DE102023123494B3

DE102023123494B3 - Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit mehreren zu einem Zellstapel angeordneten Batteriezellen

Info

Publication number: DE102023123494B3
Application number: DE102023123494.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Eidmann; Oliver Stoll; Julius Rausch
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2023-08-31
Filing date: 2023-08-31
Publication date: 2024-05-29
Anticipated expiration: 2043-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (100), das mehrere zu einem Zellstapel angeordnete Batteriezellen (110) aufweist, mit den Schritten:- Anordnen der elektrisch teilgeladenen Batteriezellen (110) zu dem Zellstapel, wobei an den gegenüberliegenden Enden des Zellstapels auch jeweils eine Druckplatte (120) angeordnet wird;- temporäres Verpressen (P) des Zellstapels;- Aufziehen wenigstens eines geschlossenen Spannbandrings (130), sodass der Spannbandring (130) den Zellstapel einschließlich der Druckplatten (120) umschließt;- Beenden des temporären Verpressens (P), wodurch der Zellstapel expandiert und der Spannbandring (130) gespannt wird;- elektrisches Aufladen der Batteriezellen (110), wodurch die Batteriezellen (110) expandieren der Spannbandring (130) weiter gespannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls, das mehrere zu einem Zellstapel angeordnete Batteriezellen aufweist.
Ein betreffendes Batteriemodul weist mehrere, d. h. wenigstens zwei, zu einem Zellstapel (Stack) angeordnete Speicher- bzw. Batteriezellen auf. Die Batteriezellen müssen in geeigneter Weise zusammengehalten werden. Dies kann mithilfe wenigstens eines Spannelements erfolgen, das die Batteriezellen zusammenpresst bzw. zusammenspannt. Der mittels Spannelement auf die Batteriezellen ausgeübte Druck kann sich auch positiv auf deren Lebensdauer auswirken. Bevorzugt handelt es sich um ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs.
Die DE 10 2012 214 258 A1 beschreibt ein Batteriemodul, das mindestens zwei Batteriezellen und ein Verspannelement zum Verspannen der Batteriezellen gegeneinander aufweist. Das Verspannelement weist dabei ein textiles Material auf und kann als vollständig umlaufendes Band, d. h. als Endlosband ausgeführt sein. Beschrieben ist auch ein Verfahren zur Herstellung des Batteriemoduls, bei dem zunächst die Batteriezellen gegeneinander gespannt bzw. gedrückt werden und anschließend ein als Endlosband ausgeführtes Verspannelement darübergestülpt wird.
Die DE 10 2013 217 903 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls für ein Kraftfahrzeug, umfassend die Schritte:

- hintereinander Anordnen mehrerer Speicherzellen in einer Reihe zu einem Zellstapel,
- Anordnen je mindestens einer Druckplatte an je einem Ende des Zellstapels,
- Verpressen der Druckplatten,
- Umwickeln der Druckplatten mit einem Band und
- Bilden eines zusammenhängenden Bandes durch stoffschlüssiges Verbinden eines Endes des gewickelten Bandes mit einem weiteren Teils des Bandes.

Die DE 10 2014 219 644 A1 offenbart ein vergleichbares Verfahren, bei welchem ein zwischen zwei Druckplatten angeordneter Stapel Batteriezellen zusammengedrückt und mit einem Spannband umwickelt wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Herstellungsverfahren für ein betreffendes Batteriemodul anzugeben, das insbesondere auch für eine Serienfertigung geeignet ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung (dies schließt auch beispielhaft und optional beschriebene Merkmale ein) und den Figuren.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht folgende Schritte vor:

- Anordnen der elektrisch teilgeladenen Batteriezellen zu einem Zellstapel, wobei an den gegenüberliegenden Enden des Zellstapels auch jeweils eine End- bzw. Druckplatte angeordnet wird;
- temporäres Verpressen des Zellstapels;
- Aufziehen (im Sinne von Überstreifen) wenigstens eines geschlossenen Spannbandrings auf den verpressten Zellstapel, sodass der Spannbandring den Zellstapel einschließlich beider Druckplatten umfasst bzw. umschließt;
- Beenden des temporären Verpressens, wodurch der Zellstapel (aufgrund elastischer Rückstellung) expandiert und der Spannbandring gespannt wird;
- elektrisches Aufladen der Batteriezellen, wodurch die Batteriezellen expandieren der Spannbandring weiter gespannt wird.

