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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen Isolierung zwischen mindestens einer ersten Batteriezelle und mindestens einer zweiten Batteriezelle eines Zellmoduls, wobei die mindestens eine erste und zweite Batteriezelle jeweils als eine Rundzelle ausgebildet sind, die eine Längserstreckungsrichtung aufweist, und wobei die mindestens eine erste und zweite Batteriezelle jeweils eine erste und eine zweite Stirnseite aufweisen, die die jeweilige erste und zweite Batteriezelle in ihrer Längserstreckungsrichtung begrenzen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Zellmodul.
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Rundzellen weisen typischerweise eine zylinderförmige Form auf und besitzen entsprechend zwei Stirnseiten, die im Wesentlichen rund ausgebildet sind, und an denen die Zellpole angeordnet sein können. Die Zellbecher, die das Gehäuse oder zumindest einen Teil eines solchen Gehäuses einer Rundzelle bereitstellen, liegen dabei üblicherweise auf einem Spannungspotential, insbesondere dem Minuspotenzial der Zelle. Um Rundzellen zu einem großen Modul zusammenzusetzen, müssen entsprechend die Zellbecher, die nicht parallel geschaltet sind, zueinander elektrisch getrennt beziehungsweise isoliert werden. Üblicherweise wird dabei der Zellbecher bei der Fertigung mit einem Schrumpfschlauch, der elektrisch isolierend ist, versehen. Ein Nachteil dabei ist, dass alle Zellen eine solche Isolierung bekommen, obwohl dies aus Isolationsgründen technisch nicht notwendig ist, da eine technische Notwendigkeit nur bei seriell verschalteten Zellen besteht. Mit anderen Worten muss nur eine Isolierung zwischen zwei Batteriezellen vorgesehen werden, falls diese zueinander nicht parallel geschaltet sind beziehungsweise werden.
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Die
DE 10 2016 225 175 A1 beschreibt ein Batteriemodul mit einem Batteriezellenzellensystem mit zumindest zwei Batteriezellen, die als Pouch-Zellen ausgestaltet sind. Das Batteriemodul umfasst eine bewegungsflexible Umhüllung, welche eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt, die das gesamte Batteriezellensystem sowie den Spannungsabgriff des Batteriemoduls umhüllt, wobei die einzelnen Batteriezellen eine feuchtigkeitsdurchlässige Verpackung, insbesondere eine feuchtigkeitsdurchlässige Pouch-Folie, aufweisen. Eine solche Verpackung kann beispielsweise ein Gehäuse aus Kunststoff sein. Die Umhüllung kann als Verbundfolie bereitgestellt sein, die zumindest Aluminium umfasst.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2016 225 184 A1 ein Batteriemodul mit einem Batteriezellensystem mit zumindest zwei Pouch-Zellen, wobei das Batteriezellenzellensystem eine Pouch-Folie und zumindest zwei Elektrodenverbunde umfasst, und wobei die Pouch-Folie voneinander separierte, insbesondere nebeneinanderliegende Taschen zum Einbringen je eines Elektrodenverbunds bildet, sodass jede Tasche mit Elektrodenverbund eine Pouch-Zelle bildet. Dabei sind die Taschen im Betriebszustand des Batteriemoduls physisch über die Pouch-Folie faltbar miteinander verbunden, wobei das Batteriemodul eine bewegungsflexible, faltbare Umhüllung aufweist, die das gesamte Batteriezellensystem sowie den Spannungsabgriff des Batteriemoduls umhüllt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Zellmodul bereitzustellen, die es ermöglichen, Rundzellen in einem Zellmodul auf möglichst einfache und effiziente Weise voneinander elektrisch zu isolieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und ein Zellmodul mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine elektrische Isolierung zwischen mindestens einer ersten Batteriezelle und mindestens einer zweiten Batteriezelle eines Zellmoduls bereitgestellt, wobei die mindestens eine erste und zweite Batteriezelle jeweils Rundzelle ausgebildet sind, die eine Längserstreckungsrichtung aufweist, und wobei die mindestens eine erste und zweite Batteriezelle jeweils eine erste und eine zweite Stirnseite aufweisen, die die jeweilige erste und zweite Batteriezelle in ihrer Längserstreckungsrichtung begrenzen. Dabei wird eine erste Zellreihe mit der mindestens einen ersten Batteriezelle bereitgestellt, wobei sich die erste Zellreihe in eine erste Erstreckungsrichtung senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der ersten Batteriezelle erstreckt. Weiterhin wird eine zweite Zellreihe mit der mindestens einen zweiten Batteriezelle bereitgestellt, wobei sich die zweite Zellreihe in eine zweite Erstreckungsrichtung senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der zweiten Batteriezelle erstreckt. Weiterhin wird die elektrische Isolierung in Form eines elektrisch isolierenden Isolierbands bereitgestellt und ein erster Isolierbandabschnitt des Isolierbands wird an einer von der ersten und zweiten Stirnseite verschiedenen dritten Seite der ersten Batteriezelle in Erstreckungsrichtung der ersten Zellreihe angeordnet. Nach dem Anordnen des ersten Isolierbandabschnitts wird die zweite Zellreihe relativ zur ersten Zellreihe angeordnet, so dass sich zumindest ein Teil des ersten Isolierbandabschnitts zwischen der mindestens einen ersten Batteriezelle und der mindestens einen zweiten Batteriezelle befindet.
