelemente, vorgesehen werden, um eine Fixierung des Moduls im Gehäuse an jeweils einer zugehörigen Lagereinrichtung bereitzustellen. Die Kontaktelemente können fluchtend mit der zugeordneten Lagereinrichtung ausgerichtet sein, d.h. die virtuelle Verlängerung des Kontaktelements durchstößt die Lagereinrichtung.
  • Der Energiespeicher kann eine Mehrzahl an Modulen umfassen, wobei jedes Modul in erfindungsgemäßer Weise positioniert werden kann. Insbesondere kann jedes Modul ganz oder teilweise durch ein Gehäuse eingefasst sein, so dass entsprechende Lagereinrichtungen an der Gehäuseseitenwand vorgesehen werden können.
  • Als elektrochemische Zellen können beliebige für die Anwendung geeignete Batteriezellen verwendet werden, insbesondere für Hochvolt-Anwendungen.
  • Das Modul kann eine durchgehende Bohrung aufweisen, in welcher eine Hülse als Kontaktelement angeordnet ist. Ferner können die Führungsmittel die Hülse umfassen. Dabei kann das Führungsmittel und das Gehäuse formmäßig derart aufeinander abgestimmt sein, dass eine Führung des Moduls in eine gewünschte Endposition, insbesondere relativ zur Lagereinrichtung, durch Zusammenwirken mit dem Gehäuse bzw. einer Gehäusewand erfolgt. Das wenigstens eine Führungsmittel kann bspw. als hervorstehendes Führungselement, insbesondere zylindrisches oder halbzylindrisches Führungselement ausgestaltet sein. Dieses kann eine Bohrung aufweisen, innerhalb der die Hülse angeordnet ist. Dieses kann bspw. anstatt einer oder mehrerer senkrechter Kanten des Moduls vorgesehen werden. Es kann jedoch auch an einer Position zwischen zwei senkrechten Kanten des Moduls angeordnet sein. In dieser Form sind bspw. Kontaktelement und Führungsmittel mittels einer Struktur des Moduls kombinierbar. Führungsmittel und Kontaktelement können jedoch auch räumlich getrennt angeordnet sein.
  • Eine Hülse bzw. ein Kontaktelement mit hohlzylindrischer Form ist eine besonders einfache Ausgestaltung eines relativ zum Modul bewegbaren Kontaktelements. Ferner erlaubt ein solches Kontaktelement eine Verbindung der Lagereinrichtung mit dem Modul durch den Hohlraum der Hülse hindurch. In einer möglichen Ausgestaltung sind in der Endposition das Modul und die Lagereinrichtung mittels eines durch die Hülse geführten Befestigungsmittels zusätzlich miteinander fixiert.
  • In einer weiteren Fortbildung des Energiespeichersystems weist die Hülse in ihrer axialen Richtung einen Unterstand über eine Modulbegrenzung in Richtung der Lagereinrichtung auf, wobei die Lagereinrichtung als Anschraublasche ausgebildet ist und der Unterstand auf der Anschraublasche abgestützt ist und das Modul und die Anschraublasche mittels einer durch die Hülse geführten Schraube miteinander befestigt sind. Als Unterstand wird ein Teil der Hülse bezeichnet, der in Richtung der Lagereinrichtung aus dem Modul herausragt. Dieser Unterstand überbrückt den Abstand zwischen Anschraublasche und Modul und erlaubt eine Kraftübertragung in axialer Richtung der Hülse zwischen Anschraublasche und Modul. Diese ist als Gegenkraft zur Kraft der Schraube ausgebildet, welche das Modul mit der Anschraublasche, längs der Hülse, verbindet.
  • In einer möglichen Weiterbildung des Energiespeichersystems ist zwischen einem Boden des Moduls und einer Bodenplatte des Gehäuses eine Schicht aus einem pastösen, wärmeleitenden Material angeordnet, auf welcher der Modulboden im Wesentlichen über seine gesamte Fläche gelagert ist, wobei die Bodenplatte wenigstens einen Kühlkanal im Bereich der Schicht, vorzugsweise unterhalb des Modulbodens, aufweist, in welchen von dem Modul abgegebene Wärme abführbar ist. Eine derartige Schicht von pastösem, wärmeleitenden Material kann flächig derart auf dem Gehäuseboden ausgebracht sein, dass der Modulboden nahezu vollständig flächig mit dem pastösen, wärmeleitenden Material in Kontakt ist, wenn es im Gehäuse angeordnet ist. Als pastösen, wärmeleitenden Material kommen insbesondere sogenannte Gap-Filler in Frage, die insbesondere aus vernetzten Elastomere auf Silikonbasis bestehen, wie beispielsweise der Gap-Filler mit dem Markennamen BERGQUIST GAP FILLER TGF 3600 des Unternehmens Henkel AG & Co. KGaA. Mittlerweile sind aber auch schon silikonfreie Gap-Filler erhältlich. Alternativ kann das pastösen, wärmeleitenden Material auch auf den Modulboden aufgebracht werden und an die Bodenplatte des Gehäuses angepresst werden. Die Aufbringung kann beispielsweise mittels einer Breitschlitzdüse oder einer Runddüse erfolgen.
