DE102023106093A1

DE102023106093A1 - Verfahren zum montieren von traktionsbatteriepacks

Info

Publication number: DE102023106093A1
Application number: DE102023106093.7A
Authority: DE
Inventors: Patrick Daniel Maguire; Che-Chun CHANG; Marc Dugas; Mohammadreza EFTEKHARI
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2023-09-28
Also published as: US20230307769A1

Abstract

Fertigungsprozesse zum Montieren von Traktionsbatteriepacks, die Batteriesysteme wie etwa Zelle-zu-Pack-Batteriesysteme beinhalten, sind offenbart. Ein beispielhaftes Montageverfahren beinhaltet Einführen eines oder mehrerer Zellstapel des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems in eine zellkomprimierende Öffnung einer Gehäuseschale. Das Verfahren kann die Verwendung von Schieberplatten einschließen, die Schiebeflächen bereitstellen, die das Einführen der Zellstapel in die zellkomprimierende Öffnung erleichtern.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Offenbarung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 63/322 766 , die am 23. März 2022 eingereicht wurde und durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist.
GEBIET DER TECHNIK
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Traktionsbatteriepacks und insbesondere Verfahren, die die Verwendung von Schiebeflächen zum Montieren von Traktionsbatteriepacks einschließen, die Batteriesysteme wie etwa Zelle-zu-Pack-Batteriesysteme beinhalten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrifizierte Fahrzeuge unterscheiden sich von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, da elektrifizierte Fahrzeuge eine Kraftübertragung beinhalten, die eine oder mehrere elektrische Maschinen aufweist. Die elektrischen Maschinen können die elektrifizierten Fahrzeuge anstelle von oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine antreiben. Ein Traktionsbatteriepack kann die elektrischen Maschinen und andere elektrische Lasten des Fahrzeugs mit Leistung versorgen.
Herkömmliche Traktionsbatteriepacks beinhalten Gruppierungen von Batteriezellen, die als Batteriearrays bezeichnet werden. Die Batteriearrays beinhalten verschiedene Arraystützstrukturen (z. B. Arrayrahmen, Abstandshalter, Schienen, Wände, Endplatten, Bindungen usw.), die zum Gruppieren und Stützen der Batteriezellen in mehreren einzelnen Einheiten im Inneren des Traktionsbatteriepackgehäuses angeordnet sind.
KURZDARSTELLUNG
Ein Verfahren zum Montieren eines Traktionsbatteriepacks gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem Anordnen einer Gruppe von Batteriezellen in einer Kompressionshalterung, Komprimieren der Gruppe von Batteriezellen zwischen einer ersten Schieberplatte und einer zweiten Schieberplatte innerhalb der Kompressionshalterung, um einen ersten Zellstapel bereitzustellen, Positionieren des ersten Zellstapels relativ zu einer Gehäuseschale des Traktionsbatteriepacks und Einführen des ersten Zellstapels in eine zellkomprimierende Öffnung der Gehäuseschale.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorangehenden Verfahrens ist der Zellstapel Teil eines Zelle-zu-Pack-Batteriesystems des Traktionsbatteriepacks.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der beiden vorangehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren nach dem Einführen Anwenden einer Kompressionskraft auf den Zellstapel über die zellkomprimierende Öffnung.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhaltet das Anordnen der Gruppe von Batteriezellen Stapeln der Gruppe von Batteriezellen zwischen der ersten Schieberplatte und der zweiten Schieberplatte entlang einer Zellstapelachse.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren ist eine Separatorplatte zwischen jedem benachbarten Paar von Batteriezellen der Gruppe von Batteriezellen angeordnet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhaltet das Einführen des Zellstapels in die zellkomprimierende Öffnung Anwenden einer Abwärtskraft auf den ersten Zellstapel, um den ersten Zellstapel in die Gehäuseschale zu bewegen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhaltet das Komprimieren der Gruppe von Batteriezellen Anwenden einer Kompressionskraft über die Kompressionshalterung entlang einer Zellstapelachse, um die Gruppe von Batteriezellen zwischen der ersten Schieberplatte und der zweiten Schieberplatte zu komprimieren.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhaltet das Positionieren des ersten Zellstapels Positionieren des ersten Zellstapels oberhalb der Gehäuseschale.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhaltet das Einführen des ersten Zellstapels Einführen des ersten Zellstapels in die Gehäuseschale unter Verwendung eines Top-down-Ansatzes.