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Auf diese Weise können die Batteriezellen während des Zusammenbaus des Zellmoduls reihenweise gestapelt werden, und während des Stapelvorgangs kann das Isolierband zwischen die jeweiligen Zellreihen eingebracht werden. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die zueinander parallel zu verschaltenden Batteriezellen in Form von Zellreihen gruppiert werden können. Verschiedene Zellreihen können zueinander wiederum in Serie geschaltet werden. Auf diese Weise ist es lediglich erforderlich, die Zellreihen voneinander elektrisch zu isolieren, während keine Isolierung zwischen den Batteriezellen einer gleichen Zellreihe bereitgestellt werden muss. Dies ermöglicht es wiederum vorteilhafterweise, dass die elektrische Isolierung zwischen den Batteriezellen auf besonders effiziente und einfache Weise durch ein Isolierband bereitgestellt werden kann und nicht die Zellbecher jeder einzelnen Batteriezelle selbst mit einer eigenen Isolierung versehen werden muss. Dies wiederum ermöglicht es vorteilhafterweise, dass die Isolierung in Form dieser Trennebene, die durch das Isolierband bereitgestellt wird, während des Stapelprozesses der Batteriezellen eingebracht wird und somit in diesen Stapelprozess auf einfache und effiziente Weise integriert wird. Gegenüber einem nachträglichen Einbringen einer Trenneben, das heißt nachdem ein Modul durch Stapeln der einzelnen Batteriezellen zusammengesetzt wurde, hat diese Vorgehensweise wiederum den großen Vorteil, dass sich das Einbringen der Trennschicht in Form des Isolierbands deutlich einfacher bewerkstelligen lässt. Bei einer Montage einer solchen Trennschicht nach Positionierung der Zellen entstehen dagegen hohe Anforderungen an die Genauigkeit des Prozesses, und es entstehen Risiken des Verknitterns der Trennschicht oder einer falschen Positionierung. Dies kann vorteilhafterweise vermieden werden, indem das Einbringen des Isolierbands zwischen die Zellen in den Stapelprozess der Zellen integriert wird. Somit ist kein aufwendiges Einfädeln einer Trennschicht erforderlich, der Ausschuss kann reduziert werden, und zudem erlaubt die Erfindung vorteilhafterweise eine bedarfsgerechte Isolation und eine Einsparung von Gewicht, da durch die Reihenbildung automatisch nur solche Zellen voneinander isoliert werden können, für die es auch erforderlich ist, und eine Isolierung von parallel geschalteten Zellen vermieden werden kann, was zur genannten Gewichtseinsparung führt. Bei 800 Zellen wird somit zum Beispiel circa 400 mal die Masse eines Schrumpfschlauchs eingespart.
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Bei der ersten und zweiten Batteriezelle handelt es sich also jeweils um eine Rundzelle, wie diese beispielsweise auch eingangs definiert wurde. Diese weisen typischerweise einen zylinderförmigen Körper mit zwei gegenüberliegenden und im Wesentlichen kreisförmig ausgebildeten Stirnseiten auf. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die erste und zweite Zellreihe jeweils nur einen einzige Batteriezelle, nämlich die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle, aufweisen. Bevorzugt ist es jedoch, wie dies auch später näher erläutert wird, dass die jeweiligen Zellreihen jeweils mehrere Batteriezellen umfassen. Diese sind dann entsprechend entlang der Erstreckungsrichtung der jeweiligen Zellreihe nebeneinander angeordnet, insbesondere hochkant, das heißt die jeweiligen Längserstreckungsrichtungen der jeweiligen Batteriezellen sind senkrecht zur Erstreckungsrichtung der betreffenden Zellreihe ausgerichtet und parallel zueinander. Wenn die Zellreihen zueinander angeordnet werden, erfolgt dies vorzugsweise weiterhin so, dass die jeweiligen ersten und zweiten Erstreckungsrichtungen der ersten und zweiten Zellreihe parallel zueinander ausgerichtet sind. Die jeweiligen Batteriezellen der betreffenden Zellreihen können dabei in Bezug auf die Batteriezellen der benachbarten Zellreihe versetzt angeordnet sein, was zu einer bauraumeffizienteren Gesamtanordnung führt. Beispielsweise können die Zellen der zweiten Zellreihe auf Lücke versetzt zu den Zellen der ersten Zellreihe angeordnet sein, d.h. wenn zwei erste und zwei zweite Batteriezellen jeweils einen bestimmten Zellenabstand zueinander aufweisen, dann sind die zweiten Batteriezellen um die Hälfte des bestimmten Abstands in Erstreckungsrichtung der Zellreihen gegenüber den ersten Batteriezellen versetzt. Da die Zellen im Querschnitt rund sind, wird es hierdurch ermöglicht, dass die zweiten Zellen etwas in Richtung der Zelllücken zwischen den ersten Zellen angeordnet werden können, so dass sich die ersten Zellen mit den zweiten Zellen in Erstreckungsrichtung der Zellreihen betrachtet zum Teil überlappen. Eine Grenzlinie zwischen zwei Zellreihen erstreckt sich damit nicht als gerade, sondern verläuft schlangenförmig bzw. als S-förmige Linie. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft die Isolierung durch ein Isolierband bereitzustellen, dass sich aufgrund seiner zumindest initialen Flexibilität besonders leicht einer solchen kurvigen Trennkontur anpassen kann.
