DE102022103865A1

DE102022103865A1 - Elektrischer Energiespeicher, Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102022103865A1
Application number: DE102022103865.3A
Authority: DE
Inventors: Werner Seliger; Stephan Maier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2023-08-24
Also published as: WO2023156140A1; CN118661300A

Abstract

Elektrischer Energiespeicher, umfassend ein Gehäuse, in welchem ein Verbund von Energiespeicherzellen angeordnet ist, wobei das Gehäuse zumindest bereichsweise über eine Klebeverbindung an dem Verbund befestigt ist, und wobei die Klebeverbindung zumindest bereichsweise geschwächt oder lösbar ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers.
Elektrische Energiespeicher der in Rede stehenden Art sind beispielsweise Energiespeicher, wie sie in teil- oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen verwendet werden. Derartige Energiespeicher weisen, oftmals sehr große, Gehäuse auf, in welchen die Energiespeicherzellen untergebracht sind. Hierbei gibt es Varianten, bei welchen die Energiespeicher strukturelle Kräfte übertragen. Die im Speichergehäuse angeordneten Zellen sind dabei zum Beispiel stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden, insbesondere verklebt. Aus der EP 3 678 208 A1 ist eine derartige Anordnung bekannt. Neben einigen Vorteilen, welche derartige Konzepte bieten, erschwert das Verkleben der Zellen mit dem Gehäuse eine nachträgliche Analyse oder das Recyceln der Energiespeicher am Lebensende. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass die Gehäuse von den damit verklebten Energiespeicherzellen nicht oder kaum getrennt werden können. Ein einmal verklebter Speicher kann also nicht mehr ohne weiteres geöffnet werden. Somit ist ein Recyceln der Zellen oder ein Austausch von defekten Zellen bzw. eine Analyse im Schadensfall nicht oder nur unter hohem Aufwand möglich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Energiespeicher, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers anzugeben, welche geeignet sind, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 1, durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß umfasst ein elektrischer Energiespeicher ein Gehäuse, in welchem ein Verbund oder eine Anordnung von Energiespeicherzellen angeordnet ist, wobei das Gehäuse zumindest bereichsweise über eine Klebeverbindung an dem Verbund befestigt ist, und wobei die Klebeverbindung zumindest bereichsweise geschwächt oder lösbar ausgebildet ist. Mit Vorteil ist die Klebeverbindung so aufgebaut, hergestellt oder ausgelegt, dass sie, insbesondere nachträglich, bei Bedarf gelöst oder zerstört/aufgetrennt werden kann. Dies ermöglicht ein zerstörungsfreies Trennen der Energiespeicherzellen bzw. des Verbunds von dem umgebenden Gehäuse. Ein Austausch von als defekt erkannten Energiespeicherzellen ist damit beispielsweise problemlos möglich. Zudem ist das Recyceln eines derartigen elektrischen Energiespeichers deutlich vereinfacht, da ein Zerlegen in die Bestandteile trotz der stoffschlüssigen Klebeverbindung möglich ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Klebeverbindung eine erste Klebstoffschicht und eine zweite Klebstoffschicht, wobei zwischen der ersten Klebstoffschicht und der zweiten Klebstoffschicht eine Trennschicht angeordnet ist, sodass oder wodurch die Klebeverbindung geschwächt ist. Über das Einbringen, insbesondere Einbetten der Trennschicht in die Klebeverbindung kann diese zweckmäßigerweise gezielt geschwächt werden. Mit anderen Worten kann so eine Stelle oder ein Bereich geschaffen werden, welcher es ermöglicht, dass die Klebeverbindung wieder gelöst werden kann. Die vorgenannte Trennschicht kann dabei die erste und die zweite Klebstoffschicht vollständig trennen. Alternativ weist die Trennschicht auch mehrere Ausnehmungen und/oder Löcher auf, welche es ermöglichen, dass sich die beiden Klebstoffschichten treffen/berühren. Diese Bereiche stellen dann Bereiche dar, welche nicht geschwächt sind. Dies kann für die Auslegung des elektrischen Energiespeichers bzw. des Gehäuses zum Erreichen gewünschter Zielgrößen wichtig sein. Über die Ausgestaltung der Trennschicht kann so mit Vorteil sehr gezielt und bedarfsgerecht eine Klebeverbindung erzeugt werden, welche ganz oder zumindest bereichsweise geschwächt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Trennschicht derart ausgelegt, dass die Klebeverbindung bei einer Belastung auf Schälung gelöst werden kann. Gemäß einer Ausführungsform wird die Trennschicht so positioniert, dass die Klebeverbindung beim Öffnen des Gehäuses gelöst werden kann. Das Öffnen des Gehäuses stellt beispielweise einen Lastfall dar, welcher zu einem Lastfall, wie er im normalen Gebrauch des Fahrzeugs oder auch in einer Unfallsituation auftritt, unterschiedlich ist. In diesen beiden vorgenannten Fällen soll die Klebeverbindung möglichst so wirken, wie auch eine „normale“ Klebeverbindung wirken würde, welche nicht geschwächt oder lösbar ausgebildet ist. Eine bestmögliche Orientierung der eingebetteten Trennschicht ist einzelfallabhängig von der Geometrie des elektrischen Speichers zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die erste Klebstoffschicht am Gehäuse an, wobei die zweite Klebstoffschicht am Verbund anliegt. Hinsichtlich der verwendeten Werkstoffe gibt es für die Klebstoffschicht keine Einschränkungen. Es können 1K- und 2K-Klebstoffe, insbesondere Strukturklebstoffe, verwendet werden. Dabei können auch die erste Klebstoffschicht und die zweite