  • Durch das pastöse, wärmeleitende Material, bspw. einer Wärmeleitpaste oder einem Kleber, mit einem Wärmleitkoeffizienten im Bereich 1,0 bis 6,0 W/mK, insbesondere 1,0 bis 3,5 W/mK, insbesondere1,5 bis 3,5 W/mK, insbesondere 1,0 bis 2,5 W/mK wird eine Wärmeübertragung vom Modul zum Kühlkanal verbessert. Der Wärmeleitkoeffizient kann abhängig von der einzustellenden Schichtdicke gewählt werden. Indem Fertigungsabweichungen des Moduls und der Lagereinrichtung, insbesondere der Abstand der Lagereinrichtung vom Modul in Verschieberichtung des Kontaktelements, durch die dargestellte Lehre beseitigt werden, kann die Schichtdicke des pastösen, wärmeleitenden Materials deutlich verringert werden. Denn die besagten Fertigungsungenauigkeiten müssen nicht durch die Dicke des pastösen, wärmeleitenden Materials ausgeglichen werden. Damit kann eine Materialeinsparung für das pastöse, wärmleitende Material von bspw. bis zu 50% und mehr realisiert werden. Unter Dicke wird die mittlere Dicke der Schicht verstanden, welche in der Regel um diesen Wert nur gering schwankt. In diese Betrachtung für eine mittlere Dicke der Schicht sollen insoweit also nur Abschnitte zwischen Modul und Gehäuse berücksichtigt werden, in denen auch eine Schicht vorliegt.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer verringerten Schichtdicke des pastösen, wärmeleitenden Materials kann auch ein kostengünstigeres Material mit geringerem Wärmeleitkoeffizienten verwendet werden. In einer möglichen Weiterbildung weist das pastöse, wärmleitenden Material eine Dicke von 0,2mm bis 2,5mm auf. Je exakter das Gehäuse von Modul zu Modul gefertigt ist, desto geringer kann die Schichtdicke gewählt werden. Ferner kann das pastöse, wärmeleitende Material bei dieser Dicke einen Wärmeleitkoeffizienten aufweisen, der innerhalb eines Bereichs von 1,0 W/mK bis 3,5 W/mK liegt, insbesondere im Bereich von 1,0 W/mK bis 2,0 W/mK oder 1,0 W/mK bis 2,5 W/mK. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung weist das pastöse, wärmeleitfähige Material eine Schichtdicke von 0,25mm bis 1,0mm bei einem Wärmeleitkoeffizienten im Bereich von 1,0 W/mK bis 1,75 W/mK auf.
  • Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichersystems mit wenigstens einem Modul zur Aufnahme einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen. Es wird auf eine von einem Gehäuse umfassten Bodenplatte und/oder der auf einem Modulboden ein pastöses wärmleitendes Material, insbesondere als eine Schicht und/oder eine Raupe, aufgebracht. Beim Vorgang des Anordnens des Moduls wird das Modul relativ zum Gehäuse derart geführt, dass wenigstens ein vom Modul umfasstes Kontaktelement, das als Hülse ausgebildet ist, in seiner axialen Richtung mit wenigstens einer am Gehäuse angeordneten Lagereinrichtung für das Modul fluchten. Während oder nach Abschluss des Anordenvorgangs des Moduls wird das wenigstens eine Kontaktelement derart in axialer Richtung relativ zum Modul verschoben, dass dieses die fluchtende Lagereinrichtung kontaktiert. Nachdem das wenigstens eine Kontaktelemente mit der Lagereinrichtung in Kontakt ist, wird das wenigstens eine Kontaktelemente mit dem Modul mittels Verschweißen fixiert, so dass das Kontaktelement nicht mehr beweglich relativ zu dem Modul ist und das wenigstens eine Kontaktelement wird mit dem Gehäuse relativ zueinander in dieser Endposition fixiert. Ferner wird das Modul an der Lagereinrichtung bzw. den Lagereinrichtungen mittels Befestigungsmittel fixiert.