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhalten die erste Schieberplatte und die zweite Schieberplatte jeweils eine abgeschrägte Vorderkante zum Erleichtern des Einführens.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhalten die erste Schieberplatte und die zweite Schieberplatte jeweils eine Schiebefläche zum Erleichtern des Einführens.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhalten die erste Schieberplatte und die zweite Schieberplatte jeweils einen Rahmen und ein komprimierbares Material. Das komprimierbare Material ist dazu konfiguriert, eine Ausdehnung der Gruppe von Batteriezellen innerhalb des ersten Zellstapels nach dem Einführen zu gestatten.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren vor dem Komprimieren Anbringen der ersten Schieberplatte an einer ersten Batteriezelle der Gruppe von Batteriezellen mit einem ersten Klebstoff und Anbringen der zweiten Schieberplatte an einer zweiten Batteriezelle der Gruppe von Batteriezellen mit einem zweiten Klebstoff.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren Anordnen einer zweiten Gruppe von Batteriezellen in einer zweiten Kompressionshalterung, Komprimieren der zweiten Gruppe von Batteriezellen zwischen einer dritten Schieberplatte und einer vierten Schieberplatte innerhalb der zweiten Kompressionshalterung, um einen zweiten Zellstapel bereitzustellen, Positionieren des zweiten Zellstapels relativ zu der Gehäuseschale und Einführen des zweiten Zellstapels in die zellkomprimierende Öffnung der Gehäuseschale an einer Stelle benachbart zu dem ersten Zellstapel.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren Einführen eines Zellstapels eines Zelle-zu-Pack-Batteriesystems in eine zellkomprimierende Öffnung einer Gehäuseschale des Traktionsbatteriepacks. Während des Einführens stellt eine Schieberplatte des Zellstapels eine Schiebefläche zum Erleichtern des Einführens des Zellstapels bereit.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren vor dem Einführen Anwenden einer Kompressionskraft, um den Zellstapel auf eine gewünschte Länge zu komprimieren.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren wird die Kompressionskraft entlang einer Zellstapelachse durch eine Kompressionshalterung angewendet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren stellt die Schieberplatte eine abgeschrägte Vorderkante zum Erleichtern des Einführens bereit.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren beinhaltet das Einführen Anwenden einer Abwärtskraft, um den Zellstapel in die Gehäuseschale zu bewegen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Verfahren wird die Abwärtskraft quer zu einer Kompressionskraft angewendet, die während des Einführens auf den Zellstapel angewendet wird.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorhergehenden Absätze, der Patentansprüche oder der folgenden Beschreibung und Zeichnungen, was beliebige ihrer verschiedenen Aspekte oder jeweiligen einzelnen Merkmale beinhaltet, können unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination herangezogen werden. In Verbindung mit einer Ausführungsform beschriebene Merkmale sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, sofern derartige Merkmale nicht unvereinbar sind.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Die der detaillierten Beschreibung beigefügten Zeichnungen lassen sich kurzgefasst wie folgt beschreiben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 veranschaulicht schematisch ein elektrifiziertes Fahrzeug.
2 veranschaulicht einen Traktionsbatteriepack des elektrifizierten Fahrzeugs aus 1.
3 veranschaulicht ein Zelle-zu-Pack-Batteriesystem des Traktionsbatteriepacks aus 2.
4, 5 und 6 veranschaulichen schematisch ein Verfahren zum Montieren eines Traktionsbatteriepacks, der ein Zelle-zu-Pack-Batteriesystem beinhaltet.
7 ist eine vergrößerte Ansicht ausgewählter Abschnitte aus 6.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt detailliert Fertigungsprozesse zum Montieren von Traktionsbatteriepacks, die Batteriesysteme wie etwa Zelle-zu-Pack-Batteriesysteme beinhalten. Ein beispielhaftes Montageverfahren beinhaltet Einführen eines oder mehrerer Zellstapel des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems in eine zellkomprimierende Öffnung einer Gehäuseschale. Das Verfahren kann die Verwendung von Schieberplatten einschließen, die Schiebeflächen bereitstellen, die das Einführen der Zellstapel in die zellkomprimierende Öffnung erleichtern. Diese und andere Merkmale werden in den folgenden Absätzen dieser detaillierten Beschreibung detaillierter erörtert.
