DE102023106376A1

DE102023106376A1 - Batteriezellengruppierungslösungen für traktionsbatteriepacks, die cell-to-pack-batteriesysteme beinhalten

Info

Publication number: DE102023106376A1
Application number: DE102023106376.6A
Authority: DE
Inventors: Patrick Daniel Maguire; Che-Chun CHANG; Marc Dugas
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2023-09-28
Also published as: US20230327249A1

Abstract

Es werden Batteriezellengruppierungslösungen zum Montieren von Traktionsbatteriepacks offenbart, die Cell-to-Pack-Batteriesysteme beinhalten. Eine Zellengruppierungsbaugruppe kann genutzt werden, um eine gemeinsame Bezugsreferenzebene im Verhältnis zu mehreren Gruppierungen von Batteriezellen auszubilden. Ein beispielhaftes Montageverfahren kann Positionieren der Gruppierungen von Batteriezellen im Verhältnis zu der Zellengruppierungsbaugruppe und dann Ausüben einer Druckkraft auf die Gruppierungen von Batteriezellen, um Zellenstapel des Cell-to-Pack-Batteriesystems bereitzustellen, beinhalten. Die gruppierten Zellenstapel können dann auf einer Gehäuseschale des Traktionsbatteriepacks platziert werden.

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 im Besonderen Systeme und Verfahren zum Montieren von Traktionsbatteriepacks, die Cell-to-Pack-Batteriesysteme beinhalten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrifizierte Fahrzeuge unterscheiden sich von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, da elektrifizierte Fahrzeuge einen Antriebsstrang beinhalten, der 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 Verbraucher des Fahrzeugs mit Leistung versorgen.
Herkömmliche Traktionsbatteriepacks beinhalten Gruppierungen von Batteriezellen, die als Batteriebänke bezeichnet werden. Die Batteriebänke beinhalten verschiedene Bankträgerstrukturen (z. B. Bankrahmen, 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 Traktionsbatteriepack gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem eine Gehäusebaugruppe und ein Cell-to-Pack-Batteriesystem, das innerhalb der Gehäusebaugruppe untergebracht ist und einen ersten Zellenstapel, einen zweiten Zellenstapel und eine Zellengruppierungsbaugruppe beinhaltet. Die Zellengruppierungsbaugruppe bildet eine gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausrichten einer ersten Gruppierung von Batteriezellen des ersten Zellenstapels und einer zweiten Gruppierung von Batteriezellen des zweiten Zellenstapels im Verhältnis zu der Zellengruppierungsbaugruppe aus.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Traktionsbatteriepacks bildet der erste Zellenstapel eine erste Zellenreihe einer Zellenmatrix des Cell-to-Pack-Batteriesystems aus und bildet der zweite Zellenstapel eine zweite Zellenreihe der Zellenmatrix aus.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Traktionsbatteriepacks stellt eine Gehäuseschale der Gehäusebaugruppe eine Zellenkompressionsöffnung zum Komprimieren der Zellenmatrix bereit.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Traktionsbatteriepacks beinhaltet die Zellengruppierungsbaugruppe eine erste Endwand, eine zweite Endwand und einen Querträger, der sich zwischen der ersten Endwand und der zweiten Endwand erstreckt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Traktionsbatteriepacks ist die erste Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer ersten Seite des Querträgers ausgerichtet und ist die zweite Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer zweiten Seite des Querträgers ausgerichtet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Traktionsbatteriepacks sind die erste und die zweite Endwand Metallstrukturen und ist der Querträger eine Polymerstruktur.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Traktionsbatteriepacks ist eine Öffnung durch die erste Endwand oder die zweite Endwand gebildet. Die Öffnung ist dazu konfiguriert, eine Kompressionsvorrichtung oder ein Befestigungselement aufzunehmen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Traktionsbatteriepacks wird ein Strukturklebstoff zwischen dem ersten Zellenstapel und der Zellengruppierungsbaugruppe aufgebracht.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Traktionsbatteriepacks beinhaltet das Cell-to-Pack-Batteriesystem einen dritten Zellenstapel, einen vierten Zellenstapel und eine zweite Zellengruppierungsbaugruppe. Die zweite Zellengruppierungsbaugruppe bildet eine zusätzliche gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausrichten einer dritten Gruppierung von Batteriezellen des dritten Zellenstapels und einer vierten Gruppierung von Batteriezellen des vierten Zellenstapels im Verhältnis zu der zweiten Zellengruppierungsbaugruppe aus.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Traktionsbatteriepacks ist die zweite Zellengruppierungsbaugruppe so positioniert, dass sie an der Zellengruppierungsbaugruppe anliegt.
