DE102021207410A1 - Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls und Batteriemodul - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit einer Mehrzahl an prismatisch ausgebildeten Batteriezellen (2, 20), welche in einer Längsrichtung (4) des Batteriemoduls (1) nebeneinander angeordnet werden und insbesondere zudem miteinander verspannt werden, wobei die Mehrzahl an Batteriezellen (2) weiterhin in einem Innenraum (30) eines Gehäuses (3) des Batteriemoduls (1) aufgenommen wird, wobei die Mehrzahl an Batteriezellen (2, 20) in dem Gehäuse (3) vor einem Erhärten eines Klebstoffs, welcher jeweils zwischen einer Bodenfläche (31) des Gehäuse (3) des Batteriemoduls (1) und einer Bodenfläche (21) der Batteriezellen (2) angeordnet wird, positioniert wird, und insbesondere bis zu einem Erhärten des Klebstoffs fixiert wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Batteriemodul hergestellt nach einem solchen.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein Batteriemodul eine Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen aufweist, welche jeweils einen positiven Spannungsabgriff und einen negativen Spannungsabgriff aufweisen, wobei zu einer elektrisch leitenden seriellen und/oder parallelen Verbindung der Mehrzahl an Batteriezellen untereinander die jeweiligen Spannungsabgriffe elektrisch leitend miteinander verbunden werden und somit zu dem Batteriemodul zusammengeschaltet werden können. Batteriemodule ihrerseits werden ferner zu Batterien bzw. zu gesamten Batteriesystemen zusammengeschaltet.
  • Insbesondere Lithium-lonen-Batteriezellen oder Li-Polymer-Batteriezellen erwärmen sich bedingt durch chemische Wandlungsprozesse in ihrem Inneren vor allem bei der schnellen Energieabgabe bzw. -aufnahme in Batteriesystemen. Je leistungsfähiger das Batteriesystem ist, desto größer ist auch seine Erwärmung und damit einhergehend ein effizientes aktives Thermomanagementsystem notwendig.
  • Die Temperierung ist überwiegend als eine Flüssigkeitstemperierung bspw. mit einem Wasser/Glykol-Gemisch ausgebildet. Das Temperierfluid wird z.B. durch Kanäle eines unterhalb der Batteriezellen angeordneten Kühlelements geleitet. Diese Kühlelemente sind zudem an einen Kühlkreislauf angeschlossen.
  • Aus dem Stand der Technik ist dabei zudem bekannt, die Batteriezellen über deren Zellboden zu entwärmen, wobei der Wärmestrom durch den Boden des Zellgehäuses und eine Kühlplatte in das Kühlmedium gelangt. Die thermische Kontaktierung des Zellbodens zum Kühlelement wird mittels eines sogenannten thermischen Ausgleichsmaterials (zu Englisch thermal interface material auch bekannt als TIM) realisiert, was z.B. ein thermisch leitfähiger Klebstoff, ein sogenannter Gap-Filler oder ein sogenanntes Gap-Pad sein kann.
  • Stand der Technik sind hierzu bspw. EP 2 324 526 A1 , EP 2 360 768 A1 oder US 2014/266 066 .
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass insgesamt eine zuverlässige Herstellung eines Batteriemoduls zur Verfügung gestellt wird, wobei insbesondere eine zuverlässige Positionierung einer Mehrzahl an Batteriezellen über deren Lebensdauer ausgebildet wird. Insbesondere kann die Mehrzahl an Batteriezellen während der Herstellung solange zuverlässig positioniert und fixiert werden, bis ein Klebstoff zur stoffschlüssigen Verbindung erhärtet ist.
  • Dazu wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit einer Mehrzahl an prismatisch ausgebildeten Batteriezellen, welche insbesondere als Lithium-lonen-Batteriezellen ausgebildet sind, zur Verfügung gestellt. Dabei werden die Batteriezellen in einer Längsrichtung des Batteriemoduls nebeneinander angeordnet. Zudem werden die Batteriezellen insbesondere miteinander verspannt. Weiterhin wird die Mehrzahl an Batteriezellen in einem Innenraum eines Gehäuses des Batteriemoduls aufgenommen. Vor einem Erhärten eines Klebstoffs, welcher jeweils zwischen einer Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und einer Bodenfläche der Batteriezellen angeordnet wird, wird die Mehrzahl an Batteriezellen in dem Gehäuse positioniert. Insbesondere wird die Mehrzahl an Batteriezellen dabei in dem Gehäuse bis zu einem Erhärten des Klebstoffs fixiert. Bevorzugt umfasst der Klebstoff thermisch leitfähig ausgebildete Zusatzstoffe.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass prismatisch ausgebildete Batteriezellen jeweils ein Batteriezellengehäuse mit insgesamt sechs Seitenflächen umfassen, welche paarweise einander gegenüberliegend und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Weiterhin sind benachbart zueinander angeordnete Seitenflächen rechtwinklig zueinander angeordnet. In einem Inneren des Batteriezellengehäuses sind die elektrochemischen Komponenten der jeweiligen Batteriezelle aufgenommen. Üblicherweise sind an einer als Deckelfläche bezeichneten oberen Seitenfläche zwei Spannungsabgriffe, wie insbesondere ein positiver Spannungsabgriff und ein negativer Spannungsabgriff, angeordnet. Die der oberen Seitenfläche gegenüberliegend angeordnete untere Seitenflächen ist als Bodenfläche bezeichnet.
