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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Verbinden von Komponenten einer Batterie.
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Stand der Technik
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Eine Batterie kann aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sein. Eine der Komponenten kann ein Rahmen oder Batteriegehäuse der Batterie sein. Eine andere Komponente der Batterie können ein oder mehrere Zellmodule der Batterie sein. Ein Zellmodul kann aus mehreren Zellen zusammengesetzt sein. Beim Laden und Entladen der Zellen entsteht Wärme. Diese Wärme kann über eine Kühleinrichtung als weitere Komponente der Batterie abgeführt werden. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise an eine Kühlfläche des Zellmoduls angebunden werden. Zum Anbinden kann zwischen der Kühleinrichtung und dem Zellmodul eine Wärmeleitpaste angeordnet werden.
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Die
DE 10 2018 210 819 A1 betrifft ein Verfahren zum Fügen zumindest eines Batteriemoduls in ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, bei dem in einem Zustell-Prozessschritt das Batteriemodul robotergesteuert über einen Zustellweg und mittels einer Zustellkraft in das Batteriegehäuse eingefahren wird, und zwar bis Erreichen einer Montageposition, in der das Batteriemodul lagerichtig auf einer Anlagekontur eines Gehäusebodens des Batteriegehäuses aufliegt. Während des Zustell-Prozessschritts wird ein Ist-Zustellweg und eine Ist-Zustellkraft erfasst und mit einem Soll-Zustellweg und einer Soll-Zustellkraft verglichen.
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Gemäß der
DE 10 2012 222 133 A1 wird ein Körper mit einer Kontaktfläche zur Temperierung wenigstens eines Batteriemoduls offenbart, welcher zur Übertragung thermischer Energie zwischen dem Batteriemodul und dem Körper. Dabei weist die Kontaktfläche im Anschluss an deren äußere Begrenzung einen zumindest gegenüber der äußeren Begrenzung der Kontaktfläche erhöhten Rand auf.
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Die
DE 10 2014 119 357 A1 betrifft ein Verfahren zur Montage mindestens eines Einbauteils in ein Kunststoff-Außenanbauteil eines Kraftfahrzeuges, vorzugsweise in einen Kunststoff-Stoßfänger. Zur Positionierung des Kunststoff-Außenanbauteils wird dieses auf mindestens ein Vakuumkissen aufgelegt, wobei nach der Auflage des Kunststoff-Außenanbauteils das Vakuumkissen evakuiert wird und sich hierbei an die lokale äußere Kontur des Kunststoff-Außenbauteils anpasst.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Herstellen eines Wärmeübergangs von Komponenten einer Batterie bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
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Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübergangs zwischen den Komponenten einer Batterie bereitgestellt, wobei als erste Komponente ein Bodenblech eines Rahmens der Batterie auf ein Vakuumkissen aufgesetzt wird und dabei durch das Vakuumkissen plastisch abgeformt wird und dann ein Unterdruck im Vakuumkissen erzeugt wird, um das Vakuumkissen zu verhärten, wobei als zweite Komponente zumindest ein Zellmodul der Batterie in eine zuvor auf eine Oberfläche zumindest einer der Komponenten aufgebrachte Wärmeleitpaste gedrückt wird, während das Bodenblech durch das verhärtete Vakuumkissen im Wesentlichen vollflächig abgestützt wird, wobei die Wärmeleitpaste zwischen dem Zellmodul und dem Bodenblech lateral verteilt wird.
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Eine Batterie im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein chemischer Speicher für elektrische Energie sein. Die Batterie kann beispielsweise eine Traktionsbatterie für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug sein. Die Batterie kann mehrere elektrisch miteinander verschaltete Zellmodule umfassen. Ein Zellmodul kann aus mehreren elektrisch miteinander verschalteten prismatischen Zellen zusammengesetzt sein. Das Zellmodul kann im Wesentlichen quaderförmig sein. Ein Rahmen der Batterie kann Holme aufweisen, die im Wesentlichen rechtwinklig miteinander verbunden sind und zumindest ein Abteil der Batterie ausbilden, das auf einer Seite durch ein Bodenblech verschlossen ist. Ein Zellmodul kann in einem Abteil angeordnet werden. Das Bodenblech des Abteils kann auch als Schottplatte bezeichnet werden. Das Bodenblech kann auch als Kühlplatte bezeichnet werden. Am Fahrzeug kann der Rahmen an einer Karosserie des Fahrzeugs befestigt werden. Die Batterie kann an einem Unterboden des Fahrzeugs befestigt werden. Das Bodenblech kann in eingebautem Zustand durch eine Steinschlagschutzplatte geschützt werden.