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Das Isolierband kann beispielsweise von einer Rolle bereitgestellt werden. Diese kann zum Beispiel auch bedarfsgerecht abgeschnitten werden oder ohne abgeschnitten zu werden Zellreihe für Zellreihe um diese herum geschlungen werden. Das Isolierband ist im Allgemeinen aus einem elektrisch isolierenden Material. Ein solches Material kann zum Beispiel einen Kunststoff und/oder Glasfasern oder Ähnliches umfassen. Das Material kann auch als Verbundmaterial, zum Beispiel ein Kunststoffverbundmaterial, bereitgestellt sein. Das Isolierband ist flexibel und lässt sich so auf einfache Weise auch an die Geometrie der Zellen einer Zellreihe anpassen. Dies ermöglicht eine einfache und bauraumeffiziente Anordnung des Isolierbands. Zudem kann Das Isolierband als ein Gewebe oder auch als Folie ausgebildet sein. Das Isolierband kann außerdem eine Breite aufweisen, die im Wesentlichen zu einer Höhe der Batteriezellen korrespondiert, die durch den Abstand der ersten Stirnseite von der zweiten Stirnseite einer jeweiligen Batteriezelle definiert ist. Bevorzugt ist das Isolierband jedoch etwas weniger breit als die Höhe einer jeweiligen Batteriezelle, da die Batteriezellen beim Stapeln zum Beispiel auf einem Träger angeordnet werden können, so dass die Stirnseiten dem Träger zugewandt sind, wobei der Träger zudem jeweilige Aufnahmebereiche für eine jeweilige Batteriezelle aufweist, die in Form von kreisförmigen Vertiefungen bereitgestellt sind. Entsprechend sind die Zellen mit einer Ihrer Stirnseiten vertieft in dem Träger angeordnet. Bevorzugt ist dann die Breite des Isolierbands um die Höhe einer solchen Vertiefung gegenüber der Höhe der Batteriezelle reduziert.
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Wie bereits erwähnt ist es bevorzugt, dass die erste Zellreihe mehrere der mindestens einen ersten Batteriezelle aufweist, wobei die mehreren ersten Batteriezellen der ersten Zellreihe in der ersten Erstreckungsrichtung der ersten Zellreihe nebeneinander angeordnet sind, und wobei die zweite Zellreihe mehrere der mindestens einen zweiten Batteriezelle aufweist, wobei die mehreren zweiten Batteriezellen der zweiten Zellreihe in der zweiten Erstreckungsrichtung der zweiten Zellreihe nebeneinander angeordnet sind. Dabei werden insbesondere die ersten Batteriezellen zueinander parallel geschaltet und die zweiten Batteriezellen zueinander parallel geschaltet, und die erste Zellreihe wird zur zweiten Zellreihe elektrisch in Serie geschaltet. Dadurch lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, parallel zueinander zu verschaltende Batteriezellen in Form von Zellreihen zu gruppieren. Folglich müssen dann nur noch die jeweiligen Zellreihen voneinander elektrisch isoliert werden, was durch die Einbringung des ersten Isolierbandabschnitts besonders einfach möglich ist.
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Die ersten und zweiten Batteriezellen können grundsätzlich gleichartig ausgebildet sein. Die Bezeichnung erste und zweite Batteriezelle dient dabei lediglich der besseren Beschreibbarkeit der Anordnung. Wenn vorliegend also von einer Batteriezelle beziehungsweise Zellreihe die Rede ist, so kann darunter sowohl eine erste Batteriezelle als auch eine zweite Batteriezelle verstanden werden beziehungsweise sowohl eine erste Zellreihe als auch eine zweite Zellreihe, sowie gegebenenfalls auch weitere dritte, vierte Batteriezelle beziehungsweise Zellreihen. Zudem sollen die Begriffe erste Zellreihe und zweite Zellreihe, sowie gegebenenfalls weitere dritte, vierte Zellreihen und so weiter keine Reihenfolge in Bezug auf deren Anordnung zueinander implizieren.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der erste Isolierbandabschnitt beim Anordnen an der dritten Seite der mindestens einen ersten Batteriezelle auf einer ersten Seite der ersten Zellreihe sich über mindestens eine gesamte Länge der ersten Zellreihe in der ersten Erstreckungsrichtung der ersten Zellreihe erstreckend angeordnet. Mit anderen Worten erstreckt sich der erste Isolierbandabschnitt über die gesamte Länge der ersten Zellreihe hinweg. Dann kann beispielsweise auf einfache Weise die zweite Zellreihe auf der anderen Seite dieses ersten Isolierbandabschnitts angeordnet werden, und die beiden Zellreihen sind durch den ersten Isolierbandabschnitt effizient voneinander isoliert. Somit muss vorteilhafterweise nicht für jede Zelle eine einzelne Isolierung vorgesehen werden.