Ein Verfahren zum Montieren eines Traktionsbatteriepacks gemäß einem anderen beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem Anordnen einer ersten Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer ersten Seite einer Zellengruppierungsbaugruppe und Anordnen einer zweiten Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer zweiten Seite der Zellengruppierungsbaugruppe. Die erste Gruppierung von Batteriezellen, die zweite Gruppierung von Batteriezellen und die Zellengruppierungsbaugruppe bilden einen Teil eines Cell-to-Pack-Batteriesystems des Traktionsbatteriepacks aus.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Verfahrens beinhaltet das Verfahren, nach dem Anordnen, Ausüben einer Druckkraft auf die erste und die zweite Gruppierung von Batteriezellen über die Zellengruppierungsbaugruppe.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren, nach dem Ausüben, Platzieren des Cell-to-Pack-Batteriesystems innerhalb einer Zellenkompressionsöffnung einer Gehäuseschale des Traktionsbatteriepacks.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren, nach dem Ausüben, Fixieren eines Querelements der Zellengruppierungsbaugruppe gegenüber einer Bewegung im Verhältnis zu mindestens einer Endwand der Zellengruppierungsbaugruppe.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren bildet die erste Seite der Zellengruppierungsbaugruppe eine erste gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausrichten der ersten Gruppierung von Batteriezellen aus und bildet die zweite Seite der Zellengruppierungsbaugruppe eine zweite gemeinsamen Bezugsreferenzebene zum Ausrichten der zweiten Gruppierung von Batteriezellen aus.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren, vor dem Anordnen, Positionieren der ersten Gruppierung von Batteriezellen auf einer ebenen Fläche.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren bildet die ebene Fläche eine dritte gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausrichten der ersten Gruppierung von Batteriezellen aus.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren Anordnen einer dritten Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer ersten Seite einer zweiten Zellengruppierungsbaugruppe und Anordnen einer vierten Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer zweiten Seite der zweiten Zellengruppierungsbaugruppe.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren Positionieren der zweiten Zellengruppierungsbaugruppe so, dass sie an der Zellengruppierungsbaugruppe anliegt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren Binden der ersten Gruppierung von Batteriezellen an die erste Seite und der zweiten Gruppierung von Batteriezellen an die zweite Seite.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorhergehenden Absätze, der Patentansprüche oder der folgenden Beschreibung und Zeichnungen, die beliebige ihrer verschiedenen Aspekte oder jeweiligen individuellen Merkmale beinhalten, können unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination betrachtet 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 Zeichnungen, die der detaillierten Beschreibung beigefügt sind, können kurz wie folgt beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 veranschaulicht ein elektrifiziertes Fahrzeug schematisch.
2 veranschaulicht einen Traktionsbatteriepack des elektrifizierten Fahrzeugs aus 1.
3 veranschaulicht ein Cell-to-Pack-Batteriesystem des Transaktionsbatteriepacks aus 2.
Die 4, 5, 6, 7 und 8 veranschaulichen ein Verfahren zum Gruppieren von Batteriezellen als Teil eines Herstellungsprozesses zum Montieren eines Cell-to-Pack-Batteriesystems eines Traktionsbatteriepacks schematisch.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt Batteriezellengruppierungslösungen zum Montieren von Traktionsbatteriepacks, die Cell-to-Pack-Batteriesysteme beinhalten. Eine Zellengruppierungsbaugruppe kann genutzt werden, um eine gemeinsame Bezugsreferenzebene im Verhältnis zu mehreren Gruppierungen von Batteriezellen auszubilden. Ein beispielhaftes Montageverfahren kann Positionieren der Gruppierungen von Batteriezellen im Verhältnis zu der Zellengruppierungsbaugruppe und dann Ausüben einer Druckkraft auf die Gruppierungen von Batteriezellen, um Zellenstapel des Cell-to-Pack-Batteriesystems bereitzustellen, beinhalten. Die gruppierten Zellenstapel können dann auf einer Gehäuseschale des Traktionsbatteriepacks platziert werden. Diese und andere Merkmale werden in den folgenden Absätzen dieser detaillierten Beschreibung ausführlicher erörtert.
1 veranschaulicht ein elektrifiziertes Fahrzeug 10 schematisch. Das elektrifizierte Fahrzeug 10 kann eine beliebige Art 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, zu denen unter anderem Hybridelektrofahrzeuge (Hybrid Electric Vehicles - HEVs), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs), Brennstoffzellenfahrzeuge usw. gehören. Daher könnte das elektrifizierte Fahrzeug 10, obwohl dies in dem Ausführungsbeispiel nicht konkret dargestellt ist, mit einer Brennkraftmaschine ausgestattet sein, die entweder allein oder in Kombination mit anderen Energiequellen eingesetzt werden kann, um das elektrifizierte Fahrzeug 10 anzutreiben.