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Das Zellmodul kann auf dem Bodenblech angeordnet werden. Über das Bodenblech kann beim Laden und Entladen der Zellen aufgrund der ablaufenden chemischen Prozesse und elektrischer Widerstände in den Zellen entstehende Wärme abgeführt werden. Ebenso kann den Zellen über das Bodenblech Wärme zugeführt werden, falls die Zellen zu kalt für die chemischen Prozesse sind. Das Bodenblech kann im Wesentlichen geformt sein, wie eine Oberfläche des Zellmoduls. Zum Verringern eines Wärmeübergangswiderstands und zum Ausgleichen von Fertigungstoleranzen wird zwischen dem Zellmodul und dem Bodenblech Wärmeleitpaste angeordnet. Die Wärmeleitpaste kann auch als Gap-Filler oder Lückenfüllerpaste bezeichnet werden. Die Wärmeleitpaste kann vor dem Einsetzen des Zellmoduls in das Abteil auf die Oberfläche des Bodenblechs aufgebracht werden. Ebenso kann die Wärmeleitpaste vor dem Einsetzen auf die Oberfläche des Zellmoduls aufgebracht werden. Alternativ kann die Wärmeleitpaste auf das Bodenblech und das Zellmodul aufgebracht werden. Die Wärmeleitpaste kann nach dem Auftragen beziehungsweise nach dem Drücken chemisch abbinden und dauerelastisch sein. Die Wärmeleitpaste kann ein Zweikomponentenwerkstoff sein. Alternativ kann die Wärmeleitpaste ein einkomponentiger Werkstoff, nicht abbinden und dauerplastisch sein, also nach dem Auftragen beziehungsweise Drücken im Wesentlichen unverändert pastös bleiben.
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Ein Vakuumkissen ist unter Normaldruck plastisch verformbar. Die Verformbarkeit des Vakuumkissens entspricht insbesondere einer Verformbarkeit eines mit einer viskosen beziehungsweise hochviskosen Flüssigkeit gefüllten Kissens. Wenn ein Unterdruck im Vakuumkissen erzeugt wird, erhärtet das Vakuumkissen und wird im Wesentlichen fest. Eine Füllung des Vakuumkissens verfestigt beziehungsweise teilverfestigt sich beim Anlegen des Unterdrucks, da ein Umgebungsdruck auf eine Hülle des Vakuumkissens wirkt und die Füllung zusammengepresst wird. Das Vakuumkissen kann dabei eine Restelastizität aufweisen. Der Unterdruck kann durch eine Vakuumpumpe erzeugt werden. Die Vakuumpumpe kann Luft aus dem Vakuumkissen absaugen. Der Unterdruck kann als Vakuum bezeichnet werden. Der Unterdruck kann beispielsweise zwischen -0,05 bar und - 0,9 bar betragen.
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Beim Drücken des Zellmoduls in die Wärmeleitpaste hinein kann das Zellmodul mit einem Anpressdruck gedrückt werden. Der Anpressdruck kann groß genug sein, um die hochviskose beziehungsweise pastöse Wärmeleitpaste durch einen inneren hydraulischen Druck zum seitlichen Fließen anzuregen. Durch das seitliche Fließen verteilt sich die Wärmeleitpaste in einem Spalt zwischen dem Zellmodul und dem Bodenblech und füllt den Spalt im Wesentlichen vollständig aus. Das Zellmodul kann kraftgesteuert in die Wärmeleitpaste gedrückt werden, also bis der Anpressdruck einen vorbestimmten Wert erreicht. Das Zellmodul kann in die Wärmeleitpaste gedrückt werden, bis es an zumindest einem Punkt an dem Bodenblech anliegt. Das Zellmodul kann auch weggesteuert in die Wärmeleitpaste gedrückt werden, also bis eine vorbestimmte Schichtdicke der Wärmeleitpaste zwischen dem Zellmodul und dem Bodenblech erreicht ist. Durch die im Wesentlichen vollflächige Abstützung mit dem verhärteten Kissen wird das Bodenblech durch den in der Wärmeleitpaste lokal entstehenden hohen hydraulischen Druck im Wesentlichen nicht verformt.