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Die dritte Seite einer jeweiligen Batteriezelle stellt dabei vorzugsweise nur einen Teil ihrer Mantelfläche dar. Insbesondere wird also beispielsweise der erste Isolierbandabschnitt auf der Seite beziehungsweise dem Teil der Mantelfläche der ersten Batteriezelle angeordnet, welche der zweiten Zellreihe zugewandt ist. Die zweite Zellreihe wird dabei insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der jeweiligen Zellreihen und senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der jeweiligen Batteriezellen angeordnet.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem Anordnen des ersten Isolierbandabschnitts einer ersten Zellreihe ein Klebstoff und/oder eine aushärtbare Substanz im nicht ausgehärteten Zustand auf den ersten Isolierbandabschnitt aufgebracht. Beispielsweise kann ein solcher Klebstoff oder Substanz auf der Seite des Isolierbandabschnitts aufgebracht werden, die der ersten Zellreihe und/oder der zweiten Zellreihe zugewandt ist. Mit anderen Worten ist sowohl eine einseitige als auch eine beidseitige Auftragung eines solchen Klebstoffs beziehungsweise einer solchen Substanz denkbar. Das Isolierband kann beispielsweise auch als Gewebe bereitgestellt werden, welches in einen solchen Klebstoff oder einer aushärtbaren Substanz im nicht ausgehärteten Zustand getränkt wird bzw. wurde. Das Aufbringen eines solchen Klebstoffs und/oder einer solchen Substanz hat gleich mehrere große Vorteile. Durch einen Klebstoff kann das Isolierband vorteilhafterweise an den Zellen fixiert werden. Dies verhindert ein möglicherweise nachträgliches Verrutschen des Isolierbands. Auch ermöglicht ein solcher Klebstoff mehr Flexibilität beim Stapelprozess. Beispielsweise kann zunächst eine Zellreihe auf einer Seite mit einem solchen Isolierband beklebt werden, und erst anschließend können die jeweiligen Zellreihen mit den jeweils daran angeklebten Isolierbändern beziehungsweise Isolierbandabschnitten zusammengesetzt werden. Ein besonders großer Vorteil besteht jedoch gerade darin, dass durch einen solchen Klebstoff beziehungsweise eine solche aushärtbare Substanz zusätzliche Stabilität bereitgestellt werden kann. Dabei kann auch ein Klebstoff aushärtbar ausgestaltet sein. Nachdem der Klebstoff beziehungsweise die Substanz ausgehärtet sind, führen diese zu einer Versteifung des Isolierbands. Dieses verliert also durch diesen Aushärtprozess seine flexiblen Eigenschaften, zumindest zum Teil. Das Aushärten erfolgt jedoch erst, nachdem das Isolierband und die Zellreihen bestimmungsgemäß zueinander angeordnet worden sind. Dadurch lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass durch das Isolierband noch weitere Funktionen übernommen werden können. Insbesondere ist durch die Versteifung auch eine Kraftübertragungsmöglichkeit gegeben, was die Crasheigenschaften des finalen Zellmoduls verbessert. Um eine solche Struktursteifigkeit und Verbesserung der Crasheigenschaften bereitzustellen, ist es dabei im Allgemeinen nicht zwingend erforderlich, dass eine solche aushärtbare Substanz auch klebende Eigenschaften aufweisen muss. Eine solche aushärtbare Substanz kann also auch von einem Klebstoff verschieden sein. Umgekehrt kann eine solche Substanz aber sowohl aushärtbare Eigenschaften als auch klebende Eigenschaften miteinander vereinen.
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Gerade um ein gewisses Maß an Struktursteifigkeit nach dem Aushärten bereitzustellen, ist es vorteilhaft, wenn das Isolierband beziehungsweise der erste Isolierbandabschnitt zumindest auf einer Seite großflächig mit einem solchen Klebstoff beziehungsweise einer solchen Substanz versehen wird. Nichtsdestoweniger ist auch eine partielle Applikation, zum Beispiel linienförmig, denkbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Zellreihe vor dem Anordnen des ersten Isolierbandabschnitts auf einem Träger positioniert, und der erste Isolierbandabschnitt an der mindestens einen ersten Batteriezelle angeordnet wird, während sich die erste Zellreihe auf dem Träger befindet. Nach dem Anordnen des ersten Isolierbandabschnitts wird die zweite Zellreihe relativ zu der auf dem Träger befindlichen ersten Zellreihe angeordnet. Es kann also zunächst die erste Zellreihe auf einem Träger positioniert werden, dann das Isolierband beziehungsweise der erste Isolierbandabschnitt in Erstreckungsrichtung der Zellreihe an dieser angeordnet werden, anschließend die zweite Zellreihe auf dem Träger angeordnet werden, sodass sich das Isolierband zwischen der ersten und zweiten Zellreihe befindet. Diese Vorgehensweise kann beliebig so fortgesetzt werden, bis die gewünschte Modulgröße erreicht ist.