In einer Ausführungsform ist das elektrifizierte Fahrzeug 10 ein Auto. Das elektrifizierte Fahrzeug 10 könnte jedoch alternativ ein Pickup, ein Van, eine Geländelimousine oder eine beliebige andere Fahrzeugkonfiguration sein. Wenngleich 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 dargestellt und könnten innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung variieren. Darüber hinaus sind die verschiedenen dieser Offenbarung beigefügten Figuren nicht zwingend maßstabsgetreu gezeichnet und können einige Merkmale vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um gewisse Details einer bestimmten Komponente oder eines bestimmten 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 angetrieben 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 imstande, elektrische Leistung auszugeben, um die elektrische Maschine 12 und/oder andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 10 mit Leistung zu versorgen.
Der Traktionsbatteriepack 18 kann an einem Unterboden 22 des elektrifizierten Fahrzeugs 10 befestigt sein. Der Traktionsbatteriepack 18 könnte sich jedoch innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung an einer anderen Stelle an dem elektrifizierten Fahrzeug 10 befinden.
Der Traktionsbatteriepack 18 ist eine beispielhafte Batterie eines elektrifizierten Fahrzeugs. Der Traktionsbatteriepack 18 kann ein Hochspannungstraktionsbatteriepack sein, der ein Cell-to-Pack-Batteriesystem 20 beinhaltet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batteriesystemen für Traktionsbatteriepacks sind in das Cell-to-Pack-Batteriesystem 20 Batteriezellen oder andere Energiespeichervorrichtungen integriert, ohne dass die Zellen in einzelnen Bänken oder Modulen angeordnet sind. Bei dem Cell-to-Pack-Batteriesystem 20 entfallen daher die meisten, wenn nicht alle Bankträgerstrukturen (z. B. Bankrahmen, Abstandshalter, Schienen, Wände, Endplatten, Bindungen usw.), die zum Gruppieren der Batteriezellen zu den Bänken/Modulen nötig sind. Ferner kann das Cell-to-Pack-Batteriesystem 20 das gesamte elektrische Potential des Hochspannungsbusses des Traktionsbatteriepacks 18 mit einer einzelnen Batterieeinheit bereitstellen, im Gegensatz zu herkömmlichen Batteriesystemen, die mehrere einzelne Batteriebänke/-module erfordern, die miteinander verbunden werden müssen, nachdem sie innerhalb des Batteriegehäuses positioniert wurden, um das gesamte elektrische Hochspannungspotential zu erreichen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 2 und 3 kann der Traktionsbatteriepack 18 eine Gehäusebaugruppe 24 beinhalten, die zum Unterbringen des Cell-to-Pack-Batteriesystems 20 angeordnet ist. In einer Ausführungsform beinhaltet das Cell-to-Pack-Batteriesystem 20 eine Vielzahl von Batteriezellen 26, die innerhalb eines Innenbereichs 28 gehalten wird, der durch die Gehäusebaugruppe 24 ausgebildet ist.
Die Batteriezellen 26 können verschiedenen Komponenten des elektrifizierten Fahrzeugs 10 elektrische Leistung zuführen. Die Batteriezellen 26 können im Verhältnis zueinander nebeneinander gestapelt sein, um einen Zellenstapel 30 zu konstruieren, und die Zellenstapel 30 können nebeneinander in Reihen positioniert sein, um eine Zellenmatrix 32 bereitzustellen.
In einer Ausführungsform beinhaltet jeder Zellenstapel 30 acht einzelne Batteriezellen 26 und beinhaltet die Zellenmatrix 32 vier Zellenstapel 30 für insgesamt zweiunddreißig Batteriezellen 26. Ein Bereitstellen einer gleichmäßigen Menge an Batteriezellen 26 und einer gleichmäßigen Menge an Zellenstapeln 30 kann dazu beitragen, eine effiziente elektrische Busanordnung zu unterstützen. Obwohl eine bestimmte Anzahl von Batteriezellen 26 und Zellenstapeln 30 in den verschiedenen Figuren dieser Offenbarung veranschaulicht ist, könnte das Cell-to-Pack-Batteriesystem 20 des Traktionsbatteriepacks 18 eine beliebige Anzahl von Batteriezellen 26 und eine beliebige Anzahl von Zellenstapeln 30 beinhalten. Mit anderen Worten ist diese Offenbarung nicht auf die in den 2 und 3 dargestellte beispielhafte Konfiguration beschränkt.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Batteriezellen 26 um prismatische Lithium-Ionen-Zellen. Innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung könnten alternativ jedoch 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 befestigt sein, um den Innenbereich 28 zum Unterbringen des Cell-to-Pack-Batteriesystems 20 bereitzustellen.