  • Mittels eines derartigen Verfahrens kann ein Energiespeichermodul hergestellt werden, dass eine geringe Schichtdicke an pastösem, wärmeleitenden Material benötigt und eine unaufwändige und einfache Anordnung des Moduls in einem Gehäuse erlaubt.
  • Die Fixierung des Kontaktelements am Gehäuse und das Fixieren des Kontaktelements am Modul kann in einem gemeinsamen Fixierungsschritt erfolgen, oder in getrennten Schritten. Ggf. können für die Fixierung von Kontaktelement und Gehäuse und Kontaktelement und Modul unterschiedliche Fixierungsmittel verwendet werden. Das pastöse wärmeleitende Material kann als Schicht aufgebracht werden oder als Raupe. In der Endposition soll hierdurch wenigstens abschnittsweise eine Schicht zwischen Bodenlatte und Modulboden ausgebildet werden, um die Wärme vom Modul abzuführen. In einer Ausgestaltung kann die Schicht flächig zwischen dem gesamten Modulboden und der Bodenplatte angeordnet sein.
  • In einer Fortbildung des Herstellungsverfahrens wird beim Vorgang des Anordnens des Moduls auf der Bodenplatte das Modul mittels einer Kalotte auf der Schicht positioniert. Durch die Verwendung einer Kalotte erfolgt ein flächiger Kraftausgleich während des Vorgangs der Anordnung des Moduls auf der Bodenplatte des Gehäuses. Eine Keilbildung zwischen Boden des Moduls und Bodenplatte des Gehäuses wird ausgeglichen, indem das Modul entsprechend der Neigung der Bodenplatte orientiert wird, sobald die Bodenplatte an einer Stelle des Modulbodens eine Kraft auf das Modul ausübt. Es kommt durch die Befestigung des Moduls an einer Kalotte zu einer Drehbewegung des Moduls und einer im Wesentlichen parallelen Anordnung des Modulbodens auf der Bodenplatte.
  • In einer weiteren Fortbildung des Herstellungsverfahrens wird, insbesondere nach Abschluss des Anordenvorgangs und Positionierung der Hülse auf der Lagereinrichtung, das Modul mit der Hülse verschweißt wird und das Modul mittels einer durch die Hülse geführten Schraube mit einer als Anschraublasche ausgestalteten Lagereinrichtung verschraubt wird. Es kann auch die Hülse mit dem Gehäuse verschweißt werden. Das Verschweißen erlaubt eine sichere und schnelle Fixierung, welche einen entsprechenden Durchsatz bei der Herstellung eines Energiespeichers erlaubt. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn der Energiespeicher aus einer Vielzahl von Modulen aufgebaut ist, bspw. 30 Module oder mehr.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Figur erläutert. Es zeigt
    • 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems mit einem Modul in der Endposition,
    • 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems mit einem Modul während des Anordenvorgangs des Moduls im Gehäuse, und
    • 3 ein Flussdiagramm zur schematischen Darstellung eines beispielhaften Ablaufs eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
  • Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Auszugs eines Energiespeichersystems 1 mit drei benachbarten Modulen 2. Diese weisen jeweils eine Mehrzahl an nicht dargestellten elektrochemischen Zellen auf. Die Module 2 sind voneinander durch ein Gehäuse 3 abgegrenzt. Die benachbart zum mittig dargestellten Modul 2 dargestellten Module 2 sind lediglich schematisch angedeutet. Das Energiespeichersystems 1 kann eine Vielzahl von Modulen 2 umfassen. Das Modul 2 ist vorzugsweise achsensymmetrisch zu seinen Hauptmittenachsen ausgestaltet, d.h. den Achsen, die durch den Mittelpunkt des Moduls laufen und senkrecht auf den Begrenzungsflächen des Moduls 2 stehen.