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Während der Rahmen auf dem Vakuumkissen liegt können weitere Komponenten der Batterie montiert werden beziehungsweise weitere Arbeitsschritte zum Herstellen der Batterie ausgeführt werden.
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Das Vakuumkissen kann eine elastische Hülle und eine Füllung aus Partikeln aufweisen. Die Partikel können beispielsweise Kugeln sein. Die Kugeln können aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Die Hülle kann beispielsweise aus einer oder mehreren Lagen elastischer Folie bestehen. Als Material für die flexible Hülle kommen hier PVC- oder PE-Folien in Betracht, die mit einer temperaturbeständigen Beschichtung, zum Beispiel PTFE, versehen sein können. Wenn ein Innendruck im Vakuumkissen einem Umgebungsdruck entspricht oder auch geringfügig höher ist, können die Partikel einfach aneinander abgleiten, um eine Kontur des Bodenblechs abzuformen. Durch die Abformung der Kontur des Bodenblechs kann das Bodenblech bei erzeugtem Unterdruck im Vakuumkissen spannungsfrei beziehungsweise spannungsarm abgestützt werden.
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Wenn die Hülle durch eine Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem Unterdruck auf die Füllung drückt, werden die Partikel gegeneinander gepresst und können nur durch eine große Krafteinwirkung relativ zueinander bewegt werden. Insbesondere liegt bei Unterdruck ein einzelnes Partikel gleichzeitig an mehreren anderen Partikeln an, wodurch eine sehr stabile Lage erreicht werden kann. Bei einem starken Unterdruck ab ca. - 0,3 bis -0,4 bar kann die Hülle in Zwischenräume beziehungsweise Vertiefungen zwischen den äußersten Partikeln der Füllung gezogen beziehungsweise gedrückt werden, wodurch das Vakuumkissen eine strukturierte Oberfläche aufweisen kann. Die Bodenplatte wird dabei durch eine große Vielzahl an Kontaktpunkten zu den Partikeln abgestützt. Die Kontaktpunkte weisen aufgrund der kleinen Partikel geringe Abstände zueinander auf, wodurch die Bodenplatte im Wesentlichen vollflächig abgestützt wird. Durch die strukturierte Oberfläche kann eine Adhäsion zwischen der Hülle und der Bodenplatte verringert beziehungsweise verhindert werden.
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Das Vakuumkissen kann mehrere getrennte Kammern aufweisen. In den Kammern können unterschiedliche Drücke eingestellt werden, um sie unterschiedlich fest einzustellen. Zwischen den Kammern kann sich ein schmaler Spalt ausbilden. Über dem Spalt kann das Bodenblech beispielsweise nicht abgestützt sein. Das Bodenblech kann dabei mit mehr als 90 Prozent seiner Fläche auf dem Vakuumkissen abgestützt sein. Insbesondere kann das Bodenblech mit mehr als 95 Prozent seiner Fläche auf dem Vakuumkissen abgestützt sein.
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Nach dem Drücken kann ein Innendruck des Vakuumkissens an einen Umgebungsdruck angeglichen werden, um das Kissen zu enthärten. Der Rahmen kann mit dem Zellmodul von dem enthärteten Kissen abgehoben werden. Durch den Druckausgleich kann die Füllung des Vakuumkissens wieder einfach verformt werden. Nach dem Abheben der miteinander verbundenen Komponenten kann ein nächster Rahmen auf das Kissen aufgesetzt werden und damit das Verfahren erneut ablaufen. Das Verfahren kann getaktet ausgeführt werden. Als Taktzeit können beispielsweise zwei Minuten angestrebt werden.
