DE102021104146A1

DE102021104146A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Qualitätszustands eines während eines Setzprozesses verwendeten Bauteils und Steuereinrichtung zum Überwachen eines Setzprozesses

Info

Publication number: DE102021104146A1
Application number: DE102021104146.5A
Authority: DE
Inventors: Michael FRAUENHOFER; Matthias Wimmi
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2022-08-25
Also published as: US20220269308A1; CN114976379A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Qualitätszustands (42a, 42b) zumindest eines Bauteils (10), welches während eines Setzprozesses verwendet wird, bei welchem ein Batteriemodul (20) bereitgestellt wird, welches in einen Aufnahmebereich (22) eines Batteriegehäuses (12) mit einem Gehäuseboden (14) auf eine auf dem Gehäuseboden (14) befindliche Wärmeleitmasse (24) aufgesetzt und in Richtung des Gehäusebodens (14) gepresst wird, so dass sich die zwischen dem Batteriemodul (20) und dem Gehäuseboden (14) befindliche Wärmeleitmasse (24) zumindest zum Teil verteilt. Dabei werden als Überwachungsgrößen (44) die vorgebbare Kraft (F) und der vom Batteriemodul (20) während des Setzprozesses in der ersten Richtung (z) zurückgelegte Weg (z) über die Zeit (t) während der Dauer des Setzprozesses erfasst und der Qualitätszustand (42a, 42b) in Abhängigkeit von mindestens einer Charakteristik (48) mindestens einer der Überwachungsgrö-ßen (44) ermittelt wird und ein Signal in Abhängigkeit vom ermittelten Qualitätszustand (42a, 42b) bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Qualitätszustands zumindest eines Bauteils, welches während eines Setzprozesses verwendet wird, bei welchem ein Batteriemodul bereitgestellt wird, ein Batteriegehäuse mit einem Gehäuseboden und einem dem Batteriemodul zugeordneten Aufnahmebereich bereitgestellt wird, wobei im Aufnahmebereich auf dem Gehäuseboden eine Wärmeleitmasse angeordnet ist und das Batteriemodul in dem Aufnahmebereich auf die Wärmeleitmasse aufgesetzt wird und mit einer vorgebbaren Kraft in eine erste Richtung, die in Richtung des Gehäusebodens weist, gepresst wird, so dass sich die zwischen dem Batteriemodul und dem Gehäuseboden befindliche Wärmeleitmasse zumindest zum Teil in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung verteilt. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Steuereinrichtung zum Überwachen eines Setzprozesses und zum Ermitteln eines Qualitätszustands eines während des Setzprozesses verwendeten Bauteils.
Eine Fahrzeugbatterie, insbesondere Hochvoltbatterie, für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug kann wie folgt aufgebaut sein: An die Unterseite eines aus Profilen gefertigten Rahmens wird ein Bodenblech mit integrierten Kühlkanälen befestigt. In die Zwischenräume des Rahmens, den sogenannten Gefachen, werden einzelne Batteriemodule gesetzt. Um den Wärmeübergang aus den Batteriemodulen in den Kühlboden zu ermöglichen, wird zwischen Kühlboden und Batteriemodul ein Material mit guten Wärmeleiteigenschaften, der sogenannten Gapfiller, eingebracht. Der Montageprozess der Batterie sieht vor, dass der Gapfiller in jedes einfache Gefache positioniert aufgetragen wird. Damit der Gapfiller eine größtmögliche Fläche der Batteriemodule an den Kühlboden thermisch anbindet, werden die Batteriemodule mit großer Kraft in das mit Gapfiller gefüllte Gefache gepresst. Hierbei sollten idealerweise möglichst kleine Spalte zwischen Batteriemodul und Kühlboden bei möglichst gro-ßem Benetzungsgrad der Modulfläche erreicht werden. Dies ist sowohl aus technischer als auch wirtschaftlicher Hinsicht erstrebenswert, da hierdurch sowohl die Fahrzeugperformance erhöht als auch die Materialkosten reduziert werden. Ein ähnlicher Setzprozess ist zum Beispiel in der DE 10 2018 222 459 A1 beschrieben. Dabei kann es jedoch vorkommen, dass die letztendlich zwischen der Unterseite eines solchen Batteriemoduls und dem Gehäuseboden entstehenden Spaltbreiten unterschiedlich groß oder übermäßig groß sind. Auch kann es vorkommen, dass sich die Wärmeleitmasse nicht ideal verteilt und die Unterseite des Batteriemoduls unzureichend benetzt. Wenn aber erst ein solches Batteriemodul in das Batteriegehäuse eingesetzt ist, kann zumindest mit bloßem Auge nicht mehr überprüft werden, ob der Setzprozess tatsächlich wie gewünscht erfolgt ist und das Batteriemodul auch ausreichend gut über die Wärmeleitmasse an den Kühlboden angebunden ist, da sich der Spalt zwischen Modul und Gehäuseboden in einem nicht einsehbare Bereich befindet. Ist beispielsweise eines oder mehrere Batteriemodule nicht richtig an den Kühlboden angebunden, und wird dies bei der Batterieherstellung nicht bemerkt, so kann dies schlimmstenfalls dazu führen, dass die Batterie letztendlich im Betrieb des Kraftfahrzeugs überhitzt, da keine ausreichende Wärmeabfuhr bereitgestellt werden kann.
Wünschenswert wäre es daher, die Qualität einer durch einen solchen Setzprozess bereitgestellten Batterie beziehungsweise im Allgemeinen eines während eines solchen Setzprozesses verwendeten Bauteils auf möglichst einfache Weise beurteilen zu können.
Die DE 37 15 077 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern einer Presse, mit der Formlinge aus pulver- oder granulatförmigen Werkstoffen gepresst werden. Dabei wird im Laufe eines Presshubs der Pressdruck in Abhängigkeit vom Pressweg gemessen und laufend mit vorgegebenen Werten verglichen. Dabei erfolgt die Steuerung der in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis. Der gewünschte Verlauf des Pressdrucks ist dann ermittelt, wenn der hergestellte Formling bei einer mit üblichen Verfahren durchgeführten Qualitätsprüfung die gewünschten Eigenschaften aufweist.
Eine solche Qualitätsprüfung kann im Gegensatz zu einem Batteriemodul, welches gemäß dem oben beschriebenen Verfahren in ein Gehäuse eingesetzt wurde, am Prüfling direkt vorgenommen werden, da bei dem beschriebenen Pressprozess keine einzelnen Bauteile miteinander verbunden werden, sondern lediglich ein einzelnes Bauteil, der Formling, hergestellt wird, dessen Qualität z.B. zerstörungsfrei beurteilt werden kann. Zudem unterliegt ein solches Pressverfahren deutlich weniger Toleranzen, wenn nur ein einzelnes Bauteil hergestellt wird, als wenn mehrere Bauteile miteinander verbunden werden. Um zum Beispiel beim Setzverfahren zum Setzen des Batteriemoduls in ein Gehäuse die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, müssten zum Beispiel die Batteriemodule sowie auch der Gehäuseboden immer exakt die gleichen Geometrien aufweisen, und auch die Wärmeleitmasse müsste hinsichtlich Positionierung und Beschaffenheit immer exakt gleich bereitgestellt sein. In der Realität ist dies jedoch nicht der Fall, so dass selbst dann, wenn die Presskraft zum Anpressen des Batteriemoduls in das Batteriegehäuse hinsichtlich ihres Verlaufs immer gleich gewählt werden würde beziehungsweise innerhalb vorgebbarer Grenzen verlaufen würde, dennoch nicht sichergestellt werden kann, dass dies letztendlich auch zu einem gewünscht Ergebnis führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Steuereinrichtung bereitzustellen, die es ermöglichen, den Qualitätszustand zumindest eines während eines Setzprozesses verwendeten Bauteils auf möglichst einfache und zuverlässige Weise zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln eines Qualitätszustands zumindest eines Bauteils, welches während eines Setzprozesses verwendet wird, bei welchem ein Batteriemodul bereitgestellt wird, ein Batteriegehäuse mit einem Gehäuseboden und einem dem Batteriemodul zugeordneten Aufnahmebereich bereitgestellt wird, wobei im Aufnahmebereich auf dem Gehäuseboden eine Wärmeleitmasse angeordnet ist und das Batteriemodul in dem Aufnahmebereich auf die Wärmeleitmasse aufgesetzt wird und mit einer vorgebbaren Kraft in eine erste Richtung, die in Richtung des Gehäusebodens weist, gepresst wird, so dass sich die zwischen dem Batteriemodul und dem Gehäuseboden befindliche Wärmeleitmasse zumindest zum Teil in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung verteilt, werden als Überwachungsgrößen die vorgebbare Kraft und der vom Batteriemodul während des Setzprozesses in der ersten Richtung zurückgelegte Weg über die Zeit während der Dauer des Setzprozesses erfasst und der Qualitätszustand in Abhängigkeit von mindestens einer Charakteristik mindestens einer der Überwachungsgrößen ermittelt und ein Signal in Abhängigkeit vom ermittelten Qualitätszustand bereitgestellt.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die oben genannten Überwachungsgrößen Charakteristiken aufweisen, die letztendlich für die Qualität ausschlaggebend sind, und aus welchen sich folglich der Qualitätszustand ableiten lässt. Dadurch, dass sowohl die vorgebbare Kraft über die Zeit erfasst als auch der Weg über die Zeit werden, ermöglicht es vorteilhafterweise, aus mehreren Zusammenhängen und deren Kombination eine oder mehrere Charakteristiken zu ermitteln, aus denen sich wiederum Eigenschaften des Qualitätszustands ableiten lassen. Das heißt also, dass nicht nur eine Kraft-Weg-Kurve ermittelt und zur Bestimmung des Qualitätszustands herangezogen werden kann, idem zufällig festgelegte Punkte auf der Kraft-Weg-Kurve mit einem oder mehreren Grenzwerten zu verglichen werden, sondern zum Beispiel auch Charakteristiken des zurückgelegten Wegs über die Zeit ermittelt werden können oder eine Charakteristik einen für bestimmte Randbedingungen ermittelten Kraftwerts oder Werts des Weges. Dennoch ist es hierdurch auch möglich, zum Beispiel aus einer bereitgestellten Kraft-Zeit-Kurve und einer Weg-Zeit-Kurve eine korrespondierende Kraft-Weg-Kurve zu ermitteln.