  • Das Modul 2 weist beispielhaft vier Kontaktelemente 6 in Form von metallischen Hülsen auf, welche in 1 zur Verdeutlichung schraffiert dargestellt sind. Diese Hülsen 6 sind in vier entsprechenden Bohrungen des Moduls 2 in Ecken des Moduls 2 angeordnet und erstrecken sich parallel zu einer Seitenwand des Gehäuses 3. Es können auch mehr oder weniger Kontaktelemente 6 vorgesehen werden, z.B. zwei. Ein Innenradius der Bohrung des Moduls 2 entspricht im Wesentlichen dem Außenradius der Hülse 6, wobei die Dimensionierung einerseits sicherstellt, dass die Hülse 6 während des Einführens des Moduls 2 in das Gehäuse 3 relativ zum Modul 2 durch eine Druck- oder Schiebekraft in Längsrichtung der Hülse 6 relativ zum Modul 2 beweglich ist, andererseits aber bei nicht vorliegender Kraft auf die Hülse 6 in der Bohrung gehalten wird.
  • In der Endposition E soll die Öffnung der Hülse 6 fluchtend mit einer Öffnung einer am Gehäuse 3 vorhandenen Lagereinrichtung 5 ausgerichtet sein. Die Lagereinrichtung 5 ist vorliegend als Anschraublasche 5 ausgestaltet. Die Mittenlängsachse der Hülse 6 und die Mittenlängsachse des Schraublochs der Anschraublasche 5 sind in der Endposition E im Wesentlichen deckungsgleich. Die Anschraublasche 5 erstreckt sich von einer dem Modul 2 zugewandten Seitenwand des Gehäuses 3, im Wesentlichen parallel zu einer Bodenplatte 11 des Gehäuses 3 in Richtung des Moduls 2. Die Anzahl der Anschraublaschen 5 stimmt mit der Anzahl der Hülsen 6 überein.
  • Eine Führung des Moduls 2 relativ zum Gehäuse erfolgt mittels eines Führungsmittels 4. Dieses Führungsmittel 4 ist im Ausführungsbeispiel als Bestückungsautomat ausgestaltet, mittels dem das jeweilige Modul 2 an einer festgelegten Position im Gehäuse 3, insbesondere relativ zu den Anschraublaschen 5, positionierbar ist. Dazu kann die jeweilige Position und/oder Lage der Anschraublasche 5 im Gehäuse 3 vorab vermessen werden und einer Steuerung und/oder Regelung für den Positioniervorgang des Moduls 2 zur Verfügung gestellt werden. Diese positioniert dann das Modul 2 auf einer entsprechenden Soll-Position, bspw. derart, dass eine Längsmittenachse der Hülse 6 mit der Mittenachse der Öffnung einer Anschraublasche 5 fluchtet.
  • Das Modul 2 wird freistehend positioniert, d.h. die Wände des Moduls 2, welche den Gehäusewänden, insbesondere senkrecht zum Modulboden 10, gegenüberliegen, kontaktieren nicht die entsprechenden Gehäusewände. Dies ist insbesondere hinsichtlich einer Wärmeausdehnung des Moduls 2 von Vorteil.
  • Alternativ können auch körperliche Führungsmittel vorgesehen werden. Bspw. können statt der senkrechten Kanten des Moduls 2 Zylinderelemente in diesen Kantenbereichen vorgesehen, in welchen die Bohrung für die Hülsen 6 und die Hülsen 6 angeordnet sind. Die Zylinderelemente greifen in eine für diese vorgesehene Aussparung oder Erweiterung des Gehäuses 3 ein, wodurch das Modul 2 gezielt derart führbar ist, dass die Hülsen 6 oberhalb der Anschraublaschen 5 mit diesen fluchtend positionierbar sind. Dies ist in 1 nicht gezeigt.
  • In der Endposition E ist das Modul 2 auf einer Bodenplatte 11 des Gehäuses 3 gelagert. Zwischen einem Modulboden 10 und der Bodenplatte 11 des Gehäuses ist ein pastöses, wärmeleitendes Material aufgetragen. Diese weist im Ausführungsbeispiel eine Dicke D von 0,35mm auf und einen Wärmleitkoeffizienten im Bereich zwischen 1,1 W/mK und 1,90 W/m K.
  • Die vergleichsweise geringe Dicke erlaubt die Auswahl eines kostengünstigeren pastösen, wärmeleitenden Materials. Es wird mithin nicht nur weniger pastöses, wärmeleitendes Material aufgrund der geringeren Dicke benötigt, sondern es können auch Kosten durch Verwendung eines kostengünstigeren pastösen, wärmeleitenden Materials mit geringerem Wärmeleitkoeffizienten gespart werden.
  • Die Dicke D der Schicht des pastösen, wärmeleitenden Materials als Wärmeleitpaste beträgt im Ausführungsbeispiel 0,35mm. Dies genügt, da insbesondere das vertikale Spiel der Anschraublaschen 5 und die Abweichungen in der Form von Modul 2 zu Modul 2 mittels der Hülsen 6 ausgeglichen werden kann.