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Die Wärmeleitpaste kann in Form einer Raupenauftragung aufgetragen werden. Ein Abstand zwischen den Raupen der Raupenauftragung kann im Wesentlichen konstant sein und die Raupen können beim Drücken platt gedrückt werden. Die Raupen bei der Raupenauftragung können geradlinig aufgetragen werden. Die Raupen können im Wesentlichen parallel aufgetragen werden. Der Abstand zwischen den Raupen kann beim Drücken durch die Wärmeleitpaste ausgefüllt werden. Durch eine quer zu den Raupen gerichtete Fließbewegung der Wärmeleitpaste beim Drücken kann eine näherungsweise vollflächige Benetzung beider Komponenten mit der Wärmeleitpaste erreicht werden. Die Raupen können längs oder quer zu den Zellen des Zellmoduls aufgetragen werden. Insbesondere können die Raupen quer zu den Zellen aufgetragen werden. Zwischen den Raupen eingeschlossene Luft kann zwischen den einzelnen Zellen des Zellmoduls entweichen. Alternativ kann die Wärmeleitpaste mittels einer Punktauftragung aufgetragen werden.
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Die Wärmeleitpaste kann auf zumindest einen Teilbereich des Bodenblechs aufgetragen werden. Das Bodenblech kann beispielsweise größer als das Zellmodul sein. Um Gewicht zu sparen können Bereiche des Bodenblechs zwischen den Holmen und dem Zellmodul beziehungsweise zwischen zwei Zellmodulen frei von Wärmeleitpaste bleiben. Während der Rahmen auf dem Vakuumkissen liegt, kann die Oberfläche des Bodenblechs nach oben weisen. Das Auftragen der Wärmeleitpaste kann so mit Unterstützung durch die Schwerkraft besonders einfach durchgeführt werden.
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Zwischen dem Bodenblech und dem Vakuumkissen kann eine Kühleinrichtung angeordnet sein. Die Kühleinrichtung kann durch das Vakuumkissen plastisch abgeformt werden. Eine Kühleinrichtung kann Kühlkanäle für ein Kühlmittel aufweisen. Die Kühlkanäle können auf einer dem Vakuumkissen zugewandten Seite des Bodenblechs angeordnet sein und beim Aufsetzen in das Vakuumkissen gepresst werden. Die Kühleinrichtung kann Bestandteil des Bodenblechs sein. Die Kühleinrichtung kann auch auf das Bodenblech aufgesetzt und mit dem Bodenblech verklebt werden.
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Das Zellmodul kann nach dem Drücken mit dem Rahmen verschraubt werden. Durch eine Verschraubung kann das Zellmodul am Rahmen fixiert werden. Die Verschraubung kann unter Verwendung eines Toleranzausgleichselements erfolgen, um Form und Lagetoleranzen während des Schraubvorgangs auszugleichen. So kann sich das Zellmodul auf der Wärmeleitpaste innerhalb der Toleranz bewegen also bei Erwärmung ausdehnen und beim Auskühlen zusammenziehen.
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Zumindest ein weiteres Zellmodul der Batterie kann in die Wärmeleitpaste gedrückt werden. Die Wärmeleitpaste kann zuvor auf das weitere Zellmodul und/oder das Bodenblech dosiert werden. Das weitere Zellmodul kann im gleichen Abteil des Rahmens angeordnet werden, wie das erste Zellmodul. Das weitere Zellmodul kann ebenso in einem anderen Abteil des Rahmens angeordnet werden. Mehrere Zellmodule können im gleichen Abteil verbaut werden. Mehrere Module können gleichzeitig verbaut werden. Dazu kann beispielsweise ein Mehrfachgreifer verwendet werden, der alle gleichzeitig zu verbauenden Zellmodule zusammen im Rahmen platziert und in die Wärmeleitpaste drückt. Die Zellmodule können innerhalb des Abteils beispielsweise in einer Reihe angeordnet werden. Während der Rahmen auf dem Vakuumkissen liegt können mehrere beziehungsweise alle Zellmodule der Batterie verbaut werden. Pro Abteil kann auch ein einzelnes Zellmodul verbaut werden. Die Holme können dann die Zellmodule voneinander trennen und so im Fall einer Beschädigung der Batterie eine Ausbreitung des Schadens erschweren beziehungsweise verhindern.