Somit kann die Ermittlung der Charakteristik betrachteter Kraftverläufe, die ausgewertet werden, nicht nur auf einen Vergleich eines solchen Kraftverlaufs mit Ober- und Untergrenzen limitiert sein, sondern es wird vorzugsweise mindestens eine drüber hinaus gehende Charakteristik bzw. eine davon verschiedene Charakteristik ermittelt. Durch Analyse der ermittelten Überwachungsgrößen ist es damit vorteilhafterweise möglich, eine Aussage über die Qualität eines bei einem solchen Setzprozess verwendeten Bauteils zu treffen, ohne das Bauteil zum Beispiel nachträglich zerstören zu müssen. Da die Bewertung des Qualitätszustands auf einfach auszuführenden Maßnahmen beruht, kann der Qualitätszustand zumindest eines während eines Setzprozesses verwendeten Bauteils auf sehr einfache und zuverlässige Weise zu ermittelt werden. Durch Ableitung und Analyse mindestens einer solchen Charakteristik ist es vorteilhafterweise möglich, für jeden Setzprozess individuell eine Aussage über den letztendlich erreichten Qualitätszustand zu erhalten.
Vor allem vorteilhaft ist es, wenn mehrere Merkmale und Kurvenverläufe in Kombination bewertet werden, da hierdurch eine besonders zutreffende Aussage über den Qualitätszustand getroffen werden kann. Daher ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mehrere voneinander verschiedene Charakteristiken der erfassten Überwachungsgrößen und/oder deren Verläufe ermittelt werden und der Qualitätszustand in Abhängigkeit von den mehreren Charakteristiken der Überwachungsgrößen ermittelt wird. Durch Ableitung und Analyse solcher mehreren Charakteristiken ist es vorteilhafterweise möglich, die Zuverlässigkeit bei der Ermittlung des Qualtiätszustand zu steigern..
Dieser Qualitätszustand kann zum Beispiel den Klassen „in Ordnung“ oder „nicht in Ordnung“ zugeordnet sein. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, wenn der ermittelte Qualitätszustand angibt, ob das Bauteil in Ordnung oder nicht in Ordnung ist. Dies ermöglicht es, auf einfache Weise, Bauteile, die nicht in Ordnung sind, auszusortieren oder anderweitige Gegen- oder Korrekturmaßnahmen einzuleiten. Das in Abhängigkeit vom ermittelten Qualitätszustand bereitgestellte Signal kann zum Beispiel entsprechend angeben, ob das Bauteil in Ordnung oder nicht in Ordnung ist. Ein solches Signal kann durch ein geeignetes Ausgabemittel ausgegeben werden, zum Beispiel auf einem Display angezeigt werden oder in Form einer rot leuchtenden Lampe ausgegeben werden, sofern der Qualitätszustand nicht in Ordnung ist, und in Form einer grün leuchtenden Lampe ausgegeben werden, wenn der Qualitätszustand in Ordnung ist. Auch eine akustische Ausgabemöglichkeit des Signals ist denkbar.
Bei dem beschriebenen Setzprozess kann es sich um einen eingangs erläuterten Setzprozess handeln, bei welchem also zum Beispiel an die Unterseite eines aus Profilen gefertigten Rahmens ein Bodenblech mit integrierten Kühlkanälen befestigt wird, um hierdurch ein Batteriegehäuse bereitzustellen. Der Gehäuseboden korrespondiert entsprechend zum eingangs genannten Kühlboden. Bei der Wärmeleitmasse kann es sich um den eingangs genannten Gapfiller handeln, der in der Regel eine hohe Viskosität aufweist und in Art einer sehr zähflüssigen Masse beziehungsweise Paste bereitgestellt wird. Diese wird auf den Gehäuseboden in ein korrespondierendes Gefache, welches einen Aufnahmebereich zur Aufnahme eines zugeordneten Batteriemoduls darstellt oder zumindest bereitstellt, aufgebracht, und zwar so, dass nicht die gesamte Bodenfläche im Aufnahmebereich von dieser Wärmeleitmasse benetzt ist. Erst das Anpressen des Batteriemoduls auf dieser Wärmeleitmasse führt dazu, dass diese sich senkrecht zur ersten Richtung in der Fläche verteilt und idealerweise dadurch den Modulboden fast vollständig benetzt. Die vorgebbare Kraft, mit welcher das Batteriemodul in Richtung des Gehäusebodens gepresst wird, kann dabei durch einen Soll-Kraft-Verlauf über dem Weg oder der Zeit vorgegeben sein. Dabei können ebenfalls Grenzen für diesen Kraftverlauf vorgesehen sein, die nicht über- und/oder unterschritten werden dürfen. Mit anderen Worten kann es bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens bereits vorausgesetzt sein, dass die Kraft, mit welcher das Batteriemodul in Richtung des Gehäusebodens gepresst wird, während der Dauer des Setzprozesses innerhalb vorgegebener Kraftgrenzen verläuft. Nichtsdestoweniger kann es trotzdem vorkommen, dass die resultierende Bauteilanordnung aus Gehäuseboden und Batteriemodul beziehungsweise im Allgemeinen das während des Setzprozesses verwendete Bauteil einen gewünschten Qualitätszustand nicht erreicht. Dies kann nun vorteilhafterweise anhand der Analyse der mindestens einen Charakteristik mindestens einer der Überwachungsgrößen ermittelt werden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Bauteil eine Anordnung umfassend das Batteriemodul, das Batteriegehäuse und die Wärmeleitmasse darstellt, wobei der Qualitätszustand in Abhängigkeit von einer Charakteristik einer maximalen Spalthöhe eines mit der Wärmeleitmasse zumindest zum Teil gefüllten Spalts zwischen dem Batteriemodul und dem Gehäuseboden ermittelt wird, und/oder in Abhängigkeit von einem Benetzungsgrad der Benetzung einer dem Gehäuseboden zugewandten Unterseite des Batteriemodul mit der Wärmeleitmasse ermittelt wird.