  • Die von den elektrochemischen Zellen erzeugte Wärme wird vom Modulboden 10 über die wärmeleitende Schicht 9 in die Bodenplatte 11 des Gehäuses 3 eingeleitet. Die Bodenplatte 11 des Gehäuses 3 umfasst beispielhaft eine Mehrzahl an Kühlkanälen 12, welche im Betrieb mit einem Kühlmedium, insbesondere Kühlflüssigkeit, befüllt sind und die vom Modul 2 abgeleitete Wärme aufnehmen und abführen.
  • In der Endposition E ist die Hülse 6 in Kontakt mit der Anschraublasche 5 und die Öffnung der Hülse 6 befindet sich direkt oberhalb der Öffnung der Anschraublasche 5. Die ringförmige, in Richtung Bodenplatte 11 orientierte Stirnfläche der Hülse 6 kontaktiert die Anschraublasche 5. Damit weist die Hülse 6 einen Unterstand 8 gegenüber einem Abschnitt des Moduls 2 auf, der die Bohrung für die Hülse 6 radial begrenzt. Die Hülse 6 ragt also nach unten über die Begrenzung des Moduls 2 hinaus. In diesem Zustand ist die Hülse 6 relativ zum Modul 2 und auch zum Gehäuse 3 fixiert, indem diese mit einem Teil des Moduls 2 und mit einem Teil des Gehäuses 3 mittels einer Schweißnaht 13 verschweißt ist.
  • Ferner ist in der Endposition E das Modul 2 mit einer durch die Hülse 6 geführten Schraube 7 mit der Anschraublasche 5 verschraubt. Durch die auf die Anschraublasche 5 gestützte Hülse 6 wird ein harter Schraubfall erzeugt, der eine sichere Fixierung des Moduls 2 am Gehäuse 3 sicherstellt.
  • 2 zeigt das Modul 2 nicht in einer Endposition, sondern in einem Zustand während des Positionierens/Anordnens des Moduls 2 im Gehäuse 3 bzw. während des Einführens in das Gehäuse 3. Das Modul 2 ist an einer Kalottenhalterung 14 angeordnet und an dieser drehbar gelagert, insbesondere drehbar um eine Achse senkrecht zur Blattebene. Mit der Kalottenhalterung 14 kann das Modul 2 in das Gehäuse 3 abgesenkt werden.
  • Durch die Kalottenhalterung 14 wird beim Einführen des Moduls 2 ein Verkanten des Modulbodens 10 relativ zur Bodenplatte 11 vermieden, was aufgrund der Verformung von Modulboden 10 und Bodenplatte 11 möglich ist. Mittels der drehbaren Lagerung an der Kalotte wird das Modul 2 und damit der Modulboden 10 der Neigung der Bodenplatte 11 nachgeführt. Kontaktiert der Modulboden 10 einen ersten Teilbereich der Bodenplatte 11 wird durch die Kraft des Aufliegens des Modulbodens auf der Bodenplatte beim weiteren Absenken ein Drehmoment auf das Modul 2 ausgeübt, welches die Lage des Moduls der Lage der Bodenplatte 1 angleicht. Ferner erlaubt die Kalotte eine flächige Kraftverteilung und verringert die auf das Modul 2 wirkenden Biegemomente beim Einführen des Moduls 2 in das Gehäuse 3.
  • Die Hülsen 6 sind während des Einführens des Moduls 2 in das Gehäuse 3 relativ zu deren Position in der Endposition angehoben, so dass diese ein Absenken des Moduls auf die Schicht 9 der Wärmleitpaste nicht behindern. Erst wenn das Modul 2 auf der Schicht 9 gelagert bzw. abgesetzt ist, werden die Hülsen 6 in Richtung der Bodenplatte 11 relativ zum Modul 2 verschoben bis diese die Anschraublaschen 5 kontaktieren. Die Hülsen 6 weisen hierzu bspw. eine Übermaßpassung hinsichtlich der Bohrung des Moduls 2 auf.