  • Bei einer Anordnung der Batteriezellen in einer Längsrichtung des Batteriemoduls nebeneinander sind die Batteriezellen mit ihren jeweils größten Seitenflächen, welche jeweils insbesondere rechtwinklig zu der oberen Seitenfläche und der unteren Seitenfläche angeordnet sind, benachbart zueinander angeordnet. An dieser Stelle sei bemerkt, dass die Längsrichtung des Batteriemoduls in diesem Fall demnach senkrecht zu den größten Seitenflächen der Batteriezellen angeordnet ist.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass zu einer Ausbildung einer geklebt ausgebildeten stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und der Bodenfläche der Batteriezellen mittels eines Klebstoffs entweder bevorzugt zunächst der Klebstoff in das Gehäuse des Batteriemoduls bzw. auf die Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls dispenst werden kann und/oder auch der Klebstoff auf die jeweilige Batteriezelle dispenst werden kann. Die geklebt ausgebildete stoffschlüssige Verbindung dient hierbei einerseits einer Verbesserung der Wärmeleitung zwischen der Bodenfläche der Batteriezelle und der Bodenfläche des Gehäuses und andererseits einem mechanischen Lastabtrag.
  • Weiterhin sei bemerkt, dass ein Positionieren grundsätzlich insbesondere ein Verschieben und/oder Verdrehen der Mehrzahl an Batteriezellen auf dem Klebstoff bzw. der Bodenfläche des Gehäuses umfasst.
  • Es ist zweckmäßig, wenn in der Längsrichtung des Batteriemoduls zwischen dem Gehäuse und der Mehrzahl an Batteriezellen ein Verpresselement angeordnet wird. Dabei verjüngt sich das Verpresselement senkrecht zu der Längsrichtung des Batteriemoduls in Richtung der Bodenfläche des Gehäuses. Insbesondere ist es dabei weiterhin zweckmäßig, wenn das Verpresselement zwei Anlageflächen aufweist. Eine erste der beiden Anlageflächen wird dabei insbesondere mechanisch kontaktierend mit dem Gehäuse des Batteriemoduls angeordnet und eine zweite der beiden Anlageflächen wird dabei insbesondere mechanisch kontaktierend mit einer endständig angeordneten Batteriezelle der Mehrzahl an Batteriezellen oder einer nachfolgend noch beschriebenen Endplatte angeordnet. Die zwei Anlageflächen sind dabei unter einem Winkel von mindestens vier Grad zueinander angeordnet. Die Anlageflächen werden dabei weiterhin insbesondere in einer solchen Dimensionierung ausgeführt, dass eine thermische Entkopplung zwischen dem Gehäuse und der Mehrzahl an Batteriezellen gewährleistet ist. Insbesondere sind die Anlageflächen dabei in einer solchen Größe auszuführen, dass zu Beginn der Lebenszeit eine sichere Anlage und Positionierung der Mehrzahl an Batteriezellen in dem Gehäuse des Batteriemoduls bis zu einer Aushärtung des thermisch leitfähig ausgebildeten Klebstoffes erreicht ist, und dass zum Ende der Lebenszeit auftretende Schwellkräfte der Mehrzahl an Batteriezellen sicher an das Gehäuse des Batteriemoduls übertragen werden können, ohne dass das Verpresselement selbst mechanisch geschädigt wird. Weiterhin dient das Verpresselement dazu, sowohl Toleranzen des Gehäuses als auch der Mehrzahl an Batteriezellen auszugleichen. Um dies sicherzustellen, wird das Verpresselement in der Höhenrichtung des Batteriemoduls in Richtung der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls eingeführt, insbesondere bis eine definierte Verpressung der Mehrzahl an Batteriezellen ausgebildet ist. Insbesondere dient das Verpresselement unter anderem auch dazu, die Mehrzahl an Batteriezellen auszurichten bzw. zu positionieren und auch über deren Lebensdauer in der gewünschten Position zu halten.
