DE102020003870A1

DE102020003870A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reparatur einer Batterie

Info

Publication number: DE102020003870A1
Application number: DE102020003870.0A
Authority: DE
Inventors: Rainer Kaufmann; Jens Meintschel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur einer Batterie (1) mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen (2).Erfindungsgemäß wird eine defekte Einzelzelle (2d) unterhalb einer Erstkontaktierungsebene (E) elektrisch überbrückt.Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Reparatur einer Batterie (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur einer Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Reparatur einer Batterie.
Aus dem Stand der Technik sind, wie in der DE 10 2011 120 470 A1 beschrieben, eine Batterie mit einer Anzahl von elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen und ein Verfahren zur Wartung, Reparatur und/oder Optimierung einer solchen Batterie bekannt. Elektrische Pole der Einzelzellen sind zur elektrischen Verschaltung direkt oder mittels Zellverbindern form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Eine Batterieüberwachungseinheit ist mit den elektrischen Polen und/oder mit den Zellverbindern form- und/oder stoffschlüssig verbunden. Die elektrischen Pole der Einzelzellen, die Zellverbinder zur elektrischen Verschaltung benachbarter Einzelzellen und/oder die Batterieüberwachungseinheit weisen/weist jeweils redundante Kontaktierbereiche zur form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung auf, wobei jeweils nur einer der zueinander redundanten Kontaktierbereiche form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist, wobei der oder die weiteren Kontaktierbereiche nicht verbunden ist bzw. sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Reparatur einer Batterie anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Reparatur einer Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Reparatur einer Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reparatur einer Batterie mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen wird eine defekte Einzelzelle unterhalb einer Erstkontaktierungsebene, d. h. auf einer einem Zellgrundkörper der defekten Einzelzelle zugewandten Seite, elektrisch überbrückt.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine Reparatur der Batterie bei einem Defekt einer Einzelzelle oder bei einem Defekt einer jeweiligen Einzelzelle bei mehreren defekten Einzelzellen. D. h. das Verfahren kann auf gleiche Weise auch bei mehreren defekten Einzelzellen der Batterie durchgeführt werden, wobei diese Defekte beispielsweise gleichzeitig oder zeitlich versetzt, beispielsweise auch in einem großen zeitlichen Abstand, aufgetreten sein können. Bei mehreren defekten Einzelzellen wird das Verfahren dann vorteilhafterweise nacheinander für jede der defekten Einzelzellen durchgeführt. Beispielsweise kann das Verfahren zunächst bei einem Defekt einer Einzelzelle durchgeführt werden, die Batterie danach weiterbetrieben werden, und bei einem Defekt einer weiteren Einzelzelle das Verfahren erneut durchgeführt werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Reduzierung eines Gewichts, eines Bauraumbedarfs und von Kosten erreicht. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens reparierte Batterie kann dann mit einem nur geringfügig reduzierten Energieinhalt weiterbetrieben werden. Dadurch wird der bisherige Nachteil vermieden, dass die Batterie bereits dann nicht mehr betrieben werden kann, wenn durch einen Defekt in der Batterie nur eine einzelne Einzelzelle ausfällt. Ein Austausch der defekten Einzelzelle ist entweder sehr schwierig oder nicht durchführbar, da die Einzelzellen zu deren mechanischer Fixierung und zur thermischen Anbindung an ein Kühl- und/oder Heizelement beispielsweise verklebt oder vergossen sind. Die Einzelzellen müssen somit zum Austausch zunächst freigelegt werden, wofür die Einzelzellen umgebende Teile der Batterie demontiert werden müssen. Dies ist entweder mit einem hohen Aufwand verbunden oder aufgrund der Verklebung oder des Vergusses nicht möglich.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist dieser Austausch der defekten Einzelzelle nicht erforderlich, da sie elektrisch überbrückt wird und die Batterie somit ohne die defekte Einzelzelle wieder funktioniert, mit entsprechend reduziertem Energieinhalt. Diese Reduzierung des Energieinhalts ist jedoch bei einer großen Anzahl von Einzelzellen vernachlässigbar gering. Daher ist das Verfahren insbesondere zur Reparatur von Hochvoltbatterien verwendbar. Derartige Hochvoltbatterien sind insbesondere zur Verwendung in Fahrzeugen vorgesehen, insbesondere als Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug oder Plug In-Fahrzeug, insbesondere zur elektrischen Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich sind solche Hochvoltbatterien beispielsweise auch für Stationäranwendungen vorgesehen, beispielsweise als Stromversorger und/oder Stromspeicher.
Durch die erfindungsgemäße Vornahme der elektrischen Überbrückung unterhalb der Erstkontaktierungsebene, d. h. auf der dem Zellgrundkörper der defekten Einzelzelle zugewandten Seite, wird vorteilhafterweise kein zusätzlicher Bauraum für diese elektrische Überbrückung benötig, d. h. es muss bei der Batterie kein zusätzlicher Bauraum für eine eventuell erforderliche elektrische Überbrückung vorgehalten werden, da der bei der erfindungsgemäßen Lösung für die elektrische Überbrückung genutzte Bauraum vorteilhafterweise ohnehin bereits vorhanden ist. Es wird hierfür vorteilhafterweise ein bereits vorhandener Leerraum zwischen der Erstkontaktierungsebene und dem Zellgrundkörper genutzt. Vorteilhafterweise wird ein Reparaturzellverbinder in diesem Leerraum zwischen der Erstkontaktierungsebene und dem Zellgrundkörper der defekten Einzelzelle montiert.