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Beim Drücken kann eine Durchbiegung des Bodenblechs erfasst werden. Die Durchbiegung kann durch eine Aussparung im Vakuumkissen erfasst werden. Vor dem Drücken kann ein Ausgangswert der Durchbiegung gemessen werden. Der Ausgangswert kann gemessen werden, wenn das Bodenblech abgeformt worden ist und der Unterdruck im Vakuumkissen erzeugt worden ist. Der Ausgangswert kann eine Ruhelage des Bodenblechs beschreiben. Die Durchbiegung kann durch eine berührende Messung oder eine berührungslose Messung erfasst werden. Die Durchbiegung kann eine Strecke sein, um die das Bodenblech durch die Druckkraft aus der Ruhelage verformt wird. Die Durchbiegung kann dokumentiert werden. Nach dem Drücken, wenn die Druckkraft auf das Zellmodul nachgelassen hat, kann ein Durchhang des Bodenblechs gemessen werden. Der Durchhang kann eine bleibende Verformung des Bodenblechs durch das aufliegende Zellmodul und/oder eine lokale Druckkraft in der Wärmeleitpaste sein. Auch der Durchhang kann dokumentiert werden. Über die Durchbiegung und/oder den Durchhang kann ein Fertigungsprozess überwacht werden.
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Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Wärmeübergangs zwischen Komponenten einer Batterie vorgestellt, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in entsprechenden Einrichtungen auszuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern.
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Die Vorrichtung kann hierzu beispielsweise über eine Mechanik mit Aktuatoren oder eine Robotik verfügen, mit der die Komponenten der Batterie verlagert, insbesondere relativ zueinander verlagert, werden können. Ferner können das Vakuumkissen sowie eine Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks im Kissen Teil einer solchen Vorrichtung sein. Die Vorrichtung kann außerdem einen Dispenser oder eine ähnliche Einrichtung zum Auftragen der Wärmeleitpaste aufweisen. Schließlich kann die Vorrichtung eine Steuerung aufweisen, mithilfe derer Funktionalitäten der genannten Baueinheiten der Vorrichtung gesteuert werden können, um Schritte des zuvor beschriebenen Verfahrens ausführen zu können.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert:
- 1 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 zeigt eine Darstellung eines Aufsetzens eines Rahmens einer Batterie auf ein Vakuumkissen einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 zeigt eine Darstellung eines Erzeugens eines Unterdrucks an einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 4 zeigt eine Darstellung eines Drückens eines Zellmoduls in eine Wärmeleitpaste unter Verwendung einer Drückeinrichtung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung
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Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den 1-4 als Referenz beibehalten.
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1 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Herstellen eines Wärmeübergangs zwischen Komponenten einer Batterie 102. Hier ist als erste Komponente der Batterie 102 ein Rahmen 104 der Batterie 102 dargestellt. Der Rahmen 104 kann auch als Batteriefach der Batterie 102 bezeichnet werden. Auf ein Bodenblech 106 des Rahmens 104 ist in einem Teilbereich 108 eine Wärmeleitpaste 110 aufgetragen. Die Wärmeleitpaste 110 weist hier einen Abstand zu Rändern des Bodenblechs 106 auf. Die Wärmeleitpaste 110 kann als Gapfiller bezeichnet werden. Der Rahmen 104 ist aus Holmen 112 aufgebaut, die insbesondere rechteckige Abteile 114 ausbilden. Die Holme 112 sind dabei Seitenwände der Abteile 114. Der hier dargestellte Rahmen 104 weist zur einfacheren Darstellung nur ein Abteil 114 auf. Weitere Abteile 114 können beispielsweise seitlich neben dem Abteil 114 angeordnet sein. Das Bodenblech 106 schließt das Abteil 114 nach unten ab. Das Bodenblech 106 bildet also einen Boden des Abteils 114 aus. Das Bodenblech 106 verbindet die Holme 112 miteinander.