Die Gehäuseschale 36 kann einen Boden 38 und eine Vielzahl von Seitenwänden 40 beinhalten, die im Verhältnis zueinander angeordnet sind, um eine Zellenkompressionsöffnung 42 bereitzustellen. Der Boden 38 und die Seitenwände 40 können mechanisch aneinander gekoppelt 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 befestigt sein. Bei einigen Umsetzungen können mechanische Befestigungselemente 46 verwendet werden, um die Gehäuseabdeckung 34 an der Gehäuseschale 36 zu befestigen, obwohl auch andere Befestigungsmethoden (Verklebung usw.) geeignet sein könnten.
Die Zellenmatrix 32 des Cell-to-Pack-Batteriesystems 20 kann innerhalb der Zellenkompressionsöffnung 42 positioniert sein, die durch die Gehäuseschale 36 bereitgestellt wird. Die beispielhafte Gehäuseschale 36 beinhaltet der Abbildung nach eine einzelne Zellenkompressionsöffnung 42, jedoch versteht es sich, dass sich diese Offenbarung auf strukturelle Baugruppen erstreckt, die eine oder mehrere Zellenkompressionsöffnungen bereitstellen. Die Gehäuseabdeckung 34 kann die Zellenmatrix 32 innerhalb der Zellenkompressionsöffnung 42 bedecken, sodass sie die Batteriezellen 26 im Wesentlichen von allen Seiten umgibt. Sobald sie vollständig montiert und im Verhältnis zu der Gehäuseschale 36 positioniert ist, kann die Zellenmatrix 32 eine einzelne Batterieeinheit ausbilden, die imstande ist, das gesamte elektrische Potential des Hochspannungsbusses des Traktionsbatteriepacks 18 bereitzustellen.
Die Gehäuseschale 36 kann die Zellenmatrix 32 komprimieren und halten, wenn die Zellenmatrix 32 innerhalb der Zellenkompressionsöffnung 42 aufgenommen ist. In einer Ausführungsform üben die Seitenwände 40 der Gehäuseschale 36 Kräfte auf die Zellenmatrix 32 aus, wenn die Zellenmatrix 32 innerhalb der Zellenkompressionsöffnung 42 positioniert ist.
In einer Ausführungsform kann, um die Zellenmatrix 32 in die Zellenkompressionsöffnung 42 einzuführen, die Zellenmatrix 32 zunächst komprimiert und dann, während sie komprimiert ist, in der Zellenkompressionsöffnung 42 in Position gebracht werden. Eine Druckkraft Fc kann auf gegenüberliegende Enden eines der Zellenstapel 30 ausgeübt werden. Die Druckkraft Fc drückt im Wesentlichen die Batteriezellen 26 innerhalb des Zellenstapels 30 zusammen, wodurch der Zellenstapel 30 und die einzelnen Batteriezellen 26 auf eine verringerte Dicke komprimiert werden. Während die Druckkraft Fc auf den Zellenstapel 30 ausgeübt wird, kann der Zellenstapel 30 durch eine nach unten gerichtete Kraft F_D in eine entsprechende Zellenkompressionsöffnung 42 eingeführt werden. Die nach unten gerichtete Kraft F_D kann direkt auf eine oder mehrere der Batteriezellen 26 ausgeübt werden.
Während der Ausdruck „nach unten“ in dieser Schrift verwendet wird, um die nach unten gerichtete Kraft F_D zu beschreiben, versteht es sich, dass sich der Ausdruck „nach unten“ im vorliegenden Zusammenhang auf sämtliche Kräfte bezieht, die dazu neigen, einen Zellenstapel 30 in eine Zellenkompressionsöffnung 42 zu pressen. Insbesondere bezieht sich der Ausdruck „nach unten“ auf sämtliche Kräfte, die im Wesentlichen senkrecht zu der Druckkraft Fc sind, unabhängig davon, ob die Kraft tatsächlich in einer Richtung „nach unten“ verläuft oder nicht. Beispielsweise erstreckt sich diese Offenbarung auf Zellenstapel, die komprimiert und in einer Seitwärtsrichtung in eine Zellenkompressionsöffnung eingeführt werden.
Die Zellenstapel 30 könnten einzeln komprimiert und in die Zellenkompressionsöffnung 42 eingeführt werden. In einer anderen Ausführungsform wird die gesamte Zellenmatrix 32 komprimiert und in die Zellenkompressionsöffnung 42 eingeführt. Wie in 3 schematisch dargestellt, können in einer derartigen Ausführungsform zusätzliche Druckkräfte Fx die Zellenstapel 30 zur Einführung der Zellenmatrix 32 in die Zellenkompressionsöffnung 42 miteinander komprimieren. Die Druckkräfte Fx sind im Allgemeinen senkrecht zu den Druckkräften Fc. Die Druckkräfte Fx können zusammen mit den Druckkräften Fc ausgeübt werden. Die Kraft F_D kann dann ausgeübt werden, um die gesamte Zellenmatrix 32 in die Zellenkompressionsöffnung 42 zu bewegen.