Vorteilhafterweise wird über einen Zugang von oben oder von der Seite die defekte Einzelzelle elektrisch abgetrennt und der Reparaturzellverbinder montiert. Der Zugang erfolgt dabei insbesondere parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zur Erstkontaktierungsebene, so dass für die Freilegung des Zugangs nur ein geringer Aufwand erforderlich ist. Beispielsweise erfolgt der Zugang von oben in ein Batteriegehäuse der Batterie, insbesondere durch Öffnen eines Batteriegehäusedeckels. Die Erstkontaktierungsebene oder die jeweilige Erstkontaktierungsebene verläuft dabei beispielsweise parallel zu einem Seitenmantel des Batteriegehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuseunterteils, insbesondere parallel zu einer zur jeweiligen Erstkontaktierungsebene benachbarten Seitenwand des Seitenmantels. Vorteilhafterweise muss für diesen Zugang keine Abdeckung von Ableitern der Einzelzellen entfernt werden, welche, insbesondere seitlich, an einem mehrere oder alle Einzelzellen umfassenden Zellpack der Batterie angeordnet ist.
Vorteilhafterweise wird die defekte Einzelzelle zusammen mit einer benachbarten Einzelzelle elektrisch überbrückt, so dass die Reparatur nur auf einer Seite des mehrere oder alle Einzelzellen umfassenden Zellpacks der Batterie erfolgen muss und hierfür nur ein kurzer Zellverbinder erforderlich ist.
Vorteilhafterweise wird das Batteriegehäuse der Batterie geöffnet und ein im Bereich der defekten Einzelzelle eingesteckter Isolationskamm nach oben herausgezogen. Die defekte Einzelzelle und die benachbarte Einzelzelle werden dann durch Aufschneiden, d. h. Durchtrennen, eines Ableiters der defekten Einzelzelle einseitig elektrisch abgetrennt und der Reparaturzellverbinder wird eingesetzt, um diese beiden Einzelzellen elektrisch zu überbrücken.
In einer möglichen Ausführungsform weist der Reparaturzellverbinder einen Verspannmechanismus auf, der durch eine, insbesondere von oben zugängliche, Schraube betätigt wird. Dieser Reparaturzellverbinder wird dann vorteilhafterweise durch ein Einschieben eines korrespondierend zu diesem Reparaturzellverbinder ausgesparten Ersatzisolationskamms fixiert, d. h. der ursprünglich eingesetzte Isolationskamm wird durch diesen Ersatzisolationskamm ersetzt.
In einer alternativen möglichen Ausführungsform ist der Reparaturzellverbinder U-förmig aus Blech, insbesondere aus einem dünnen Blech, ausgebildet und wird eingeschweißt, insbesondere mittels Ultraschallschweißen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reparatur der Batterie, insbesondere zur Verwendung in dem oben beschriebenen Verfahren umfasst einen Reparaturzellverbinder. In einer möglichen Ausführungsform weist dieser Reparaturzellverbinder einen Verspannmechanismus auf, der durch eine, insbesondere von oben zugängliche, Schraube betätigbar ist. Bei dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung dann vorteilhafterweise zusätzlich den korrespondierend zum Reparaturzellverbinder ausgesparten Ersatzisolationskamm zur Fixierung des Reparaturzellverbinders. In einer alternativen Ausführungsform ist der Reparaturzellverbinder U-förmig aus Blech, insbesondere aus einem dünnen Blech, ausgebildet. In dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung dann vorteilhafterweise zusätzlich eine Schweißeinrichtung, insbesondere eine Ultraschallschweißeinrichtung, zum Einschweißen des Reparaturzellverbinders.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch eine Ausführungsform einer Batterie,
2 schematisch eine Reparatur der Batterie gemäß 1 bei einer defekten Einzelzelle,
3 schematisch eine zweite Ausführungsform einer Batterie,
4 schematisch eine Reparatur der Batterie gemäß 3 bei einer defekten Einzelzelle,
5 schematisch eine Einzelzelle einer dritten Ausführungsform einer Batterie,
6 schematisch einen Abschnitt eines Zellpacks mit mehreren Einzelzellen gemäß 5,
7 schematisch eine Reparatur der dritten Ausführungsform der Batterie bei einer defekten Einzelzelle,
8 schematisch den Zellpack der dritten Ausführungsform der Batterie in einer Explosionsdarstellung,
9 schematisch ein Einsetzen des Zellpacks der dritten Ausführungsform der Batterie in ein Batteriegehäuseunterteil,
10 schematisch ein Einsetzen von Isolationskämmen und Montieren eines Batteriegehäusedeckels der dritten Ausführungsform der Batterie,
11 schematisch die dritte Ausführungsform der Batterie in einem fertig montierten Zustand,
12 schematisch eine erste Ausführungsform eines Reparaturzellverbinders,
13 schematisch eine Schnittdarstellung der ersten Ausführungsform des Reparaturzellverbinders,
14 schematisch eine Explosionsdarstellung der ersten Ausführungsform des Reparaturzellverbinders,
15 schematisch einen ersten Verfahrensschritt eines Verfahrens zur Reparatur der dritten Ausführungsform der Batterie in einer perspektivischen Darstellung,
16 schematisch den ersten Verfahrensschritt in einer Draufsicht von oben auf die Batterie,
17 schematisch den ersten Verfahrensschritt in einer Ausschnittvergrößerung,
