-
Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für eine Batteriezelle eines Batteriemoduls und ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls unter Verwendung einer solchen Prüfvorrichtung.
-
Bei der Herstellung eines Batteriemoduls wird aus mehreren Batteriezellen und zwischen den Batteriezellen angeordneten Trennelementen ein Stapel bzw. Stack gebildet. Ein solcher Batteriezellenstapel wird insgesamt auf ein Sollmaß verpresst, um entsprechende Produktvorgaben zu erfüllen. Dabei werden angelieferte Batteriezellen, die insbesondere in einem sogenannten bombierten Zustand vorliegen, zusammengepresst bzw. kompaktiert. Mit anderen Worten werden Batteriezellen, die leicht aufgebläht bzw. bauchig sind, in dem Batteriezellenstapel komprimiert. Die Abfolge von komprimierten bzw. verpressten Batteriezellen und Trennelementen wird insgesamt als Batteriezellenstapel fixiert, insbesondere mittels materialschlüssiger Verbindungstechniken wie Verschweißen oder dergleichen.
-
Es hat sich gezeigt, dass der Zustand von angelieferten Batteriezellen recht unterschiedlich sein kann, so dass es schwierig ist, den Vorgang des Verpressens des Batteriezellenstapels beim Herstellen des Batteriemoduls richtig auszulegen. Insbesondere können die Batteriezellen unterschiedlich stark aufgebläht sein oder in Bezug auf ihre Außenmaße um mehreren Zehntelmillimeter voneinander abweichen.
-
Aus der
DE 10 2021 104 206 A1 ist eine Messvorrichtung zur Ermittlung eines Einpressdrucks bei einem Fertigungsprozess für ein Batteriemodul bekannt, wobei das Batteriemodul ein Gehäuse aufweist mit zumindest einem Druck-Außensensor, Dehnungsmessstreifen, Kraftsensor oder dergleichen.
-
Die
DE 10 2018 210 819 A1 offenbart ein Verfahren zum Fügen eines Batteriemoduls in ein Batteriegehäuse, wobei der Zustellprozess mittels eines Weg- und Kraftmesssystems überwacht wird.
-
Die
US 2011 0258 846 A1 offenbart ein System zum Verpressen eines Batteriezellenstapels mit einem Kraftsensor zur Messung der Verpresskraft.
-
Die
DE 10 2019 105 064 A1 offenbart eine Prüfvorrichtung für zumindest eine elektrische Speicherzelle mit einer ersten und einer zweiten Druckplatte, die einen Zwischenraum zur Aufnahme einer Speicherzelle bilden. Die Prüfvorrichtung umfasst einen Aktor, der eingerichtet ist, einen Abstand zwischen den Druckplatten einzustellen.
-
Aufgrund des Aufbaus der einzelnen Batteriezellen, insbesondere deren Inhalt, der in verschiedenen Phasen (Gas, Flüssigkeit, Festkörper) vorliegen kann, ist das mechanische Verhalten der Batteriezellen stark nicht-linear und sehr komplex. Ferner weisen die Batteriezellen ein unbekanntes, aber beobachtbares Relaxationsverhalten auf, das insbesondere für die Steifigkeit von Flächen wichtig ist, die nach dem Verpressen frei liegen. Ferner beeinflusst das Relaxationsverhalten der einzelnen Batteriezellen auch die spätere Gesamtsteifigkeit eines Batteriemoduls.
-
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Möglichkeit zu schaffen, Batteriezellen in Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften besser handhaben zu können, insbesondere im Hinblick auf deren spätere Verwendung und Verpressung in einem Batteriezellenstapel bzw. einem Batteriemodul.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine mechanische Prüfvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Vorgeschlagen wird also eine Prüfvorrichtung für eine Batteriezelle eines Batteriemoduls, mit einem ersten Presselement, einen zweiten Presselement, wobei das erste Presselement und das zweite Presselement entlang einer Pressrichtung relativ zueinander beweglich sind, mit einem ersten Haltelement, das dem ersten Presselement zugeordnet ist, mit einem zweiten Halteelement, das dem zweiten Presselement zugeordnet ist, wobei zwischen dem ersten Halteelement und dem zweiten Halteelement eine zu prüfende Batteriezelle aufnehmbar oder aufgenommen ist, derart, dass mittels des ersten Presselements und des zweiten Presselements eine Druckkraft auf die Batteriezelle ausübbar ist, und mit einer ersten Sensoreinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine an der Batteriezelle unter Einwirkung der Druckkraft hervorgerufene Deformation zu erfassen, wobei die erste Sensoreinrichtung derart an der Prüfvorrichtung angeordnet ist, dass ihre Erfassungsrichtung geneigt, insbesondere orthogonal zur Pressrichtung ist.