In einer Ausführungsform ist ein gesamter Umfang der Zellenkompressionsöffnung 42 durch die Seitenwände 40 der Gehäuseschale 36 definiert. Die Seitenwände 40 können eine Druckkraft auf die Batteriezellen 26 um den gesamten Umfang der Zellenmatrix 32 herum ausüben. Die Seitenwände 40 können daher als starre kranzartige Struktur fungieren, welche die Zellenmatrix 32 komprimiert und festhält.
Die vorstehend beschriebene Konfiguration wird als Batteriepack der Cell-to-Pack-Art betrachtet, die sich von herkömmlichen Batteriepackarten unterscheidet, die Gehäuse beinhalten, die Bänke von Batteriezellen halten, die durch Bankträgerstrukturen umschlossen sind, die von Wänden eines Batteriegehäuses beabstandet sind, und wobei das Batteriegehäuse keine Druckkräfte auf eine der Batteriezellen ausübt. Bei dem hier beschriebenen Batteriepack der Cell-to-Pack-Art entfallen zudem die starren Querelemente, die üblicherweise an der Gehäuseschale herkömmlicher Traktionsbatteriepacks befestigt sind, um Montagepunkte zum Befestigen der Batteriebänke und der Gehäuseabdeckung bereitzustellen.
Die 4-8 veranschaulichen unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1-3 schematisch ein Verfahren zum Montieren des Traktionsbatteriepacks 18 und insbesondere zum Gruppieren von Batteriezellen 26 miteinander, um die Zellenstapel 30 des Cell-to-Pack-Batteriesystems 20 zu bilden. Das Verfahren kann eine größere oder kleinere Anzahl von Schritten als nachstehend aufgeführt beinhalten, und die genaue Reihenfolge der Schritte soll diese Offenbarung nicht einschränken.
Unter Bezugnahme auf zunächst 4 kann eine erste Gruppierung G1 von Batteriezellen 26 auf einer ebenen Fläche 50 positioniert sein. Die Batteriezellen 26 können nebeneinander entlang einer Zellenstapelachse A angeordnet sein, um einen der Zellenstapel 30 des Cell-to-Pack-Batteriesystems 20 auszubilden. Jede Batteriezelle 26 kann Hauptseiten 52, Nebenseiten 54, eine Oberseite 56 und eine Unterseite 58 beinhalten. In einer Ausführungsform ist die Unterseite 58 jeder Batteriezelle 26 in Kontakt mit der ebenen Fläche 50 positioniert. Es könnte jedoch eine beliebige Fläche der Batteriezellen 26 im Verhältnis zu der ebenen Fläche 50 angeordnet sein.
Die ebene Fläche 50 kann Teil einer Montagepalette oder einer anderen Struktur sein, die einer Arbeitsstation einer Herstellungsmontagelinie zugeordnet ist. Die ebene Fläche 50 kann eine erste gemeinsame Bezugsreferenzebene 60 zum Ausrichten und Gruppieren der Batteriezellen 26 im Verhältnis zueinander ausbilden. Somit ist in dieser Ausführungsform die Unterseite 58 jeder Batteriezelle 26 im Verhältnis zu der ersten gemeinsamen Bezugsreferenzebene 60 ausgerichtet.
Als Nächstes kann, wie in 5 dargestellt, die erste Gruppierung G1 von Batteriezellen 26 in eine Position im Verhältnis zu einer Zellengruppierungsbaugruppe 62 bewegt werden. Die Zellengruppierungsbaugruppe 62 kann entweder vor oder nach dem Positionieren der ersten Gruppierung G1 von Batteriezellen 26 auf der ebenen Fläche 50 gegen die ebene Fläche 50 positioniert werden. Die Zellengruppierungsbaugruppe 62 kann eine erste Endwand 64, eine zweite Endwand 66 und einen Querträger 68, der sich zwischen der ersten Endwand 64 und der zweiten Endwand 66 erstreckt, beinhalten. Der Querträger 68 kann dazu konfiguriert sein, sich axial im Verhältnis zu der ersten Endwand 64, der zweiten Endwand 66 oder beiden zu bewegen. In einer Ausführungsform sind die erste Endwand 64 und die zweite Endwand 66 Metallstrukturen und ist der Querträger 68 eine Polymerstruktur. Die genaue Materialzusammensetzung jeder Teilkomponente der Zellengruppierungsbaugruppe 62 soll diese Offenbarung jedoch nicht einschränken.