  • Von Vorteil ist es, wenn das Verpresselement formschlüssig in einer Aufnahme des Gehäuses des Batteriemoduls aufgenommen wird. Hierdurch ist eine zuverlässige Befestigung des Verpresselements ausbildbar. Insbesondere bildet die Aufnahme einen Winkel von mindestens vier Grad zu einer senkrecht zur Längsrichtung angeordneten Höhenrichtung des Batteriemoduls aus. Hierdurch kann die Aufnahme des Verpresselements vereinfacht werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Aufnahme eine weitere Anlagefläche ausbildet, an welcher insbesondere die erste der beiden Anlagenflächen des Verpresselements mechanisch kontaktierend angeordnet wird. Insbesondere bildet eben diese Anlagefläche den Winkel von mindestens vier Grad zu der senkrecht zur Längsrichtung angeordneten Höhenrichtung des Batteriemoduls aus. Besonders bevorzugt wird das Verpresselement linienförmig kontaktierend mit dem Gehäuse bzw. der Aufnahme des Gehäuses angeordnet. Die Aufnahme kann hierbei bspw. als Führungsnut ausgebildet sein. Hierdurch kann insgesamt bevorzugt eine minimale Anlagefläche ausgebildet werden, wodurch ein Einführen des Verpresselements mit einer vergleichbar geringen Kraft ausgebildet werden kann. Insbesondere könnte das Verpresselement bspw. sogar alleine durch die Schwerkraft angeordnet werden.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Gehäuse des Batteriemoduls bevorzugt als Druckgussbauteil ausgeführt ist, bspw. aus einem metallischen Werkstoff.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in der Längsrichtung des Batteriemoduls gegenüberliegend zu dem Verpresselement ein Abstützelement angeordnet. Das Abstützelement wird dabei zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnet. Insbesondere wird das Abstützelement zwischen dem Gehäuse und einer endständig angeordneten Batteriezelle der Mehrzahl an Batteriezellen oder einer nachfolgend noch beschriebenen Endplatte angeordnet.
  • Bevorzugt weist das Abstützelement eine Öffnung und Anlageflächen auf. Insbesondere weist das Abstützelement erste Anlageflächen auf, welche ausgebildet sind, das Gehäuse des Batteriemoduls mechanisch zu kontaktieren und zweite Anlageflächen, welche ausgebildet sind, eine endständig angeordnete Batteriezelle der Mehrzahl an Batteriezellen oder eine nachfolgend noch beschriebene Endplatte mechanisch zu kontaktieren. Durch die Ausbildung mit einer Öffnung können vergleichbar kleine Kontaktflächen zu einer mechanischen Kontaktierung zwischen der endständig angeordneten Batteriezelle bzw. der noch zu beschreibenden Endplatte und dem Gehäuse ausgebildet werden, wodurch eine thermische Entkopplung gewährleistet ist. Insbesondere sind die Anlageflächen dabei in einer solchen Größe auszuführen, dass zu Beginn der Lebenszeit eine sichere Anlage und Positionierung der Mehrzahl an Batteriezellen in dem Gehäuse des Batteriemoduls bis zu einer Aushärtung des thermisch leitfähig ausgebildeten Klebstoffes erreicht ist, und dass zum Ende der Lebenszeit auftretende Schwellkräfte der Mehrzahl an Batteriezellen sicher an das Gehäuse des Batteriemoduls übertragen werden können, ohne dass das Abstützelement selbst mechanisch geschädigt wird. Besonders bevorzugt ist das Abstützelement aus einem polymeren Werkstoff, wie beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil, ausgeführt.
  • An dieser Stelle sei zudem angemerkt, dass das Abstützelement in der Art ausgeführt ist, dass Toleranzen zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und der Mehrzahl an Batteriezellen zuverlässig ausgeglichen werden können.
  • Besonders zweckmäßig ist es, wenn zwei Verpresselemente angeordnet werden. Die zwei Verpresselemente werden dabei am selben Ende der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnet. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass ein noch besserer Ausgleich möglich ist, wobei die zwei Verpresselemente insbesondere unabhängig voneinander und jeweils eigenständig zuverlässig angeordnet werden können. Beispielsweise können die zwei Verpresselemente unterschiedlich weit eingeführt werden. Zudem können hierdurch auftretende Schwellkräfte der Batteriezellen gleichmäßig über die zwei Verpresselemente an das Gehäuse des Batteriemoduls übertragen werden, wodurch einseitig unterschiedlich auftretende Reaktionskräfte vermieden werden.