Mit anderen Worten kann auf Basis der Charakteristik der mindestens einen Überwachungsgröße eine Aussage zum einen über die maximale Spalthöhe der Anordnung, als auch über den Benetzungsgrad durch die Wärmeleitmasse getroffen werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da dies gerade die zwei wesentlichen Größen sind, um den Qualitätszustand dieser Bauteilanordnung aus Batteriemodul, Batteriegehäuse und Wärmeleitmasse zu beurteilen. Zu große Spaltbreiten hemmen den Wärmeübertrag von Batteriemodul zum Gehäuseboden, über welchen üblicherweise gleichzeitig auch die Kühlung der Batteriemodule bereitgestellt ist, wodurch durch zu große Spaltbreiten eine ausreichende Kühlung beeinträchtigt oder nicht sichergestellt ist. Gleiches gilt auch für den Benetzungsgrad. Ist zum Beispiel der Spalt hinreichend klein, aber die Wärmeleitmasse nicht ausreichend gut im Spalt verteilt, so dass viele Lufteinschlüsse und Lücken zwischen dem Batteriemodul und dem Gehäuseboden vorhanden sind, so wird auch hierdurch der Wärmeübertrag von Batteriemodul zum Gehäuseboden gehemmt, so dass keine ausreichende Kühlung mehr sichergestellt werden kann. Entsprechend ist es vorteilhaft, gerade diese beiden Größen als Haupteinflussgrößen zu Beurteilung des Qualitätszustands heranzuziehen. Vorzugsweise stellen diese beiden Parameter, nämlich Spaltbreite und Benetzungsgrad, die einzigen Größen dar, in Abhängigkeit von welchen der Qualitätszustand der Bauteilanordnung als in Ordnung oder nicht in Ordnung klassifiziert wird. Sowohl für die Spalthöhe als auch für den Benetzungsgrad können zum Beispiel entsprechende Grenzen vorgegeben sein.
Werden diese nicht eingehalten, so kann die Bauteilanordnung als nicht in Ordnung hinsichtlich ihres Qualitätszustands klassifiziert werden. Die maximale Spalthöhe sollte also einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreiten. Ebenso sollte Benetzungsgrad einen vorgegebenen Grenzwert nicht unterschreiten. Ob die betreffenden Grenzwerte über- oder unterschritten werden, kann wiederum in Abhängigkeit von der Charakteristik der mindestens einen der Überwachungsgrößen bestimmt werden.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, dass durch Auswertung einer Kraft und/oder Wegcharakteristik nicht nur möglich ist, eine Aussage über den Qualitätszustand der Bauteilanordnung zu erhalten, sondern beispielsweise auch eine Aussage über den Qualitätszustand der Anlage, mittels welcher der Setzprozess durchgeführt wird. Entsprechend stellt es eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Bauteil oder ein zweites Bauteil, dessen Qualitätszustand ermittelt wird, zumindest einen Teil der Setzeinrichtung darstellt und der Qualitätszustand einen Verschleißzustand des zumindest einen Teils der Setzeinrichtung darstellt. Dies wiederum beruht auf der Erkenntnis, dass sich zum Beispiel durch Auswertung der Kraft-Zeit-Kurve oder Kraft-Weg-Kurve auch eine Aussage darüber schlussfolgern lässt, wie viel mechanisches Spiel der Roboter-Setzarm beziehungsweise das Portal oder der Protalroboter hat, welches die Anpresskraft auf das Batteriemodul ausübt. Ein solches Spiel kann sich zum Beispiel über die Auswirkung der auf das Modul ausgeübten Kraft in Richtung des Gehäusebodens in Abhängigkeit von dem Modul in Richtung des Gehäusebodens zurückgelegten Wegs ermitteln lassen. Ein großes Spiel lässt dabei auf einen hohen Verschleiß der Anlage beziehungsweise der Setzeinrichtung schließen. Dies ermöglicht es wiederum, die Setzeinrichtung vor einem der Defekt gezielt zu warten, um durch einen Defekt bedingte Standzeiten zu minimieren.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die mindestens eine Charakteristik als eine Charakteristik eines Verlaufs der Kraft über der Zeit, insbesondere einer Steigung des Verlaufs und/oder eines Verlaufs des Wegs über der Zeit und/oder eines Verlauf der Kraft in Abhängigkeit vom Weg und/oder eines Verlaufs des Wegs in Abhängigkeit von der Kraft, insbesondere in Form einer Weglänge ab einem vorbestimmten Kraftschwellwert der Kraft, erfasst wird. Damit stehen insgesamt vielzählige Möglichkeiten bereit, um Verlaufscharakteristiken zu ermitteln, die auf einen Qualitätszustand des Bauteils schließen lassen. Gerade in Bezug auf die Bauteilanordnung aus Batteriemodul, Batteriegehäuse und Wärmeleitmasse können durch die genannten Verläufe und deren Charakteristiken zuverlässige Aussagen über den Qualitätszustand getroffen werden. Dabei wurde herausgefunden, dass gerade die folgenden Charakteristiken mit dem Qualitätszustand dieser Bauteilanordnung korreliert sind: Zum einen ist der Qualitätszustand mit der Steigung des Kraftverlaufs über der Zeit korreliert, und zwar des Kraftverlaufs ab dem Zeitpunkt, ab welchem die Kraft im Laufe der Zeit abnimmt. Infolgedessen ist die Steigung dieses Kraftverlaufs negativ. Der Kraftverlauf während des Setzprozesses ist dabei in der Regel folgender: Das Batteriemodul wird dabei zunächst mit zunehmender Anpresskraft in Richtung des Gehäusebodens gepresst, wobei während dieses ersten Setzabschnitts die Anpresskraft über der Zeit stark zunimmt, insbesondere bis zu einem Maximum, und anschließend wiederum abnimmt. Dabei wird das Batteriemodul weiter in Richtung Gehäuseboden gepresst, jedoch mit zunehmend reduzierter Anpresskraft. Ist eine bestimmte Zeitdauer abgelaufen, so ist das Anpressen des Batteriemoduls beendet, und die Setzeinrichtung fährt zurück, das heißt reduziert die Anpresskraft auf null, während das Batteriemodul im Batteriegehäuse verbleibt. Neben der oben genannten Steigung der Kraft im abnehmenden Kräfteabschnitt können aber auch weitere Charakteristiken des Kraft- und/oder Wegverlaufs ausgewertet werden, die mit der letztendlichen Qualität dieser Bauteilanordnung im Zusammenhang stehen. Weiterhin hat sich gezeigt, dass auch die Lage der Kraft-Weg-Eckpunkte mit dem Qualitätszustand dieser Batterieanordnung korreliert ist. Entsprechend ist es vorteilhaft, die Lage dieser Kraft-Weg-Eckpunkte zu bestimmen und zur Auswertung beziehungsweise zur Ermittlung des Qualitätszustand heranzuziehen. Ein solcher Kraft-Weg-Eckpunkt beschreibt zum Beispiel, welche Kraft, das heißt Anpresskraft, auf das Batteriemodul durch die Setzeinrichtung unmittelbar vor Beendigung des Setzprozesses, das heißt nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer, herrscht. Wie beschrieben, wird die Kraft während des Setzprozesses ab einem bestimmten Umkehrpunkt nach Erreichen einer Maximalkraft wieder reduziert.
Diese Reduktion erfolgt dabei derart gesteuert, dass diese mit dem Weg, den das Batteriemodul in Richtung des Gehäusebodens zurücklegt, linear verläuft. Mit anderen Worten nimmt die Kraft linear mit zunehmendem Weg des Batteriemoduls in Richtung der Gehäusebodens ab. Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer ist dieser Anpressvorgang beendet, was bedeutet, das Batteriemodul hat eine entsprechende End-Weg-Länge zurückgelegt, und zum Zeitpunkt der Beendigung des Anpressens hat eine End-Kraft auf das Batteriemodul gewirkt. Diese beiden Parameter End-Kraft und End-Weg sind ebenfalls mit dem Qualitätszustand korreliert. Dementsprechend ist es besonders vorteilhaft, auch diese End-Kraft und diesen End-Weg für ein jeweiliges Batteriemodul im Rahmen des Setzprozesses zu ermitteln und bei der Ermittlung des Qualitätszustands zu berücksichtigen.
Im einfachsten Fall kann die Ermittlung des Qualitätszustands in Abhängigkeit der oben genannten Überwachungsgrößen und deren Charakteristiken so erfolgen, dass an die beschriebenen Charakteristiken entsprechende Grenzwerte angelegt werden. Bewegt sich zum Beispiel die oben definierte Steigung innerhalb vorbestimmter maximaler und minimaler Grenzen, so kann letztendlich die Bauteilanordnung hinsichtlich ihres Qualitätszustands als in Ordnung bewertet werden. Gleiches gilt auch für die Lage der Eckpunkte, das heißt den End-Weg und/oder die End-Kraft.
Wenngleich hierdurch nicht immer der Qualitätszustand zutreffend ermittelt werden kann, so kann hierdurch zumindest eine enorme Verbesserung hinsichtlich des Stands der Technik erreicht werden. Eine zusätzliche Verbesserung lässt sich vor allem aber durch eine Analyse der genannten Kurven und Verläufe durch Big-Data-Verfahren bereitstellen, um zum Beispiel auch weitere Muster und Zusammenhänge zu ermitteln.