18 schematisch einen zweiten Verfahrensschritt des Verfahrens zur Reparatur der dritten Ausführungsform der Batterie in einer Draufsicht von oben auf die Batterie,
19 schematisch den zweiten Verfahrensschritt in einer Ausschnittvergrößerung,
20 schematisch einen dritten Verfahrensschritt des Verfahrens zur Reparatur der dritten Ausführungsform der Batterie in einer perspektivischen Darstellung,
21 schematisch den dritten Verfahrensschritt in einer Draufsicht von oben auf die Batterie,
22 schematisch den dritten Verfahrensschritt in einer Ausschnittvergrößerung,
23 schematisch einen vierten Verfahrensschritt des Verfahrens zur Reparatur der dritten Ausführungsform der Batterie in einer perspektivischen Darstellung,
24 schematisch den vierten Verfahrensschritt in einer Ausschnittvergrößerung,
25 schematisch einen ersten Teilschritt eines alternativen dritten Verfahrensschritts des Verfahrens zur Reparatur der dritten Ausführungsform der Batterie in einer perspektivischen Darstellung,
26 schematisch einen zweiten Teilschritt des alternativen dritten Verfahrensschritts in einer perspektivischen Darstellung,
27 schematisch den zweiten Teilschritt des alternativen dritten Verfahrensschritts in einer Ausschnittvergrößerung,
28 schematisch ein Resultat des alternativen dritten Verfahrensschritts in einer Draufsicht von oben, und
29 schematisch das Resultat des alternativen dritten Verfahrensschritts in einer Ausschnittvergrößerung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 29 zeigen verschiedene Möglichkeiten einer Reparatur einer Batterie 1, welche eine defekte Einzelzelle 2d aufweist. Dabei zeigt 1 eine erste Ausführungsform der Batterie 1 und 2 deren Reparatur bei einer defekten Einzelzelle 2d.
3 zeigt zur allgemeinen Darstellung der im Folgenden beschriebenen vorteilhaften Lösung eine im Vergleich zur ersten Ausführungsform wesentlich vorteilhaftere zweite Ausführungsform der Batterie 1 und 4 deren Reparatur bei einer defekten Einzelzelle 2d. Anhand der 5 bis 29 wird diese vorteilhafte Lösung bei einer im Vergleich zur ersten Ausführungsform ebenfalls wesentlich vorteilhafteren spezifischen dritten Ausführungsform der Batterie 1 beschrieben, wobei die 15 bis 24 einen Verfahrensablauf eines Verfahrens zur Reparatur der Batterie 1 zeigen und die 25 bis 29 einen abschnittsweise alternativen Verfahrensablauf dieses Verfahrens zeigen.
Bei den hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen der Batterie 1 handelt es sich insbesondere jeweils um eine Hochvoltbatterie, insbesondere für ein Fahrzeug, zum Beispiel für ein Hybrid-, Plug In- oder Elektrofahrzeug, insbesondere um eine Traktionsbatterie zur elektrischen Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich sind solche Hochvoltbatterien beispielsweise auch für Stationäranwendungen vorgesehen, beispielsweise als Stromversorger und/oder Stromspeicher.
Die Batterie 1 umfasst in allen Ausführungsformen jeweils eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener elektrochemischer Einzelzellen 2.
Insbesondere in der dritten Ausführungsform der Batterie 1 sind die Einzelzellen 2 eines dort dargestellten Zellpacks 3 elektrisch seriell miteinander verbunden.
Die Einzelzellen 2 sind in allen dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen in einem Batteriegehäuse 4 angeordnet, welches vorteilhafterweise zudem erforderliche Einrichtungen zur mechanischen Fixierung, zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie 1, insbesondere ein Batteriemanagementsystem (BMS), Schütze zur Zu- und Abschaltung des Stromes, Sicherungen und/oder Strommesser, zur Temperierung, d. h. Kühlung und/oder Heizung, der Einzelzellen 2 sowie Anschlüsse nach außen, insbesondere Stromzu- und Ableitung, Kühlmittelzu- und Abführung und/oder ein Anschluss zur Batteriesteuerung, enthält.
Fällt durch Defekt eine einzelne Einzelzelle 2d der Batterie 1 aus, dann kann ohne Reparaturmaßnahmen auch die Batterie 1 nicht mehr betrieben werden. Ein Austausch der defekten Einzelzelle 2d ist jedoch in der Regel schwierig, da die Einzelzellen 2 zu deren mechanischer Fixierung und zur thermischen Anbindung an ein Kühl- und/oder Heizelement, beispielsweise an eine Temperierplatte, in der Regel verklebt oder vergossen sind. Die defekte Einzelzelle 2d muss somit zum Austausch freigelegt werden, wofür umgebende Teile der Batterie 1 demontiert werden müssen.
Zur Reduzierung von Kosten bei der Reparatur von Batterien 1 ist daher bei der im Folgenden beschriebenen Lösung vorgesehen, die defekte Einzelzelle 2d in der Batterie 1 zu belassen und nur elektrisch zu überbrücken. Bei den üblichen Betriebsspannungen von Hochvoltbatterien im Bereich von 400 V bis 800 V und entsprechend ca. 100 bis 200 elektrisch in Reihe geschalteten Einzelzellen 2 liegt eine aus dieser elektrischen Überbrückung resultierende Reduzierung von Spannung und Energie in der Größenordnung von 1% und geht in der üblichen Streuung unter, d. h. sie ist vernachlässigbar.