  • Ferner ist es auch zweckmäßig, wenn das Gehäuse des Batteriemoduls unmittelbar benachbart zu der Bodenfläche der Batteriezellen ein Temperierelement umfasst. Insbesondere wird dieses Temperierelement als von Temperierfluid durchströmbarer Temperierraum ausgebildet. Beispielsweise kann das Gehäuse des Batteriemoduls hierzu einen integrierten Temperierraum aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Mehrzahl an Batteriezellen insbesondere mittels eines thermisch leitfähig ausgebildeten Klebstoffs wärmeleitend an die Bodenfläche des Gehäuses angebunden, wodurch Wärme von der Bodenfläche der jeweiligen Batteriezelle auf das Temperierelement übertragen werden kann. Der thermisch leitfähig ausgebildete Klebstoff dient also zu einer thermischen Kontaktierung zwischen dem Temperierelement und der Mehrzahl an Batteriezellen.
  • Bevorzugt wird die Mehrzahl an Batteriezellen zwischen zwei Endplatten angeordnet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die in der Längsrichtung des Batteriemoduls gegenüberliegend angeordneten endständig angeordneten Batteriezellen jeweils benachbart zu einer der zwei Endplatten angeordnet werden. Die zwei Endplatten werden mittels zumindest einem Spannelement miteinander verspannt. Insbesondere ist das Spannelement als ein Spannband ausgebildet. Das zumindest eine Spannelement wird dabei bevorzugt stoffschlüssig mit den Endplatten verbunden. Beispielsweise kann diese Verbindung bevorzugt geschweißt ausgebildet werden. Besonders bevorzugt umfasst das Batteriemodul zwei Spannelemente, welche bevorzugt jeweils als Spannband ausgebildet sind und/oder welche gegenüberliegend an der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnet werden, wobei ein erstes Ende des jeweiligen Spannelements jeweils mit einer ersten der beiden Endplatten verbunden wird und ein zweites Ende des jeweiligen Spannelements jeweils mit einer zweiten der beiden Endplatten verbunden wird. Diese Verbindungen werden dabei bevorzugt stoffschlüssig wie insbesondere geschweißt ausgebildet. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem zumindest einen Spannelement und den Endplatten kann vorteilhafterweiße vergleichbar hohe Kräfte übertragen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass aufgrund der mittels des Spannelements ausgebildeten Vorspannung bzw. Vorpressung der Mehrzahl an Batteriezellen zu Beginn der Lebensdauer eine vergleichbar geringe initiale Vorspannkraft durch das Verpresselement auszubilden ist.
  • Besonders bevorzugt wird zwischen einer Seitenfläche einer Batteriezelle und dem Spannelement ein Klebstoff angeordnet. Dabei kann der Klebstoff weiterhin thermisch leitfähig ausgebildete Zusatzstoffe aufweisen. Besonders bevorzugt ist es also, wenn der Klebstoff als thermisch leitfähiger Klebstoff ausgebildet wird. Insbesondere kann dieser als gleicher Klebstoff ausgewählt sein, wie der Klebstoff, der eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und der Bodenfläche der Batteriezelle ausbildet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Seitenfläche der Batteriezelle dabei jeweils senkrecht zu den größten Seitenflächen der Batteriezelle angeordnet ist. Zur Herstellung kann der Klebstoff dabei zunächst entweder auf die jeweilige Seitenfläche der Batteriezelle oder auch auf das Spannelement aufgebracht werden. Die geklebt ausgebildete Verbindung zwischen einer Seitenfläche einer Batteriezelle und dem Spannelement bildet vorteilhaft einen sekundären mechanischen Lastpfad aus, wodurch insgesamt die Klebeverbindung zwischen der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und der Bodenfläche einer Batteriezelle geringere Belastungen während des Betriebs des Batteriemoduls erfährt.
  • Vorteilhafterweiße wird das Abstützelement formschlüssig oder stoffschlüssig mit einer Endplatte oder dem Gehäuse verbunden. Dies ermöglicht eine vergleichbar einfache Herstellung des Batteriemoduls.
  • Besonders bevorzugt wird das Verpresselement und/oder das Abstützelement aus einem polymeren Werkstoff, wie beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil, ausgeführt.
  • Zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen wird bevorzugt jeweils ein Abstandselement angeordnet. Insbesondere wird das solche Abstandselement demnach benachbart zu den jeweils größten Seitenflächen der Batteriezellen angeordnet, zwischen denen das Abstandselement angeordnet wird. Solche Abstandselemente können insbesondere einen direkten Kontakt der jeweils benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen verhindern und bilden somit einen definierten Abstand zwischen den solchen Batteriezellen aus. Hierdurch kann eine thermische Isolierung und/oder elektrische Isolierung ausgebildet werden.