  • Alternativ können die Hülsen 6 einen großen Unterstand 8 aufweisen, so dass während des Anordenvorgangs des Moduls 2 im Gehäuse 3 zunächst die Hülsen 6 die Anschraublaschen 5 kontaktieren, bevor der Modulboden 10 auf der Schicht 9 aufliegt. Durch das weitere Absenken des Moduls 2 in geführter Weise mittels der Kalotte 14 werden die Hülsen 6 durch die Bohrung nach oben, also entgegensetzt zur Einführungsrichtung R des Moduls 2 in das Gehäuse 3, verschoben. Dies erfolgt solange, bis der Modulboden 10 auf der Bodenplatte 11 bzw. der Schicht 9 aufliegt. Hierdurch kann ein Verschieben der Hülsen 6 nach Lagerung des Moduls 2 auf der Schicht entfallen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn sämtliche Hülsen vor dem Kontakt mit den Anschraublaschen 5 einen identischen Unterstand 8 aufweisen. Die Hülsen 6 weisen hierzu bspw. eine Übermaßpassung hinsichtlich der Bohrung des Moduls 2 auf.
  • Mittels eines derartigen Energiespeichersystems kann mit höheren Fertigungsungenauigkeiten einfacher umgegangen werden, insbesondere kann hierdurch signifikant pastöses, wärmeleitenden Material eingespart werden und es können kostengünstigere pastöse, wärmeleitende Materialen verwendet werden. Die wählbaren Schichtdicken sind unter anderem noch abhängig von der Fertigungsqualität bzw. Fertigungsgenauigkeit des Gehäuses bzw. des Rahmens. Bei exzellenter Tolerierung des Gehäuses bzw. Rahmens und der Lagereinrichtungen kann die Schichtdicke auf 0,3mm und ggf. auch darunter beschränkt werden. Ausgehend von einer derzeitigen Dicke der Schicht von 2,5mm ergibt sich damit ein Einsparpotential an pastösem, wärmeleitenden Material im Umfang von ca. 88%.
  • 3 zeigte einen schematischen Verfahrensablauf 100 für eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Ausführungsvariante eines Energiespeichers.
  • In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird bspw. mittels einer Breitschlitzdüse eine flächige Schicht oder mittels einer Runddüse eine Raupe von pastösem, wärmeleitenden Material auf der Bodenplatte des Moduls aufgebracht. Im Ausführungsbeispiel wird ein flächige Schicht aufgebracht. Die Aufbringung erfolgt derart, dass die Schicht in der Endposition eine in etwa gleichmäßige Dicke von 0,35mm aufweist. Bei den üblichen abzuführenden Wärmemengen kann ein pastöses, wärmeleitendes Material gewählt werden mit einem Wärmeleitkoeffizienten von 1,5 W/mK bis 1,9W/mK. Bei steigenden Wärmemengen kann ein pastöses, wärmeleitenden Material auch mit höheren Wärmeleitkoeffizienten verwendet werden.
  • Die Fläche der Schicht, die auf der Bodenplatte aufgebracht wird, sollte dabei auf die Fläche des Modulbodens abgestimmt sein, bzw. etwas größer als die Fläche des Modulbodens sein, so dass der gesamte Modulboden durch die Schicht kontaktiert wird und eine gute Wärmeableitung vom gesamten Modulboden möglich ist.
  • Alternativ kann die Schicht auf dem Modulboden derart aufgebracht sein, dass der Modulboden im Wesentlichen vollständig mit dem pastösen, wärmeleitenden Material bedeckt ist, wobei die Schicht eine im Wesentlichen konstante Dicke von 0,35mm aufweist. Die Schicht wird dann zusammen mit dem Modul in das Gehäuse eingeführt.
  • In einem zweiten Verfahrensschritt 102 wird das Modul an einer Kalotte zum Einführen bzw. Positionieren bzw. Anordnen des Moduls im Gehäuse befestigt. Die Anbringung der Kalotte erfolgt auf einer dem Modulboden gegenüberliegenden Seite des Moduls. Es können auch andere Mittel als eine Kalotte zum Anordnen des Moduls genutzt werden.
  • In einem dritten Verfahrensschritt 103 wird das Modul in das Gehäuse abgesenkt. Mittels eines als Bestückungsautomaten ausgestalteten Führungsmittels erfolgt eine gesteuerte bzw. geregelte geführte Absenkung des Moduls in das Gehäuse auf eine gewünschte Position des Moduls. Es kann zudem ein gesteuertes und/oder geregeltes Einführen des Moduls auf Grundlage der Anpresskraft des Moduls auf der Bodenplatte bzw. der Schicht erfolgen. Die vom Modul umfassten Hülsen sind in einer ersten erhöhten Position angeordnet. Die Führung erfolgt derart, dass die Öffnung der Hülsen in Flucht mit der Bohrung der Anschraublaschen abgesenkt werden, aber das Modul die Anschraublaschen nicht kontaktiert.
