DE102021005958A1 - Procedure for repairing a battery module - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Batteriemoduls (1) mit einer Mehrzahl elektrochemischer Einzelzellen (2), die über miteinander verbundene Zellableiter (3) elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltetet sind.Erfindungsgemäß ist das Batteriemodul (1) in eine Mehrzahl von Modulsegmenten (4) mit jeweils einer Einzelzelle (2) oder mehreren Einzelzellen (2) unterteilt, die zur Reparatur des Batteriemoduls (1) separat ersetzbar sind, wobei bei einem Defekt in einem der Modulsegmente (4) die Zellableiter (3) des defekten Modulsegments (7) und benachbarter Modulsegmente (4), die miteinander verbunden sind, durchtrennt werden, das defekte Modulsegment (7) aus dem Batteriemodul (1) entnommen wird, ein Ersatzmodulsegment (9) in das Batteriemodul (1) eingesetzt wird und die Zellableiter (3) des Ersatzmodulsegments (9) mit den Zellableitern (3) der benachbarten Modulsegmente (4) verbunden werden, indem jeweils ein Zellableiter (3) des Ersatzmodulsegments (9) und ein Zellableiter (3) eines benachbarten Modulsegments (4) in jeweils eine Öffnung (11) eines Reparaturverbinders (10) eingeschoben und mit dem Reparaturverbinder (10) zusammengefügt wird.The invention relates to a method for repairing a battery module (1) with a plurality of electrochemical individual cells (2) which are electrically connected to one another in series and/or in parallel via interconnected cell conductors (3). According to the invention, the battery module (1) is divided into a plurality of Module segments (4), each with one individual cell (2) or several individual cells (2), which can be replaced separately to repair the battery module (1), with the cell conductor (3) of the defective module segment being replaced in the event of a defect in one of the module segments (4). (7) and adjacent module segments (4) that are connected to one another are severed, the defective module segment (7) is removed from the battery module (1), a replacement module segment (9) is inserted into the battery module (1) and the cell conductor ( 3) of the replacement module segment (9) are connected to the cell conductors (3) of the adjacent module segments (4), in that one cell conductor (3) of the replacement module segment (9) and a cell conductor (3) of an adjacent module segment (4) is pushed into an opening (11) of a repair connector (10) and joined to the repair connector (10).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Batteriemoduls nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a method for repairing a battery module according to the features of the preamble of
Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
In der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Reparatur eines Batteriemoduls anzugeben.The invention is based on the object of specifying a method for repairing a battery module that is improved over the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Reparatur eines Batteriemoduls mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by a method for repairing a battery module with the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reparatur eines Batteriemoduls mit einer Mehrzahl elektrochemischer Einzelzellen, die über miteinander verbundene Zellableiter elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltetet sind, wobei das Batteriemodul in eine Mehrzahl von Modulsegmenten mit jeweils einer Einzelzelle oder mehreren Einzelzellen unterteilt ist, die zur Reparatur des Batteriemoduls separat ersetzbar sind, werden bei einem Defekt in einem der Modulsegmente die Zellableiter des defekten Modulsegments und benachbarter Modulsegmente, die miteinander verbunden sind, durchtrennt. Das defekte Modulsegment wird aus dem Batteriemodul entnommen und ein Ersatzmodulsegment in das Batteriemodul eingesetzt. Die Zellableiter des Ersatzmodulsegments werden mit den Zellableitern der benachbarten Modulsegmente verbunden, indem jeweils ein Zellableiter des Ersatzmodulsegments und ein Zellableiter eines benachbarten Modulsegments in jeweils eine Öffnung eines Reparaturverbinders eingeschoben und mit dem Reparaturverbinder zusammengefügt wird, insbesondere mittels eines Schweißprozesses, insbesondere durch Laserstrahlschweißen, beispielsweise mittels jeweils einer I-Naht an einem Überlappstoß zwischen dem Reparaturverbinder und dem jeweiligen Zellableiter. Die hierfür verwendeten Reparaturverbinder sind aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, beispielsweise jeweils aus Aluminium und/oder Kupfer, d. h. beispielsweise nur aus Aluminium oder nur aus Kupfer oder aus Bimetall Aluminium und Kupfer. Dies richtet sich insbesondere nach einem Material der Zellableiter, d. h. der Reparaturverbinder oder zumindest ein jeweiliger Verbindungsbereich des Reparaturverbinders ist insbesondere aus dem gleichen Material wie der Zellableiter, mit dem er verbunden werden soll, ausgebildet.In a method according to the invention for repairing a battery module with a plurality of electrochemical individual cells which are electrically connected to one another in series and/or in parallel via interconnected cell conductors, the battery module being divided into a plurality of module segments each having one individual cell or a plurality of individual cells which are used for repair of the battery module can be replaced separately, in the event of a defect in one of the module segments, the cell conductors of the defective module segment and neighboring module segments that are connected to one another are severed. The defective module segment is removed from the battery module and a replacement module segment is inserted into the battery module. The cell conductors of the replacement module segment are connected to the cell conductors of the adjacent module segments by inserting a cell conductor of the replacement module segment and a cell conductor of an adjacent module segment into an opening of a repair connector and joining them to the repair connector, in particular by means of a welding process, in particular by laser beam welding, for example by means of an I-seam on each lap joint between the repair connector and the respective cell conductor. The repair connectors used for this are made of an electrically conductive material, for example aluminum and/or copper, i. H. for example only aluminum or only copper or bimetallic aluminum and copper. This depends in particular on a material of the cell conductor, i. H. the repair connector or at least one respective connection area of the repair connector is in particular made from the same material as the cell conductor to which it is to be connected.