Die 1 und 2 zeigen anhand der ersten Ausführungsform der Batterie 1 eine Möglichkeit von deren Reparatur bei einer defekten Einzelzelle 2d. Die elektrische Überbrückung der defekten Einzelzelle 2d erfolgt hier durch einen Reparaturzellverbinder 5, welcher oberhalb einer Erstkontaktierungsebene E, d. h. auf einer von einem Zellgrundkörper der defekten Einzelzelle 2d abgewandten Seite der Erstkontaktierungsebene E, angeordnet wird. Die Erstkontaktierungsebene E ist dabei die ursprüngliche elektrische Verbindung der Einzelzellen 2. Der Reparaturzellverbinder 5 wird hier mit elektrischen Anschlüsse, d. h. mit Ableitern 6, Polen oder Terminals, anderer Einzelzellen 2, elektrisch leitfähig verbunden und überbrückt somit die defekte Einzelzelle 2d. Alternativ zum Reparaturzellverbinder 5 kann beispielsweise auch eine Stromschiene verwendet werden.
Vor der Montage des Reparaturzellverbinders 5 erfolgt eine elektrische Abtrennung der defekten Einzelzelle 2d. Dies erfolgt bei der ersten Ausführungsform der Batterie 1 gemäß den 1 und 2 ebenfalls durch Zugang von oben, d. h. von oberhalb der Erstkontaktierungsebene E. Zur Sicherstellung dieses Zugangs muss der Bereich oberhalb der Erstkontaktierungsebene E freigelegt werden können, wofür Teile der Batterie 1, insbesondere eine Abdeckung 7, abnehmbar ausgeführt sein müssen. Dies erhöht jedoch Kosten, Gewicht und einen Bauraumbedarf. Zudem muss für die nachträgliche Montage von Reparaturzellverbindern 5 zur Überbrückung defekter Einzelzellen 2d vorab ein entsprechender Reparaturzellverbinderbauraum RB oberhalb der Erstkontaktierungsebene E vorgehalten werden, wodurch die Abmessungen der Batterie 1 weiter erhöht werden.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist bei der wesentlich vorteilhafteren Lösung, insbesondere zur Senkung der Kosten, des Gewichtes und des Bauraumbedarfs, vorgesehen, dass die elektrische Überbrückung der defekten Einzelzelle 2d unterhalb der Erstkontaktierungsebene E, d.h. auf der dem Zellgrundkörper der defekten Einzelzelle 2d zugewandten Seite der Erstkontaktierungsebene E, vorgenommen wird, wie bei der zweiten Ausführungsform der Batterie 1 in 4 dargestellt und wie ebenso bei der dritten Ausführungsform der Batterie 1 insbesondere in den 21 und 22 sowie 28 und 29 dargestellt.
Im Verfahren zur Reparatur der Batterie 1 mit der Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen 2 wird somit vorteilhafterweise die defekte Einzelzelle 2d unterhalb der Erstkontaktierungsebene E elektrisch überbrückt.
Diese Lösung ist bauraumneutral darstellbar, da der Reparaturzellverbinder 5 in einem ohnehin vorhandenen Leerraum zwischen der Erstkontaktierungsebene E und dem Zellgrundkörper montiert wird. Der Zugang zur Montage des Reparaturzellverbinders 5 und zur vorherigen elektrischen Abtrennung der defekten Einzelzelle 2d erfolgt dabei vorteilhafterweise seitlich, insbesondere an der Seite des Zellpacks 3, insbesondere parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zur Erstkontaktierungsebene E, so dass für die Freilegung des Zugangs nur ein geringer Aufwand erforderlich ist, insbesondere muss keine Abdeckung 7 der Ableiter 6 entfernt werden. Im Verfahren wird daher vorteilhafterweise über diesen seitlichen Zugang die defekte Einzelzelle 2d elektrisch abgetrennt und der Reparaturzellverbinder 5 montiert.
Diese Lösung kann bei Batterien 1 mit allen bekannten Typen von Einzelzellen 2, beispielsweise Pouchzellen, prismatischen Hardcasezellen oder Rundzellen, umgesetzt werden, welche, wie üblich, erhabene elektrische Anschlüsse, beispielsweise Pole, Terminals, oder Ableiter 6, besitzen, so dass zwischen der Erstkontaktierungsebene E und dem Zellgrundkörper ein nutzbarer Leerraum in der Höhe dieser Anschlüsse vorhanden ist. Im Verfahren wird daher vorteilhafterweise der Reparaturzellverbinder 5 in diesem Leerraum zwischen der Erstkontaktierungsebene E und dem Zellgrundkörper der defekten Einzelzelle 2d montiert.
Anhand der 5 bis 24 wird im Folgenden das Verfahren zur Reparatur der Batterie 1 bei der hier dargestellten dritten Ausführungsform beschrieben. Anhand der 25 bis 29 wird danach ein ebenfalls für diese dritte Ausführungsform der Batterie 1 geeigneter abschnittsweise abweichender Verfahrensablauf beschrieben.
Die dritte Ausführungsform der Batterie 1 umfasst beispielsweise vierundzwanzig als so genannte Pouchzellen ausgebildete Einzelzellen 2, dargestellt in 5, bei denen ein elektrochemisch aktiver Inhalt, d. h. ein Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel aus einzelnen elektrolytgetränkten Lagen von Anoden und Kathoden, die jeweils von Separatoren getrennt sind, von einer folienartigen Verpackung umgeben ist, durch die als Ableiter 6 ausgebildete elektrische Anschlüsse in Blechform isoliert durchgeführt sind.