Die Batteriezellen 26 oder die Zellengruppierungsbaugruppe 62 können derart bewegt werden, dass eine der Nebenseiten 54 jeder Batteriezelle 26 so angeordnet ist, dass sie eine erste Seite 70 des Querträgers 68 berührt. Die erste Seite 70 des Querträgers 68 kann eine zweite gemeinsame Bezugsreferenzebene 72 zum Ausrichten und Gruppieren der Batteriezellen 26 im Verhältnis zueinander ausbilden, um einen der Zellenstapel 30 auszubilden. Die erste und die zweite gemeinsame Bezugsreferenzebene 60, 72 können als Montagehilfen vorteilhaft sein, wenn die Batteriezellen 26 aufgrund von Toleranzüberlagerung und anderen Herstellungsschwierigkeiten leicht unterschiedliche Größen aufweisen. Wie schematisch abgebildet, werden daher jegliche Toleranzabweichungen der Batteriezellen 26 von der ersten Seite 70 des Querträgers 68 weg gerichtet.
Die Batteriezellen 26 können während dieser Phase des Verfahrens durch Aufbringen eines Strukturklebstoffs 74 aneinandergebunden werden. Der Strukturklebstoff 74 kann zwischen den Nebenseiten 54 und der ersten Seite 70 des Querträgers 68, zwischen den Batteriezellen 26, die sich an den Enden der ersten Gruppierung G1 befinden, und jeder Endwand 64, 66 der Zellengruppierungsbaugruppe 62 und/oder zwischen den Hauptseiten 52 benachbarter Batteriezellen 26 aufgebracht werden. Sobald er ausgehärtet ist, kann der Strukturklebstoff 74 den Zellenstapel 30 versteifen, wodurch Durchhängen und/oder Wölben oder anderweitiges Verformen verhindert wird/werden. Der Strukturklebstoff 74 kann ein Epoxid oder ein beliebiger anderer geeigneter Klebstoff sein.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 6 kann eine zweite Gruppierung G2 von Batteriezellen 26 in eine Position im Verhältnis zu sowohl der ebenen Fläche 50 als auch der Zellengruppierungsbaugruppe 62 bewegt werden. Die zweite Gruppierung G2 von Batteriezellen 26 kann einen zusätzlichen Zellenstapel 30 des Cell-to-Pack-Batteriesystems 20 ausbilden. Die zweite Gruppierung G2 von Batteriezellen 26 kann derart bewegt werden, dass die Unterseiten 58 der Batteriezelle 26 so angeordnet sind, dass sie die ebene Fläche 50 berühren, und eine der Nebenseiten 54 jeder Batteriezelle 26 so angeordnet ist, dass sie eine zweite Seite 76 des Querträgers 68 berührt. Die zweite Seite 76 ist eine gegenüberliegende Seite von der ersten Seite 70 des Querträgers 68. Die zweite Seite 76 kann eine dritte gemeinsame Bezugsreferenzebene 78 zum Ausrichten und Gruppieren der Batteriezellen 26 der zweiten Gruppierung G2 im Verhältnis zueinander ausbilden, um einen anderen der Zellenstapel 30 auszubilden. Die dritte gemeinsame Bezugsreferenzebene 78 ist parallel zu der zweiten gemeinsamen Bezugsreferenzebene 78. Die Zellengruppierungsbaugruppe 62 ist daher imstande, Bezugsreferenzpunkte bereitzustellen, die auf mindestens zwei Seiten (z. B. Unter- und Nebenseite) jedes daran positionierten Zellenstapels 30 referenziert sind.
Unter Bezugnahme auf 7 können die in den 4, 5 und 6 schematisch veranschaulichten Verfahrensschritte wiederholt werden, um eine gewünschte Anzahl von Zellenstapeln 30 bereitzustellen. Die Zellengruppierungsbaugruppen 62, die genutzt werden, um eine gewünschte Anzahl von Zellenstapeln 30 bereitzustellen, die innerhalb des Cell-to-Pack-Batteriesystems 20 genutzt werden soll, können nebeneinander angeordnet sein, sodass die erste und die zweite Endwand 64, 66 von benachbarten Zellengruppierungsbaugruppen 62 aneinander anliegen. Eine Breite W1 der ersten und der zweiten Endwand 64, 66 jeder Zellengruppierungsbaugruppe 62 kann etwas größer als eine Breite W2 sein, die sich von einer Seite der ersten Gruppierung G1 von Batteriezellen 26 zu einer gegenüberliegenden Seite der zweiten Gruppierung G2 von Batteriezellen 26 erstreckt, die im Verhältnis zu der Zellengruppierungsbaugruppe 62 angeordnet ist. Wenn die Zellengruppierungsbaugruppen 62 aneinander anlegen, stören daher die Batteriezellen 26, die innerhalb benachbarter Zellengruppierungsbaugruppen 62 gehalten werden, einander nicht.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 8 kann das Verfahren als Nächstes fortgesetzt werden, indem Druckkräfte Fc auf jeden Zellenstapel 30 ausgeübt werden. Eine Kompressionsvorrichtung 80 kann innerhalb von Öffnungen 82 positioniert sein, die in jeder der Endwände 64, 66 der Zellengruppierungsbaugruppe 62 gebildet sind. Die Öffnungen 82 können zusätzlich dazu konfiguriert sein, Befestigungselemente zum Anbringen der Zellengruppierungsbaugruppen 62 an der Gehäuseschale 36 aufzunehmen. Die Kompressionsvorrichtungen 80 können aufeinander zubewegt werden, um die Druckkräfte Fc entlang jeder Zellenstapelachse A auf die gegenüberliegenden Enden jeder Gruppierung von Batteriezellen 26 auszuüben, die innerhalb der Zellengruppierungsbaugruppe 62 gehalten wird. Die Druckkräfte Fc drücken im Wesentlichen die Batteriezellen 26 innerhalb jedes Zellenstapels 30 zusammen, wodurch der Zellenstapel 30 und die einzelnen Batteriezellen 26 auf eine gewünschte Zellenstapellänge L komprimiert werden.