1 veranschaulicht schematisch ein elektrifiziertes Fahrzeug 10. Das elektrifizierte Fahrzeug 10 kann einen beliebigen Typ von elektrifiziertem Antriebsstrang beinhalten. In einer Ausführungsform ist das elektrifizierte Fahrzeug 10 ein Batterieelektrofahrzeug (battery electric vehicle - BEV). Die in dieser Schrift beschriebenen Konzepte sind jedoch nicht auf BEVs beschränkt und könnten sich auf andere elektrifizierte Fahrzeuge erstrecken, die Hybridelektrofahrzeuge (hybrid electric vehicles - HEVs), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (plug-in hybrid electric vehicles - PHEVs), Brennstoffzellenfahrzeuge usw. beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein. Daher könnte das elektrifizierte Fahrzeug 10, obwohl dies in der beispielhaften Ausführungsform nicht spezifisch gezeigt ist, mit einer Brennkraftmaschine ausgestattet sein, die entweder allein oder in Kombination mit anderen Leistungsquellen eingesetzt werden kann, um das elektrifizierte Fahrzeug 10 vorzutreiben.
In einer Ausführungsform ist das elektrifizierte Fahrzeug 10 ein Pkw. Das elektrifizierte Fahrzeug 10 könnte jedoch alternativ ein Pick-up-Truck, ein Van, eine Geländelimousine (sport utility vehicle - SUV) oder eine beliebige andere Fahrzeugkonfiguration sein. Obwohl in den Figuren dieser Offenbarung eine spezifische Beziehung der Komponenten veranschaulicht ist, sollen die Veranschaulichungen diese Offenbarung nicht einschränken. Die Platzierung und Ausrichtung der verschiedenen Komponenten des elektrifizierten Fahrzeugs 10 sind schematisch gezeigt und könnten innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung variieren. Zusätzlich sind die verschiedenen dieser Offenbarung beigefügten Figuren nicht zwingend maßstabsgetreu gezeichnet und einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um gewisse Details einer konkreten Komponente oder eines konkreten Systems hervorzuheben.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist das elektrifizierte Fahrzeug 10 ein vollelektrisches Fahrzeug, das ausschließlich durch elektrische Leistung, wie etwa durch eine oder mehrere elektrische Maschinen 12, ohne Unterstützung von einer Brennkraftmaschine vorgetrieben wird. Die elektrische Maschine 12 kann als Elektromotor, elektrischer Generator oder beides betrieben werden. Die elektrische Maschine 12 nimmt elektrische Leistung auf und kann die elektrische Leistung in Drehmoment zum Antreiben eines oder mehrerer Antriebsräder 14 des elektrifizierten Fahrzeugs 10 umwandeln.
Ein Spannungsbus 16 kann die elektrische Maschine 12 elektrisch an einen Traktionsbatteriepack 18 koppeln. Der Traktionsbatteriepack 18 ist dazu in der Lage, elektrische Leistung auszugeben, um die elektrische Maschine 12 und/oder andere elektrische Lasten des elektrifizierten Fahrzeugs 10 mit Leistung zu versorgen.
Der Traktionsbatteriepack 18 kann an einem Unterboden 22 des elektrifizierten Fahrzeugs 10 gesichert sein. Der Traktionsbatteriepack 18 könnte jedoch innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung an einer anderen Stelle an dem elektrifizierten Fahrzeug 10 liegen.
Der Traktionsbatteriepack 18 ist eine beispielhafte Batterie eines elektrifizierten Fahrzeugs. Der Traktionsbatteriepack 18 kann ein Hochspannungstraktionsbatteriepack sein, der ein Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 beinhaltet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batteriesystemen für Traktionsbatteriepacks sind in das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 Batteriezellen oder andere Energiespeichervorrichtungen einbezogen, ohne dass die Zellen in einzelnen Arrays oder Modulen im Inneren des Batteriegehäuses angeordnet sind. Das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 beseitigt daher die meisten, wenn nicht sogar alle Arraystützstrukturen (z. B. Arrayrahmen, Abstandshalter, Schienen, Wände, Endplatten, Bindungen usw.), die zum Gruppieren der Batteriezellen in die Arrays/Module notwendig sind. Ferner kann das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 das gesamte elektrische Potential des Hochspannungsbusses des Traktionsbatteriepacks 18 mit einer einzigen Batterieeinheit bereitstellen, im Gegensatz zu herkömmlichen Batteriesystemen, die mehrere einzelne Batteriearrays/-module erfordern, die miteinander verbunden werden müssen, nachdem sie innerhalb des Batteriegehäuses positioniert worden sind, um das gesamte elektrische Hochspannungspotential zu erreichen. Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 und 3 kann der Traktionsbatteriepack 18 eine Gehäusebaugruppe 24 beinhalten, die zum Unterbringen des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 angeordnet ist. In einer Ausführungsform beinhaltet das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 eine Vielzahl von Batteriezellen 26, die innerhalb eines Innenbereichs 28 gehalten wird, der durch die Gehäusebaugruppe 24 festgelegt ist.