Die Ableiter 6 dieser als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 2, die sich an deren gegenüberliegenden Seiten befinden, sind zur elektrischen Reihenschaltung in einer Richtung um 90° übereinander gebogen und an der Überlappungsstelle durch Schweißung verbunden, wie in 6 gezeigt. Außer einem in entgegengesetzt zur Biegerichtung angeordneten Hochvoltpluskontakt, der elektrisch über einen einzelnen blechartigen Zellverbinder angekoppelt werden muss, sind hierzu keine Zellverbinder erforderlich.
Oberhalb der Erstkontaktierungsebene E ist, wie in 8 in einer Explosionsdarstellung gezeigt, jeweils eine Einrichtung zum Zellspannungsabgriff 8 in Flexfolientechnik, bei welcher metallische Leiterbahnen und Kontaktpads zum Abgriff der Zellspannung in dünne Kunststofffolien eingebettet sind, angeschweißt, sowie die aufgeklebte Abdeckung 7 angeordnet.
Die Einzelteile des Zellpacks 3, also Einzelzellen 2, elastische Spannmatten, insbesondere zur Kompensation von lade- und alterungszustandsabhängigen Dickenänderungen der Einzelzellen 2, eine Zwischenschottwand oder mehrere solche Zwischenschottwände sowie zwei Randschottwände mit Hochvoltkontakten, die jeweils stirnseitig am Zellpack 3 angeordnet sind, sind auf der Fläche miteinander verklebt und in ein wannenartiges Batteriegehäuseunterteil 4.1 eingebaut, wie in 9 gezeigt. Die Leerräume im Bereich unterhalb der Erstkontaktierungsebene E werden bei der Montage der Batterie 1, bevor das Batteriegehäuseunterteil 4.1 mit einem aufgesetzten und mit dem Batteriegehäuseunterteil 4.1 verschraubten Batteriegehäusedeckel 4.2 verschlossen wird, durch von oben eingesteckte Isolationskämme 9 aus Kunststoff ausgefüllt, wie in 10 gezeigt, wodurch Kurzschlüsse in der Batterie 1 bei großen Verformungen in einem Crashfall, insbesondere bei einer Kollision des Fahrzeugs, verhindert werden.
11 zeigt diese Batterie 1 in einem fertig montierten Zustand mit verschlossenem Batteriegehäuse 4.
Fällt bei dieser dritten Ausführungsform der Batterie 1 eine Einzelzelle 2d aufgrund eines Defekts aus, ist im hier beschriebenen Verfahren zur Reparatur der Batterie 1 vorgesehen, dass die defekte Einzelzelle 2d zusammen mit einer benachbarten Einzelzelle 2b elektrisch überbrückt wird, wie in 7 gezeigt, so dass die Reparatur nur auf einer Seite des Zellpacks 3 erfolgen muss und hierfür nur ein kurzer Reparaturzellverbinder 5 erforderlich ist.
Der zur Überbrückung des Zellpärchens üblicherweise nötige Zugang von oben, d. h. von oberhalb der Ableiter 6 und oberhalb sowie senkrecht zur Erstkontaktierungsebene E, bei der hier dargestellten dritten Ausführungsform der Batterie 1 somit von einem Seitenmantel 4.3 des Batteriegehäuses 4 aus, wäre bei dieser dritten Ausführungsform der Batterie 1 nur durch einen aufwändigen Ausbau des Zellpacks 3 aus dem Batteriegehäuseunterteil 4.1, welches diesen Seitenmantel 4.3 umfasst, möglich. Nachfolgend müsste des Weiteren die Abdeckung 7 und die Einrichtung zum Zellspannungsabgriff 8, die mit ihren Kontaktpads an alle einzelnen Ableiter 6 geschweißt ist, entfernt werden. Dieser erhebliche Aufwand wird durch die hier beschriebene Lösung, insbesondere durch das hier beschriebene Verfahren zur Reparatur der Batterie 1, vermieden.
Zur Reparatur der Batterie 1 mittels dieses Verfahrens wird, wie in 15 gezeigt, zunächst in einem ersten Verfahrensschritt das Batteriegehäuse 4 geöffnet, indem der Batteriegehäusedeckel 4.2 entfernt wird, und anschließend wird im Bereich der defekten Einzelzelle 2d der nur eingesteckte Isolationskamm 9 nach oben herausgezogen. Die 16 und 17 zeigen die geöffnete Batterie 1 mit entferntem Isolationskamm 9.
In einem zweiten Verfahrensschritt, dargestellt in den 18 und 19, wird die defekte Einzelzelle 2d elektrisch abgetrennt. Diese elektrische Abtrennung der defekten Einzelzelle 2d (bzw. der benachbarten Einzelzelle 2b des jeweiligen Zellpärchens) erfolgt durch das Aufschneiden des entsprechenden Ableiters 6, im hier dargestellten Beispiel des Ableiters 6 der defekten Einzelzelle 2d, vorteilhafterweise durch eine Blechschere mit hinreichend langen Klingen. Dies ist durch die Ausführung der Ableiter 6, vorteilhafterweise aus dünnem Blech, beispielsweise mit einer Dicke von 0,4 mm des jeweiligen aus Aluminium ausgebildeten Ableiters 6 am Pluspol der Einzelzelle 2 und einer Dicke von 0,2 mm des aus Kupfer ausgebildeten Ableiters 6 am Minuspol der Einzelzelle 2, problemlos möglich.
