DE102019127676A1

DE102019127676A1 - Schweißvorrichtung zum Verschweißen von Elektroden zweier benachbarter Batteriezellen einer Batterie, Batterie und Verfahren zur Herstellung einer Batterie

Info

Publication number: DE102019127676A1
Application number: DE102019127676.4A
Authority: DE
Inventors: Dominik Grass; Rüdiger Klutinus; André Häusler; Sören Hollatz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2021-04-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen von Elektroden zweier benachbarter Batteriezellen einer Batterie, mit einem Niederhalter (42), welcher ausgeführt ist, die beiden zu verschweißenden Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) der benachbarten Batteriezellen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) derart aneinander zu drücken, dass die überlappenden Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) aneinander anliegen, und einer Schweißeinheit (50), welche ausgeführt ist, zwei sich überlappende und durch den Niederhalter (42) aneinander gedrückte Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) der benachbarten Batteriezellen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) miteinander zu verschweißen, wobei der Niederhalter (42) zum Verschweißen der Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) an einer die Batteriezellen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) aufnehmenden Endplatte (30) der Batterie (10) lösbar befestigbar ist, wobei die Endplatte (30) ein zum Niederhalter (42) korrespondierendes Niederhalter-Gegenstück (421, 422, 423, 424) aufweist, wobei die sich überlappenden und miteinander zu verschweißenden Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) zusammengedrückt zwischen dem Niederhalter (42) und dem Niederhalter-Gegenstück (421, 422, 423, 424) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen von Elektroden zweier benachbarter Batteriezellen einer Batterie, mit einem Niederhalter, welcher ausgeführt ist, die beiden zu verschweißenden Elektroden der benachbarten Batteriezellen derart aneinander zu drücken, dass die überlappenden Elektroden aneinander anliegen, und einer Schweißeinheit, welche ausgeführt ist, zwei sich überlappende und durch den Niederhalter aneinander gedrückte Elektroden der benachbarten Batteriezellen miteinander zu verschweißen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie und ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie.
Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien für die Anwendung als Energiespeicher zur Bereitstellung der für den Betrieb von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, umfassen üblicherweise mehrere Batteriezellen, wobei die Batteriezellen jeweils eine negative Elektrode und eine positive Elektrode aufweisen. Bei der Verschaltung der Batteriezellen zu einer Batterie können die Elektroden der Batteriezellen entweder über Zellverbinder elektrisch miteinander verbunden werden oder direkt miteinander verschweißt werden. Dabei weist eine Schweißverbindung vorteilhafterweise einen niedrigen elektrischen Übergangswiderstand auf und ermöglicht eine dauerhaft stabile Verbindung zwischen den Elektroden.
Die Verschweißung der Elektroden der zueinander benachbarten Batteriezellen erfolgt durch eine Schweißvorrichtung, wobei eine derartige Schweißvorrichtung beispielsweise die EP 3 305 460 A1 offenbart. Die Schweißvorrichtung weist eine bewegliche Schweißeinheit auf, durch welche eine Elektrode einer ersten Batteriezelle mit einer Elektrode einer zur ersten Batteriezelle benachbarten, zweiten Batteriezelle verschweißt werden, wobei die Elektrode der ersten Batteriezelle und die Elektrode der zweiten Batteriezellen sich überlappen und durch die Schweißverbindung durch Einwirken der Schweißeinheit auf den überlappenden Bereich der beiden Elektroden hergestellt wird. Des Weiteren weist die Schweißvorrichtung einen Niederhalter auf, welcher an der Schweißeinheit befestigt ist. Der Niederhalter wirkt auf die sich überlappenden und zu verschweißenden Elektroden und drückt diese zusammen, so dass die Elektroden aneinander anliegen. Anschließend wird die Schweißeinheit betätigt und die Elektroden miteinander verschweißt.
Nachteilhaft an einer derartigen Schweißvorrichtung ist, dass der Niederhalter an der Schweißeinheit befestigt ist und dadurch das zu bewegende Gewicht und die damit verbundene Antriebsleistung zum Antreiben der Schweißeinheit relativ hoch ist. Dabei muss die Schweißeinheit zur Verbindung aller Batteriezellen zu einer Batterie eine Vielzahl von Verfahrbewegungen durchführen, wobei der Niederhalter dauerhaft mitbewegt wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schweißvorrichtung mit einer reduzierten Antriebsleistung und einem reduzierten Energieverbrauch zur schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass der Niederhalter zum Verschweißen der Elektroden an einer die Batteriezellen aufnehmenden Endplatte der Batterie lösbar befestigbar ist, wobei die Endplatte ein zum Niederhalter korrespondierendes Niederhalter-Gegenstück aufweist, wobei die sich überlappenden und miteinander zu verschweißenden Elektroden zusammengedrückt zwischen dem Niederhalter und dem Niederhalter-Gegenstück angeordnet sind, wird eine Schweißvorrichtung geschaffen, welche eine reduzierte Antriebsleistung erfordert und damit einen reduzierten Energieverbrauch aufweist, wobei das von einer Antriebsvorrichtung zu bewegende Gewicht reduziert wird, da der Niederhalter fest an der Endplatte montiert ist und nicht während den gesamten Schweißvorgängen mitbewegt werden muss. Des Weiteren weist die Schweißeinheit einen reduzierten Bauraum auf, wodurch die Bewegungsfreiheit der Schweißeinheit erhöht wird.