  • Insgesamt bietet eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Batteriemoduls den Vorteil, dass das Verpresselement, insbesondere dessen zwei Anlageflächen, an dem Gehäuse und der Mehrzahl an Batteriezellen bzw. der jeweiligen Endplatte mechanisch kontaktierend anliegt und dass gegenüberliegend das Abstützelement, insbesondere dessen zwei Anlageflächen, an dem Gehäuse und der Mehrzahl an Batteriezellen bzw. der jeweiligen Endplatte mechanisch kontaktierend anliegt, wodurch eine Positionierung und Fixierung der Mehrzahl an Batteriezellen in dem Gehäuse sowohl zu Beginn der Lebensdauer (zu Englisch beginn of life oder kurz BoL) als auch zum Ende der Lebensdauer (zu Englisch end of life oder kurz EoL) sichergestellt wird.
  • Über einen sogenannten primären mechanischen Lastpfad am Boden des Gehäuses des Batteriemoduls wird während des Betriebes eine mechanische Last von der Mehrzahl an Batteriezellen über die stoffschlüssige Verbindung an die Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls übertragen. Eine solche mechanische Last kann insbesondere während des Betriebes sowohl zu Beginn der Lebensdauer als auch zum Ende der Lebensdauer auftretende Schwellkräfte der Batteriezellen umfassen. Die Kräfte sind hierbei an den endständig angeordneten Batteriezellen am größten.
  • Über einen sogenannten sekundären mechanischen Lastpfad wird während des Betriebes eine mechanische Last von der Mehrzahl an Batteriezellen über die geklebt ausgebildete stoffschlüssige Verbindung an das Spannelement übertragen. Auch eine solche mechanische Last kann insbesondere während des Betriebes sowohl zu Beginn der Lebensdauer als auch zum Ende der Lebensdauer auftretende Schwellkräfte der Batteriezellen umfassen. Die Kräfte sind hierbei an den endständig angeordneten Batteriezellen am größten.
  • Insbesondere üben das Verpresselement und das Abstützelement zu Beginn der Lebensdauer vergleichbar geringe Vorspannkräfte auf die Mehrzahl an Batteriezellen aus. Während des Betriebes des Batteriemoduls steigen die Schwellkräfte der Batteriezellen vom Beginn der Lebensdauer zum Ende der Lebensdauer vergleichbar stark an und beanspruchen somit den primären mechanischen Lastpfad und den sekundären mechanischen Lastpfad stärker als zu Beginn der Lebensdauer. Insbesondere die Spannungen innerhalb der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den endständig angeordneten Batteriezellen und dem Gehäuse erhöhen sich vergleichbar stark. Um auftretende Spannungen innerhalb der stoffschlüssigen Verbindung, wie insbesondere innerhalb der geklebt ausgebildeten Verbindung, zwischen der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und der Bodenfläche der Batteriezellen sowie zwischen dem Spannelement und den Seitenflächen der Batteriezellen zu reduzieren und dadurch zu begrenzen, stützen sich das Verpresselement und das Abstützelement an dem Gehäuse ab. Hierdurch wird insgesamt die mechanische Belastung innerhalb der stoffschlüssigen Verbindung insbesondere zum Ende der Lebensdauer reduziert und ein Versagen der solchen verhindert, wodurch insgesamt die Sicherheit des Batteriemoduls erhöht werden kann. Zudem kann bevorzugt die Gefahr, dass aufgrund eines Versagens der stoffschlüssigen Verbindung eine ausreichende Temperierung der Batteriezellen nicht mehr zur Verfügung gestellt werden, deutlich reduziert werden. Weiterhin können dadurch die Eigenschaften des Klebstoffes, wie beispielsweise dessen Festigkeit bis zur Bruchdehnung, in einem vergleichbar größeren Bereich ausgewählt werden. Beispielsweise könnte ein thermisch leitfähig ausgebildeter Klebstoff mit geringeren Festigkeitswerten und einer besseren Wärmeleitfähigkeit ausgewählt werden.
  • Insbesondere wird das Verpresselement in der Art mechanisch kontaktierend mit dem Gehäuse angeordnet, dass stets ein Abstand zwischen dem Gehäuse und der Endplatte bzw. der endständigen Batteriezelle ausgebildet ist. Hierdurch wird ein thermisch isolierend wirkender Luftspalt ausgebildet.
  • Insbesondere üben das Verpresselement und/oder das Abstützelement eine solche Kraft auf die Mehrzahl an Batteriezellen aus, sodass grundsätzlich eine Positionsänderung der Batteriezellen während der Herstellung des Batteriemoduls bei noch nicht erhärtetem Klebstoffs sicher unterbunden wird. Weiterhin könnte hierdurch das Erhärten des Klebstoffs auch zu einem gewünschten späteren Zeitpunkt während der Herstellung des Batteriemoduls erfolgen.