Zur Vereinfachung erfolgt die elektrische Abtrennung, wie bereits erwähnt, nur einseitig. Dies wird, wie ebenfalls bereits erwähnt, dadurch ermöglicht, dass nicht nur die defekte Einzelzelle 2d, sondern auch eine benachbarte Einzelzelle 2b elektrisch überbrückt wird. Die daraus resultierende zusätzliche Reduzierung des Energieinhalts der Batterie 1 ist vernachlässigbar gering.
Zur elektrischen Überbrückung der defekten Einzelzelle 2d und der benachbarten Einzelzelle 2b wird nun in einem dritten Verfahrensschritt der Reparaturzellverbinder 5 eingesetzt.
Zusammengefasst wird somit im Verfahren zur Reparatur der Batterie 1, insbesondere dieser dritten Ausführungsform der Batterie 1, das Batteriegehäuse 4 geöffnet und im Bereich der defekten Einzelzelle 2d der eingesteckte Isolationskamm 9 nach oben herausgezogen. Anschließend werden die defekte Einzelzelle 2d und die benachbarte Einzelzelle 2b durch Aufschneiden des Ableiters 6, insbesondere der defekten Einzelzelle 2d, einseitig elektrisch abgetrennt und der Reparaturzellverbinder 5 wird eingesetzt.
Die 20 bis 22 und 25 bis 27 zeigen zwei verschiedene Abläufe dieses dritten Verfahrensschritts des Einsetzens des Reparaturzellverbinders 5, wobei für diese beiden Abläufe zwei verschiedene Reparaturzellverbinder 5 verwendet werden. Bei dem in den 20 bis 22 gezeigten Verfahrensablauf wird im dritten Verfahrensschritt ein Reparaturzellverbinder 5 eingesetzt, welcher einen Verspannmechanismus aufweist, der durch eine, insbesondere von oben zugängliche, Schraube 5.6 betätigt wird. Die elektrische Überbrückung erfolgt hier somit durch einen kraftschlüssig wirkenden Reparaturzellverbinder 5. Dieser Reparaturzellverbinder 5 ist in den 12 bis 14 näher dargestellt. Er umfasst einen U-förmigen Bügel 5.1, in dessen Inneren sich der nach dem Klemmkeilprinzip wirkende Verspannmechanismus befindet, der nach dem Einstecken dieses Reparaturzellverbinders 5 in den Zellpack 3 durch die von oben zugängliche Schraube 5.6 betätigt wird.
Der Reparaturzellverbinder 5 umfasst im dargestellten Beispiel den U-förmigen Bügel 5.1, vorteilhafterweise aus vernickeltem Stahl. Außenseiten von Schenkeln des U-förmigen Bügels 5.1 sind elektrisch isoliert, insbesondere gegenüber den zu den zu verbindenden Ableitern 6 benachbarten weiteren Ableitern 6, vorteilhafterweise durch eine Kunststoffumspritzung 5.2.
Der Reparaturzellverbinder 5 umfasst des Weiteren zwei äußere Klemmkeile 5.3, vorteilhafterweise aus vernickeltem Stahl, einen mittleren Ziehkeil 5.4, vorteilhafterweise aus vernickeltem Stahl, und einen Deckel 5.5, vorteilhafterweise aus Stahl, der auf den Bügel 5.1 geschweißt ist, sowie die insbesondere als Klemmschraube ausgebildete Schraube 5.6. Die Klemmkeile 5.3 weisen seitlich jeweils eine Schrägfläche auf. Sie sind jeweils seitlich des dazwischen angeordneten Ziehkeils 5.4 zwischen diesem Ziehkeil 5.4 und jeweils einem Schenkel des Bügels 5.1 angeordnet und weisen jeweils an einer dem Ziehkeil 5.4 zugewandten Seite eine schräge Gleitfläche auf. Der dazwischen angeordnete Ziehkeil 5.4 weist ebenfalls an beiden Seiten, d. h. an der dem jeweiligen Klemmkeil 5.3 zugewandten Seite, eine schräge Gleitfläche mit zur Gleitfläche des jeweiligen Klemmkeils 5.3 korrespondierender Neigung auf. Die Gleitfläche des jeweiligen Klemmkeils 5.3 liegt an der jeweiligen Gleitfläche des Ziehkeils 5.4 an.