In einer Ausführungsform betragen die Druckkräfte Fc, die durch die Kompressionsvorrichtungen 80 auf die Batteriezellen 26 ausgeübt werden, etwa 3 Kilonewton. Die ausgeübten tatsächlichen Druckkräfte können jedoch unter anderen Faktoren je nach der Batteriezellenart variieren. In dieser Offenbarung bedeutet der Ausdruck „etwa“, dass die angegebenen Mengen oder Bereiche nicht genau sein müssen, sondern angenähert und/oder größer oder kleiner sein können, was akzeptable Toleranzen, Umrechnungsfaktoren, Messfehler usw. widerspiegelt.
Die Kompressionsvorrichtungen 80 könnten durch einen pneumatischen Aktor angetrieben werden, um die Druckkraft Fc auszuüben. Jedoch könnten alternativ andere Arten von Aktoren eingesetzt werden, um eine gewünschte Drucklast zu erreichen. Überdies können die Kompressionsvorrichtungen 80 dazu konfiguriert sein, eine oder mehrere Zellengruppierungsbaugruppen 62 gleichzeitig in Eingriff zu nehmen.
Der Querträger 68 kann sich im Verhältnis zu einer oder beiden der Endwände 64, 66 jeder Zellengruppierungsbaugruppe 62 bewegen, wenn die Druckkräfte Fc ausgeübt werden. Sobald eine gewünschte Drucklast auf jede Gruppierung von Batteriezellen 26 ausgeübt wird, kann die Positionierung des Querträgers 68 gegen eine weitere Bewegung fixiert werden. In einer Ausführungsform kann eine Mutter 84 auf einen Gewindeabschnitt 86 des Querträgers 68 aufgesetzt werden, um eine weitere Bewegung des Querträgers 68 im Verhältnis zu einer oder beiden der Endwände 64, 66 zu verhindern.
Nach dem Ausüben der gewünschten Druckkräfte Fc können die Zellengruppierungsbaugruppen 62 (zusammen mit den darin gehaltenen Zellenstapeln 30) zusammen als Einheit in eine Zellenkompressionsöffnung 42 der Gehäuseschale 36 auf eine Weise bewegt werden, die der in 3 dargestellten ähnlich ist. Daher bilden die Zellengruppierungsbaugruppen 62 nach Abschluss des vorstehend beschriebenen Verfahrens einen Teil der Zellenmatrix 32 des Cell-to-Pack-Batteriesystems 20 aus.
Die hier beschriebenen beispielhaften Herstellungsprozesse stellen eine Methodik zum Gruppieren von Batteriezellen miteinander bereit, um eine Zellenmatrix eines Cell-to-Pack-Batteriesystems unter Verwendung einer oder mehrerer Zellengruppierungsbaugruppen zu bilden. Die Zellengruppierungsbaugruppen stellen Lösungen für verschiedene Montageschwierigkeiten bereit, die dadurch entstehen können, dass ein Großteil der Bankträgerstrukturen entfällt, die herkömmlichen Traktionsbatteriepacks zugeordnet sind.
Obwohl die unterschiedlichen nicht einschränkenden Ausführungsformen als konkrete Komponenten oder Schritte aufweisend veranschaulicht sind, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese besonderen 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 kennzeichnen. Es versteht sich, dass in diesen Ausführungsbeispielen zwar eine besondere Komponentenanordnung offenbart und veranschaulicht ist, andere Anordnungen aber ebenfalls von den Lehren dieser Offenbarung profitieren könnten.
Die vorhergehende Beschreibung soll als veranschaulichend und nicht in einschränkendem Sinne ausgelegt werden. Der Durchschnittsfachmann versteht, dass gewisse Modifikationen in den Umfang der vorliegenden 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

Traktionsbatteriepack, umfassend: eine Gehäusebaugruppe; und ein Cell-to-Pack-Batteriesystem, das innerhalb der Gehäusebaugruppe untergebracht ist und einen ersten Zellenstapel, einen zweiten Zellenstapel und eine Zellengruppierungsbaugruppe beinhaltet, wobei die Zellengruppierungsbaugruppe eine gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausrichten einer ersten Gruppierung von Batteriezellen des ersten Zellenstapels und einer zweiten Gruppierung von Batteriezellen des zweiten Zellenstapels im Verhältnis zu der Zellengruppierungsbaugruppe ausbildet.