  • Ferner sei noch bemerkt, dass sowohl das Verpresselement als auch das Abstützelement auch aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein könnten, wodurch insbesondere noch höhere Kräfte übertragbar wären. Hierbei sollten eine thermische Isolierung und/oder elektrische Isolierung angebracht werden, um die Mehrzahl an Batteriezellen thermisch und/oder elektrisch gegenüber dem Gehäuse des Batteriemoduls zu isolieren.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Batteriemodul, welches nach einem eben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
  • Es ist zweckmäßig, wenn zur Positionierung die Mehrzahl an miteinander verspannten Batteriezellen insbesondere zusammen mit den zwischen benachbarten Batteriezellen angeordneten Abstandselementen, den zwei Endplatten und dem zumindest einen Spannelement als gesamte Einheit soweit auf der Bodenfläche des Gehäuses bzw. dem Klebstoff in Richtung des Abstützelements geschoben wird, bis dieses zur Anlage an dem Gehäuse kommt und auch bevor beispielsweise der thermisch leitfähig ausgebildete Klebstoff ausgehärtet ist. Mit anderen Worten ausgedrückt werden die genannten Elemente bzw. die gesamte Einheit auf dem Klebstoff verschoben. Anschließend wird das Verpresselement solange in das Batteriemodul eingeführt, bis eine definierte Verpressung ausgebildet ist. Insbesondere kann hierbei das Verpresselement beispielsweise schon am Zellstapel vorfixiert sein oder auch erst nach dem endgültigen Einfügen des Verpresselements fixiert werden. Durch die Anordnung des Verpresselements können hierbei Toleranzen bei der Anordnung der Mehrzahl an Batteriezellen und/oder des Gehäuses ausgeglichen werden.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • 1 in einer Explosionsdarstellung eine Mehrzahl an miteinander verspannten Batteriezellen,
    • 2 in einer perspektivischen Ansicht die Mehrzahl an miteinander verspannten Batteriezellen gemäß 1,
    • 3 in einer Schnittansicht von der Seite eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls,
    • 4 in einer Schnittansicht von oben die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls gemäß 3,
    • 5 eine Ausführungsform eines Abstützelements,
    • 6 eine Ausführungsform eines Verpresselements und
    • 7 eine Ausführungsform eines Gehäuses des Batteriemoduls.
  • Die 1 zeigt in einer Explosionsdarstellung eine Mehrzahl an miteinander verspannten Batteriezellen 2, welche jeweils als prismatisch ausgebildete Batteriezellen 20 ausgebildet sind. Insbesondere sind die Batteriezellen 2 weiterhin bevorzugt als Lithium-lonen-Batteriezellen 200 ausgebildet.
  • Die 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Mehrzahl an miteinander verspannten Batteriezellen 2 gemäß 1. Die 1 und 2 sollen daher im Folgenden gemeinsam beschrieben sein.
  • Die Batteriezellen 2 werden dabei in einer Längsrichtung 4 des Batteriemoduls 1 nebeneinander angeordnet. Zudem werden die Batteriezellen 2 miteinander verspannt.
  • Weiterhin ist zu erkennen, dass die Mehrzahl an Batteriezellen 2 zwischen zwei Endplatten 5 angeordnet wird. Die zwei Endplatten 5 und die Mehrzahl an Batteriezellen 2 werden dabei mit Spannelementen 6 miteinander verspannt. Insbesondere sind die Spannelemente 6 dabei jeweils als Spannband 60 ausgebildet. Insbesondere aus der 2 ist zu erkennen, dass das Spannelement 6 stoffschlüssig, wie insbesondere geschweißt mittels einer Schweißverbindung 7, mit den Endplatten 5 verbunden wird.
  • Zwischen dem Spannelement 6 und einer Seitenfläche 23 einer Batteriezelle 2 wird ein Klebstoff 8 angeordnet, der besonders bevorzugt thermisch leitfähig ausgebildete Zusatzstoffe aufweist.
  • Zudem wird zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen 2 jeweils ein Abstandselement 9 angeordnet. Auch zwischen einer Endplatte 5 und einer endständig angeordneten Batteriezelle 2 wird ein Abstandselement 9 angeordnet.
  • Die 3 zeigt in einer Schnittansicht von der Seite eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1.
  • Dabei ist zu erkennen, dass die Mehrzahl an Batteriezellen 2 in einem Innenraum 30 eines Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 aufgenommen wird.
  • Weiterhin werden eine Bodenfläche 31 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 und eine Bodenfläche 21 der Batteriezellen 2 jeweils stoffschlüssig miteinander verbunden. Insbesondere kann diese Verbindung mittels eines Klebstoffs 81 ausgebildet werden.