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Unter dem Rahmen 104 ist als eine erste Komponente der Vorrichtung 100 ein Vakuumkissen 116 angeordnet. Das Vakuumkissen 116 verändert seine Eigenschaften in Abhängigkeit von einem Druck im Vakuumkissen 116. Wenn der Druck im Wesentlichen einem Umgebungsdruck entspricht, also unwesentlich größer oder gleich dem Umgebungsdruck ist, ist das Vakuumkissen 116 plastisch verformbar. Wenn der Druck kleiner als der Umgebungsdruck ist, verhärtet das Vakuumkissen 116.
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Das Vakuumkissen 116 weist eine elastische Hülle und eine Füllung auf. Beispielsweise besteht die Füllung aus Partikeln. Wenn ein entsprechend stark genügender Unterdruck im Vakuumkissen 116 herrscht, liegen die Partikel aneinander an und setzen insbesondere einwirkenden Druckkräften einen großen Widerstand entgegen. Ohne den Unterdruck sind die Partikel von Luft umgeben und gleiten aneinander ab. Dadurch kann sich das Vakuumkissen 116 an nahezu beliebige Konturen anschmiegen. Wenn der Unterdruck erzeugt wird, bleibt die abgeformte Kontur erhalten.
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Das Vakuumkissen 116 liegt hier auf einer planen Unterlage 118 der Vorrichtung 100. Durch die Schwerkraft wird eine Oberfläche des Vakuumkissens 116 bei ausgeglichenem Außen- und Innendruck und ohne aufliegenden Gegenstand näherungsweise glatt, da die Füllung Vertiefungen auffüllt und Erhebungen seitlich abfließen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Wärmeleitpaste 110 in Form von Raupen auf das Bodenblech 106 aufgetragen worden. Die Raupen verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander.
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2 zeigt eine Darstellung eines Aufsetzens eines Rahmens 104 einer Batterie 102 auf ein Vakuumkissen 116 einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Darstellung entspricht dabei im Wesentlichen der Darstellung in 1. Im Gegensatz dazu liegt der Rahmen 104 hier auf dem Vakuumkissen 116 auf und eine Unterseite des Bodenblechs 106 wird durch das Vakuumkissen abgeformt. Durch die Fließfähigkeit seiner Füllung und die Elastizität seiner Hülle liegt das Vakuumkissen 116 vollflächig an dem Bodenblech 106 an. Der Rahmen 104 ist dabei ein Stück in das Vakuumkissen 116 eingesunken. Das Bodenblech 106 liegt jetzt spannungsfrei oder zumindest spannungsarm auf dem Vakuumkissen 116.
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Hier ist das Vakuumkissen 116 mit der Unterlage 118 durch eine Anhebeeinrichtung 200 der Vorrichtung 100 gegen das Bodenblech 106 gedrückt worden. Alternativ dazu kann der Rahmen 104 durch eine Absenkeinrichtung auf das Vakuumkissen 116 abgesenkt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Bodenblech 106 an der Unterseite eine hier nicht dargestellte Kühleinrichtung auf. Die Kühleinrichtung weist Kühlkanäle auf, die über eine Haupterstreckungsebene der Unterseite überstehen. Die Kühlkanäle werden beim Aufsetzen des Rahmens 104 auf das Vakuumkissen 116 ebenso dreidimensional abgeformt.
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3 zeigt eine Darstellung eines Erzeugens eines Unterdrucks an einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Darstellung entspricht dabei im Wesentlichen der Darstellung in 2. Zusätzlich dazu ist hier eine Vakuumpumpe 300 symbolisch dargestellt, die einen Unterdruck im Vakuumkissen 116 erzeugt, indem sie Luft aus dem Vakuumkissen 116 und seiner Füllung absaugt. Durch den Unterdruck verhärtet das Vakuumkissen 116 und behält die Kontur des darauf abgesenkten Rahmens 104 bei. Der Unterdruck zieht die Hülle des Vakuumkissens 116 zusammen. Dabei wird die Füllung von allen Seiten gleichmäßig zusammengepresst und behält so die beim Aufsetzen erzeugte Form der Bodenplatte 106 bei.