Klebstoffschicht aus dem gleichen Klebstoffmaterial gebildet sein. Alternativ können unterschiedliche Klebstoffe/Werkstoffe verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse ein Gehäuseoberteil und ein Gehäuseunterteil, wobei das Gehäuseoberteil über die Klebeverbindung lösbar an einer Oberseite des Verbunds befestigt ist. Das Gehäuse ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Gehäuse aus einem metallischen Werkstoff, wie einem Stahl oder auch einem Leichtmetall, wie Aluminium. Auch Werkstoffkombinationen, umfassend Kunststoffe und/oder Verbundmaterialien sind möglich. So kann das vorgenannte Gehäuseoberteil auch aus einem Material hergestellt sein, welches zu einem Material des Gehäuseunterteils unterschiedlich ist. Die Befestigung des vorgenannten Gehäuseoberteils am Verbund erfolgt gemäß einer Ausführungsform flächig, insbesondere vollflächig, um eine gute Lastverteilung zu ermöglichen. Entsprechend ist die vorgenannte Trennschicht ebenfalls vollflächig ausgebildet und trennt die erste Klebstoffschicht und die zweite Klebstoffschicht vollständig. Wie bereits erwähnt, ist es allerdings auch möglich, die Trennschicht mit Löchern und/oder Ausnehmungen zu versehen. Ebenso ist es möglich, die Trennschicht in Form von nebeneinander angeordneten Bahnen oder Streifen auszubilden, welche zueinander beabstandet sind.
Als Trennschicht können metallische oder auch nicht metallische folienartige Materialien verwendet werden. Auch Trennschichten in Form von stoff- oder gewebeartigen Materialien können zielführend sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Verbund von Energiespeicherzellen mit einem Klebstoff oder einer Vergussmasse um- oder vergossen. Gemäß einer Ausführungsform bildet der vorgenannte Klebstoff oder die Vergussmasse die zweite Klebstoffschicht. Gemäß einer Ausführungsform ist auf dem Zellverguss unmittelbar die Trennschicht in Form einer Folie aufgebracht. Auf diese ist bereichsweise oder vollständig ein zweiter Kleber, die vorgenannte erste Klebstoffschicht, zum Befestigen des Gehäuses, wie beispielsweise des Gehäuseoberteils, aufgebracht. Beim Öffnen des Gehäuses kann entlang der schwächsten Verbindung, vorliegend im Bereich der Trennschicht, die Verklebung zwischen den verschiedenen Klebstoffschichten aufgetrennt werden, beispielsweise durch das Abschälen des Deckels.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Klebeverbindung, insbesondere thermisch, aktivierbare Bestandteile auf, wodurch der Stoffzusammenhalt der Klebeverbindung bei Bedarf gelöst werden kann. Beispielsweise kann über Induktion Energie/Wärme eingebracht werden, welche die vorgenannten Bestandteile aktiviert. Das Aktivieren ist dahingehend zu verstehen, dass der Stoffzusammenhalt der Klebeverbindung aufgelöst wird. Insbesondere wird die Kohäsion innerhalb der Klebeverbindung aufgelöst und diese damit geschwächt. Ein entsprechend befestigtes Gehäuseoberteil kann dann ebenfalls zerstörungsfrei entfernt werden. Eine wie vorgenannt gestaltete Klebeverbindung, umfassend aktivierbare Bestandteile, kann mit der Trennschicht oder mit einer Trennschicht kombiniert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Unterseite des Verbunds über die lösbare Klebeverbindung bzw. über eine lösbare Klebeverbindung an einem Gehäuseunterteil des Gehäuses befestigt. Die Befestigung kann mittelbar oder unmittelbar erfolgen. Mittelbar bedeutet, dass gemäß einer Ausführungsform der Verbund auf einer Stützstruktur angeordnet ist, welche seinerseits an dem Gehäuseunterteil befestigt ist. Die Befestigung der Stützstruktur am Gehäuseunterteil wie auch des Verbunds an der Stützstruktur kann über eine zumindest bereichsweise geschwächte oder lösbare Klebeverbindung erfolgen. Alternativ kann der Verbund auch unmittelbar, mit anderen Worten also direkt, auf das Gehäuseunterteil, bevorzugt über eine geschwächte oder lösbare Klebeverbindung, geklebt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, umfassend zumindest einen erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Kraftfahrzeuge der in Rede stehenden Art sind beispielsweise Krafträder, Personenkraftwagen oder auch Nutzfahrzeuge, insbesondere also Landfahrzeuge. Bei Personenkraftwagen nehmen derartige elektrische Energiespeicher oftmals große Bereiche des Unterbodens ein. Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht eine Übertragung von Kräften mittelbar über den elektrischen Energiespeicher. Dieser stellt durch die stoffschlüssige Verbindung des Verbunds der Energiespeicherzellen mit dem Gehäuse eine feste, stabile Einheit dar. Über die Ausbildung der Klebeverbindung, wie vorgeschlagen, kann allerdings eine Möglichkeit bereitgestellt werden, diesen bzw. einen derart konfigurierten Energiespeicher auch wieder zu öffnen.
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Energiespeichers, wobei ein Verbund von Energiespeicherzellen stoffschlüssig an einem Gehäuse eines Energiespeichers befestigt wird, und wobei eine hierzu verwendete Klebeverbindung geschwächt oder lösbar ausgebildet wird. Dies ermöglicht mit Vorteil ein gezieltes Auftrennen der Klebeverbindung, um beispielsweise eine Wartung bzw. einen Service des elektrischen Energiespeichers zu ermöglichen oder ein nachträgliches Recyceln zu erleichtern.
Zum Schwächen der Klebeverbindung bzw. um diese lösbar auszubilden, können verschiedene Verfahren verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Schwächen der Klebeverbindung durch Einbetten einer Trennschicht in die Klebeverbindung.