Die Batteriezellen 26 können verschiedenen Komponenten des elektrifizierten Fahrzeugs 10 elektrische Leistung zuführen. Die Batteriezellen 26 können relativ zueinander nebeneinander gestapelt sein, um einen Zellstapel 30 aufzubauen, und die Zellstapel 30 können nebeneinander in Reihen positioniert sein, um eine Zellmatrix 32 bereitzustellen.
In einer Ausführungsform beinhaltet jeder Zellstapel 30 acht einzelne Batteriezellen 26 und beinhaltet die Zellmatrix 32 vier Zellstapel 30 für insgesamt zweiunddreißig Batteriezellen 26. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet jeder Zellstapel 30 zehn einzelne Batteriezellen 26 und beinhaltet die Zellmatrix 32 fünf Zellstapel 30 für insgesamt fünfzig Batteriezellen 26 (siehe 4). Das Bereitstellen einer geraden Menge an Batteriezellen 26 und einer geraden Menge an Zellstapeln 30 kann dabei behilflich sein, eine effiziente elektrische Busanordnung zu unterstützen. Obwohl eine spezifische Anzahl von Batteriezellen 26 und Zellstapeln 30 in verschiedenen Figuren dieser Offenbarung veranschaulicht ist, könnte das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 des Traktionsbatteriepacks 18 eine beliebige Anzahl von Batteriezellen 26 und eine beliebige Anzahl von Zellstapeln 30 beinhalten. Mit anderen Worten ist diese Offenbarung nicht auf die in 2, 3 und 4 gezeigten beispielhaften Konfigurationen beschränkt.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Batteriezellen 26 um prismatische Lithium-Ionen-Zellen. Innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung könnten jedoch alternativ Batteriezellen genutzt werden, die andere Geometrien (zylindrisch, Pouch usw.) und/oder chemische Zusammensetzungen (Nickel-Metallhydrid, Blei-Säure usw.) aufweisen.
Die Gehäusebaugruppe 24 des Traktionsbatteriepacks 18 kann eine Gehäuseabdeckung 34 und eine Gehäuseschale 36 beinhalten. Die Gehäuseabdeckung 34 kann an der Gehäuseschale 36 gesichert sein, um den Innenbereich 28 zum Unterbringen des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 bereitzustellen.
Die Gehäuseschale 36 kann einen Boden 38 und eine Vielzahl von Seitenwänden 40 beinhalten, die relativ zueinander angeordnet sind, um eine zellkomprimierende Öffnung 42 bereitzustellen. Der Boden 38 und die Seitenwände 40 können mechanisch aneinandergekoppelt sein, wie zum Beispiel durch Schweißen.
Während der Montage des Traktionsbatteriepacks 18 kann die Gehäuseabdeckung 34 an einer Grenzfläche 44, die den Innenbereich 28 im Wesentlichen umschreibt, an der Gehäuseschale 36 gesichert werden. In einigen Umsetzungen können mechanische Befestigungselemente 46 verwendet werden, um die Gehäuseabdeckung 34 an der Gehäuseschale 36 zu sichern, obwohl andere Befestigungsmethoden (Haftung usw.) ebenfalls geeignet sein könnten.
Die Zellmatrix 32 des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 kann innerhalb der zellkomprimierenden Öffnung 42 positioniert sein, die durch die Gehäuseschale 36 bereitgestellt ist. Die beispielhafte Gehäuseschale 36 ist so abgebildet, dass sie eine einzige zellkomprimierende Öffnung 42 beinhaltet, es versteht sich jedoch, dass sich diese Offenbarung auf strukturelle Baugruppen erstreckt, die eine oder mehrere zellkomprimierende Öffnungen bereitstellen. Die Gehäuseabdeckung 34 kann die Zellmatrix 32 innerhalb der zellkomprimierenden Öffnung 42 abdecken, um die Batteriezellen 26 im Wesentlichen auf allen Seiten zu umgeben. Sobald sie vollständig montiert und relativ zu der Gehäuseschale 36 positioniert ist, kann die Zellmatrix 32 eine einzige Batterieeinheit festlegen, die dazu in der Lage ist, das gesamte elektrische Potential des Hochspannungsbusses des Traktionsbatteriepacks 18 bereitzustellen.
Die Gehäuseschale 36 kann die Zellmatrix 32 komprimieren und halten, wenn die Zellmatrix 32 innerhalb der zellkomprimierenden Öffnung 42 aufgenommen ist. In einer Ausführungsform wenden die Seitenwände 40 der Gehäuseschale 36 Kompressionskräfte auf die Zellmatrix 32 an, wenn die Zellmatrix 32 innerhalb der zellkomprimierenden Öffnung 42 positioniert ist. Ein ganzer Umfang der zellkomprimierenden Öffnung 42 kann durch die Seitenwände 40 der Gehäuseschale 36 festgelegt sein. Die Seitenwände 40 können die Kompressionskräfte auf die Batteriezellen 26 um den ganzen Umfang der Zellmatrix 32 anwenden. Die Seitenwände 40 können daher als starre Struktur vom Halo-Typ fungieren, die die Zellmatrix 32 komprimiert und festhält.