Dabei stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Qualitätszustand durch eine künstliche Intelligenz ermittelt wird, insbesondere durch ein künstliches neuronales Netz. Dabei kann ein solches künstliches neuronales Netz wie folgt sehr einfach trainiert werden: Zunächst kann ein Setzprozess, wie dieser bereits beschrieben wurde, durchgeführt werden und dabei die genannten Überwachungsgrößen erfasst und entsprechend dem neuronalen Netzwerk als Eingangsgrößen zugeführt werden. Diese Eingangsgrößen beschreiben also zum Beispiel den Kraftverlauf über die Zeit, den Wegverlauf über die Zeit und/oder den Kraftverlauf in Abhängigkeit vom Weg und/oder den Wegverlauf in Abhängigkeit von der Kraft. Auch können vorab bereits Charakteristika, wie zum Beispiel die oben genannten charakteristischen Eckpunkte, das heißt End-Kraft und/oder End-Weg, sowie auch die beschriebene Steigung ermittelt und im neuronalen Netzwerk als Eingangsparameter zugeführt werden. Anschließend kann der Qualitätszustand der bereitgestellten Bauteilanordnung wie folgt ermittelt werden: Die Bauteilanordnung kann nach Austrocknen des Gapfillers beziehungsweise der Wärmeleitmasse wieder demontiert werden, das heißt in ihre Einzelteile zerlegt werden. Dies geht einer Zerstörung der Bauteilanordnung einher. Anhand der nunmehr wieder zerlegten Bauteile kann gemessen werden, wie hoch der Benetzungsgrad und die maximale Spalthöhe waren. Diese können entsprechend dem neuronalen Netz als Ergebnis zugeführt werden. Mit anderen Worten stellt diese so erhaltene maximale Spalthöhe einen Benetzungsgrad der zu den Eingangsdaten passende Ausgabedatensatz dar. Diese Vorgehensweisen können mit vielzähligen durchgeführten Setzprozessen analog ausgeführt werden, um das neuronale Netz zu trainieren. Anhand des letztendlich vom neuronalen Netz nach der Trainingsphase durch Zuführen der genannten Eingangsparameter im Rahmen eines neu durchgeführten Setzprozesses kann dieses dann entsprechend als Ausgangsdaten die maximale Spalthöhe und den Benetzungsgrad ausgeben. Anhand dieser ausgegebenen Ausgangsgrößen kann wiederum der Qualitätszustand ermittelt werden, in dem an die entsprechenden Größen ein oberer beziehungsweise unterer Grenzwert, wie zuvor bereits beschrieben, angelegt wird. Überschreitet die maximale Spalthöhe einen vorgegebenen Wert oder unterschreitet der Benetzungsgrad einen vorbestimmten Wert, so gilt die Bauteilanordnung als nicht in Ordnung und in allen anderen Fällen als in Ordnung.
Ein weiterer großer Vorteil der Erfindung besteht zudem darin, dass sich aufgrund der genannten Kraft und/oder Wegkurven auch Rückschlüsse auf andere Parameter des Setzvorgangs schließen lassen. Neben dem Verschleißzustand der Setzeinrichtung sind dies beispielsweise auch die Viskosität und Offenzeit der Wärmeleitmasse. Wie beschrieben wird die Wärmeleitmasse zunächst auf den Gehäuseboden aufgetragen und anschließend das Batteriemodul darauf gesetzt. In der Regel besteht die Wärmeleitmasse aus mehreren beim Auftragen miteinander vermischten Komponenten, die nach dem Auftragen im Laufe der Zeit aushärten. Aber auch im Falle einer einkomponentigen Wärmeleitmasse härtet diese nach dem Auftragen auf den Gehäuseboden im Laufe der Zeit aus. Damit einhergehend verändert sich auch die Viskosität der Wärmeleitmasse. Erfolgt das Aufsetzen des Batteriemoduls zeitlich stark versetzt zu dem Auftragen der Wärmeleitmasse, so weist diese dann zum Beispiel eine deutlich höhere Zähigkeit auf, als wenn das Batteriemodul unmittelbar nach dem Auftragen der Wärmeleitmasse auf diese aufgesetzt werden würde. Entsprechend ergeben sich auch Unterschiede in der Art, wie sich diese Wärmeleitmasse zwischen Batteriemodul und dem Gehäuseboden verpressen lässt. Damit können zum Beispiel auch der Applikationszeitpunkt, zu welchem die Wärmeleitmasse auf den Gehäuseboden aufgetragen wird, sowie der Start des Verpressprozesses als weitere Eingangsparameter zur Ermittlung des Qualitätszustands genutzt werden. Umgekehrt lassen sich derartige Viskositätseigenschaften auch aus oben beschriebenen Charakteristiken ableiten, wie zum Beispiel der genannten Steigung der Kraft-Zeit-Kurve. Die Viskosität der Wärmeleitmasse kann aber nicht nur durch deren Offenzeit beeinflusst sein, die durch oben erläuterte Zeitspanne zwischen Auftragen und Aufsetzen definiert ist, sondern zum Beispiel auch durch die Umgebungstemperatur beziehungsweise Hallentemperatur der Halle, in welchem die Fertigung erfolgt. Gerade Sommer-Winter-Unterschiede können sich dabei stark bemerkbar machen, sowie auch tageszeitbedingte Unterschiede.
Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn mindestens ein von den Überwachungsgrößen verschiedener Zustandsparameter erfasst wird, und der Qualitätszustand in Abhängigkeit von dem Zustandsparameter ermittelt wird. Mit anderen Worten können auch Umgebungszustände die Qualität des letztendlich gefertigten Bauteils beziehungsweise der Bauteilanordnung beeinflussen. Derartige Zustandsparameter können damit vorteilhafterweise ebenfalls Berücksichtigung finden. Diese können zum Beispiel auch als weitere Eingangsparameter dem neuronalen Netz oder anderen Big-Data-Verfahren zugeführt werden. Damit kann der Qualitätszustand noch zutreffender ermittelt werden.
Umgekehrt kann es aber auch vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von einer Analyse der Überwachungsgrößen und/oder in Abhängigkeit von der mindestens einen Charakteristik ein Zustandsparameter bestimmt wird, z.B. eine Viskosität des Wärmeleitmasse zum Zeitpunkt des Verpressens. Dies ermöglicht es nämlich vorteilhafterweise für den Fall, dass der Qualtiätszustand als nicht in Ordnung ermittelt wird, auch den Grund für diesen Qualitätszustand zu ermitteln, zum Beispiel eine zu hohe Viskosität aufgrund zu langer Offenzeit der Wärmeleitmasse. Dies ermöglicht es wiederum gezielt geeignete Gegenmaß nahmen für nachfolgende Setzprozesse zu treffen, um weitere zu schlechte Qualitätsergebnisse zu vermeiden.
Wie beschrieben, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Zustandsparameter eine Temperatur in einer Umgebung der Wärmeleitmasse darstellt und/oder der Zustandsparameter eine Zeitdauer zwischen einem Aufbringen der Wärmeleitmasse auf den Gehäuseboden und dem Aufsetzen des Batteriemoduls darstellt. Beides beeinflusst die Viskosität der Wärmeleitmasse, die wiederum das Ergebnis des Setzvorgangs beeinflusst. Damit lässt sich der Qualitätszustand noch genauer ermitteln, das heißt noch häufiger zutreffend ermitteln.