Der Ziehkeil 5.4 weist eine Bohrung mit einem Gewinde zum Einschrauben der Schraube 5.6 auf. Die Schraube 5.6 ist durch eine Öffnung im Bügel 5.1 hindurchgeführt und in den Ziehkeil 5.4 eingeschraubt. Im unverklemmten Zustand ist zwischen einer vom Ziehkeil 5.4 abgewandten Außenseite des jeweiligen Klemmkeils 5.3 und dem jeweiligen Schenkel des Bügels 5.1 ein Spalt vorhanden, so dass der Reparaturzellverbinder 5 auf die zu verbindenden Ableiter 6 aufgesteckt werden kann, welche in jeweils einen dieser beiden Spalte hineingleiten. Die Neigung der schrägen Gleitflächen der Klemmkeile 5.3 und des Ziehkeils 5.4 ist derart ausgebildet, dass durch zunehmendes Hineinziehen des Ziehkeils 5.4 in den U-förmigen Bügel 5.1 aufgrund des zunehmenden Hineinschraubens der Schraube 5.6 in den Ziehkeil 5.4 die Klemmkeile 5.3 zunehmend nach außen in Richtung des jeweiligen Schenkels des U-förmigen Bügels 5.1 bewegt werden, wodurch der jeweilige darin angeordnete Ableiter 6 zwischen dem jeweiligen Schenkel und dem jeweiligen Klemmkeil 5.3 eingeklemmt und somit kraftschlüssig mit dem Reparaturzellverbinder 5 verbunden wird. Die beiden auf diese Weise in diesem Reparaturzellverbinder 5 kraftschlüssig verklemmten Ableiter 6 sind dann über den Reparaturzellverbinder 5 elektrisch leitfähig miteinander verbunden, wodurch die defekte Einzelzelle 2d und die benachbarte Einzelzelle 2b über den Reparaturzellverbinder 5 elektrisch überbrückt sind. Wie bereits beschrieben, sind, insbesondere zur Verhinderung von Kontaktkorrosion und unzulässig hohen Übergangswiderständen, vorteilhafterweise alle in Kontakt mit den Ableitern 6 kommenden Teile des Reparaturzellverbinders 5 vernickelt. Aus denselben Gründen erfolgt vorteilhafterweise mittels dieses Reparaturzellverbinders 5 die Verbindung von jeweils zwei aus Kupfer ausgebildeten Ableitern 6, d. h. von Ableitern 6 eines Minuspols der jeweiligen Einzelzelle 2, die insbesondere bei den als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 2 vorteilhafterweise ebenfalls vernickelt sind. Eine kraftschlüssige Verbindung von Ableitern 6 aus Aluminium, d. h. von Ableitern 6 eines Pluspols der jeweiligen Einzelzelle 2, die insbesondere bei den als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 2 nicht effektiv korrosionsgeschützt sind, würde durch eine sich dann hier bildende Oxidschicht zu hohen Übergangswiderständen führen.
Im dritten Verfahrensschritt wird somit dieser Reparaturzellverbinder 5 eingesetzt, indem er auf die oben beschriebene Weise auf die zu verbindenden Ableiter 6 aufgeschoben wird, so dass diese Ableiter 6 in den jeweiligen Spalt zwischen dem jeweiligen Klemmkeil 5.3 und dem jeweiligen Schenkel des U-förmigen Bügels 5.1 eingeschoben werden, und anschließend wird der Reparaturzellverbinder 5 durch zunehmendes Einschrauben der Schraube 5.6 auf die oben beschriebene Weise mit diesen Ableitern 6 kraftschlüssig verklemmt, wodurch die defekte Einzelzelle 2d und die benachbarte Einzelzelle 2b über diesen Reparaturzellverbinder 5 elektrisch überbrückt sind.
In einem vierten Verfahrensschritt wird anschließend, vor dem Wiederverschluss des Batteriegehäuses 4 durch Aufsetzen des Batteriegehäusedeckels 4.2 auf das Batteriegehäuseunterteil 4.1 und Festschrauben am Batteriegehäuseunterteil 4.1, der Reparaturzellverbinder 5 noch durch ein Einschieben eines entsprechend, d. h. korrespondierend zu diesem Reparaturzellverbinder 5, ausgesparten Ersatzisolationskamms 10 fixiert, wie in den 23 und 24 gezeigt.
Die 25 bis 27 zeigen einen alternativen Ablauf dieses dritten Verfahrensschritts. Für diesen alternativen dritten Verfahrensschritt wird ein U-förmiger Reparaturzellverbinder 5 aus Blech, insbesondere aus dünnem Blech, verwendet, der, insbesondere mittels einer entsprechenden Schweißeinrichtung 11, eingeschweißt wird. Die Schweißung erfolgt vorzugsweise durch Ultraschallschweißen mittels einer Ultraschallschweißeinrichtung mit entsprechend lang ausgeführten Werkzeugen, insbesondere mit einem ruhenden Amboss 11.1 und einer hochfrequent bewegten Sonotrode 11.2, wie in den 25 bis 27 gezeigt.
Der erste und zweite Verfahrensschritt werden dabei auf die oben beschriebene Weise durchgeführt. Im dritten Verfahrensschritt wird zunächst in einem ersten Teilschritt, wie in 25 gezeigt, dieser Reparaturzellverbinder 5 eingesetzt, insbesondere derart, dass er die defekte Einzelzelle 2d und die benachbarte Einzelzelle 2b überbrückt und an den zu verbindenden Ableitern 6 anliegt. In einem zweiten Teilschritt wird dieser Reparaturzellverbinder 5 dann mit diesen Ableitern 6 verscheißt, wie in den 26 und 27 gezeigt.
Die 28 und 29 zeigen das Resultat. Die defekte Einzelzelle 2d und die benachbarte Einzelzelle 2b sind mittels des Reparaturzellverbinders 5 elektrisch überbrückt.
Durch einen mittels des Verschweißens erzielten Stoffschluss zwischen den Ableitern 6 und dem Reparaturzellverbinder 5 besteht nicht das oben beschriebene Kontaktkorrosionsproblem, so dass dieser Reparaturzellerbinder 5 auch an Ableitern 6 aus Aluminium angeschweißt werden kann.