-
Eine derartige Prüfvorrichtung ermöglicht eine Erfassung von mechanischen Eigenschaften von einzelnen Batteriezellen bevor diese in einem Batteriezellenstapel verbaut bzw. verpresst werden. Dabei kann mittels der Prüfvorrichtung das mechanische Verhalten der Batteriezelle erfasst werden, was beim späteren Verpressen der Batteriezelle in einem Batteriezellenstapel berücksichtigt werden kann. Somit kann mittels der Prüfung von einzelnen Batteriezellen eine Verbesserung bei der Herstellung von einem Batteriemodul ermöglicht werden, insbesondere im Hinblick auf einzustellende Prozesskräfte, verbleibende Deformationen nach dem Verpressen und dergleichen.
-
Die Prüfvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, mittels der ersten Sensoreinrichtung eine erste Deformationsmessung durchzuführen, wenn das erste Presselement und das zweite Presselement derart zueinander eingestellt sind, dass die Batteriezelle auf ein Sollmaß komprimiert ist. Mit anderen Worten ist die erste Sensoreinrichtung dazu eingerichtet, einen Messwert einer wegabhängigen Deformation der Batteriezelle zu erfassen bzw. aufzuzeichnen.
-
Die Prüfvorrichtung kann eine zweite Sensoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine an der Batteriezelle unter Einwirkung der Druckkraft hervorgerufene Steifigkeit zu erfassen, wobei die zweite Sensoreinrichtung derart an der Prüfvorrichtung angeordnet ist, dass ihre Erfassungsrichtung entgegengesetzt zur Erfassungsrichtung der ersten Sensoreinrichtung ist.
-
Dabei kann die zweite Sensoreinrichtung dazu eingerichtet sein, die Steifigkeit der Batteriezelle durch Aufbringen einer Zusatzkraft aus einer Richtung orthogonal zur Pressrichtung zu erfassen. Mit anderen Worten kann die zweite Sensoreinrichtung dazu eingerichtet sein, Messwerte einer kraftgesteuerten Deformation zu erfassen bzw. aufzuzeichnen.
-
Die Prüfvorrichtung kann ein der zweiten Sensoreinrichtung zugeordnetes Krafteinleitungselement aufweisen, das relativ zu dem ersten Presselement und dem zweiten Presselement orthogonal zur Pressrichtung zur Batteriezelle hin beweglich ist. Hierdurch kann die zwischen den Presselementen aufgenommenen und komprimierte Batteriezelle aus einer anderen Richtung mit einer Zusatzkraft beaufschlagt werden, so dass ihr Deformationsverhalten bzw. ihre Steifigkeit erfasst bzw. aufgezeichnet werden kann.
-
Bei der Prüfvorrichtung können das erste Halteelement und das zweite Halteelement derart ausgebildet sein, dass sie die barrenförmige Batteriezelle an ihren seitlichen, insbesondere vorderen und hinteren Hauptflächen beaufschlagen. Mit anderen Worten ist die Prüfvorrichtung so ausgeführt, dass sie eine Art simulierte Einbausituation der Batteriezelle in einem Batteriezellenstapel ermöglicht, um Rückschlüsse auf das mechanische Verhalten der Batteriezelle beim Herstellen des Batteriezellenstapels zu ermöglichen.
-
Bei der Prüfvorrichtung kann die erste Sensorvorrichtung derart an der Prüfvorrichtung angeordnet sein, dass sie eine Deformation an einer Randfläche der barrenförmigen Batteriezelle erfasst. Dabei kann die Randfläche der barrenförmigen Batteriezelle zwischen den beiden seitlichen Hauptflächen angeordnet sein, wobei die Batteriezelle insbesondere vier Randflächen aufweist.
-
Vorgeschlagen wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit mehreren nebeneinander angeordneten Batteriezellen, wobei jeder Batteriezelle vor ihrer Verwendung in dem betreffenden Batteriemodul mindestens ein Messwert zugeordnet und gespeichert worden ist, der unter Verwendung einer Prüfvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden An-sprüche erfasst worden ist.
-
Bei einem solchen Verfahren können die mittels der Prüfvorrichtung erfassten bzw. aufgezeichneten bzw. zu einer Batteriezelle gespeicherten Messdaten zumindest teilweise berücksichtigt werden, wenn die mehreren Batteriezellen miteinander verpresst werden.