Die vorstehend beschriebene Konfiguration kann als Batteriepack vom Zelle-zu-Pack-Typ betrachtet werden, der sich von herkömmlichen Batteriepacktypen unterscheidet, die äußere Gehäuse beinhalten, die Arrays von Batteriezellen halten, die durch Arraystützstrukturen umschlossen sind, die von Wänden des Batteriegehäuses beabstandet sind, und bei denen das äußere Gehäuse keine Kompressionskräfte auf jegliche der Batteriezellen anwendet. Der in dieser Schrift beschriebene Batteriepack vom Zelle-zu-Pack-Typ beseitigt zudem die starren Querelemente, die üblicherweise an der Gehäuseschale herkömmlicher Traktionsbatteriepacks gesichert sind, um Anbaupunkte zum Sichern der Batteriearrays und der Gehäuseabdeckung und strukturelle Steifigkeit bereitzustellen.
Das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 kann einen oder mehrere Zellreihenseparatoren 48 beinhalten. In einer Ausführungsform ist ein Zellreihenseparator 48 zwischen jedem benachbarten Paar von Zellstapeln 30 der Zellmatrix 32 positioniert. In anderen Ausführungsformen sind zwei Zellreihenseparatoren 48 mit jedem Zellstapel 30 bereitgestellt. Die Gesamtanzahl von Zellreihenseparatoren 48, die innerhalb des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 bereitgestellt sind, soll diese Offenbarung jedoch nicht einschränken. Das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 kann ferner eine oder mehrere Schieberplatten 50 beinhalten. Die Schieberplatten 50 können zwischen jedem Zellstapel 30 und der Gehäuseschale 36 positioniert sein, wobei eine Schieberplatte 50 an jeder Längserstreckung jedes Zellstapels 30 liegt. Wie nachstehend näher erörtert, können die Schieberplatten 50 das Einführen jedes Zellstapels 30 in die zellkomprimierende Öffnung 42 der Gehäuseschale 36 erleichtern.
4, 5 und 6 veranschaulichen unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1-3 schematisch ein Verfahren zum Montieren von Abschnitten des Traktionsbatteriepacks 18. Das Verfahren kann eine größere oder kleinere Anzahl von Schritten beinhalten, als nachstehend aufgeführt, und die genaue Reihenfolge der Schritte soll diese Offenbarung nicht einschränken.
Unter Bezugnahme zunächst auf 4 kann jeder Zellstapel 30 des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 zunächst stufenweise angeordnet werden, indem eine Gruppe von Batteriezellen 26 innerhalb einer Kompressionshalterung 70 positioniert wird. Die Batteriezellen 26 können relativ zueinander entlang einer Zellstapelachse A angeordnet werden. Die Kompressionshalterung 70 kann einen Bezugspunkt relativ zu mindestens zwei benachbarten Seiten der Gruppe von Batteriezellen 26 (z. B. Unterseite und Ende) zum Anordnen der Batteriezellen 26 entlang der Zellstapelachse A bereitstellen.
In dieser Ausführungsform sind innerhalb des Zellstapels 30 Separatorplatten 52 entlang der Zellstapelachse A zwischen jeder eines benachbarten Paars von Batteriezellen 26 angeordnet. Die Separatorplatten 52 können einen Rahmenabschnitt 54 beinhalten, der ein komprimierbares Material 56 hält. Das komprimierbare Material 56 kann komprimiert werden, um etwas Ausdehnung der Batteriezellen 26 zu gestatten. In einer Ausführungsform ist das komprimierbare Material 56 Schaumstoff. Andere komprimierbare Materialien könnten jedoch alternativ genutzt werden.
Jede Separatorplatte 52 kann durch einen Klebstoff 58 an zwei umgebenden Batteriezellen 26 gesichert sein. In einer Ausführungsform ist der Klebstoff 58 ein doppelseitiges Klebeband. Ferner kann eine Schieberplatte 50 an jedem gegenüberliegenden axialen Ende der Gruppe von Batteriezellen 26 angeordnet sein. Die Schieberplatten 50 können jeweils einen Rahmenabschnitt 60 beinhalten, der ein komprimierbares Material 62 hält. Der Rahmenabschnitt 60 kann aus einem relativ dichten Material hergestellt sein (z. B. einem starren thermoplastischen oder duroplastischen Polymer, wie etwa PA6, PA66, PP, PBT, UP oder einem beliebigen anderen ähnlichen Polymer).