Die Trennschicht stellt eine geschwächte Schicht dar, welche es ermöglicht, die Klebeverbindung zu lösen. Gemäß einer Ausführungsform wird beispielsweise eine Trennschicht in Form einer Folie auf den Verbund von Energiespeicherzellen aufgebracht. Der vorgenannte Verbund wird gemäß einer Ausführungsform mit einer Vergussmasse oder mit einem Klebstoff vergossen. Die vorgenannte Folie kann vorteilhafterweise direkt auf den Zellverguss aufgebracht werden und haftet dort. Mit einem zweiten Kleber wird beispielsweise ein Gehäuseoberteil des Gehäuses auf der Trennschicht befestigt. Beim Öffnen des Gehäuseoberteils, auch Deckel genannt, kann so entlang der schwächsten Verbindung die Verklebung zwischen den Klebstoffschichten, vorliegend beispielsweise dem Zellverguss, und dem Klebstoff, welcher zwischen der Trennschicht und dem Gehäuse eingebracht ist, entlang der Folie aufgetrennt werden, beispielsweise durch Abschälen des Deckels.
Alternativ kann in den Klebstoff-Werkstoff ein oder mehrere Bestandteile eingebracht werden, welche, beispielsweise durch Energieeintrag, aktiviert werden können. Gemäß einer Ausführungsform kann eine so gestaltete Klebeverbindung beispielsweise durch Einbringen von Wärme gezielt aufgelöst werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Es zeigen:

1: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers im Schnitt;
2: eine Detailansicht einer Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers, wie in der 1 skizziert.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Energiespeicher 1 umfassend ein Gehäuse 10, welches ein Gehäuseoberteil oder einen Deckel 12 sowie ein Gehäuseunterteil 14 aufweist. Das Gehäuseunterteil 14 ist vorliegend im Wesentlichen wannenförmig ausgebildet. Im Gehäuseunterteil 14 ist eine Vielzahl von Energiespeicherzellen 2 angeordnet. Die Vielzahl von Energiespeicherzellen 2 wird vorliegend auch als Anordnung oder Verbund bezeichnet. Die Anordnung der Energiespeicherzellen 2 bzw. der Verbund ist beispielsweise mit einem Material vergossen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Energiespeicherzellen 2 mittelbar über eine Stützstruktur 16 an dem Gehäuseunterteil 14 befestigt. Das Gehäuseoberteil 12 ist vorliegend beabstandet positioniert. Das Gehäuseoberteil 12 soll über eine Klebeverbindung, welche lösbar und/oder geschwächt ausgebildet ist, an den Energiespeicherzellen 2 befestigt werden. Der Aufbau einer derartigen Klebeverbindung wird anhand des Details A in der 2 näher erläutert.
2 zeigt eine Detailansicht des aus der 1 bekannten Energiespeichers, wie dort mit A skizziert. Zu erkennen ist, dass das Gehäuseoberteil 12 über eine Klebeverbindung 20 an den Energiespeicherzellen 2 befestigt ist, welche eine erste Klebstoffschicht 21 sowie eine zweite Klebstoffschicht 22 aufweist. Die vorgenannten Schichten 21 und 22 sind über eine Trennschicht 24 voneinander getrennt. Die Trennschicht 24 stellt eine Art Sollbruchstelle der Klebeverbindung 20 dar. Beim Öffnen des Deckels oder Gehäuseoberteils 12 kann die Klebeverbindung 20 entlang der Trennschicht 24 gelöst werden. Die Trennschicht 24 wird hierbei beispielsweise auf Schälung beansprucht. Die Trennschicht 24 ist zweckmäßigerweise so orientiert, dass eine Belastung, wie sie beim Öffnen des Gehäuseoberteils 12 bzw. des Deckels auftritt, zum Nachgeben der Trennschicht 24 und zum Lösen der Klebeverbindung 20 führt. Bei der in der 2 skizzierten zweiten Klebstoffschicht 22 kann es sich gemäß einer Ausführungsform um den Zellverguss als solchen handeln. Es muss also nicht zwingend eine „extra“ Klebstoffschicht aufgebracht werden. Stattdessen wird beispielsweise eine folienartige Trennschicht 24 auf den noch nicht ausgehärteten Zellverguss gelegt und dann anschließend das Gehäuseoberteil 12 über die erste Klebstoffschicht 21 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann die Klebeverbindung 20 auch zumindest teilweise aktivierbare Bestandteile aufweisen, wobei diese zweckmäßigerweise derart ausgelegt sind, dass bei einem Energieeintrag, wie beispielsweise bei einem Wärmeeintrag, bewirkt wird, dass sich die Klebeverbindung 20 löst. Auch dies kann, wie vorliegend skizziert, ein Öffnen des Gehäuseoberteils 12 ermöglichen.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
2: Energiespeicherzellen
10: Gehäuse
12: Gehäuseoberteil
14: Gehäuseunterteil
16: Stützstruktur
20: Klebeverbindung
21: erste Klebstoffschicht
22: zweiten Klebstoffschicht
24: Trennschicht
A: Detail

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3678208 A1 [0002]

Claims

Elektrischer Energiespeicher (1), umfassend ein Gehäuse (10), in welchem ein Verbund von Energiespeicherzellen (2) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (10) zumindest bereichsweise über eine Klebeverbindung (20) an dem Verbund befestigt ist, und wobei die Klebeverbindung (20) zumindest bereichsweise geschwächt oder lösbar ausgebildet ist.
Energiespeicher (1) nach Anspruch 1, wobei die Klebeverbindung (20) eine erste Klebstoffschicht (21) und eine zweite Klebstoffschicht (22) umfasst, und wobei zwischen der ersten Klebstoffschicht (21) und der zweiten Klebstoffschicht (22) eine Trennschicht (24) angeordnet ist, wodurch die Klebeverbindung (20) geschwächt ist.
Energiespeicher (1) nach Anspruch 2, wobei die Trennschicht (24) derart ausgelegt ist, dass die Klebeverbindung (20) bei einer Belastung auf Schälung gelöst werden kann.
Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Klebstoffschicht (21) am Gehäuse (10) anliegt, und wobei die zweite Klebstoffschicht (22) am Verbund anliegt.
Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (10) ein Gehäuseoberteil (12) und ein Gehäuseunterteil (14) umfasst, und wobei das Gehäuseoberteil (12) über die Klebeverbindung (20) lösbar an einer Oberseite des Verbunds befestigt ist.
Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbund mit einem Klebstoff oder einer Vergussmasse um- oder vergossen ist, und wobei die Vergussmasse die zweite Klebstoffschicht (22) bildet.
Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Klebeverbindung (20), insbesondere thermisch, aktivierbare Bestandteile aufweist, wodurch der Stoffzusammenhalt der Klebeverbindung (20) bei Bedarf gelöst werden kann.
Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Unterseite des Verbunds über die lösbare Klebeverbindung (20) an einem Gehäuseunterteil (14) des Gehäuses (10) befestigt ist.
Kraftfahrzeug, umfassend einen Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers (1), wobei ein Verbund von Energiespeicherzellen (2) stoffschlüssig an einem Gehäuse (10) eines Energiespeichers (1) befestigt wird, und wobei eine hierzu verwendete Klebeverbindung (20) geschwächt oder lösbar ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend den Schritt: - Schwächen der Klebeverbindung (20) durch Einbetten einer Trennschicht (24).