  • Dabei umfasst das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 unmittelbar benachbart zu den Bodenflächen 41 der Batteriezellen 2 ein Temperierelement 13.
  • In der Längsrichtung 4 des Batteriemoduls 1 wird zwischen dem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 und der Mehrzahl an Batteriezellen 2 ein Verpresselement 11 angeordnet. Das Verpresselement 11 verjüngt sich dabei senkrecht zu der Längsrichtung 4 des Batteriemoduls 1 in Richtung der Bodenfläche 31 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1. Insbesondere ist diese Verjüngung in einer Höhenrichtung 41, welche senkrecht zu der Längsrichtung 4 angeordnet ist, ausgebildet.
  • Weiterhin ist zu erkennen, dass in der Längsrichtung 4 des Batteriemoduls 1 gegenüberliegend zu dem Verpresselement 11 zwischen dem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 und der Mehrzahl an Batteriezellen 2 ein Abstützelement 12 angeordnet wird.
  • Weiterhin ist in der 3 der bereits beschriebene primäre mechanische Lastpfad zu erkennen, bei welchem am Boden des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 während des Betriebes eine mechanische Last von der Mehrzahl an Batteriezellen 2 über die stoffschlüssige Verbindung an die Bodenfläche 31 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 übertragen wird. Weiterhin wird eine Kraft über das Abstützelement 12 sowie das Verpresselement 11 auf das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 übertragen.
  • Zur Herstellung des Batteriemoduls 1 wird die Mehrzahl an Batteriezellen 2 zunächst positioniert. Insbesondere werden die Batteriezellen 2 hierzu in der Längsrichtung 4 in Richtung des Abstützelements 12 bzw. der linken Gehäusewand solange verschoben, bis insbesondere die Endplatte 5 an dem Abstützelement 12 zum Anliegen kommt und das Abstützelement 12 an der linken Gehäusewand zum Anliegen kommt. Anschließend wird das Verpresselement 11 solange in der Höhenrichtung 41 in Richtung der Bodenfläche 31 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls eingeführt, bis eine definierte Verpressung ausgebildet ist.
  • Die 4 zeigt in einer Schnittansicht von oben die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1 gemäß 3.
  • Aus der 4 ist zu erkennen, dass vorzugsweiße zwei Verpresselemente 11 angeordnet werden.
  • Weiterhin ist in der 4 der bereits beschriebene sekundäre mechanische Lastpfad zu erkennen, bei welchem während des Betriebes eine mechanische Last von der Mehrzahl an Batteriezellen 2 über die geklebt ausgebildete stoffschlüssige Verbindung an das Spannelement 6 übertragen wird. Weiterhin wird eine Kraft über das Abstützelement 12 sowie das Verpresselement 11 auf das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 übertragen.
  • Die 5 zeigt eine Ausführungsform eines Abstützelements 12.
  • Dabei ist in der linken Darstellung eine erste Ansicht mit Anlageflächen 121 zu erkennen, welche dazu ausgebildet sind, die Endplatten 5 mechanisch zu kontaktieren. Weiterhin ist in der rechten Darstellung eine zweite Ansicht mit Anlageflächen 122 zu erkennen, welche dazu ausgebildet sind, das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 mechanisch zu kontaktieren.
  • Weiterhin weist das Abstützelement 12 eine Öffnung 123 auf. Diese Öffnung 123 dient dazu, eine thermische Entkopplung zu gewährleisten.
  • Besonders bevorzugt wird ein solches Abstützelement 12 aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet.
  • Die 6 zeigt eine Ausführungsform eines Verpresselements 11.
  • Dabei ist in der linken Darstellung eine erste Ansicht mit einer ersten Anlagefläche 111 zu erkennen, welche dazu ausgebildet ist, die Endplatten 5 mechanisch zu kontaktieren. Weiterhin ist in der rechten Darstellung eine zweite Ansicht mit einer zweiten Anlagefläche 112 zu erkennen, welche dazu ausgebildet ist, das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 mechanisch zu kontaktieren. Insbesondere ist die zweite Anlagefläche 112 dabei als Linienkontakt ausgeführt.
  • Dabei ist zu erkennen, dass die erste Anlagefläche 111 und die zweite Anlagefläche 112 unter einem Winkel 113 zueinander angeordnet sind, wobei der Winkel insbesondere einen Wert von mindestens vier Grad aufweist.
  • Besonders bevorzugt wird ein solches Verpresselement 11 aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet.
  • Die 7 zeigt eine Ausführungsform eines Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1.