Der Niederhalter wird vor dem Schweißvorgang an der Endplatte der Batterie befestigt und drückt ausschließlich durch seine Befestigung an der Endplatte die beiden zu verschweißenden Elektroden der benachbarten Batteriezellen aneinander. Dabei drückt der Niederhalter die beiden Elektroden auf das an der Endplatte vorgesehene Niederhalter-Gegenstück, so dass die miteinander zu verschweißenden Elektroden zwischen dem Niederhalter und dem Niederhalter-Gegenstück eingespannt sind. Nach der Befestigung des Niederhalters wird die Schweißeinheit betätigt und die sich überlappenden Elektroden im Überlappungsbereich miteinander verschweißt. Nach dem Schweißvorgang wird der Niederhalter wieder demontiert.
Vorzugsweise weist der Niederhalter an seiner der Endplatte zugewandten Seite einen Niederhalteabschnitt auf, mit welchem der Niederhalter an den überlappenden Elektroden anliegt, wobei die Schweißeinheit an einer der Endplatte abgewandten Seite des Niederhalters angeordnet ist, wobei der Niederhalter eine Durchgangsöffnung aufweist, durch welche sich ein Schweißstrahl der Schweißeinheit erstreckt. Die Durchgangsöffnung ist im Bereich der sich überlappenden und miteinander zu verschweißenden Elektroden angeordnet.
Vorzugsweise ist der Niederhalter mit der Endplatte durch mindestens eine Schraube befestigbar, wodurch der Niederhalter einfach und kostengünstig mit der Endplatte lösbar verbunden werden kann. Dabei weist der Niederhalter eine Durchgangsöffnung und die Endplatte weist eine Gewindebohrung auf, wobei ein Schraubenkopf einer Schraube an dem Niederhalter anliegt und ein Schraubenschaft der Schraube sich durch die Durchgangsbohrung erstreckt und in die Gewindebohrung eingeschraubt ist.
Vorzugsweise weist der Niederhalter ein über ein Federelement axial vorgespanntes Druckelement auf, wobei das Druckelement die miteinander zu verschweißenden Elektroden belastet. Das federvorgespannte Druckelement ist im Bereich, in welchem die zu verschweißenden Elektroden aneinandergedrückt werden, vorgesehen und axial verschiebbar und federvorgespannt gelagert.
Durch dieses federvorgespannte Druckelement können die Elektroden zuverlässig aneinandergedrückt werden, wobei Toleranzen ausgeglichen werden können und ein Überdrücken der Elektroden verhindert werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt der Niederhalter an mindestens einem an der Endplatte vorgesehenen Abstandhalter an, wodurch ein vordefiniertes Zusammendrücken der sich überlappenden Elektroden erzielt wird und zum einen eine Beschädigung der Elektroden durch eine zu hohe, auf die Elektroden wirkende mechanische Belastung durch den Niederhalter verhindert wird und zum anderen ein Anliegen der miteinander zu verschweißenden Elektroden gewährleistet wird.
Vorzugsweise ist die Schweißeinheit eine Laserschweißeinheit, wodurch ein konzentrierter Energieeintrag ausschließlich an den Elektroden erzielt wird und eine Beschädigung der umliegenden Komponenten der Batteriezelle aufgrund hoher thermischer Belastung verhindert wird.
Die Aufgabe wird außerdem durch eine Batterie mit den Merkmalen aus Anspruch 6 gelöst, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist und mit einer Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist. Dadurch können die Herstellungskosten der Batterie reduziert werden.