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Entsprechend ist es also vorteilhaft, wenn nach dem Anordnen der zweiten Zellreihe relativ zur ersten Zellreihe ein zweiter Isolierbandabschnitt des Isolierbands auf einer dem ersten Isolierbandabschnitt gegenüberliegenden Seite der zweiten Zellreihe angeordnet wird, und eine dritte Zellreihe, die mindestens eine dritte als Rundzelle ausgebildete Batteriezelle umfasst, relativ zur zweiten Zellreihe angeordnet wird, so dass zumindest ein Teil des zweiten Isolierbandabschnitts zwischen der mindestens einen dritten Batteriezelle und der mindestens einen zweiten Batteriezelle angeordnet ist.
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Auch die dritte Batteriezelle kann wie zuvor zur ersten und zweiten Batteriezelle beschrieben ausgebildet sein. Auch die dritte Zellreihe kann wiederum beliebig viele Batteriezellen umfassen. Vorteilhaft ist es dabei insbesondere, wenn die jeweiligen nebeneinander angeordneten Zellreihen eine ähnliche Anzahl an Batteriezellen aufweisen, die sich beispielsweise um nicht mehr als ein oder zwei Batteriezellen unterscheiden. Besonders bevorzugt weisen die Zellreihen jeweils eine gleiche Anzahl an Batteriezellen auf.
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Durch diese Vorgehensweise, nämlich der Anordnung einer Zellreihe auf einem Träger, dem Aufbringen eines Isolierbandabschnitts, dem Anordnen der nächsten Zellreihe, dann das Anordnen des nächsten Isolierbandabschnitts, und so weiter lässt sich das beschriebene Verfahren für beliebige Modulgrößen auf einfache Weise umsetzen.
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Dabei kann der zweite Isolierbandabschnitt einen sich unmittelbar an den ersten Isolierbandabschnitt anschließenden Teil des Isolierbands darstellen. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass vor dem Anordnen des zweiten Isolierbandabschnitts auf der dem ersten Isolierbandabschnitt gegenüberliegenden Seite der zweiten Zellreihe, das Isolierband zwischen dem ersten und zweiten Isolierbandabschnitt durchtrennt wird, so dass der erste und zweite Isolierbandabschnitt voneinander separiert werden. Wie eingangs bereits erwähnt, kann das Isolierband beispielsweise auf einer Rolle bereitgestellt werden. Von dieser können beispielsweise nacheinander entsprechende Isolierbandabschnitte abgeschnitten und auf den jeweiligen Zellreihen angeordnet werden. Möglich ist es aber auch, dass die einzelnen Isolierbandabschnitte auf den jeweiligen Zellreihen angeordnet werden, ohne zuvor voneinander getrennt zu werden. Mit anderen Worten kann hierdurch eine finale Anordnung bereitgestellt werden, bei welcher sich das Isolierband schlangenförmig zwischen den jeweiligen Zellreihen erstreckt. Das Durchtrennen der einzelnen Isolierbandabschnitte hat dabei den Vorteil, dass hierdurch mehr Flexibilität bei der Anordnung der Zellreihen und der Isolierbandabschnitte bereitgestellt ist. Andererseits wird durch das Vermeiden einer solchen Durchtrennung pro Zellreihe ein zusätzlicher Verfahrensschritt eingespart.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die zweite Zellreihe auf einem Träger angeordnet, und die erste Zellreihe wird mit dem an der ersten Zellreihe angeordneten ersten Isolierbandabschnitt relativ zur auf dem Träger angeordneten zweiten Zellreihe angeordnet. Gemäß diesem Beispiel können also jeweilige Zellreihen, zum Beispiel bis auf die zweite Zellreihe, zunächst mit einem jeweiligen Isolierbandabschnitt versehen werden, der an diese Zellreihen zum Beispiel angeklebt werden kann. Die daraus resultierenden Zellreihenanordnungen können dann nach und nach auf den Träger gesetzt und gestapelt werden. Zunächst kann also die zweite Zellreihe als zeitlich erste Zellreihe auf dem Träger angeordnet werden. Anschließend kann daneben die erste Zellreihenanordnung, das heißt die erste Zellreihe mit dem daran angeordneten ersten Isolierbandabschnitt, auf dem Träger angeordnet werden, insbesondere direkt neben der zweiten Zellreihe. Anschließend kann eine dritte Zellreihenanordnung auf dem Träger neben der ersten Zellreihenanordnung angeordnet werden, anschließend eine vierte Zellreihenanordnung neben der dritten Zellreihenanordnung, und so weiter. Auch dies ermöglicht ein einfaches Stapeln der Zellreihen mit den jeweiligen dazwischen befindlichen Isolierbandabschnitten bis zu einer gewünschten Modulgröße.