  • Während des Absenkvorgangs kontaktieren auch die Hülsen die Anschraublaschen aufgrund der erhöhten Position nicht. Dieser Schritte entfällt, wenn das Modul in das Gehäuse eingeführt wird und bereits beim Einführen des Moduls die Hülsen einen Unterstand aufweisen, der größer ist als der Abstand der Lagereinrichtung vom Modul in Schieberichtung der Hülsen in der Endposition.
  • In einem vierten Verfahrensschritt 104 erfolgt ein Absetzen und Andrücken des Moduls auf der Schicht aus pastösem, wärmeleitenden Material bzw. der Bodenplatte. Hierdurch wird ein flächiger Kontakt des Modulbodens mit dem pastösen, wärmeleitenden Material erreicht und eine gute Wärmeleitung sichergestellt. Anschließend kann die Kalotte vom Modul gelöst werden. In dieser Position sind das Modul und die Hülsen noch von der Lagereinrichtung beabstandet.
  • In einem fünften Verfahrensschritt 105 werden die Hülsen relativ zum Modul in Richtung Bodenplatte verschoben, bis diese auf der Anschraublasche aufliegen bzw. diese kontaktieren.
  • In einem sechsten Verfahrensschritt 106 erfolgt eine Fixierung der Hülse am Modul und/oder der Hülse am Gehäuse, so dass diese nicht mehr beweglich relativ zu Gehäuse bzw. Modul ist. Dies kann mittels Verschweißen oder Kleben erfolgen. Im Fall der Hülse bietet sich eine halbringförmige oder ringförmige Schweißnaht um einen nach oben aus dem Modul, also auf einer von der Anschraublasche abgewandten Seite des Moduls, herausstehenden Teil der Hülse an. Es können jedoch auch andere, ggf. auch lösbare Fixierverfahren, zur Festsetzung der Hülse an Gehäuse und/oder Modul verwendet werden.
  • In einem siebten Verfahrensschritt 107 erfolgt eine Verschraubung des Moduls mit der Anschraublasche, wobei die Schraube durch den Innenraum der Hülse geführt wird. Da die Hülse auf der Anschraublasche aufliegt kann ein fester Schraubfall realisiert werden und das Modul sicher am Gehäuse befestigt werden.
  • Das Verfahren wird anschließend für ein nächstes Modul ausgeführt, bis die gewünschte Anzahl an Modulen im Gehäuse des Energiespeichersystems installiert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Energiespeichersystem
    2
    Modul
    3
    Gehäuse
    4
    Führungsmittel
    5
    Lagereinrichtung: Anschraublasche
    6
    Kontaktelemente: Hülse
    7
    Befestigungsmittel: Schraube
    8
    Unterstand
    9
    Schicht
    10
    Modulboden
    11
    Bodenplatte des Gehäuses
    12
    Kühlkanal
    13
    Schweißnaht
    14
    Kalottenhalterung
    E:
    Endposition
    D:
    Dicke der Schicht
    100
    Schematischer Verfahrensablauf.
    101
    Aufbringen einer Schicht mit im wesentlichen konstanter Dicke aus pastösem Material auf der gehäuseseitigen Seite des Modulbodens
    102
    Befestigen der dem Modulboden gegenüberliegenden Moduloberseite an einer Kalotte
    103
    Geführtes Anordnen bzw. Absenken des Moduls auf der Bodenplatte
    104
    Absetzen des Moduls und Andrücken des Moduls auf die Bodenplatte
    105
    Verschieben der vom Modul umfassten Hülsen relativ zum Modul zur Kontaktierung der Anschraublaschen
    106
    Verschweißen der Hülse und des Moduls und Verschweißen der Hülse mit dem Gehäuse
    107
    Einführung einer Schraube in die Hülse und Befestigung des Moduls mit der Anschraublasche

Claims (9)

  1. Energiespeichersystem (1) mit wenigstens einem Modul (2) zur Aufnahme einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen, wobei das Modul (2) von einem Gehäuse (3) zumindest teilweise umgeben ist, wobei das Gehäuse (3) an gegenüberliegenden, zum Modul (2) hin orientierten Seiten wenigstens eine Lagereinrichtung (5) zur Befestigung des Moduls (2) aufweist, und das Modul (2) in einer von der Lagereinrichtung (5) beabstandeten Endposition (E) anordbar ist, wobei in der Endposition (E) mittels eines Kontaktelements (6) eine Kraft von der Lagereinrichtung (5) auf das Modul (2) übertragbar ist, und in der Endposition (E) das Kontaktelement (6) mit dem Gehäuse (3) und dem Modul (2) positionsfest fixiert ist, wobei das Kontaktelement (6) als eine vom Modul (2) umfasste Hülse (6) ausgebildet ist, und wobei die Hülse (6) mittels Verschweißen an dem Modul (2) fixiert ist, so dass diese nicht mehr beweglich relativ zu dem Modul (2) ist.