  • Dabei ist in der linken Darstellung diejenige Innenseite 151 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 gezeigt, an welcher das Abstützelement 12 angeordnet wird.
  • In der rechten Darstellung ist dabei diejenige Innenseite 152 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 gezeigt, an welcher das Verpresselement 11 angeordnet wird bzw. die Verpresselemente 11 angeordnet werden.
  • Dabei ist zu erkennen, dass das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 Aufnahmen 153 umfasst, in welcher jeweils ein Verpresselement 11 formschlüssig aufgenommen werden kann. Insbesondere sind die Aufnahmen 153 hierbei als Führungsnuten ausgebildet, in welchen bevorzugt der Linienkontakt des Verpresselements 11 aufgenommen werden kann. Zwischen der Aufnahme 153 und dem Verpresselement 11 ist also ein linienförmiger bzw. mit anderen Worten ein sehr schmaler Kontakt ausgeführt.
  • Weiterhin kann eine Aufnahme 153 auch einen Winkel 154 ausbilden, welcher zu einer senkrecht zu der Längsrichtung 4 des Batteriemoduls 1 angeordneten Höhenrichtung 41 des Batteriemoduls 1 ausgebildet ist und einen Wert von mindestens vier Grad aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2324526 A1 [0006]
    • EP 2360768 A1 [0006]
    • US 2014266066 [0006]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit einer Mehrzahl an prismatisch ausgebildeten Batteriezellen (2, 20), insbesondere Lithium-lonen-Batteriezellen (200), welche in einer Längsrichtung (4) des Batteriemoduls (1) nebeneinander angeordnet werden und insbesondere zudem miteinander verspannt werden, wobei die Mehrzahl an Batteriezellen (2) weiterhin in einem Innenraum (30) eines Gehäuses (3) des Batteriemoduls (1) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Batteriezellen (2, 20) in dem Gehäuse (3) vor einem Erhärten eines Klebstoffs, welcher jeweils zwischen einer Bodenfläche (31) des Gehäuse (3) des Batteriemoduls (1) und einer Bodenfläche (21) der Batteriezellen (2) angeordnet wird, positioniert wird, und insbesondere bis zu einem Erhärten des Klebstoffs fixiert wird.
  2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Längsrichtung (4) des Batteriemoduls (1) zwischen dem Gehäuse (3) und der Mehrzahl an Batteriezellen (2) ein Verpresselement (11) angeordnet wird, welches sich senkrecht zu der Längsrichtung (4) des Batteriemoduls (1) in Richtung der Bodenfläche (31) des Gehäuses (3) verjüngt und welches insbesondere zwei Anlageflächen (111, 112) aufweist, welche unter einem Winkel (113) von mindestens vier Grad zueinander angeordnet sind.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpresselement (11) formschlüssig in einer Aufnahme (153) des Gehäuses (3) des Batteriemoduls (1) aufgenommen wird, wobei die Aufnahme (153) insbesondere einen Winkel (154) von mindestens vier Grad zu einer senkrecht zu der Längsrichtung (4) angeordneten Höhenrichtung (41) des Batteriemoduls (1) ausbildet.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Längsrichtung (4) des Batteriemoduls (1) gegenüberliegend zu dem Verpresselement (11) zwischen dem Gehäuse (3) des Batteriemoduls (1) und der Mehrzahl an Batteriezellen (2) ein Abstützelement (12) angeordnet wird.
  5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement (12) eine Öffnung (123) und Anlageflächen (121, 122) umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verpresselemente (11) angeordnet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) unmittelbar benachbart zu den Bodenflächen (21) der Batteriezellen (2) ein Temperierelement (13) umfasst, welches insbesondere als von Temperierfluid durchströmbarer Temperierraum ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Batteriezellen (2) zwischen zwei Endplatten (5) angeordnet wird, welche mit zumindest einem Spannelement (6), insbesondere einem Spannband (60), miteinander verspannt werden, wobei das zumindest eine Spannelement (6) bevorzugt stoffschlüssig, wie insbesondere geschweißt, mit den Endplatten (5) verbunden wird.
  9. Batteriemodul nach dem vorhergehenden Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Seitenfläche (23) einer Batteriezelle (2) und dem Spannelement (6) ein Klebstoff (8) angeordnet wird, wobei insbesondere der Klebstoff (8) weiterhin thermisch leitfähig ausgebildete Zusatzstoffe aufweist.
  10. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement (12) formschlüssig oder stoffschlüssig mit einer Endplatte (5) oder dem Gehäuse (3) verbunden wird.
  11. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpresselement (11) und/oder das Abstützelement (12) aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet ist.
  12. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen (2) jeweils ein Abstandselement (9) angeordnet wird.
  13. Batteriemodul hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12.
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