-
Ferner können bei einem solchen Verfahren die mittels der Prüfvorrichtung erfassten bzw. aufgezeichneten bzw. zu einer Batteriezelle gespeicherten Messdaten zumindest teilweise berücksichtigt werden, wenn der Batteriezellenstapel nach dem Verpressen weiter verarbeitet wird.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
- 1 eine vereinfachte und schematische Perspektivdarstellung einer Prüfvorrichtung mit darin aufgenommener Batteriezelle;
- 2 eine vereinfachte und schematische Schnittdarstellung etwa entsprechend der Schnittlinie II-II der 1.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die 1 und 2 genauer beschrieben, wobei 1 eine perspektivische Ansicht eine Prüfvorrichtung 10 zeigt und 2 eine vereinfachte Schnittansicht gemäß der Schnittlinie II-II.
-
In der Prüfvorrichtung 10 ist eine (einzelne) Batteriezelle 12 aufgenommen. Mehrere solche Batteriezellen 12 können zu einem nicht weiter dargestellten Batteriemodul miteinander kombiniert werden.
-
Die Prüfvorrichtung 10 weist ein erstes Presselement 14 und ein zweites Presselement 16 auf. Die Presselemente 14, 16 könne auch als Stempelbezeichnet werden.
-
Das erste Presselement 14 und das zweite Presselement 16 sind entlang einer Pressrichtung PR relativ zueinander beweglich. Mit anderen Worten können sie voneinander entfernt werden oder zueinander hin bewegt werden. In einer voneinander entfernten Stellung kann eine Batteriezelle 12 in die Prüfvorrichtung 10 eingelegt oder aus dieser entnommen werden. In einer zu einander hin bewegten Stellung wird die Batteriezelle 12 zwischen den Presselementen 14, 16 kraftschlüssig gehalten, insbesondere unter einer vorbestimmten Druck- bzw. Presskraft.
-
Die zu prüfende Batteriezelle 12 ist insbesondere zwischen einem ersten Halteelement 18 und einem zweiten Halteelement 20 aufgenommen. Das erste Haltelement 18 ist dem ersten Presselement 14 zugeordnet bzw. mit diesem verbunden. Das zweite Halteelement 20 ist dem zweiten Presselement 16 zugeordnet bzw. mit diesem verbunden.
-
Entsprechend kann die zu prüfende Batteriezelle 12 derart zwischen dem ersten Halteelemente 18 und dem zweiten Halteelement 20 aufgenommen werden, dass mittels des ersten Presselements 14 und des zweiten Presselements 16 eine Druckkraft auf die Batteriezelle 12 ausübbar ist.
-
Die Prüfvorrichtung 10 umfasst ferner eine erste Sensoreinrichtung 22, die dazu eingerichtet ist, eine an der Batteriezelle 12 unter Einwirkung der Druckkraft hervorgerufene Deformation zu erfassen. Die erste Sensoreinrichtung 22 ist dabei derart an der Prüfvorrichtung 10 angeordnet, dass ihre Erfassungsrichtung ER geneigt, insbesondere orthogonal zur Pressrichtung PR ist.
-
Die Prüfvorrichtung 10 ist dazu eingerichtet ist, mittels der ersten Sensoreinrichtung 22 eine erste Deformationsmessung durchzuführen, wenn das erste Presselement 14 und das zweite Presselement 16 derart zueinander eingestellt sind, dass die Batteriezelle 12 auf ein Sollmaß komprimiert ist.
-
Die Prüfvorrichtung kann eine zweite Sensoreinrichtung 24 aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine an der Batteriezelle 12 unter Einwirkung der Druckkraft hervorgerufene Steifigkeit zu erfassen, wobei die zweite Sensoreinrichtung 24 derart an der Prüfvorrichtung 10 angeordnet ist, dass ihre Erfassungsrichtung ER2 entgegengesetzt zur Erfassungsrichtung ER der ersten Sensoreinrichtung 22 ist.
-
Die zweite Sensoreinrichtung 24 ist insbesondere dazu eingerichtet, die Steifigkeit der Batteriezelle 12 durch Aufbringen einer Zusatzkraft ZK aus einer Richtung orthogonal zur Pressrichtung PR zu erfassen. Mit anderen Worten wird mittels der aufgebrachten Zusatzkraft ZK an der zwischen den Halteelementen 14, 16 eingespannten Batteriezelle 12 gemessen, welche Steifigkeit sie in diesem zusammengedrückten bzw. vorgespannten Zustand aufweist.