Bei den Batteriezellen handelt es sich bevorzugt um prismatische Batteriezellen und insbesondere um quaderförmige Batteriezellen. Die Batteriezellen sind zunächst teilgeladen. Damit ist gemeint, dass die Batteriezellen nicht vollständig bzw. nur unvollständig elektrisch geladen sind, bevorzugt nur mit 10 % bis 50 % (10 bis 50 % SOC), insbesondere nur mit 20 % bis 30 % (20 bis 30 % SOC), der maximalen Ladekapazität (= 100 %). Beim Stapeln können zwischen den Batteriezellen Zwischenlagen, bspw. Brandschutzlagen, und/oder Zwischenplatten angeordnet werden. Bevorzugt wird ein liegender Stapel mit horizontaler Stapelrichtung gebildet. Das Verpressen des Zellstapels erfolgt in Stapelrichtung, bspw. mithilfe einer hydraulischen Spannvorrichtung. Das Verpressen wird insbesondere so ausgeführt, dass der Außenumfang des Zellstapels geringer ist als der Innenumfang des aufzuziehenden Spannbandrings. Es können mehrere Spannbandringe auf den verpressten Zellstapel aufgezogen werden, vorzugsweise zwei Spannbandringe, die dann insbesondere von gegenüberliegenden Stapel- bzw. Modulseiten aufgezogen werden.
Der aufzuziehende Spannbandring ist eine in sich geschlossene Schlaufe, die eine vorgegebene bzw. vorbestimmte Umfangslänge aufweist. Der Spannbandring ist vorzugsweise aus einem flexiblen und nahezu unelastischen Band- oder Schnurmaterial gebildet, insbesondere aus einem Flachbandmaterial mit einer Breite von 5 mm bis 20 mm. Der Spannbandring ist vorzugsweise aus einem Fasermaterial gebildet, insbesondere aus einem endlose Glas- oder Kohlenstofffasern enthaltenden Band- bzw. Schnurmaterial, bspw. einem UD-Tape oder Ähnlichem. Das Band- bzw. Schnurmaterial kann als Halbzeug bereitgestellt, abgelängt und in geeigneter Weise zu einem Spannbandring verarbeitet werden. Das Band- bzw. Schnurmaterial kann nur aus Fasern (Trockenfasern) gebildet sein, die in geeigneter Weise, bspw. mittels Heftfäden, verbunden sind. Das Band- bzw. Schnurmaterial kann auch eine Kunststoffmatrix, insbesondere eine thermoplastische Kunststoffmatrix, aufweisen, welche die Fasern bzw. Filamente schützt und ein Zerspleißen verhindert. Der Spannbandring kann aus einer einzelnen Schlinge bzw. Lage oder aus mehreren Schlingen bzw. Lagen eines Band- oder Schnurmaterials gebildet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Verwendung wenigstens eines vorgefertigten Spannbandrings vor. Zum einen ermöglicht dies ein exaktes Einstellen der Spannbandlänge und der damit erzielten Verspannung. Zum anderen ist ein aufwendiger Wickelprozess mit Bandendenfixierung nicht erforderlich. Um das Aufziehen des Spannbandrings zu vereinfachen, macht sich die Erfindung den Effekt zunutze, dass die Batteriezellen beim Ladeprozess ihr Volumen vergrößern bzw. anschwellen, was auch als Swelling bzw. Swellingeffekt bezeichnet wird. Beim elektrischen Aufladen werden vorzugsweise die Batteriezellen vollständig geladen (d. h. in etwa 100 %), wobei der Zellstapel resp. das Zellmodul aufgrund des Swellingeffekts seine vorgesehene Einbaulänge erreicht, womit die Einbaulänge in Stapelrichtung gemeint ist.
Bevorzugt wird zum Aufziehen des Spannbandrings wenigstens eine Aufziehhilfe verwendet, die temporär an wenigstens einer der Druckplatten befestigt wird. Die temporäre und lösbare Befestigung kann mittels Steck- oder Schraubverbindung(en) erfolgen. Bevorzugt bildet eine solche Aufziehhilfe, insbesondere in Verbindung mit einer Druckplatte, wenigstens eine kantenfreie Gleitbahn für den aufzuziehenden Spannbandring und weist insbesondere wenigstens eine Gleitfläche für den Spannbandring auf, die gleitgünstig, bspw. glatt oder sogar poliert, ausgebildet ist. Die wenigstens eine Aufziehhilfe wird nach dem Aufziehen wieder entfernt. Bei einer solchen Aufziehhilfe handelt es sich also quasi um ein Montagehilfsmittel bzw. -werkzeug, das insbesondere wiederverwendbar ausgebildet ist. Die Aufziehhilfe kann aus Kunststoff oder Metall gefertigt sein.
Bevorzugt werden mehrere Aufziehhilfen verwendet, bspw. zwei oder vier Aufziehhilfen, die (temporär) an den Ecken bzw. in den Eckbereichen der Druckplatten befestigt werden und die insbesondere dafür vorgesehen sind, kantenfreie Gleitbahnen für den aufzuziehenden Spannbandring zu bilden, vorzugsweise in den Eckbereichen. Bevorzugt werden zum Aufziehen des Spannbandrings vier stabartige Aufziehhilfen verwendet, die jeweils mit einem Zapfen ausgebildet sind und hiermit in dafür vorgesehenen Bohrungen, insbesondere Eckbohrungen (s. u.), an den Druckplatten (temporär) befestigt werden.
Im Rahmen der Erfindung sind sowohl die vorausgehend beschriebenen als auch die nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Merkmalskombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Dies gilt auch für die in den Figuren gezeigten Merkmale.
Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand der Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes Batteriemodul.
2 zeigt die Schritte zur Herstellung des Batteriemoduls der 1.
3 veranschaulicht schematisch die Verwendung von Aufziehhilfen bei der Herstellung des Batteriemoduls der 1.