Das komprimierbare Material 62 kann komprimiert werden, um etwas Ausdehnung der Batteriezellen 26 zu gestatten. In einer Ausführungsform ist das komprimierbare Material 62 Schaumstoff. Andere komprimierbare Materialien könnten jedoch alternativ genutzt werden. Eine Schieberplatte 50 kann durch einen Klebstoff 58 an der Batteriezelle 26 gesichert sein, die an jedem gegenüberliegenden axialen Ende der Gruppierung von Batteriezellen 26 liegt. In einer Ausführungsform ist der Klebstoff 58 ein doppelseitiges Klebeband.
Unter Bezugnahme auf 5 können die Schieberplatten 50, die Batteriezellen 26 und die Separatorplatten 52 als Nächstes entlang der Zellstapelachse A komprimiert werden, um einen der Zellstapel 30 bereitzustellen. Die Kompressionshalterung 70 kann eine Kompressionskraft F_C entlang der Zellstapelachse A auf gegenüberliegende Enden des Zellstapels 30 ausüben. Die Kompressionskraft F_C drückt die Batteriezellen 26 zwischen den Schieberplatten 50 im Wesentlichen zusammen, wodurch der Zellstapel 30 und die einzelnen Batteriezellen 26 auf eine gewünschte Zellstapellänge komprimiert werden.
In einer Ausführungsform beträgt die Kompressionskraft Fc, die durch die Kompressionshalterung 70 auf die Batteriezellen 26 ausgeübt wird, etwa 3 Kilonewton. Die tatsächliche angewendete Kompressionskraft kann jedoch neben anderen Faktoren in Abhängigkeit von dem Batteriezellentyp variieren. In dieser Offenbarung bedeutet der Ausdruck „etwa“, dass die ausgedrückten Mengen oder Bereiche nicht genau sein müssen, sondern angenähert und/oder größer oder kleiner sein können, was akzeptable Toleranzen, Umrechnungsfaktoren, Messfehler usw. widerspiegelt.
Die Kompressionshalterung 70 könnte durch einen pneumatischen Aktor angetrieben werden, um die Batteriezellen 26 entlang der Zellstapelachse A zu komprimieren. Es könnten jedoch alternativ andere Typen von Aktoren, wie etwa ein elektrischer DC-Aktor oder ein mechanischer Schraubenaktor, zum Erreichen der Kompression eingesetzt werden.
Als Nächstes kann, wie in 6 gezeigt, der Zellstapel 30, der zuvor auf die in 4 und 5 gezeigte Weise angeordnet und komprimiert wurde, relativ zu der Gehäuseschale 36 positioniert werden. In einer Ausführungsform kann der Zellstapel 30 vertikal oberhalb der Gehäuseschale 36 positioniert werden, wobei der Boden 38 nach oben dem Zellstapel zugewandt ist. Wie schematisch veranschaulicht, können die Kompressionskräfte Fc während des Positionierens des Zellstapels 30 aufrechterhalten werden.
Unter Verwendung eines Top-down-Ansatzes kann der Zellstapel 30 dann in die zellkomprimierende Öffnung 42 der Gehäuseschale 36 eingeführt werden, indem eine Abwärtskraft F_D ausgeübt wird. Der Zellstapel 30 kann daher einzeln in die Gehäuseschale 36 eingeführt werden. Die Abwärtskraft F_D kann direkt auf eine oder mehrere Batteriezellen 26 des Zellstapels 30 angewendet werden. Die Abwärtskraft F_D wird in einer Richtung angewendet, die im Allgemeinen senkrecht zu den Kompressionskräften Fc ist. Die Abwärtskraft F_D kann durch noch einen anderen Aktor bereitgestellt werden.
Während der Ausdruck „abwärts“ in dieser Schrift verwendet wird, um die Abwärtskraft F_D zu beschreiben, versteht es sich, dass der Ausdruck „abwärts“ in dieser Schrift verwendet wird, um sich auf Kräfte zu beziehen, die dazu neigen, einen Zellstapel 30 in die zellkomprimierende Öffnung 42 zu pressen. Insbesondere bezieht sich der Ausdruck „abwärts“ auf alle Kräfte, die im Wesentlichen senkrecht zu der Kompressionskraft F_C sind, ob die Kraft wirklich in einer „Abwärtsrichtung“ verläuft oder nicht. Zum Beispiel erstreckt sich diese Offenbarung auf Zellstapel, die komprimiert und in einer seitlichen Richtung in eine zellkomprimierende Öffnung eingeführt werden.