-
Die Prüfvorrichtung 10 weist ein der zweiten Sensoreinrichtung 24 zugeordnetes Krafteinleitungselement 26 auf, das relativ zu dem ersten Presselement 14 und dem zweiten Presselement 16 orthogonal zur Pressrichtung PR zur Batteriezelle 12 hin beweglich ist. Das Krafteinleitungselement 26 ist dabei insbesondere in Richtung der aufzubringenden Zusatzkraft ZK zu der Batteriezelle 12 hin oder von dieser weg beweglich.
-
Bei der Prüfvorrichtung 10 sind das erste Haltelement 14 und das zweite Haltelement 16 derart ausgebildet sind, dass sie die barrenförmige Batteriezelle 12 an ihren seitlichen, insbesondere vorderen und hinteren Hauptflächen 12f, 12g beaufschlagen.
-
Bei der Prüfvorrichtung 10 ist die erste Sensorvorrichtung 22 derart an der Prüfvorrichtung 10 angeordnet, dass sie eine Deformation an einer Randfläche 12r der barrenförmigen Batteriezelle 12 erfasst. Dabei ist die Randfläche 12r der barrenförmigen Batteriezelle 12 zwischen den beiden seitlichen Hauptflächen 12f, 12g angeordnet, wobei die Batteriezelle 12 insbesondere vier Randflächen 12r aufweist.
-
Unter Bezugnahme auf die die 1 wird noch darauf hingewiesen, dass die Prüfvorrichtung 10 auch noch eine weitere Sensorvorrichtung 22w aufweisen kann, die wie die erste Sensoreinrichtung 22 dazu eingerichtet ist, eine an der Batteriezelle 12 unter Einwirkung der Druckkraft hervorgerufene Deformation zu erfassen. Dabei kann die weitere Sensoreinrichtung 22w eine Erfassungsrichtung ERw aufweisen, die im Wesentlichen orthogonal zur Erfassungsrichtung ER der ersten Sensoreinrichtung 22 ausgerichtet ist.
-
Ferner ist aus der 1 ersichtlich, dass die Prüfvorrichtung 10 noch eine weitere Sensoreinrichtung 24w aufweisen kann, die wie die zweite Sensoreinrichtung 24 dazu eingerichtet ist, die Steifigkeit der Batteriezelle 12 durch Aufbringen einer Zusatzkraft ZKw aus einer Richtung orthogonal zur Pressrichtung PR zu erfassen.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften der Prüfvorrichtung 10 können auch im Rahmen eines Verfahrens zur Herstellung eines Batteriemoduls mit mehreren nebeneinander angeordneten Batteriezellen 12 vorgesehen sein. Insbesondere können die strukturell beschriebenen Einrichtungen der Prüfvorrichtung 10 auch als einzelne Verfahrensschritte verstanden werden.
-
Bei einem solchen Verfahren wird jeder Batteriezelle 12 vor ihrer Verwendung in dem betreffenden Batteriemodul mindestens ein Messwert zugeordnet und gespeichert, der unter Verwendung einer oben beschriebenen Prüfvorrichtung 10 erfasst worden ist.
-
Bei einem solchen Verfahren können die mittels der Prüfvorrichtung 10 erfassten bzw. aufgezeichneten bzw. zu einer Batteriezelle 12 gespeicherten Messdaten zumindest teilweise berücksichtigt werden, wenn die mehreren Batteriezellen 12 miteinander verpresst werden.
-
Ferner können bei einem solchen Verfahren die mittels der Prüfvorrichtung 10 erfassten bzw. aufgezeichneten bzw. zu einer Batteriezelle 12 gespeicherten Messdaten zumindest teilweise berücksichtigt werden, wenn der Batteriezellenstapel nach dem Verpressen weiter verarbeitet wird.
-
Mittels der oben beschriebenen Prüfvorrichtung 10 kann somit eine durchgängige, zustandsabhängige und mehrachsige Steifigkeitsmessung bzw. Deformationsmessung an einzelnen Batteriezellen 12 vorgenommen werden.
-
Insbesondere können für jede Batteriezelle 12 bereits vor ihrem Verpressen zu einem Batteriemodul zuverlässige Steifigkeits- bzw. Deformationswerte erfasst und gespeichert werden. Entsprechend kann das Verhalten einer Batteriezelle bei der Zusammenstellung eines Batteriezellenstapels berücksichtigt werden.
-
Aufgrund der durchgeführten Messungen ist es auch möglich, Informationen über eine Deformation bzw. Ebenheit der die nach dem Verpressen zu einem Batteriemodul freien Randflächen 12r zu erhalten, was insbesondere bei Folgeschritten von Interesse ist, etwa beim Einfügen bzw. Verpressen von einem Wärmeleitmedium in das Batteriemodul.