Im vierten Verfahrensschritt kann hier, vor dem Wiederverschluss des Batteriegehäuses 4 durch Aufsetzen des Batteriegehäusedeckels 4.2 auf das Batteriegehäuseunterteil 4.1 und Festschrauben am Batteriegehäuseunterteil 4.1, beispielsweise ebenfalls ein entsprechend, d. h. korrespondierend zu diesem Reparaturzellverbinder 5, ausgesparter Ersatzisolationskamm 10 eingeschoben werden oder der ursprünglich eingesetzte Isolationskamm 9 wird wieder eingeschoben, falls er noch passend ist, d. h. falls der Reparaturzellverbinder 5 dieses Einschieben des ursprünglichen Isolationskamms 9 nicht verhindert.
Bei Anwendung der beschriebenen Lösung verbleibt die Einrichtung zum Zellspannungsabgriff 8 in der Batterie 1 und muss somit nicht aufwändig abgetrennt und wieder neu mit den Kontaktpads an alle einzelnen Ableiter 6 angeschweißt werden. Die Batterieelektronik ist bzw. wird vorteilhafterweise so programmiert, dass die fehlenden zwei Spannungssignale der überbrückten Einzelzellen 2d, 2b toleriert werden.
Eine Vorrichtung zur Reparatur der Batterie 1 insbesondere der dritten Ausführungsform der Batterie 1, insbesondere für das beschriebene Verfahren zur Reparatur der Batterie 1 umfasst somit einen Reparaturzellverbinder 5, insbesondere den Reparaturzellverbinder 5, welcher den Verspannmechanismus aufweist, der durch die, insbesondere von oben zugängliche, Schraube 5.6 betätigbar ist, oder den U-förmig aus Blech, insbesondere aus dünnem Blech, ausgebildeten Reparaturzellverbinder 5.
Bei Verwendung des Reparaturzellverbinders 5, welcher den Verspannmechanismus aufweist, der durch die, insbesondere von oben zugängliche, Schraube 5.6 betätigbar ist, umfasst die Vorrichtung vorteilhafterweise den korrespondierend zu diesem Reparaturzellverbinder 5 ausgesparten Ersatzisolationskamm 10 zur Fixierung des Reparaturzellverbinders 5. Bei Verwendung des U-förmig aus Blech, insbesondere aus dünnem Blech, ausgebildeten Reparaturzellverbinders 5 umfasst die Vorrichtung vorteilhafterweise die Schweißeinrichtung 11, insbesondere die oben beschriebene Ultraschallschweißeinrichtung, zum Einschweißen des Reparaturzellverbinders 5.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: Einzelzelle
2b: benachbarte Einzelzelle
2d: defekte Einzelzelle
3: Zellpack
4: Batteriegehäuse
4.1: Batteriegehäuseunterteil
4.2: Batteriegehäusedeckel
4.3: Seitenmantel
5: Reparaturzellverbinder
5.1: Bügel
5.2: Kunststoffumspritzung
5.3: Klemmkeil
5.4: Ziehkeil
5.5: Deckel
5.6: Schraube
6: Ableiter
7: Abdeckung
8: Einrichtung zum Zellspannungsabgriff
9: Isolationskamm
10: Ersatzisolationskamm
11: Schweißeinrichtung
11.1: Amboss
11.2: Sonotrode
E: Erstkontaktierungsebene
RB: Reparaturzellverbinderbauraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011120470 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Reparatur einer Batterie (1) mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine defekte Einzelzelle (2d) unterhalb einer Erstkontaktierungsebene (E) elektrisch überbrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reparaturzellverbinder (5) in einem Leerraum zwischen der Erstkontaktierungsebene (E) und einem Zellgrundkörper der defekten Einzelzelle (2d) montiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Zugang von oben oder von einer Seite die defekte Einzelzelle (2d) elektrisch abgetrennt wird und der Reparaturzellverbinder (5) montiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die defekte Einzelzelle (2d) zusammen mit einer benachbarten Einzelzelle (2b) elektrisch überbrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batteriegehäuse (4) geöffnet wird, im Bereich der defekten Einzelzelle (2d) ein eingesteckter Isolationskamm (9) nach oben herausgezogen wird, die defekte Einzelzelle (2d) und die benachbarte Einzelzelle (2b) durch Aufschneiden eines Ableiters (6) der defekten Einzelzelle (2d) einseitig elektrisch abgetrennt werden und der Reparaturzellverbinder (5) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturzellverbinder (5) einen Verspannmechanismus aufweist, der durch eine, insbesondere von oben zugängliche, Schraube (5.6) betätigt wird, wobei dieser Reparaturzellverbinder (5) durch ein Einschieben eines korrespondierend zu diesem Reparaturzellverbinder (5) ausgesparten Ersatzisolationskamms (10) fixiert wird, oder dass der Reparaturzellverbinder (5) U-förmig aus Blech, insbesondere aus einem dünnen Blech, ausgebildet ist und eingeschweißt wird.
Vorrichtung zur Reparatur einer Batterie (1), insbesondere für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Reparaturzellverbinder (5).
Vorrichtung nach Anspruch 7, umfassend einen korrespondierend zum Reparaturzellverbinder (5) ausgesparten Ersatzisolationskamm (10) zur Fixierung des Reparaturzellverbinders (5), wobei der Reparaturzellverbinder (5) einen Verspannmechanismus aufweist, der durch eine, insbesondere von oben zugängliche, Schraube (5.6) betätigbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, umfassend eine Schweißeinrichtung (11) zum Einschweißen des Reparaturzellverbinders (5), wobei der Reparaturzellverbinder (5) U-förmig aus Blech, insbesondere aus einem dünnen Blech, ausgebildet ist.