Um das Einführen zu erleichtern, können die Schieberplatten 50, die mit dem Zellstapel 30 assoziiert sind, eine Vorderkante 64 beinhalten, die abgeschrägt oder gekrümmt ist (siehe 7). Abschrägungen an den Vorderkanten 64 können dabei behilflich sein, den Zellstapel 30 während des Einführens in die zellkomprimierende Öffnung 42 zu führen. Darüber hinaus kann eine Schiebefläche 66 (z. B. die Fläche, die in eine Richtung weg von den Batteriezellen 26 gewandt ist) jeder Schieberplatte 50 während des Einführens direkt eine Grenzfläche mit einer der Seitenwände 40 der Gehäuseschale 36 bilden.
Nach dem Einführen kann die zellkomprimierende Öffnung 42 der Gehäuseschale 36 den Zellstapel 30 in Umfangsrichtung umgeben. Die zellkomprimierende Öffnung 42 kann somit eine Kompressionskraft auf den Zellstapel 30 ausüben. Die zellkomprimierende Öffnung 42 kann etwas Ausdehnung der Batteriezellen 26 gestatten, nachdem sie aus der Kompressionshalterung 70 entfernt worden sind. Die Kompressionskräfte, die nach dem Einführen durch die Gehäuseschale 36 auf den Zellstapel 30 ausgeübt werden, können geringer sein als die Kompressionskräfte F_c, die durch die Kompressionshalterung 70 auf die Zellstapel 30 ausgeübt werden.
In einem beispielhaften Verfahren können die in 4-6 schematisch veranschaulichten Verfahrensschritte viermal durchgeführt werden, um die vier Zellstapel 30 des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 bereitzustellen und einzuführen. Jeder der Zellstapel 30 wird durch eine andere Kompressionshalterung, die die Kompressionshalterung 70 nachahmt, komprimiert und gehalten. Somit würden in dieser beispielhaften Ausführungsform vier Kompressionshalterungen 70 verwendet, um die vier Zellstapel 30 des beispielhaften Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 bereitzustellen.
Ein Top-down-Ansatz wird genutzt, um jeden Zellstapel 30 in dem vorstehend beschriebenen beispielhaften Verfahren in die Gehäuseschale 36 einzuführen. Die Zellstapel 30 könnten jedoch alternativ unter Verwendung eines Bottom-up-Ansatzes in eine Halo-artige Struktur eingeführt werden. Darüber hinaus könnten, obwohl die Zellstapel 30 schematisch als einzeln eingeführt veranschaulicht sind, die Zellstapel 30 zusammen als eine Einheit von zwei oder mehr Zellstapeln (z. B. die Zellmatrix 32) in die zellkomprimierende Öffnung 42 der Gehäuseschale 36 eingeführt werden.
Die in dieser Schrift beschriebenen beispielhaften Fertigungsprozesse stellen eine Methodik zum Montieren von Traktionsbatteriepacks bereit, die Zelle-zu-Pack-Batteriesysteme beinhalten. Die Batteriezellen des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems können vorteilhafterweise als Teil der vorgeschlagenen Methodik zwischen Schieberplatten zusammen komprimiert werden, wodurch Lösungen für die Montage mit verschiedenen Komplexitäten bereitgestellt werden, die infolgedessen entstehen können, dass ein Großteil der Arraystützstrukturen, die mit herkömmlichen Traktionsbatteriepacks assoziiert sind, beseitigt wird.
Obwohl die unterschiedlichen nicht einschränkenden Ausführungsformen als spezifische Komponenten oder Schritte aufweisend veranschaulicht sind, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese konkreten Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale aus einer beliebigen der nicht einschränkenden Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten aus einer beliebigen der anderen nicht einschränkenden Ausführungsformen zu verwenden.
Es versteht sich, dass gleiche Bezugszeichen einander entsprechende oder ähnliche Elemente in den mehreren Ansichten identifizieren. Es versteht sich, dass in diesen beispielhaften Ausführungsformen zwar eine konkrete Komponentenanordnung offenbart und veranschaulicht ist, andere Anordnungen aber ebenfalls von den Lehren dieser Offenbarung profitieren könnten.