Vorzugsweise weist das Niederhalter-Gegenstück einen an die verschweißten Elektroden angrenzenden Kühlkanal auf. Die Elektroden der Batteriezellen erwärmen sich im Betrieb der Batterie. Durch den am Niederhalter-Gegenstück angeordneten und an die Elektroden angrenzenden Kühlkanal können die Elektroden aktiv gekühlt werden und dadurch die Lebensdauer der Batterie erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Batteriezellen als Pouch-Zellen ausgeführt. Die Pouch-Zellen weisen aufgrund des fehlenden Außengehäuses eine geringe Dicke und ein geringes Gewicht auf, so dass die Batterie kleiner und leichter ausgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit einer Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Dabei wird zunächst der Niederhalter an der Endplatte befestigt, wobei durch das Befestigen des Niederhalters die miteinander zu verbindenden Elektroden zwischen dem Niederhalter-Gegenstück und dem Niederhalter aneinandergedrückt werden. Anschließend wird die Schweißeinheit betätigt und die aufeinandergedrückten Elektroden miteinander verschweißt. Abschließend wird der Niederhalter demontiert. Durch ein derartiges Verfahren können die Herstellungskosten der Batterie reduziert werden, indem ausschließlich die Schweißeinheit während der Vielzahl von Schweißvorgängen bewegt werden muss und damit die Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung zum Bewegen der Schweißeinheit reduziert werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung in schematischer Ansicht.
Die Figur zeigt eine Batterie 10, beispielsweise eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, wobei die Traktionsbatterie mindestens eine mit einer Antriebsachse des Elektrofahrzeugs verbundene elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt.
Die Batterie 10 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, welche als Pouch-Zellen ausgeführt sind und nebeneinander stapelartig angeordnet sind. Die Batterie 10 kann beliebig viele Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 aufweisen, wobei durch die unterschiedliche Anzahl der Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 die Energiekapazität der Batterie 10 variiert werden kann. In der vorliegenden Ausführung weist die Batterie 10 acht Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 auf.
An einem ersten axialen Ende der Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 ist eine ersten Endplatte 30 angeordnet und an einem zweiten axialen Ende der Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 207, 208 ist eine zweite Endplatte 60 angeordnet. Beide Endplatten 30, 60 dienen zum stapelartigen Zusammenhalten der Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208.
Die Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 sind miteinander in Reihe elektrisch verbunden. Hierzu weist jede Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 jeweils eine erste Elektrode 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 und eine zweite Elektrode 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238 auf. Die ersten Elektroden 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 sind am ersten axialen Ende der jeweiligen Batteriezelle 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 angeordnet und erstrecken sich durch jeweils eine an der ersten Endplatte 30 vorgesehenen Durchgangsöffnung 341, 342, 343, 344, 345 346, 347, 348. Die zweiten Elektroden 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238 sind am zweiten axialen Ende der jeweiligen Batteriezelle 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 angeordnet und erstrecken sich durch jeweils eine an der zweite Endplatte 60 vorgesehene Durchgangsöffnung 641, 642, 643, 644, 645, 646, 647, 648.
Die zweiten Elektroden 231, 238 der am Rand angeordneten Batteriezellen 201, 208 sind mit einem externen Stromkreis elektrisch verbunden. Die restlichen zweiten Elektroden 232, 233, 234, 235, 236, 237 der Batteriezellen 202, 203, 204, 205, 206, 207 sind jeweils mit einer zweiten Elektrode 232, 233, 234, 235, 236, 237 einer benachbarten Batteriezelle 202, 203, 204, 205, 206, 207 elektrisch verbunden.
Die ersten Elektroden 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 sind jeweils mit einer ersten Elektrode 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 einer benachbarten Batteriezelle 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 elektrisch verbunden.
Die elektrischen Verbindungen zwischen den ersten Elektroden 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 der benachbarten Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 werden über eine Schweißvorrichtung 40 hergestellt. Gleichermaßen werden die elektrischen Verbindungen zwischen den zweiten Elektroden 232, 233, 234, 235, 236, 237 der benachbarten Batteriezellen 202, 203, 204, 205, 206, 207 ebenfalls über die Schweißvorrichtung 40 hergestellt.
Die Schweißvorrichtung 40 weist eine Schweißeinheit 50 und einen Niederhalter 42 auf. In 1 ist ein Schweißvorgang beispielhaft an der ersten Endplatte 30 dargestellt.
Der Niederhalter 42 liegt an zwei Abstandshaltern 321, 322 der Endplatte 30 an und ist über zwei Schrauben 44, 46 an der Endplatte 30 befestigt, wobei die Schrauben 44, 46 durch zwei an dem Niederhalter 42 vorgesehene Schraubenlöcher durchgesteckt sind und in die erste Endplatte 30 eingeschraubt sind. Der Niederhalter 42 weist einen Niederhalteabschnitt 48 auf, welcher mit mehreren, an der Endplatte 30 angeordneten Niederhalter-Gegenstücken 421, 422, 423, 424 zusammenwirkt. Die Niederhalter-Gegenstücke 421, 422, 423, 424 weisen jeweils einen Kühlkanal 451, 452, 453, 454 auf, welche zur Kühlung der Elektroden 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 im Betrieb der Batterie 10 dienen.