Für die erfindungsgemäße Lösung ist somit insbesondere ein im Vergleich zum Stand der Technik veränderter Modulaufbau in einem ursprünglichen Produktionsprozess des Batteriemoduls vorgesehen. Hierbei wird eine kleinere Untergliederung in das Batteriemodul eingefügt, zum Beispiel durch einen Einsatz von Zellrahmen, insbesondere in Leichtbauweise, so dass nicht alle Einzelzellen gegeneinander verspannt sind, sondern mehrere Modulsegmente mit jeweils einer Einzelzelle oder mehreren Einzelzellen vorhanden sind und somit einzelne Modulsegmente leichter nachträglich aus dem Batteriemodul entnommen werden können.For the solution according to the invention, a modified module structure compared to the prior art is therefore provided in an original production process of the battery module. Here, a smaller subdivision is inserted into the battery module, for example by a use of cell frames, in particular in lightweight construction, so that not all individual cells are braced against each other, but several module segments, each with a single cell or several individual cells are available and thus individual module segments can be easily removed later from the battery module.
Bei Detektion eines nachträglichen Defekts in einem der Modulsegmente, beispielsweise eines Zelldefekts einer Einzelzelle, wird dann das betroffene Modulsegment aus dem Batteriemodul herausgetrennt und durch ein neues Modulsegment, d. h. ein Ersatzmodulsegment, ersetzt. Dies wird durch die kleinere Untergliederung des Batteriemoduls ermöglicht, wodurch eine vereinfachte Zugänglichkeit erreicht wird und beispielsweise ein Herausschieben des defekten Modulsegments aus dem Batteriemodul und ein Einschieben des Ersatzmodulsegments in das Batteriemodul ermöglicht wird.If a subsequent defect is detected in one of the module segments, for example a cell defect in a single cell, the affected module segment is then separated from the battery module and replaced by a new module segment, i. H. a spare module segment, replaced. This is made possible by the smaller subdivision of the battery module, which makes it easier to access and, for example, allows the defective module segment to be pushed out of the battery module and the replacement module segment to be pushed into the battery module.
Durch das Durchtrennen der miteinander verbundenen Zellableiter des defekten Modulsegments und der benachbarten Modulsegmente sind die Zellableiter der im Batteriemodul verbleibenden Modulsegmente zu kurz, um sie auf herkömmliche Weise direkt mit den Zellableitern des Ersatzmodulsegments zu verbinden. Daher ist bei der erfindungsgemäßen Lösung der Einsatz eines bzw. mehrerer Reparaturverbinder mit Öffnungen vorgesehen, so dass die alten verkürzten Zellableiter der benachbarten Modulsegmente nochmals gefügt werden können. Es wird somit jeweils ein Zellableiter, insbesondere ein Zellableiterende, eines benachbarten Modulsegments und des Ersatzmodulsegments durch jeweils eine Öffnung des jeweiligen Reparaturverbinders hindurchgesteckt und anschließend gefügt, d. h. mit dem Reparaturverbinder zusammengefügt, insbesondere verschweißt, insbesondere durch Laserstrahlschweißen, beispielsweise mittels einer I-Naht am Überlappstoß.By severing the interconnected cell conductors of the defective module segment and the adjacent module segments, the cell conductors of the module segments remaining in the battery module are too short to be connected directly to the cell conductors of the replacement module segment in the conventional way. Therefore, in the solution according to the invention, the use of one or more repair connectors with openings is provided, so that the old, shortened cell conductors of the adjacent module segments can be rejoined. A cell arrester, in particular an end of a cell arrester, of an adjacent module segment and of the replacement module segment is thus inserted through an opening in the respective repair connector and then joined, i. H. joined to the repair connector, in particular welded, in particular by laser beam welding, for example by means of an I-seam at the lap joint.