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4 zeigt eine Darstellung eines Drückens eines Zellmoduls 400 in eine Wärmeleitpaste 110 unter Verwendung einer Drückeinrichtung 402 einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Zellmodul 400 ist eine zweite Komponente der Batterie 102. Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 3. Zusätzlich ist hier das Zellmodul 400 im Abteil 114 angeordnet und wird von der Drückeinrichtung 402 in die Wärmeleitpaste 110 gedrückt. Das Drücken kann auch als Setzen bezeichnet werden. Während des Drückens ist die Vakuumpumpe 300 aktiv oder ein Ventil zwischen dem Vakuumkissen 116 und der Vakuumpumpe 300 ist geschlossen und stellt den Unterdruck im Vakuumkissen 116 sicher. Während des Drückens wird das Bodenblech 106 also im Wesentlichen vollflächig durch das verhärtete Vakuumkissen 116 abgestützt, sodass ein durch das Drücken resultierender Druck in der Wärmeleitpaste 110 das Bodenblech 106 nicht oder nur unwesentlich verformen kann.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Drückeinrichtung 402 als Positioniereinrichtung ausgebildet und weist einen Greifer zum Heben und Positionieren des Zellmoduls 400 auf. Der Greifer kann auch als Mehrfachgreifer ausgebildet sein. Der Mehrfachgreifer kann mehrere Zellmodule 400 gleichzeitig greifen, zueinander positionieren und an der richtigen Position in den Rahmen 104 einsetzen. Dabei können die Zellmodule 400 im gleichen Abteil 114 des Rahmens 104 gruppiert platziert werden oder auch in mehreren Abteilen 114 gruppiert oder einzeln angeordnet werden. So kann die komplette Batterie 102 in einem Arbeitsdurchlauf zusammengesetzt werden. Alternativ können die Zellmodule 400 auch nacheinander positioniert werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird das Zellmodul 400 nach dem Drücken mit dem Rahmen 104 verschraubt. Durch die Verschraubung wird eine Position des Zellmodus 400 relativ zum Rahmen 104 gesichert. Zum Verschrauben werden dabei Toleranzausgleichselemente verwendet, um beispielsweise Form und Lagetoleranzen während des Schraubvorgangs auszugleichen.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Vakuumkissen 116 eine Aussparung auf, durch die ein Messgerät 404 das Bodenblech 106 abtastet. Die Aussparung ist im Wesentlichen mittig unterhalb des Rahmens 104 angeordnet. Das Messgerät 404 erfasst durch die Aussparung eine Durchbiegung des Bodenblechs 106 beim Andrücken des Zellmoduls 400. Im Bereich der Aussparung ist das Bodenblech 106 nicht abgestützt. Das Messgerät 404 kann die Durchbiegung berührend oder berührungslos erfassen.
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Nach dem Drücken wird die Vakuumpumpe 300 abgeschaltet und/oder das Ventil geöffnet, sodass Luft in das Vakuumkissen 116 einströmen kann. Dadurch wird das Vakuumkissen 116 wieder weich und die Batterie 102 kann einfach von dem Vakuumkissen 116 abgehoben werden.
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Mit anderen Worten zeigt 4 eine Konturabstützung mittels Vakuumkissen. Das Vakuumkissen ermöglicht eine Stabilisierung des Bodenblechs eines Batteriesystems gegen Verformung beim Setzen der Zellmodule.
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Bisher wird zum Setzen der Batteriemodule eine gefräste Konturplatte als Unterlage verwendet. Diese Methode ist günstig, lässt aber keine Anpassung an Toleranzen des Bodenblechs zu. Zum Ausgleich der Toleranzen kann ein Matrix Spannsystem verwendet werden, das die Form des Bodenbleches aufnimmt.