Das in 1 gezeigte Batteriemodul 100 ist ein Zellverbund aus mehreren Batteriezellen 110, die horizontal gestapelt sind. An den gegenüberliegenden Enden des Zellstapels ist jeweils eine Druckplatte 120 angeordnet. Ferner sind zwei unter Zugspannung stehende Spannbandringe 130 vorhanden, die die Batteriezellen 110 und die Druckplatten 120 umschließen bzw. umspannen und zusammenpressen. Bei den Spannbandringen 130 handelt es sich um geschlossene Ringbänder, die insbesondere identisch ausgebildet sind. In Stapelrichtung weist das Batteriemodul 100 eine Länge L auf.
Die Herstellung des Batteriemoduls 100 umfasst mehrere Schritte, was anhand der 2 erläutert wird.

- Schritt 10: Anordnen bzw. Aufreihen der elektrisch teilgeladenen Batteriezellen 110 zu einem Zellstapel und Anordnen der beiden Druckplatten 120. In Stapelrichtung weist der Zellstapel (einschl. der Druckplatten 120) eine erste Länge L1 auf.
- Schritt 20: Temporäres Verpressen des Zellstapels wie mit den Pfeilen P veranschaulicht, wobei die ursprüngliche erste Länge L1 auf eine zweite Länge L2 verringert wird. Es gilt: L2 < L1.
- Schritt 30: Aufziehen der Spannbandringe 130.
- Schritt 40: Beenden des temporären Verpressens, wodurch der Zellstapel auf eine dritte Länge L3 expandiert und die Spannbandringe 130 gespannt werden. Es gilt: L1 ≥ L3 > L2.
- Schritt 50: Elektrisches Aufladen der Batteriezellen 110, wodurch der Zellstapel auf eine vierte Länge L4 expandiert und die Spannbandringe 130 weiter gespannt werden. Es gilt: L4 > L3. Bevorzugt werden die Batteriezellen 110 vollständig geladen, wobei der Zellstapel bzw. das Batteriemodul 100 seine vorgesehene Einbaulänge erreicht.

Zum Aufziehen der Spannbandringe 130 können Aufziehhilfen 200 verwendet werden, wie in 3 veranschaulicht. Die Aufziehhilfen 200 werden temporär an den Druckplatten 120 befestigt. Bevorzugt sind vier stabartige Aufziehhilfen 200 vorgesehen, die jeweils einen Zapfen 210 aufweisen. Die Druckplatten 120 sind in den Ecken mit Bohrungen bzw. Eckbohrungen 125 ausgebildet (siehe auch 1), in die die Zapfen 210 einsteck- oder einschraubbar sind, d. h., die Bohrungen 125 können als Steck- oder Schraubbohrungen ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Bohrungen 125 als Metallbuchsen ausgeführt, insbesondere bei aus Kunststoff gefertigten Druckplatten 120. Die Aufziehhilfen 200 bilden in den Eckbereichen der Druckplatten 120 kantenfreie Gleitbahnen für den aufzuziehenden Spannbandring 130, wie in 3 veranschaulicht. Nachdem der Spannbandring 130 in die vorgesehene Position aufgeschoben ist, wie in 3 strichliniert angedeutet, werden die Aufziehhilfen 200 entfernt.
Die in 1 gezeigten beiden Spannbandringe 130 können in der zuvor beschriebenen Weise von derselben Stapel- bzw. Modulseite aufgezogen werden. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Spannbandringe 130 von gegenüberliegenden Stapel- bzw. Modulseiten aufgezogen werden, d. h., die Druckplatten 120 sind jeweils mit vier Bohrungen 125 ausgebildet.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (100), das mehrere zu einem Zellstapel angeordnete Batteriezellen (110) aufweist, mit den Schritten: -Anordnen der elektrisch teilgeladenen Batteriezellen (110) zu dem Zellstapel, wobei an den gegenüberliegenden Enden des Zellstapels auch jeweils eine Druckplatte (120) angeordnet wird; - temporäres Verpressen (P) des Zellstapels; -Aufziehen wenigstens eines geschlossenen Spannbandrings (130), sodass der Spannbandring (130) den Zellstapel einschließlich der Druckplatten (120) umschließt; - Beenden des temporären Verpressens (P), wodurch der Zellstapel expandiert und der Spannbandring (130) gespannt wird; - elektrisches Aufladen der Batteriezellen (110), wodurch die Batteriezellen (110) expandieren und der Spannbandring (130) weiter gespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim elektrischen Aufladen die Batteriezellen (110) vollständig geladen werden, wobei der Zellstapel seine vorgesehene Einbaulänge erreicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufziehen des Spannbandrings (130) wenigstens eine Aufziehhilfe (200) verwendet wird, die temporär an wenigstens einer Druckplatte (120) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aufziehhilfen (200) verwendet werden, die an den Ecken der Druckplatten (120) befestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass vier stabartige Aufziehhilfen (200) verwendet werden, die jeweils mit einem Zapfen (210) ausgebildet sind und hiermit in dafür vorgesehenen Bohrungen (125) an den Druckplatten (120) befestigt werden.