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Zellreihe mittels einer Halteeinrichtung gehalten, während der erste Isolierbandabschnitt an der ersten Zellreihe angeordnet wird, wobei der erste Isolierbandabschnitt beim Anordnen mittels einer Gegenhaltereinrichtung, die auf einer der ersten Zellreihe abgewandten Seite des ersten Isolierbandabschnitts angeordnet ist, an die erste Zellreihe angeformt wird, indem die Gegenhaltereinrichtung relativ zur ersten Zellreihe in Richtung der ersten Zellreihe bewegt wird, insbesondere wobei die erste Zellreihe mit dem angeformten ersten Isolierbandabschnitt mittels der Halteeinrichtung relativ zur zweiten Zellreihe angeordnet wird. Dies ist besonders vorteilhaft in Kombination mit der Ausgestaltung, gemäß welcher zunächst die Zellreihenanordnungen bereitgestellt werden, die anschließend zueinander gestapelt werden. Dies ermöglicht es insbesondere auch längere Wartezeiten zwischen dem Anordnen der jeweiligen Isolierbandabschnitte an den jeweiligen Zellreihen und der Anordnung der Zellreihenanordnungen zueinander vorzusehen, ohne Gefahr laufen zu müssen, das eine Anformung des Isolierbandabschnitts an die jeweilige Zellreihe durch den bereits ausgehärten Klebstoff nicht mehr möglich ist. Mit anderen Worten kann ein Anformen des jeweiligen Isolierbandabschnitts an der jeweiligen Zellreihe auch ohne Gegenhaltereinrichtung, und stattdessen durch die Zellen der benachbarten Zellreihe, erfolgen. Die Verwendung eines Gegenhalters dagegen erlaubt eine höhere zeitliche Flexibilität. In jedem Fall hat ein solches Anformen den Vorteil, dass hierdurch eine bauraumeffiziente Anordnung bereitgestellt werden kann. Wie oben bereits erwähnt ist es bevorzugt, dass die Zellen jeweiliger unterschiedlicher, benachbarter Zellreihen zueinander versetzt angeordnet sind. Bei einer bestimmungsgemäßen Anformung des entsprechenden Isolierbandabschnitts verläuft dieser also schlangenlinienförmig entlang der Erstreckungsrichtung der jeweiligen Zellreihen.
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Die Halteeinrichtung kann dabei als Greifvorrichtung und/oder Saugvorrichtung ausgebildet sein. Diese kann beispielsweise an den Mantelflächen der jeweiligen Batteriezellen einer Zellreihe angreifen. Insbesondere greift diese dann dabei an der den dritten Seite einer jeweiligen Batteriezelle gegenüberliegenden Mantelflächenseite an. Durch eine solche Halteeinrichtung können die Zellreihen vorteilhafterweise sehr flexibel zueinander positioniert werden. Zudem ermöglicht dies auf einfache Weise auch ein Stapeln der Zellen in liegender Position, so dass ihre Längserstreckungsrichtung beim Stapeln im Wesentlichen horizontal verläuft. Alternativ können die Zellen aber auch stehend gestapelt werden, so dass ihre Längserstreckungsrichtung beim Stapeln im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Zellmodul, welches mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines seiner Ausgestaltungen hergestellt wurde. Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Zellmodul.
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Auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Zellmodul soll als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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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.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Rundzelle für ein Zellmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Anbringen eines Isolierbands zwischen Rundzellen während eines Stapelprozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung des Abrollens des Isolierbands und des Aufbringens eines Klebstoffs als ein Verfahrensschritt eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung des Positionierens einer ersten Zellreihe relativ zum gemäß 3 bereitgestellten Isolierbandabschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung des Anformens des bereitgestellten Isolierbandabschnitts an die erste Zellreihe als weiterer Verfahrensschritt des Verfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 6 eine schematische Darstellung des Stapelns von Zellreihen mit daran angeordneten Isolierbandabschnitten als weiterer Verfahrensschritt gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Rundzelle 10 für ein Zellmodul 12 (vergleiche zum Beispiel 2) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine solche als Rundzelle 10 ausgebildete Batteriezelle weist eine Längserstreckungsrichtung L auf und ist in ihrer Längserstreckungsrichtung L beidseitig durch jeweilige Stirnseiten 14 begrenzt. Die jeweiligen Zellpole können dabei an diesen Stirnseiten 14 bereitgestellt sein. Beispielsweise kann eine der Stirnseiten 14 einen positiven Pol 16 (vergleiche 2) zugeordnet sein, und die gegenüberliegende Stirnseite 14 einem negativen Pol, der vorliegend nicht dargestellt ist. Weiterhin weist eine solche Rundzelle 10 eine die Stirnseiten 14 miteinander verbindende Mantelfläche 18 auf. Diese Mantelfläche 18 stellt einen Zellbecher bereit beziehungsweise ist zumindest ein Teil davon, der zum Beispiel zusammen mit einer der Stirnseiten 14 gebildet sein kann. Dieser Zellbecher liegt typischerweise auf einem Potenzial, oftmals dem negativen Zellpotenzial. Dabei müssen Batteriezellen 10, die sich relativ zueinander in einer elektrischen Serienschaltung befinden, voneinander elektrisch isoliert sein. Eine solche elektrische Isolierung lässt sich durch die Erfindung und ihre Ausführungsformen auf besonders einfache, effiziente und vorteilhafte Weise bereitstellen, wie dies nun nachfolgend näher erläutert wird.