Darüber hinaus kann die Erkenntnis, dass sich beispielsweise auch eine Aussage über die Viskosität der Wärmeleitmasse aus den genannten Überwachungsgrößen beziehungsweise deren Verläufe ableiten lässt, auch dazu genutzt werden, zum Beispiel eine Erklärung dafür zu finden, warum ein Prozess zum Beispiel als nicht in Ordnung bewertet wurde. Ein weiteres Problem bei bisher verwendeten Verfahren, die am Ende eines Prozesses zum Beispiel lediglich ein in Ordnung- oder nicht-in-Ordnung-Signal ausgeben, besteht zudem darin, dass keine weitere Auskunft darüber gegeben wird, warum zum Beispiel ein Prozess als nicht in Ordnung bewertet wurde beziehungsweise, was die mögliche Ursache für ein schlechtes Qualitätsergebnis darstellt. Dies ist dadurch bedingt, dass die üblicherweise ausgewerteten Qualitätsmerkmale keinen direkten Rückschluss auf eine fehlerhafte Prozessgrößen, die zum Beispiel angepasst werden müssten, zulassen. Die Fehlersuche bei einem nicht-in-Ordnung-Ergebnis ist aufgrund der Anzahl der Einflussgrößen und Komplexität des Prozesses sehr aufwendig. Durch die Auswertung der beschriebenen Charakteristiken lässt sich jedoch auch eine mögliche Fehlerursache aufdecken, die zum Beispiel durch zu lange Standzeiten der Wärmeleitmasse oder zu hohen oder niedrigen Temperaturen bedingt sein kann. Derartige, den Setzprozess negativ beeinflussende Zustandsgrößen können dann entsprechend angepasst oder es kann ihnen auf andere Weise entgegengewirkt werden. Beispielsweise kann darauf geachtet werden, dass Standzeiten nicht übermäßig lang sind und/oder eine entsprechende Klimatisierung zur Temperaturregelung vorgenommen werden. Umgekehrt können zum Beispiel auch bei höheren Temperaturen längere Standzeiten zulässig sein als zum Beispiel bei niedrigeren Temperaturen oder umgekehrt, je nachdem wie sich diese Größen auf die Viskosität der Wärmeleitmasse auswirken. Dabei können gegensätzliche Einflussnahmen ausgenutzt beziehungsweise berücksichtigt werden. Auch der Verschleißzustand der Anlage kann sich negativ auf den Qualitätszustand des Bauteils auswirken. Entsprechend kann auch der Verschleißzustand der Anlage als mögliche Ursache für einen schlechten Qualitätszustand bei der Auswertung berücksichtigt werden. Dadurch können vorteilhafterweise Prozessparameter angepasst werden, um zum Beispiel bessere Ergebnisse zu erzielen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass als die mindestens eine Charakteristik Frequenzen des Verlaufs der Kraft und/oder eine Charakteristik einer durch die Kraft verrichteten Arbeit über der Zeit ermittelt werden. Eine solche Auswertung lässt vor allem Rückschlüsse auf den Verschleißzustand der Setzeinrichtung zu. Auch eine solche Auswertung kann wiederum über geeignete Grenzwertverfahren oder Big-Data-Verfahren, künstlichste Intelligenz oder Ähnliches erfolgen. Dabei können zum Beispiel Kraftanregungskurven einer verschleißarmen, bereits gewarteten oder neue Anlagen mit denen der Setzeinrichtung verglichen werden.
Zu starke Abweichungen oder auffällige Abweichungen, zum Beispiel in bestimmten Frequenzbereichen, oder das Auftreten bestimmter unüblicher Frequenzen, können ein Hinweis für einen erhöhten Verschleiß sein. Dies ermöglicht wiederum eine rechtzeitige Wartung der Setzeinrichtung.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Steuereinrichtung zum Überwachen eines Setzprozesses und zum Ermitteln eines Qualitätszustands zumindest eines Bauteils, welches während des Setzprozesses verwendet wird, bei welchem ein Batteriemodul bereitgestellt wird, ein Batteriegehäuse mit einem Gehäuseboden und einem dem Batteriemodul zugeordneten Aufnahmebereich bereitgestellt wird, wobei im Aufnahmebereich auf dem Gehäuseboden eine Wärmeleitmasse angeordnet ist, und das Batteriemodul in den Aufnahmebereich auf die Wärmeleitmasse aufgesetzt wird und mit einer vorgebbaren Kraft in eine erste Richtung, die in Richtung des Gehäusebodens weist, gepresst wird, so dass sich die zwischen dem Batteriemodul und dem Gehäuseboden befindliche Wärmeleitmasse zumindest zum Teil in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung verteilt. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, zum Überwachen des Setzprozesses als Überwachungsgröße die vorgebbare Kraft und den vom Batteriemodul während des Setzprozesses in der ersten Richtung zurückgelegten Weg über die Zeit während der Dauer des Setzprozesses zu erfassen und den Qualitätszustand in Abhängigkeit von mindestens einer Charakteristik mindestens einer der Überwachungsgrößen zu ermitteln und ein Signal in Abhängigkeit vom ermittelten Qualitätszustand bereitzustellen.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
Die Steuereinrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterieanordnung mit einem Batteriegehäuse und Batteriemodulen während eines Setzprozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung des Verlaufs der auf ein Batteriemodul wirkenden Kraft während des Setzprozesses;
3 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Kraft in Abhängigkeit vom Weg des Batteriemoduls während des Setzprozesses;
4 eine schematische Darstellung der vom jeweiligen Batteriemodul zurückgelegten Wege während eines Setzprozesses;
5 eine schematische Darstellung des Verlaufs einer vorgegebenen Anregungs-Soll-Kraft der Anregungs-Ist-Kraft und der von der Setzeinrichtung zum Setzen der Batteriemodule während des Setzprozesses aufgebrachten Arbeit; und
6 eine schematische Darstellung einer Steuereinrichtung zur Ermittlung eines Qualitätszustands eines während eines Setzprozesses verwendeten Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterieanordnung 10 während eines Setzprozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterieanordnung umfasst dabei ein Batteriegehäuse 12. Dieses ist in diesem Beispiel wiederum mehrteilig ausgeführt. Zum einen weist das Batteriegehäuse 12 einen Gehäuseboden 14 auf. Dieser ist als Kühlboden ausgeführt und umfasst in diesem Beispiel mehrere von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle 16, von welchen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Weiterhin umfasst das Batteriegehäuse 12 auch einen Rahmen 18, an welchem der Gehäuseboden 14 unterseitig angeordnet ist. Dieser Rahmen 18 ist in diesem Beispiel aus Profilen gefertigt. Der Gehäuseboden 14 ist zudem als ein Bodenblech mit integrierten Kühlkanälen 16 bereitgestellt. Weiterhin kann das Batteriegehäuse 12 auch mit optional als Profile ausgeführten Trennstegen durchzogen sein, die in diesem Beispiel jedoch nicht dargestellt sind. Weiterhin weist die Anordnung 10 mehrere Batteriemodule 20 auf, wobei in diesem Beispiel drei Batteriemodule 20 dargestellt sind. Dabei wird ein jeweiliges Batteriemodul 20 in einen zum Batteriemodul 20 korrespondierenden Aufnahmebereich 22 eingesetzt, und war in eine Setzrichtung z, die in diesem Beispiel von oben nach unten weist und von den jeweiligen Batteriemodulen 20 in Richtung des Gehäusebodens 14 gerichtet ist. Bevor ein jeweiliges Batteriemodul 20 eingesetzt wird, wird jedoch zunächst in einen jeweiligen Aufnahmebereich 22 eine Wärmeleitmasse 24 auf den Gehäuseboden 14 aufgebracht. Anschließend wird das Batteriemodul 20 in den korrespondierenden Aufnahmebereich 22 eingesetzt und mit einer Anpresskraft F in der ersten Richtung z in Richtung des Gehäusebodens 14 gepresst, so dass sich die zwischen dem Batteriemodul 20 und dem Gehäuseboden 14 befindliche Wärmeleitmasse 24 verteilt, insbesondere in Richtungen senkrecht zur ersten Richtung z. Nach dem Setzvorgang können die jeweiligen Batteriemodule 20 mit dem Gehäuse 12 über entsprechende Verbindungen 26, in diesem Beispiel Schraubverbindungen 26, verbunden und somit an diesen befestigt werden. Hierbei können zudem Toleranzausgleichselemente verwendet werden, die einen Toleranzausgleich in z-Richtung ermöglichen. Nachfolgend härtet die Wärmeleitmasse 24 aus.
Die Wärmeleitmasse 24 ermöglicht eine Wärmeabfuhr vom Batteriemodul 20 zum Kühlboden 14. Um diese Wärmeabfuhr zu optimieren, ist es vorteilhaft, wenn die Wärmeleitmasse 24 während dieses beschriebenen Setzvorgangs so verpresst wird, dass möglichst die gesamte Unterseite 20a des Batteriemoduls mit der Wärmeleitmasse 24 benetzt ist und zudem eine Höhe H des im Endzustand der Anordnung 10 bereitgestellten Spalts zwischen der Unterseite 20a des betreffenden Batteriemoduls 20 und dem Gehäuseboden 14 möglichst klein ist. Ein niedriger Benetzungsgrad sowie Lufteinschlüsse sowie hohe Spalthöhen mindern dabei die Effizienz der Wärmeabfuhr. Anhand dieser Spalthöhe H sowie des Benetzungsgrads lässt sich somit der Qualitätszustand der resultierenden Anordnung 10 bemessen. Dabei können auch Qualitätszustände für jeweilige Anordnungsbereiche der Anordnung 10 ermittelt werden, wobei ein jeweiliger Anordnungsbereich einem Batteriemodul 20 zugeordnet ist und zum Beispiel das betreffende Batteriemodul 20, den Gehäusebodenabschnitt des Gehäusebodens 14 in dem dem Batteriemodul 20 zugeordneten Aufnahmebereich 22, und die auf diesem Gehäusebodenabschnitt angeordnete Wärmeleitmasse 24 umfasst.