Traktionsbatteriepack nach Anspruch 1, wobei der erste Zellenstapel eine erste Zellenreihe einer Zellenmatrix des Cell-to-Pack-Batteriesystems ausbildet und der zweite Zellenstapel eine zweite Zellenreihe der Zellenmatrix ausbildet, und wobei gegebenenfalls eine Gehäuseschale der Gehäusebaugruppe eine Zellenkompressionsöffnung zum Komprimieren der Zellenmatrix bereitstellt.
Traktionsbatteriepacks nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zellengruppierungsbaugruppe eine erste Endwand, eine zweite Endwand und einen Querträger, der sich zwischen der ersten Endwand und der zweiten Endwand erstreckt, beinhaltet.
Traktionsbatteriepack nach Anspruch 3, wobei die erste Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer ersten Seite des Querträgers ausgerichtet ist und die zweite Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer zweiten Seite des Querträgers ausgerichtet ist.
Traktionsbatteriepack nach Anspruch 3, wobei die erste und die zweite Endwand Metallstrukturen sind und der Querträger eine Polymerstruktur ist.
Traktionsbatteriepack nach Anspruch 3, umfassend eine Öffnung, die durch die erste Endwand oder die zweite Endwand gebildet ist, wobei die Öffnung dazu konfiguriert ist, eine Kompressionsvorrichtung oder ein Befestigungselement aufzunehmen.
Traktionsbatteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Strukturklebstoff, der zwischen dem ersten Zellenstapel und der Zellengruppierungsbaugruppe aufgebracht ist.
Traktionsbatteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Cell-to-Pack-Batteriesystem einen dritten Zellenstapel, einen vierten Zellenstapel und eine zweite Zellengruppierungsbaugruppe beinhaltet, wobei die zweite Zellengruppierungsbaugruppe eine zusätzliche gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausrichten einer dritten Gruppierung von Batteriezellen des dritten Zellenstapels und einer vierten Gruppierung von Batteriezellen des vierten Zellenstapels im Verhältnis zu der zweiten Zellengruppierungsbaugruppe ausbildet, und wobei gegebenenfalls die zweite Zellengruppierungsbaugruppe so positioniert ist, dass sie an der Zellengruppierungsbaugruppe anliegt.
Verfahren zum Montieren eines Traktionsbatteriepacks, umfassend: Anordnen einer ersten Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer ersten Seite einer Zellengruppierungsbaugruppe; und Anordnen einer zweiten Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer zweiten Seite der Zellengruppierungsbaugruppe, wobei die erste Gruppierung von Batteriezellen, die zweite Gruppierung von Batteriezellen und die Zellengruppierungsbaugruppe einen Teil eines Cell-to-Pack-Batteriesystems des Traktionsbatteriepacks ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend, nach dem Anordnen, Ausüben einer Druckkraft auf die erste und die zweite Gruppierung von Batteriezellen über die Zellengruppierungsbaugruppe.
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend, nach dem Ausüben, Platzieren des Cell-to-Pack-Batteriesystems innerhalb einer Zellenkompressionsöffnung einer Gehäuseschale des Traktionsbatteriepacks.
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend, nach dem Ausüben, Fixieren eines Querelements der Zellengruppierungsbaugruppe gegenüber einer Bewegung im Verhältnis zu mindestens einer Endwand der Zellengruppierungsbaugruppe.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die erste Seite der Zellengruppierungsbaugruppe eine erste gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausrichten der ersten Gruppierung von Batteriezellen ausbildet und die zweite Seite der Zellengruppierungsbaugruppe eine zweite gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausrichten der zweiten Gruppierung von Batteriezellen ausbildet, und gegebenenfalls umfassend, vor dem Anordnen, Positionieren der ersten Gruppierung von Batteriezellen auf einer ebenen Fläche, und wobei gegebenenfalls die ebene Fläche eine dritte gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausrichten der ersten Gruppierung von Batteriezellen ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, umfassend: Anordnen einer dritten Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer ersten Seite einer zweiten Zellengruppierungsbaugruppe; und Anordnen einer vierten Gruppierung von Batteriezellen im Verhältnis zu einer zweiten Seite der zweiten Zellengruppierungsbaugruppe; und gegebenenfalls umfassend Positionieren der zweiten Zellengruppierungsbaugruppe so, dass sie an der Zellengruppierungsbaugruppe anliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, umfassend Binden der ersten Gruppierung von Batteriezellen an die erste Seite und der zweiten Gruppierung von Batteriezellen an die zweite Seite.