Das durch die erfindungsgemäße Lösung ermöglichte Reparaturkonzept ist sehr nachhaltig, da lediglich die defekten Einzelzellen oder zumindest lediglich kleinere Modulsegmente, welche eine oder mehrere defekte Einzelzellen aufweisen, ausgetauscht werden und somit kein komplettes Batteriemodul entsorgt bzw. bestmöglich recycelt werden muss. Die erfindungsgemäße Lösung ist somit ressourcenschonend und umweltschonend.The repair concept made possible by the solution according to the invention is very sustainable, since only the defective individual cells or at least only smaller module segments that have one or more defective individual cells are replaced and therefore no complete battery module has to be disposed of or recycled as best as possible. The solution according to the invention is therefore resource-saving and environmentally friendly.
Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Lösung eine hohe Kostenersparnis für Kunden und Hersteller erreicht, da lediglich ein begrenzter Austausch von kostenintensiven Zellkomponenten erforderlich ist und kein Austausch des gesamten Batterriemoduls gegen ein komplett neues Batteriemodul mit solchen kostenintensiven Zellkomponenten erforderlich ist.Furthermore, the solution according to the invention achieves high cost savings for customers and manufacturers, since only a limited exchange of expensive cell components is required and the entire battery module does not have to be exchanged for a completely new battery module with such expensive cell components.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Reparaturverbinder sehr flexibel und somit für sehr viele unterschiedliche elektrische Verschaltungen verwendbar, beispielsweise bei elektrischer Reihenschaltungen, d. h. elektrisch serieller Verschaltung der Einzelzellen, bei elektrischer Parallelschaltung der Einzelzellen und auch bei einer Kombination von elektrischer Reihenschaltung und elektrischer Parallelschaltung im Batteriemodul.The solution according to the invention is very flexible due to the repair connector and can therefore be used for a large number of different electrical circuits, for example in the case of electrical series circuits, d. H. electrical serial connection of the individual cells, with electrical parallel connection of the individual cells and also with a combination of electrical series connection and electrical parallel connection in the battery module.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht zudem eine Individualisierung des Reparaturkonzeptes, beispielsweise durch eine Festlegung der Größe der Modulsegmente.The solution according to the invention also enables the repair concept to be individualized, for example by specifying the size of the module segments.
Eine Fertigung der für die erfindungsgemäße Lösung erforderlichen Reparaturverbinder ist kostengünstig und trivial, zum Beispiel mittels eines einzigen Stanzprozesses, so dass ein daraus resultierender zusätzlicher Aufwand für die Reparatur minimal und somit, insbesondere angesichts der aus der erfindungsgemäßen Lösung resultierenden Vorteile, vernachlässigbar ist.Manufacturing the repair connectors required for the solution according to the invention is inexpensive and trivial, for example by means of a single stamping process, so that the resulting additional expense for the repair is minimal and therefore negligible, in particular in view of the advantages resulting from the solution according to the invention.
Für die Reparatur mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können während der ursprünglichen Herstellung des Batteriemoduls verwendete herkömmliche Fügeverfahren, beispielsweise Laserstrahlschweißen, erneut verwendet werden, wodurch neue und aufwendige Prozesse entfallen.For the repair using the method according to the invention, conventional joining methods used during the original manufacture of the battery module, for example laser beam welding, can be used again, as a result of which new and complex processes are no longer necessary.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mehrfach am Batteriemodul ausführbar, insbesondere auch mehrfach am gleichen Modulsegment, d. h. beispielsweise kann bei einem Defekt im Ersatzmodulsegment auch dieses Ersatzmodulsegment auf die beschriebene Weise wieder ausgetauscht werden. Ebenso können auf die beschriebene Weise auch die zum Ersatzmodulsegment benachbarten Modulsegmente ausgetauscht werden, falls dort ein Defekt auftritt.The method according to the invention can be carried out multiple times on the battery module, in particular multiple times on the same module segment, i. H. for example, in the event of a defect in the replacement module segment, this replacement module segment can also be exchanged again in the manner described. Likewise, the module segments adjacent to the replacement module segment can also be exchanged in the manner described if a defect occurs there.
Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere ohne eine Bauraumvergrößerung des Batteriemoduls umsetzbar, wodurch keine Modifikationen an einer solche Batteriemodule aufweisenden Batterie und an einem Bauraum im Fahrzeug zum Einbau der Batterie erforderlich sind.The solution according to the invention can be implemented in particular without increasing the installation space of the battery module, which means that no modifications are required to a battery having such battery modules and to an installation space in the vehicle for installing the battery.
Das Batteriemodul ist insbesondere für eine Batterie vorgesehen, insbesondere für eine auch als Hochvoltspeicher, Traktionsbatterie oder Zyklenbatterie bezeichnete Antriebsbatterie für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, insbesondere zur elektrischen Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs. Die Batterie weist beispielsweise eine Mehrzahl solcher elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Batteriemodule auf.The battery module is provided in particular for a battery, in particular for a drive battery, also known as a high-voltage storage device, traction battery or cycle battery, for a vehicle, in particular for an electric vehicle or hybrid vehicle, in particular for supplying electrical energy to at least one electric drive motor in the vehicle. The battery has, for example, a plurality of such battery modules electrically connected to one another in series and/or in parallel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
-
1 schematisch eine Ausführungsform eines Batteriemoduls nach dem Stand der Technik, -
2 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Batteriemoduls nach dem Stand der Technik, -
3 schematisch das Detail III aus1 , -
4 schematisch das Detail IV aus2 , -
5 schematisch das Detail V aus2 , -
6 schematisch das Detail VI aus2 , -
7 schematisch eine Ausführungsform eines Batteriemoduls für ein Verfahren zu dessen Reparatur während eines Entfernens eines Modulsegments, -
8 schematisch die Ausführungsform des Batteriemoduls gemäß7 während eines Einfügens eines Ersatzmodulsegments, -
9 schematisch die Ausführungsform des Batteriemoduls gemäß7 und8 während eines Einfügens von Reparaturverbindern, -
10 schematisch einen Reparaturverbinder, und -
11 schematisch einen mit Zellableitern verbundenen Reparaturverbinder.
-
1 schematically an embodiment of a battery module according to the prior art, -
2 schematically another embodiment of a battery module according to the prior art, -
3 schematically detail III1 , -
4 schematically detail IV2 , -
5 shows the detail V schematically2 , -
6 schematically detail VI2 , -
7 schematically an embodiment of a battery module for a method for its repair while removing a module segment, -
8th schematically the embodiment of the battery module according to7 during insertion of a replacement module segment, -
9 schematically the embodiment of the battery module according to7 and8th during insertion of repair connectors, -
10 schematically a repair connector, and -
11 schematic of a repair connector connected to cell conductors.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Die
Das Batteriemodul 1 weist eine Mehrzahl elektrochemischer Einzelzellen 2 auf, die über miteinander verbundene Zellableiter 3 elektrisch seriell, wie in
Dabei erfolgt beispielsweise eine Laserstrahlschweißung einer Mischverbindung aus Kupfer und Aluminium, wenn einer der miteinander zu verschweißenden Zellableiter 3 aus Kupfer und der andere Zellableiter 3 aus Aluminium ausgebildet ist, wie beispielsweise in den
Die Einzelzellen 2 des Batteriemoduls 1 sind beispielsweise als so genannte Pouchzellen ausgebildet. Im Stand der Technik werden die Einzelzellen 2 im Batteriemodul 1 gegeneinander verpresst verbaut. Daher ist es auch bei einem Defekt einer einzigen Einzelzelle 2 erforderlich, das gesamte Batteriemodul 1 auszutauschen und bestmöglich zu recyceln.The
Um dieses Problem zu vermeiden und eine Reparatur des Batteriemoduls 1 zu ermöglichen, ist bei der im Folgenden beschriebenen und in den