  2. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, wobei in der Endposition (E) das Modul (2) und die Lagereinrichtung (5) mittels eines durch die Hülse (6) geführten Befestigungsmittels (7) zusätzlich miteinander fixiert sind.
  3. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Hülse (6) in einer axialen Richtung (A) einen Unterstand (8) über eine Begrenzung des Moduls (2) in Richtung der Lagereinrichtung (5) aufweist, wobei die Lagereinrichtung (5) als Anschraublasche (5) ausgebildet ist und der Unterstand (8) auf der Anschraublasche (5) abgestützt ist und das Modul (2) und die Anschraublasche (5) mittels eines durch die Hülse (6) geführten, als Schraube ausgestalteten Befestigungsmittels (7) relativ zueinander befestigt sind.
  4. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen einem Boden (10) des Moduls (2) und einer Bodenplatte (11) des Gehäuses (3) eine Schicht (9) aus einem pastösen, wärmeleitenden Material angeordnet ist, auf welcher der Modulboden (10) im Wesentlichen über seine gesamte Fläche gelagert ist, wobei die Bodenplatte (11) wenigstens einen Kühlkanal (12) im Bereich der Schicht (9), vorzugsweise unterhalb des Modulbodens (10), aufweist, in welchen von dem Modul (2) abgegebene Wärme abführbar ist.
  5. Energiespeichersystem nach Anspruch 4, wobei die Schicht (9) des pastösen, wärmleitenden Materials eine Dicke (D) von 0,2mm bis 2,5mm aufweist.
  6. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das pastöse, wärmeleitende Material einen Wärmeleitkoeffizienten von 3,5W/mK oder weniger aufweist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichersystems (1) mit wenigstens einem Modul (2) zur Aufnahme einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen, wobei auf eine von einem Gehäuse (3) umfassten Bodenplatte (11) und/oder der auf einem Modulboden (10) ein pastöses wärmleitenden Material aufgebracht wird (101), wobei das Modul (2) auf der Bodenplatte (11) derart angeordnet wird (103), dass eine Schicht (9) zwischen Modul (2) und Bodenplatte (11) angeordnet ist, wobei beim Vorgang des Anordnens des Moduls (2) das Modul (2) relativ zum Gehäuse (3) derart geführt wird (104), dass wenigstens ein vom Modul umfasstes Kontaktelement (6), das als eine Hülse ausgebildet ist, in seiner axialen Richtung mit einer am Gehäuse (3) angeordneten wenigstens einen Lagereinrichtung (5) fluchtet (105), wobei während oder nach Abschluss der Anordnung des Moduls (2) das wenigstens eine Kontaktelement (6) derart in axialer Richtung relativ zum Modul (2) verschoben wird (105), dass dieses die fluchtende Lagereinrichtung (5) kontaktiert, und wobei nach Kontaktieren der Lagereinrichtung (5) das Modul (2) mit dem wenigstens einen Kontaktelement (6) mittels Verschweißen fixiert wird, so dass das Kontaktelement (6) nicht mehr beweglich relativ zu dem Modul (2) ist, und das wenigstens eine Kontaktelement (6) mit dem Gehäuse (3) relativ zueinander in dieser Endposition (E) fixiert wird (106), wobei das Modul (2) an der wenigstens einen Lagereinrichtung (5) mittels eines Befestigungsmittels (7) fixiert wird (107).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei beim Vorgang des Anordnens des Moduls (2) auf der Bodenplatte (11) das Modul (2) an einer Kalotte (14) befestigt (102) ist und das Modul (2) mit dieser auf der Bodenplatte (11) angeordnet wird (103).
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das Modul (2) mit der Hülse (6) verschweißt wird (106) und die Hülse (6) mit dem Gehäuse (3) verschweißt wird (106) und das Modul (2) mittels einer durch die Hülse (6) geführten Schraube (7) mit einer als Anschraublasche (5) ausgestalteten Lagereinrichtung (5) verschraubt wird (107).
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