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Das Vakuumkissen wird unter den Grundrahmen gefahren und mit Vakuum beaufschlagt. Es werden die Zellmodule in den Grundträger auf das Bodenblech gesetzt. Das Vakuumkissen fängt die auf das Bodenblech wirkende Kraft ab und verteilt die Kraft flächig. Nachdem die Zellmodule verschraubt wurden, kann das Kissen wieder entfernt werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz löst ein Problem in der Batteriefertigung und ist auch für zukünftige Batteriesysteme anwendbar. Der hier vorgestellte Ansatz kann auch für jede andere Anwendung verwendet werden, die eine flexible konturangepasste Unterstützung benötigt. Durch den hier vorgestellten Ansatz können Fertigungstoleranzen verringert und eine Bauteilqualität erhöht werden. Investitionskosten können verringert werden. Eine Taktzeit kann verkürzt werden, da mehrere Zellmodule gleichzeitig gesetzt werden können.
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Der hier vorgestellte Ansatz ist deutlich günstiger als komplexe und teure Spannsysteme. Das Vakuumkissen ermöglicht bei genauer Abformung des Bodenblechs eine vollflächige Abstützung unter einem Zellmodul. Der Ansatz ist skalierbar. Ein komplettes Batteriesystem kann auf einmal abgestützt werden. Eine Beschädigung des Bodenblechs beispielsweise durch ein Verkratzen der Lackierung kann verhindert werden, da das Kissen aus Kunststoffgewebe gefertigt wird. In der Serienfertigung können mehrere Zellmodule gleichzeitig gesetzt werden, wodurch die Taktzeit in der Fertigung verringert werden kann.
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In einem Ausführungsbeispiel besteht das Vakuumkissen aus einem stabilen Kissen, das mit kleinen Kunststoffkugeln gefüllt ist. Die Kunststoffkugeln können beispielsweise einen Durchmesser von drei Millimetern aufweisen. Unter Umgebungsdruck können sich die Kugeln bewegen und das Kissen passt sich der Kontur des Bauteils an. Sobald das Kissen evakuiert wird, werden die Kugeln zusammengepresst und es bildet sich ein stabiles Kissen, das hohe Kräfte aufnehmen kann.
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Das Batteriesystem kann von einem Werkstückträger getragen werden. Das Batteriesystem wird aus einem leeren Batterierahmen, in welchen 12 Zellmodule eingesetzt werden aufgebaut. Der Batterierahmen weist vier Fächer für je drei Module auf. In diesen Rahmen wird ein Gap-Filler gespritzt, dieser dient als Wärmeleitpaste zwischen dem Zellmodul und dem Bodenblech, das mit einer Wasserkühlung ausgestattet ist. Die Wasserkühlung erfolgt durch Kühlkanäle am Boden der Fächer, um eine effektive Kühlung der Zellemodule zu erreichen. Der Gap-Filler wird nach dem Aufbringen durch das Zellmodul im Rahmen verpresst, um eine flächige Verbindung zu gewährleisten. Das Vakuumkissen wird von unten an das Bodenblech angedrückt, bis sich die Kontur abgeformt hat. Anschließend wird das Vakuumkissen evakuiert und verriegelt, damit es die auftretenden Kräfte beim Verpressen des Gap-Fillers aufnehmen kann. Beim Verpressen können bis ca. 150kg auf dem Vakuumkissen lasten. Der Vakuumsack kann beispielsweise aus Polyethylen und Kunststoffgranulat hergestellt werden. Das Kissen kann mittig am Zellmodul eine Aussparung aufweisen, durch welche ein Abstandssensor auf das Bodenblech messen kann. Somit kann während dem Setzen der Zellmodule die Durchbiegung des Bodenblechs dokumentiert werden.
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Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft gewählt.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 100
- Vorrichtung
- 102
- Batterie
- 104
- Rahmen
- 106
- Bodenblech
- 108
- Teilbereich
- 110
- Wärmeleitpaste
- 112
- Holm
- 114
- Abteil
- 116
- Vakuumkissen
- 118
- Unterlage
- 200
- Anhebeeinrichtung
- 300
- Vakuumpumpe
- 400
- Zellmodul
- 402
- Drückeinrichtung
- 404
- Messgerät