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2 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Einbringen einer solchen Isolierung, die in Form eines Isolierbands 20 bereitgestellt wird. Dieses Isolierband 20 gliedert sich in mehrere sich aneinander anschließende einzelne Isolierbandabschnitte 20a, 20b, 20c, die in 2 schematisch durch eine gestrichelte Linie voneinander getrennt dargestellt sind. Diese Isolierbandabschnitte 20a, 20b, 20c werden dabei während des Stapelprozesses der Batteriezellen 10 zwischen jeweiligen Zellreihen 22a, 22b, 22c eingebracht. Dies stellt gegenüber einem nachträglichen Einbringen eine enorme Erleichterung dar. Eine jeweilige Zellreihe 22a, 22b, 22c weist dabei mehrere Batteriezellen 10 auf, die in einer Erstreckungsrichtung R nebeneinander angeordnet sind. Die Erstreckungsrichtung R einer jeweiligen Zellreihe 22a, 22b, 22c ist dabei senkrecht zur jeweiligen Längserstreckungsrichtung L einer jeweiligen Batteriezelle 10 orientiert. 2 zeigt also schematisch eine Draufsicht auf die jeweiligen Stirnseiten 14 der Batteriezellen 10 der letztendlich resultierenden Zellanordnung beziehungsweise des resultierenden Zellmoduls 12. Der Verfahrensablauf kann nun wie folgt sein: Zuerst wird eine erste Zellreihe 22a mit mehreren Batteriezellen 10 bereitgestellt und zum Beispiel auf einem hier nicht dargestellten Träger angeordnet. Anschließend wird der erste Isolierbandabschnitt 20a auf eine erste Seite dieser Zellreihe 22a in Erstreckungsrichtung R der Zellreihe 22a angeordnet, insbesondere über die gesamte Länge dieser Zellreihe 22a. Zuvor kann der Isolierbandabschnitt 20a mit einem Klebstoff 24, zum Beispiel mittels einer Klebstoffapplikationseinrichtung 26 versehen worden sein. Eine solche Klebstoffapplikation 24 kann dabei einseitig oder beidseitig auf dem Isolierband 20 erfolgen. Nachdem der erste Isolierbandabschnitt 20a auf der ersten Zellreihe 22a angeordnet worden ist, wird die zweite Zellreihe 22b relativ zur ersten Zellreihe 22a positioniert, sodass sich der erste Isolierbandabschnitt 20a zwischen der ersten und zweiten Zellreihe 22a, 22b befindet. Anschließend wird der zweite Isolierbandabschnitt 20b auf die zweite Zellreihe 22b aufgebracht, insbesondere auf einer dem ersten Isolierbandabschnitt 22a gegenüberliegenden Seite der zweiten Zellreihe 22b. Zuvor können der erste und zweite Isolierbandabschnitt 20a, 20b durchtrennt worden sein oder auch nicht. Eine Durchtrennung kann zum Beispiel mittels einer Schneideeinheit bzw. Schneideinrichtung 28 erfolgen. Anschließend wird die dritte Zellreihe 22c relativ zur zweiten Zellreihe 22b positioniert, sodass sich der zweite Isolierbandabschnitt 20b zwischen der zweiten Zellreihe 22b und der dritten Zellreihe 22c befindet. Anschließend wird der dritte Isolierbandabschnitt 20c auf der dem zweiten Isolierbandabschnitt 20b gegenüberliegenden Seite der dritten Zellreihe 22c angeordnet. Anschließend wird eine vierte Zellreihe 22d relativ zur dritten Zellreihe 22c angeordnet, sodass sich der dritte Isolierbandabschnitt 20c zwischen der vierten Zellreihe 22d und der dritten Zellreihe 22c befindet. Dieses Anordnen der vierten Zellreihe 22d ist in 2 durch die Pfeile 30 veranschaulicht.
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Diese Vorgehensweise kann beliebig fortgesetzt werden, insbesondere mit weiteren Zellreihen und Isolierbandabschnitten, bis die gewünschte Zellmodulgröße erreicht ist. Das Stapeln der Zellen 10, wie beschrieben, kann dabei in liegender Form stattfinden. Dies bedeutet, dass in diesem Fall die Schwerkraft entgegen der in 2 dargestellten y-Richtung gerichtet ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der oben genannte Träger zum Beispiel entgegen der y-Richtung unterhalb der ersten Zellreihe 22a angeordnet ist. Ein weiterer Träger kann auch in z-Richtung unterhalb der Batteriezellen angeordnet sein, mit jeweiligen Aufnahmebereichen zur Aufnahme der Zellen 10. Das Stapeln der Batteriezellen 10 kann aber auch in stehender Form erfolgen, sodass die Gewichtskraft entgegen der hier dargestellten z-Richtung gerichtet ist. In dem Fall ist ein unterhalb der Zellen 10 entgegen der dargestellten z-Richtung positionierter Träger ausreichend.