Im Übrigen sind in 1 die drei Module 20 zu unterschiedlichen Zeitpunkten t1, t2, t3 im Verlauf des Setzprozesses dargestellt. Dabei stellt t1 den frühesten Zeitpunkt dar, t2 einen späteren Zeitpunkt und t3 den Endzeitpunkt am Ende des Setzprozesses. Zum Zeitpunkt t1 wird das Batteriemodul 20 gerade in den zugehörigen Aufnahmebereich 22 eingesetzt und berührt die Wärmeleitmasse 24 noch nicht. Zum Zeitpunkt t2 ist das Batteriemodul 20 bereits in Kontakt mit der Wärmeleitmasse 24 und hat diese bereits ein Stück weit senkrecht zur z-Richtung verpresst. t3 zeigt entsprechend den finalen Endzustand, in welchem die Spalthöhe H minimal ist und die Wärmeleitmasse 24 maximal senkrecht zur z-Richtung verpresst.
Um nun beurteilen zu können, ob ein so bereitgestelltes Batteriesystem den Anforderungen an die Wärmeabfuhr genügt, das heißt hinsichtlich maximal zulässiger Spalthöhe H und dem minimal zulässigen Benetzungsgrad in Ordnung ist oder nicht, lässt sich jedoch im verbauten beziehungsweise gesetzten Zustand nicht mehr so einfach beurteilen. Insbesondere stellen die Spalthöhe H sowie der Benetzungsgrad keine Größen dar, die im Endzustand der Batterieanordnung 10 direkt messtechnisch erfasst werden könnten. Ob ein Setzprozess tatsächlich in Ordnung oder nicht in Ordnung ist, kann bislang lediglich durch zerstörende Prüfungen an aufgebauten Batterien auf ihre Qualität festgestellt werden. Hierbei werden Benetzungsgrad und Spalthöhe ausgewertet und bei Bedarf Prozessparamter angepasst. Weiterhin ist es möglich, den Qualitätszustand, das heißt ob das Setzprozessergebnis in Ordnung ist oder nicht, darauf basierend vorherzusagen, dass das Abfahren einer Kraft-Weg-Kurve innerhalb eines bestimmten Fensters liegt. Wird beispielsweise eine bestimmte zulässige Maximalkraft überschritten oder eine vorgegebene Mindestkraft unterschritten, so kann der Qualitätszustand als nicht in Ordnung vorhergesagt werden. Ob dem tatsächlich so ist, kann lediglich durch die oben beschriebene zerstörende Prüfung überprüft werden. Diese Vorgehensweise hat erhebliche Nachteile. Beispielsweise gibt ein nicht-in-Ordnung-Signal keine Auskunft darüber, warum ein Prozess nicht in Ordnung ist. Die ausgewerteten Qualitätsmerkmale geben ebenfalls keinen direkten Rückschluss auf die fehlerhafte Prozessgröße, die angepasst werden muss. Die Fehlersuche bei einem nicht-in-Ordnung-Ergebnis ist aufgrund der Anzahl der Einflussgrößen und der Komplexität des Prozesses sehr aufwendig. Die Ergebnisse der Kontrolle liegen erst mehrere Tage nach Aufbau der Batterie vor, da der Gapfiller vor der Montage zunächst aushärten muss, bevor eine Auswertung starten kann.
Durch die Erfindung und ihre Ausführungsformen ist es nun vorteilhafterweise möglich, den Qualitätszustand eines während eines solchen Setzprozesses verwendeten Bauteils, insbesondere der Anordnung 10 auf mindestens einem Batteriemodul 20, dem Gehäuse 12 und dem zwischen dem Gehäuseboden 14 und dem Batteriemodul 20 angeordneten Gapfiller 24, zu ermitteln, ohne dabei diese Anordnung 10 zerstören zu müssen. Zu diesem Zweck werden als Überwachungsgrößen zum einen die Kraft F im Verlauf der Zeit t (vergleiche 2) sowie auch der vom Modul 20 während des Setzprozesses zurückgelegte Weg z in der ersten Richtung über die Zeit t erfasst und diese Überwachungsgrößen ausgewertet. Insbesondere lassen sich aus diesen Überwachungsgrößen und deren Verläufen sowie charakteristischen Punkten weitere Charakteristika ableiten, die sowohl mit der Spalthöhe H als auch mit dem Benetzungsgrad und damit letztendlich mit dem Qualitätszustand korreliert sind. Dies wird nun im Folgenden näher erläutert.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs der Kraft F über die Zeit t während eines Setzprozesses für sechs verschiedene Modulanordnungen, die sich hier in zwei verschiedene Versuchsgruppen 28, 30 unterteilen lassen. Der Verpressprozess beziehungsweise Setzprozess ist nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit, in diesem Beispiel circa 17 Sekunden, beendet. Zu Beginn wird dabei die auf die Module 20 ausgeübte Kraft F innerhalb einer sehr kurzen Zeitdauer, circa eine Sekunde lang, sehr schnell auf ihren Maximalwert erhöht. Nach einer anschließenden Übergangsphase beginnt die Kraft F jeweils im Laufe der Zeit t kontinuierlich abzunehmen. In 2 sind dabei schematisch jeweils noch die Steigungen 28a, 30a für diesen fallenden Kraftabschnitt der jeweiligen Versuchsgruppen 28, 30 dargestellt. Dabei hat sich gezeigt, dass der letztendliche Qualitätszustand und insbesondere letztendlich die Spalthöhe H und der Benetzungsgrad mit dieser Steigung 28a, 30a korreliert sind. Eine weniger steile Steigung wie in diesem Beispiel die Steigung 30a der ersten Versuchsgruppe 30, hat sich dabei als vorteilhafter herausgestellt und lieferte ein besseres Ergebnis. Entsprechend stellt eine solche Steigung 28a, 30a des Kraftverlaufs über der Zeit t eine Charakteristik dar, die zur Ermittlung des Qualitätszustand herangezogen werden kann. Im einfachsten Fall kann eine solche ermittelte Steigung mit einem Grenzwert oder auch zwei Grenzwerten, einem oberen und einem unteren, verglichen werden und bei Überschreiten oder Unterschreiten eines dieser Grenzwerte kann der Qualitätszustand als nicht in Ordnung klassifiziert werden und andernfalls als in Ordnung. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, zur Ermittlung des Qualitätszustands ein Big-Data-Verfahren heranzuziehen, wie zum Beispiel eine künstliche Intelligenz, wie zum Beispiel ein künstliches neuronales Netz. Dies kann mit den genannten Kurven und im Folgenden noch beschriebenen Kurven sowie den entsprechenden, aus diesen Kurven ableitbaren Charakteristiken, Eckpunkten und sonstigen Eigenschaften als Eingangsdaten trainiert werden. Als zugeordnete Ausgangsdaten können die entsprechenden Modulanordnungen 10 durch Zerstörung hinsichtlich ihrer jeweiligen Spalthöhe H und des Benetzungsgrads überprüft und die entsprechend ermittelten Werte als Trainingsdaten verwendet werden. Letztendlich ist es hierdurch möglich, auf Basis der beschriebenen Eingangsdaten und der noch im Folgenden beschriebenen Charakteristiken als Eingangsdaten sehr häufig zutreffende Aussagen über den letztendlichen Qualitätszustand einer solchen Anordnung 10 zu ermitteln.