Beim Schweißvorgang werden die ersten Elektrode 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 durch das Montieren des Niederhalters 42 zwischen dem Niederhalteabschnitt 48 und den Niederhalter-Gegenstücken 421, 422, 423, 424 verpresst, wodurch die ersten Elektroden 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 fest aneinander anliegen. Damit ein Überdrücken der ersten Elektroden 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 vermieden wird, weist der Niederhalter 42 mehrere über jeweils ein Federelement 471, 472, 473, 474 federvorgespannte und verschiebbar gelagerte Druckstücke 461, 462, 463, 464 auf. Anschließend werden die ersten Elektroden 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 der benachbarten Batteriezellen miteinander verschweißt. Hierzu weist der Niederhalter je Verbindung eine Durchgangsbohrung 441, 442, 443, 444 auf, durch welche der Laserstrahl der Schweißeinheit 50 durchtritt und die Elektroden 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 miteinander verschweißt. Nach dem Verschweißen aller ersten Elektroden 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228 der benachbarten Batteriezellen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 wird der Niederhalter 42 demontiert.
Die elektrische Verbindung der zweiten Elektroden 232, 233, 234, 235, 236, 237 erfolgt auf die gleiche Weise, wobei zum Verschweißen der zweiten Elektroden 232, 233, 234, 235, 236, 237 ein entsprechender Niederhalter an der zweiten Endplatte 60 montiert wird und an der zweiten Endplatte 60 entsprechende Niederhalter-Gegenstücke 621, 622, 623 vorgesehen sind.
Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3305460 A1 [0003]

Claims

Schweißvorrichtung zum Verschweißen von Elektroden zweier benachbarter Batteriezellen einer Batterie, mit einem Niederhalter (42), welcher ausgeführt ist, die beiden zu verschweißenden Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) der benachbarten Batteriezellen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) derart aneinander zu drücken, dass die überlappenden Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) aneinander anliegen, und einer Schweißeinheit (50), welche ausgeführt ist, zwei sich überlappende und durch den Niederhalter (42) aneinander gedrückte Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) der benachbarten Batteriezellen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) miteinander zu verschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (42) zum Verschweißen der Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) an einer die Batteriezellen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) aufnehmenden Endplatte (30) der Batterie (10) lösbar befestigbar ist, wobei die Endplatte (30) ein zum Niederhalter (42) korrespondierendes Niederhalter-Gegenstück (421, 422, 423, 424) aufweist, wobei die sich überlappenden und miteinander zu verschweißenden Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) zusammengedrückt zwischen dem Niederhalter (42) und dem Niederhalter-Gegenstück (421, 422, 423, 424) angeordnet sind.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (42) an seiner der Endplatte (30) zugewandten Seite einen Niederhalteabschnitt (48) aufweist, mit welchem der Niederhalter (42) an den überlappenden Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) anliegt, wobei die Schweißeinheit (50) an einer der Endplatte (30) abgewandten Seite des Niederhalters (42) angeordnet ist, wobei der Niederhalter (42) eine Durchgangsöffnung (441, 442, 443, 444) aufweist, durch welche sich ein Schweißstrahl der Schweißeinheit (50) erstreckt.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (42) mit der Endplatte (30) durch mindestens eine Schraube (44, 46) befestigbar ist.
Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (42) ein über ein Federelement (471, 472, 473, 474) axial vorgespanntes Druckelement (461, 462, 463, 464) aufweist, wobei das Druckelement (461, 462, 463, 464) die miteinander zu verschweißenden Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) belastet.
Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (42) an mindestens einem an der Endplatte (30) vorgesehenen Abstandhalter (321, 322) anliegt.
Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißeinheit (50) eine Laserschweißeinheit ist.
Batterie, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist und mit einer Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist.
Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederhalter-Gegenstück (421, 422, 423, 424) einen an die verschweißten Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) angrenzenden Kühlkanal (451, 452, 453, 454) aufweist.
Batterie nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) als Pouch-Zellen ausgeführt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit einer Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren folgenden Schritte umfasst: - Befestigen des Niederhalters (42) an der Endplatte (30), wobei durch das Befestigen des Niederhalters (42) die miteinander zu verbindenden Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228) zwischen dem Niederhalter-Gegenstück (421, 422, 423, 424) und dem Niederhalter (42) aneinandergedrückt werden, - Verschweißen der aufeinandergedrückten Elektroden (221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228). - Demontieren des Niederhalters (42).