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Bei dem optional applizierten Klebstoff 24 kann es sich um einen aushärtbaren Klebstoff oder alternativ auch um eine nicht klebende aushärtbare Substanz handeln. Dies hat den großen Vorteil, dass durch das Aushärten eine Versteifung des Isolierbands 20 erfolgt. Dies trägt zur zusätzlichen Stabilität des Zellmoduls 12 bei.
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Eine weitere Variante des Stapelverfahrens wird nun anhand von 3 bis 6 beschrieben. Hierbei wird zunächst wieder das Isolierband 20, zum Beispiel auf einer Rolle, bereitgestellt, wie dies in 3 schematisch dargestellt ist. Auch dieses kann optional wiederum mit einem Klebstoff 24 oder einer aushärtbaren Substanz einseitig oder beidseitig versehen werden. Von diesem Isolierband 20 kann ein erster Isolierbandabschnitt 22a abgeschnitten und wie in 4 bereitgestellt werden. Es wird also zunächst die erste Trennebene in Form des ersten Isolierbandabschnitts 22a abgerollt. Das Abrollen kann dabei mit einem Klebstoffauftrag, wie in 3 dargestellt, einhergehen, oder das Isolierband 20 kann selbst anhaftend ausgestaltet sein, beispielsweise wie ein Klebeband.
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Weiterhin werden die Zellen 10 der ersten Zellreihe gegenüber dem ersten Isolierbandabschnitt 20a positioniert. Dieses Positionieren kann zum Beispiel mittels einer Haltevorrichtung 32 erfolgen. Diese kann zum Beispiel als Greifer und/oder Sauger ausgebildet sein. Auf der der ersten Zellreihe 22a gegenüberliegenden Seite des ersten Isolierbandabschnitts 20a ist zudem eine Gegenhaltereinrichtung 34 angeordnet. Die Haltevorrichtung 32 kann die erste Zellreihe 22a nun in Richtung dieser Gegenhaltereinrichtung 34 gegen den ersten Isolierbandabschnitt 20a drücken, wobei der erste Isolierbandabschnitt 20a dann entsprechend durch die Gegenhaltereinrichtung 34, zumindest partiell, abgestützt wird, wodurch sich der erste Isolierbandabschnitt 20a an die erste Zellreihe 22a anformt, wie dies in 5 veranschaulicht ist. Die Gegenhaltereinrichtung 34 kann zum Beispiel Pins umfassen. Das Bewegen der ersten Zellreihe 22a in Richtung der Gegenhaltereinrichtung 34 ist dabei durch die Pfeile 36 veranschaulicht. Alternativ könnte aber auch die Gegenhaltereinrichtung 34 in Richtung der ersten Zellreihe 22a bewegt werden, um so das Anformen zu bewirken. Hier ist es zudem sehr vorteilhaft, wenn der erste Isolierbandabschnitt 20a oder das Isolierband 20 im Allgemeinen klebend ausgeführt oder mit einem Klebstoff 24 versehen ist, insbesondere auf der der ersten Zellreihe 22a zugewandt Seite, da somit auch nach Entfernen der Gegenhaltereinrichtung 34 ein Anhaften des ersten Isolierbandabschnitts 20a an der ersten Zellreihe 22a gewährleistet wird. Zudem ist es bei dieser vorteilhafterweise vorteilhaft, die einzelnen Isolierbandabschnitte 20a voneinander zu separieren. Auf diese Weise wird also eine Zellreihenanordnung, insbesondere eine erste Zellreihenanordnung 38a, bereitgestellt, die die Kombination aus Zellreihe 22a und erstem Isolierbandabschnitt 20a darstellt. Ganz analog kann für weitere Zellreihen vorgegangen werden, und diese können nach und nach aufeinandergestapelt werden, wie dies in 6 schematisch illustriert ist. Hierzu kann zunächst eine zweite Zellreihe 22b bereitgestellt und zum Beispiel wieder auf einem Träger positioniert werden. Anschließend wird auf dieser zweiten Zellreihe 22b die erste Zellreihenanordnung 38a angeordnet. Weiterhin kann auch eine dritte Zellreihenanordnung 38c, umfassend eine dritte Zellreihe 22c und einen daran angeordneten dritten Isolierbandabschnitt 20c, an der ersten Zellreihenanordnung 38a angeordnet werden. Die dritte Zellreihenanordnung 38c kann wie zur ersten Zellreihenanordnung 38a zuvor beschrieben bereitgestellt worden sein. Insbesondere können so vielzählige weitere Zellreihenanordnungen zueinander positioniert werden. Die einzelnen Zellreihen 22a, 22b, 22c sind entsprechend dann ebenfalls durch jeweilige Isolierbandabschnitte 20a, 20b, 20c voneinander separiert.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Einbringen einer Trennebene während des Stapelprozesses von Zellen bereitgestellt werden kann, was es erlaubt, Rundzellen auf besonders einfache, effiziente und kostengünstige Weise voneinander zu isolieren und die Isolierung beispielsweise auf solche Zellen zu beschränken, die zueinander in Serie geschaltet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225175 A1 [0003]
- DE 102016225184 A1 [0004]