3 zeigt eine weitere Darstellung der Kraft F für die beiden Versuchsgruppen 28, 30, nunmehr in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg z in Millimetern. Wie hier zu sehen ist, nimmt die Kraft wiederum zu Beginn des Setzprozesses mit der zunehmenden zurückgelegten Wegstrecke z zu. Zu dem Zeitpunkt, zu welchem die Kraft F beginnt, kontinuierlich abzufallen, wie dies zu 2 beschrieben wurde, nimmt die Kraft F in Abhängigkeit vom Weg z linear ab. Dieser lineare Bereich ist in 3 mit 32 bezeichnet. Die Kraft F nimmt dabei solange ab, bis der Setzprozess beendet ist. Dies ist der Fall, wenn die vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, die, wie bereits erwähnt, circa 16 bis 17 Sekunden im vorliegenden Beispiel beträgt. Diese Endpunkte sind in 3 mit 29b und 30b bezeichnet und korrespondieren zu den zugehörigen Versuchsgruppen 28, 30. An diesen Endpunkten, die einerseits die End-Kraft definieren sowie andererseits den End-Weg, erfolgt eine Wegumkehr der Setzeinrichtung. Diese fährt zurück in ihre Ausgangsposition, während das Modul 20 im Aufnahmebereich 22 verbleibt. Das Zurückfahren geht entsprechend mit einer abnehmenden Wegstrecke z einher sowie mit einer Reduktion der Anpresskraft F auf null. Auch aus diesem linearen Abschnitt 32 sowie den korrespondierenden Endbereichen 28b, 30b lassen sich wiederum Aussagen über den letztendlichen Qualitätszustand treffen. Entsprechend stellen gerade diese Punkte 28b, 30b geeignete Eingangsgrößen zur Ermittlung des Qualitätszustands dar. Wie ebenfalls anhand von 3 zu erkennen ist und in 4 nochmal deutlicher veranschaulicht ist, so haben die Batteriemodule 20 der ersten Versuchsgruppe 28 in diesem linearen Bereich 32 eine deutlich längere Wegstrecke Δz zurückgelegt als die der zweiten Versuchsgruppe 30. 4 zeigt dabei die jeweiligen von den Modulen 20 zurückgelegten Wegstrecken Δz, einmal für die erste Versuchsgruppe 28 und einmal für die zweite Versuchsgruppe 30. Die zurückgelegte Wegstrecke Δz bezieht sich dabei auf einen definierten Startzeitpunkt des Setzprozesses und/oder ab einem Startzeitpunkt, ab welchem ein vorgegebener Kraftschwellwert, zum Beispiel 3000 Newton, überschritten wird. Die Erfindung beruht dabei zudem auf der Erkenntnis, dass gerade diese ab diesem Kraftschwellwert der Kraft F noch zurückgelegte Wegstrecke Δz mit dem resultierenden Qualitätszustand korreliert ist. Entsprechend können auch hier wiederum ein Mindestgrenzwert und ein Maximalgrenzwert vorgesehen sein, innerhalb von welchen diese Wegstrecke Δz liegen muss, damit die resultierende Anordnung als in Ordnung hinsichtlich ihres Qualitätszustands klassifiziert wird. Auch hier ist es wiederum denkbar, diese Wegstrecke Δz einem lernenden Verfahren als Eingangsparameter zuzuführen, um den Qualitätszustand zu ermitteln. Letztendlich ist es also besonders vorteilhaft, wenn der Qualitätszustand in Abhängigkeit von einer Wegänderung des von einem jeweiligen Batteriemodul 20 zurückgelegten Wegs ermittelt wird, der beginnt, wenn die auf das Modul 20 wirkende Kraft F einen vorbestimmten Kraftgrenzwert überschreitet und mit dem Ende des Setzprozesses endet.
Anhand dieser Wegstrecke Δz kann aber nicht nur der Qualitätszustand der Anordnung 10 nach dem Setzprozess ermittelt werden, sondern es können auch noch weitere Schlussfolgerungen gezogen werden. Insgesamt können die genannten Charakteristiken und Verläufe auch herangezogen werden, um zum Beispiel die Viskosität der Wärmeleitmasse 24 zu bestimmen, die Offenzeit beziehungsweise Standzeit der Gapfiller-Charge, das heißt die Zeitdauer zwischen dem Applizieren der Wärmeleitmasse 24 auf dem Gehäuseboden 14 und dem Aufsetzen der Module 20. Dabei ist es umgekehrt auch vorteilhaft, nicht nur die beschriebenen Überwachungsgrößen zu erfassen, sondern auch weitere Informationen in Kombination mit diesem Kraft- und/oder Wegverlauf des Verpressprozesses zu nutzen, wie zum Beispiel Hallentemperatur, Applikationszeitpunkt und Start des Verpressprozesses. Zudem kann anhand der Charakteristika auch die Toleranzlage der Batteriewanne ermittelt werden und/oder die Ebenheit der einzelnen Gefache. Die Geometrie des Batteriegehäuses 12 wird vorzugsweise initial vermessen, so dass initial vorzugsweise auch die Ebenheit der einzelnen Gefache bekannt ist. Fällt aus irgendwelchen Gründen diese Messmöglichkeit aus, so besteht also vorteilhafterweise über die genannten Verläufe auch die Möglichkeit, ein Ausmaß der Unebenheit des Gehäusebodens 14 zu ermitteln. Schlussendlich ist es vorteilhafterweise auch möglich, aus den beschriebenen Kurven den Anlagezustand inklusive Verschleiß zu ermitteln. Dies sind besonders große Vorteile, da zum Beispiel hierdurch eine rechtzeitige Wartung der Anlage, das heißt der Setzeinrichtung, die das Setzen und Anpressen der Batteriemodule 20 automatisiert ausführt, vorgenommen werden kann, insbesondere bevor ein Defekt der Anlage auftritt und/oder sich der Anlagenverschleiß auch im Qualitätszustand der Modulanordnung negativ bemerkbar macht.
Hierzu zeigt zum Beispiel 5 eine schematische Darstellung einer auch im Batteriemodul 20 ausgeübten Kraft S während eines Setzvorgangs, die durch die Kurve 34 illustriert ist, die zugehörige, vorgegebene Sollkurve 36, sowie die von der Anlage während des Setzprozesses aufgewandte Arbeite W, die ebenfalls als korrespondierende Kurve 38 dargestellt ist. Die Arbeit W ergibt sich dabei aus dem Produkt der Kraft M und der vom Modul 20 zurückgelegten Wegstrecke z. Wie zu erkennen ist, ergibt sich eine bestimmte Welligkeit des Verlaufs 38 der Arbeit W. Auch diese Kurve 38 enthält Informationen über den Anlagenverschleiß. Eine Auswertung dieser Arbeit W beziehungsweise deren korrespondierenden zeitlichen Verlaufs 38 kann somit vorteilhafterweise ebenfalls genutzt werden, um einen Qualitätszustand der Anlage, das heißt der Setzeinrichtung, zu ermitteln. Zu diesem Zweck können insbesondere die in diesem Verlauf 38 vorhandenen Frequenzen, zum Beispiel durch eine Fourier-Analyse dieses Verlaufs 38, ausgewertet werden. Diese können zum Beispiel mit einem Soll-Frequenzspektrum oder einem Soll-Verlauf für die Arbeitskurve 38 verglichen werden. Ebenso kann hier wiederum ein künstliches neuronales Netz oder andere Big-Data-Verfahren genutzt werden, um den Anlagenverschleiß als weiteres Beispiel für einen Qualitätszustand zu ermitteln.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Steuereinrichtung 40 zum Ermitteln eines Qualitätszustands 42a, 42b eines Bauteils, zum Beispiel der Anordnung 10 aus 1, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Steuereinrichtung 40 ist dabei dazu ausgelegt, während eines Setzprozesses, wie dieser zuvor beschrieben wurde, Überwachungsgrößen 44, wie in diesem Beispiel die Kraft F, den Weg z und die Zeit t, zu erfassen.
Weiterhin werden in diesem Beispiel auch zusätzlich zur Verfügung stehende Informationen, die im Folgenden als Zustandsparameter 46 bezeichnet werden, erfasst. Diese stellen im vorliegenden Beispiel eine Temperatur T in unmittelbarer Umgebung der Setzanordnung 10, zum Beispiel innerhalb des Gebäudes oder der Fertigungshalle, in welchem der Setzprozess durchgeführt wird, dar, sowie die Offenzeit Δt der Wärmeleitmasse 24. Diese erfassten Größen und Parameter 44, 46 werden der Steuereinrichtung 40 als Eingangsparameter zugeführt. Diese kann aus diesen zugeführten Daten weitere Größen, insbesondere Charakteristika 48, ermitteln. In diesem Beispiel stellen die Charakteristika die zu 4 beschriebene Weglänge Δz dar, die im zeitlichen Arbeitsverlauf 38 enthaltenen Frequenzen f, wie zu 5 erläutert, die Steigungen 28a, 30a der Kraftverläufe, wie zu 2 beschrieben, die Endpunkte 28b, 30b und zum Beispiel die zugehörigen End-Kräfte K0, wie dies zu 3 erläutert wurde, sowie optionale weitere Charakteristiken. Aus diesen Verläufen und Charakteristiken können vorteilhafterweise Rückschlüsse auf die finale Höhe H zwischen Batteriemodul 20 und Gehäuseboden 14 gezogen werden, sowie auf den Benetzungsgrad B der Benetzung der Unterseite 20a der jeweiligen Batteriemodule 20 durch die Wärmeleitmasse 24. Es werden also in Abhängigkeit von diesen Charakteristiken 48 die spalthöhe H und/oder der Benetzungsgrad B zumindest approximativ ermittelt. Die resultierenden Größen, das heißt die Spalthöhe H und der Benetzungsgrad B, können anschließend mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen werden, und in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs kann die betreffende Modul-Gehäuse-Anordnung als in Ordnung 42a oder nicht in Ordnung 42b klassifiziert werden.