Für diese Lösung ist somit insbesondere ein im Vergleich zum Stand der Technik veränderter Modulaufbau in einem ursprünglichen Produktionsprozess des Batteriemoduls 1 vorgesehen. Hierbei wird eine kleinere Untergliederung in das Batteriemodul 1 eingefügt, zum Beispiel durch einen Einsatz von Zellrahmen 5, insbesondere in Leichtbauweise, so dass nicht alle Einzelzellen 2 gegeneinander verspannt sind, sondern mehrere Modulsegmente 4 mit jeweils einer Einzelzelle 2 oder mehreren Einzelzellen 2 vorhanden sind und somit einzelne Modulsegmente 4 leichter nachträglich aus dem Batteriemodul 1 entnommen werden können.For this solution, a modified module structure compared to the prior art is provided in an original production process of the
Im dargestellten Beispiel weist das Batteriemodul 1 eine Zellrahmeneinheit 6 mit mehreren voneinander beabstandeten Zellrahmen 5 auf, zwischen denen jeweils ein Modulsegment 4 angeordnet ist. Es ist somit in dieser Zellrahmeneinheit 6 ein Zwischenraum zwischen jeweils zwei Zellrahmen 5 ausgebildet, in welchen ein jeweiliges Modulsegment 4 eingeschoben und auch wieder herausgezogen werden kann, ohne dadurch die anderen Modulsegmente 4 in ihrer jeweiligen Position im Batteriemodul 1 zu beeinflussen.In the example shown, the
Im Verfahren zur Reparatur dieses Batteriemoduls 1 werden bei einem Defekt in einem der Modulsegmente 4 die Zellableiter 3 des defekten Modulsegments 7 und benachbarter Modulsegmente 4, die miteinander verbunden sind, durchtrennt. Im dargestellten Beispiel gemäß
Das defekte Modulsegment 7 wird nun aus dem Batteriemodul 1 entnommen, wie in
Nun wird ein Ersatzmodulsegment 9 in das Batteriemodul eingesetzt, wie in
Es wird somit bei einer Detektion eines nachträglichen Defekts in einem der Modulsegmente 4, beispielsweise eines Zelldefekts einer Einzelzelle 2, das betroffene defekte Modulsegment 7 aus dem Batteriemodul 1 herausgetrennt und durch ein neues Modulsegment 4, d. h. ein Ersatzmodulsegment 9, ersetzt. Dies wird durch die kleinere Untergliederung des Batteriemoduls 1 ermöglicht, wodurch eine vereinfachte Zugänglichkeit erreicht wird und beispielsweise, wie hier dargestellt, das Herausschieben des defekten Modulsegments 7 aus dem Batteriemodul 1 und das Einschieben des Ersatzmodulsegments 9 in das Batteriemodul 1 ermöglicht wird.Thus, upon detection of a subsequent defect in one of the
Durch das Durchtrennen der miteinander verbundenen Zellableiter 3 des defekten Modulsegments 7 und der benachbarten Modulsegmente 4 sind die Zellableiter 3 der im Batteriemodul 1 verbleibenden Modulsegmente 4 zu kurz, um sie auf herkömmliche Weise direkt mit den Zellableitern 3 des Ersatzmodulsegments 9 zu verbinden. Daher ist bei der hier beschriebenen Lösung ein Einsatz eines bzw. mehrerer Reparaturverbinder 10 mit Öffnungen 11 vorgesehen, wie in den
Die Zellableiter 3 des Ersatzmodulsegments 9 werden somit mit den Zellableitern 3 der benachbarten Modulsegmente 4 verbunden, indem jeweils ein Zellableiter 3, insbesondere Zellableiterende, des Ersatzmodulsegments 9 und ein Zellableiter 3, insbesondere Zellableiterende, eines benachbarten Modulsegments 4 in jeweils eine Öffnung 11 des jeweiligen Reparaturverbinders 10 eingeschoben wird, wie in
Die hierfür verwendeten Reparaturverbinder 10 sind beispielsweise jeweils aus Aluminium und/oder Kupfer ausgebildet, d. h. beispielsweise nur aus Aluminium oder nur aus Kupfer oder aus Bimetall Aluminium/Kupfer. Dies richtet sich insbesondere nach einem Material der Zellableiter 3, d. h. der Reparaturverbinder 10 oder zumindest ein jeweiliger Verbindungsbereich des Reparatuverbinders 10 ist insbesondere aus dem gleichen Material wie der Zellableiter 3, mit dem er verbunden werden soll, ausgebildet.The
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Batteriemodulbattery module
- 22
- Einzelzellesingle cell
- 33
- Zellableitercell conductor
- 44
- Modulsegmentmodule segment
- 55
- Zellrahmencell frame
- 66
- Zellrahmeneinheitcell frame unit
- 77
- defekten Modulsegmentdefective module segment
- 88th
- SchweißnahtWeld
- 99
- Ersatzmodulsegmentreplacement module segment
- 1010
- Reparaturverbinderrepair connector
- 1111
- Öffnung opening
- PP
- Pfeilarrow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102011120470 A1 [0002]DE 102011120470 A1 [0002]
- EP 2434570 B1 [0003]EP 2434570 B1 [0003]
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2021
- 2021-12-02 DE DE102021005958.1A patent/DE102021005958A1/en active Pending
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