Die vorangehende Beschreibung soll als veranschaulichend und nicht in einschränkendem Sinne ausgelegt werden. Der Durchschnittsfachmann versteht, dass gewisse Modifikationen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung fallen könnten. Aus diesen Gründen sollten die folgenden Patentansprüche genau gelesen werden, um den wahren Umfang und Inhalt dieser Offenbarung zu bestimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63322766 [0001]

Claims

Verfahren zum Montieren eines Traktionsbatteriepacks, umfassend: Anordnen einer Gruppe von Batteriezellen in einer Kompressionshalterung; Komprimieren der Gruppe von Batteriezellen zwischen einer ersten Schieberplatte und einer zweiten Schieberplatte innerhalb der Kompressionshalterung, um einen ersten Zellstapel bereitzustellen; Positionieren des ersten Zellstapels relativ zu einer Gehäuseschale des Traktionsbatteriepacks; und Einführen des ersten Zellstapels in eine zellkomprimierende Öffnung der Gehäuseschale.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zellstapel Teil eines Zelle-zu-Pack-Batteriesystems des Traktionsbatteriepacks ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend nach dem Einführen Anwenden einer Kompressionskraft auf den Zellstapel über die zellkomprimierende Öffnung.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Anordnen der Gruppe von Batteriezellen Folgendes beinhaltet: Stapeln der Gruppe von Batteriezellen zwischen der ersten Schieberplatte und der zweiten Schieberplatte entlang einer Zellstapelachse, und wobei optional eine Separatorplatte zwischen jedem benachbarten Paar von Batteriezellen der Gruppe von Batteriezellen angeordnet ist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Einführen des Zellstapels in die zellkomprimierende Öffnung Folgendes beinhaltet: Anwenden einer Abwärtskraft auf den ersten Zellstapel, um den ersten Zellstapel in die Gehäuseschale zu bewegen.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Komprimieren der Gruppe von Batteriezellen Folgendes beinhaltet: Anwenden einer Kompressionskraft über die Kompressionshalterung entlang einer Zellstapelachse, um die Gruppe von Batteriezellen zwischen der ersten Schieberplatte und der zweiten Schieberplatte zu komprimieren.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Positionieren des ersten Zellstapels Folgendes beinhaltet: Positionieren des ersten Zellstapels oberhalb der Gehäuseschale, und wobei optional das Einführen des ersten Zellstapels Einführen des ersten Zellstapels in die Gehäuseschale unter Verwendung eines Top-down-Ansatzes beinhaltet.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Schieberplatte und die zweite Schieberplatte jeweils eine abgeschrägte Vorderkante oder eine Schiebefläche zum Erleichtern des Einführens beinhalten.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Schieberplatte und die zweite Schieberplatte jeweils einen Rahmen und ein komprimierbares Material beinhalten, wobei das komprimierbare Material dazu konfiguriert ist, eine Ausdehnung der Gruppe von Batteriezellen innerhalb des ersten Zellstapels nach dem Einführen zu gestatten.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, umfassend vor dem Komprimieren Anbringen der ersten Schieberplatte an einer ersten Batteriezelle der Gruppe von Batteriezellen mit einem ersten Klebstoff und Anbringen der zweiten Schieberplatte an einer zweiten Batteriezelle der Gruppe von Batteriezellen mit einem zweiten Klebstoff.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, umfassend: Anordnen einer zweiten Gruppe von Batteriezellen in einer zweiten Kompressionshalterung; Komprimieren der zweiten Gruppe von Batteriezellen zwischen einer dritten Schieberplatte und einer vierten Schieberplatte innerhalb der zweiten Kompressionshalterung, um einen zweiten Zellstapel bereitzustellen; Positionieren des zweiten Zellstapels relativ zu der Gehäuseschale; und Einführen des zweiten Zellstapels in die zellkomprimierende Öffnung der Gehäuseschale an einer Stelle benachbart zu dem ersten Zellstapel.
Verfahren zum Montieren eines Traktionsbatteriepacks, umfassend: Einführen eines Zellstapels eines Zelle-zu-Pack-Batteriesystems in eine zellkomprimierende Öffnung einer Gehäuseschale des Traktionsbatteriepacks, wobei während des Einführens eine Schieberplatte des Zellstapels eine Schiebefläche zum Erleichtern des Einführens des Zellstapels bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend vor dem Einführen: Anwenden einer Kompressionskraft, um den Zellstapel auf eine gewünschte Länge zu komprimieren, und wobei optional die Kompressionskraft entlang einer Zellstapelachse durch eine Kompressionshalterung angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Schieberplatte eine abgeschrägte Vorderkante zum Erleichtern des Einführens bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Einführen Folgendes beinhaltet: Anwenden einer Abwärtskraft, um den Zellstapel in die Gehäuseschale zu bewegen, und wobei optional die Abwärtskraft quer zu einer Kompressionskraft angewendet wird, die während des Einführens auf den Zellstapel angewendet wird.