Die Bewertung der einzelnen Einflussgrößen kann also vorteilhafterweise durch automatisierte Auswertungen des Verpressprozesses anhand von Kraft, Weg und Zeit erfolgen. Hierbei können verschiedenste Parameter überwacht werden, wie zum Beispiel Materialparameter, die Offenzeit, der Anlagenzustand beziehungsweise Verschleißzustand der Anlage, Ebenheiten von Batteriemodul und Batteriewanne und so weiter. Ebenfalls ist eine Analyse der Kurven durch Big-Data-Verfahren denkbar, um weitere Muster und Zusammenhänge zu ermitteln.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Setzprozess für Batteriemodule bereitgestellt werden kann, für welchen eine Qualitätsüberwachung durch Auswertung der Prozessdaten des Gapfiller-Verpressens bereitgestellt wird. Aus Kraft- und Wegverlauf des Verpressprozesses, insbesondere in Kombination mit weiteren Informationen, zum Beispiel wie der Hallentemperatur, Applikationszeitpunkt und Start des Verpressprozesses, können diverse Rückschlüsse auf die Viskosität und die Offenzeit der Gapfiller-Charge gezogen werden, die Toleranzlage der Batteriewanne, die Ebenheit der einzelnen Gefache und den Anlagenzustand inklusive Verschleiß. Es ergeben sich damit die großen Vorteile, dass bei einem nicht in Ordnung bewerteten Prozess bereits vor der Demontage und Auswertung der Batterie gezielt die Prozessparameter überprüft und korrigiert werden können und damit eine deutliche höhere Reaktionsgeschwindigkeit erreicht werden kann. Prozessparameter können gezielt angepasst werden und damit der Arbeitswand verringert werden. Bei der Überwachung von in-Ordnung-Prozessen kann auf einen Großteil der zerstörenden Prüfungen verzichtet werden. Anlagen können vor Defekt gezielt gewartet werden, um Standzeiten zu minimieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018222459 A1 [0002]
DE 3715077 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Qualitätszustands (42a, 42b) zumindest eines Bauteils (10), welches während eines Setzprozesses verwendet wird, bei welchem - ein Batteriemodul (20) bereitgestellt wird; - ein Batteriegehäuse (12) mit einem Gehäuseboden (14) und einem dem Batteriemodul (20) zugeordneten Aufnahmebereich (22) bereitgestellt wird, wobei im Aufnahmebereich (22) auf dem Gehäuseboden (14) eine Wärmeleitmasse (24) angeordnet ist; - das Batteriemodul (20) in den Aufnahmebereich (22) auf die Wärmeleitmasse (24) aufgesetzt wird und mit einer vorgebbaren Kraft (F) in eine erste Richtung (z), die in Richtung (z) des Gehäusebodens (14) weist, gepresst wird, so dass sich die zwischen dem Batteriemodul (20) und dem Gehäuseboden (14) befindliche Wärmeleitmasse (24) zumindest zum Teil in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung (z) verteilt, dadurch gekennzeichnet, dass als Überwachungsgrößen (44) die vorgebbare Kraft (F) und der vom Batteriemodul (20) während des Setzprozesses in der ersten Richtung (z) zurückgelegte Weg (z) über die Zeit (t) während der Dauer des Setzprozesses erfasst werden und der Qualitätszustand (42a, 42b) in Abhängigkeit von mindestens einer Charakteristik (48) mindestens einer der Überwachungsgrößen (44) ermittelt wird und ein Signal in Abhängigkeit vom ermittelten Qualitätszustand (42a, 42b) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine Anordnung (10) umfassend das Batteriemodul (20), das Batteriegehäuse (12) und die Wärmeleitmasse (24) darstellt, wobei der Qualitätszustand (42a, 42b) in Abhängigkeit von einer Charakteristik (48) einer maximalen Spalthöhe (H) eines mit der Wärmeleitmasse (24) zumindest zum Teil gefüllten Spalts zwischen dem Batteriemodul (20) und dem Gehäuseboden (14) ermittelt wird, und/oder in Abhängigkeit von einem Benetzungsgrad (B) der Benetzung einer dem Gehäuseboden (14) zugewandten Unterseite (20a) des Batteriemodul (20) mit der Wärmeleitmasse (24) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) zumindest einen Teil der Setzeinrichtung darstellt, und der Qualitätszustand (42a, 42b) einen Verschleißzustand des zumindest einen Teils der Setzeinrichtung darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Charakteristik (48) als eine Charakteristik (48) - eines Verlaufs der Kraft (F) über der Zeit (t), insbesondere einer Steigung (28a, 30a) des Verlaufs; und/oder - eines Verlaufs des Wegs (z) über der Zeit (t); und/oder - eines Verlauf der Kraft (F) in Abhängigkeit vom Weg (z); und/oder - eines Verlaufs des Wegs (z) in Abhängigkeit von der Kraft (F), insbesondere in Form einer Weglänge (Δz) ab einem vorbestimmten Kraftschwellwert der Kraft (F); erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die mindestens eine Charakteristik (48) Frequenzen (f) des Verlaufs der Kraft (F) und/oder eine Charakteristik (48) einer durch die Kraft (F) verrichteten Arbeit (W) über der Zeit (t) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein von den Überwachungsgrößen (44) verschiedener Zustandsparameter (46) erfasst wird, und der Qualitätszustand (42a, 42b) in Abhängigkeit von dem Zustandsparameter (46) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsparameter (46) eine Temperatur (T) in einer Umgebung der Wärmeleitmasse (24) darstellt und/oder der Zustandsparameter (46) eine Zeitdauer (Δt) zwischen einem Aufbringen der Wärmeleitmasse (24) auf den Gehäuseboden (14) und dem Aufsetzen des Batteriemoduls (20) darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der ermittelte Qualitätszustand (42a, 42b) angibt, ob das Bauteil (10) in Ordnung (42a) oder nicht in Ordnung (42b) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Qualitätszustand (42a, 42b) durch eine künstliche Intelligenz ermittelt wird, insbesondere durch ein künstliches neuronales Netz.
Steuereinrichtung (40) zum Überwachen eines Setzprozesses und zum Ermitteln eines Qualitätszustands (42a, 42b) zumindest eines Bauteils (10), welches während des Setzprozesses verwendet wird, bei welchem - ein Batteriemodul (20) bereitgestellt wird; - ein Batteriegehäuse (12) mit einem Gehäuseboden (14) und einem dem Batteriemodul (20) zugeordneten Aufnahmebereich (22) bereitgestellt wird, wobei im Aufnahmebereich (22) auf dem Gehäuseboden (14) eine Wärmeleitmasse (24) angeordnet ist; - das Batteriemodul (20) in den Aufnahmebereich (22) auf die Wärmeleitmasse (24) aufgesetzt wird und mit einer vorgebbaren Kraft (F) in eine erste Richtung (z), die in Richtung (z) des Gehäusebodens (14) weist, gepresst wird, so dass sich die zwischen dem Batteriemodul (20) und dem Gehäuseboden (14) befindliche Wärmeleitmasse (24) zumindest zum Teil in einer zweiten Richtung (z) senkrecht zur ersten Richtung (z) verteilt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (40) dazu ausgelegt ist, zum Überwachen des Setzprozesses als Überwachungsgrößen (44) die vorgebbare Kraft (F) und den vom Batteriemodul (20) während des Setzprozesses in der ersten Richtung (z) zurückgelegte Weg (z) über die Zeit während der Dauer des Setzprozesses zu erfassen und den Qualitätszustand (42a, 42b) in Abhängigkeit von mindestens einer Charakteristik (48) mindestens einer der Überwachungsgrößen (44) zu ermitteln und ein Signal in Abhängigkeit vom ermittelten Qualitätszustand (42a, 42b) bereitzustellen.