EP4052325A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von komponenten einer batterie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verbinden von komponenten einer batterie

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EP4052325A1
EP4052325A1 EP20799658.8A EP20799658A EP4052325A1 EP 4052325 A1 EP4052325 A1 EP 4052325A1 EP 20799658 A EP20799658 A EP 20799658A EP 4052325 A1 EP4052325 A1 EP 4052325A1
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EP
European Patent Office
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cushion
battery
cell module
frame
bulkhead plate
Prior art date
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Pending
Application number
EP20799658.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Römelsberger
Thomas Eggemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lisa Draexlmaier GmbH
Original Assignee
Lisa Draexlmaier GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a method and a corresponding device for connecting components of a battery.
  • a battery can be composed of several components.
  • One of the components can be a frame or battery housing of the battery.
  • Another component of the battery can be one or more cell modules of the battery.
  • a cell module can be composed of several cells. When the cells are charged and discharged, heat is generated. This heat can be dissipated as a further component of the battery via a cooling device.
  • the cooling device can, for example, be connected to a cooling surface of the cell module.
  • a heat-conducting paste can be arranged between the cooling device and the cell module for connection.
  • One object of the invention is therefore to provide an improved method and an improved device for connecting components of a battery using means that are as simple as possible in terms of construction.
  • the object is achieved by the subjects of the independent claims.
  • Advantageous developments of the invention are given in the dependent claims, the description and the accompanying figures.
  • the independent claims of one claim category can also be developed analogously to the dependent claims of another claim category.
  • a method for connecting components of a battery is presented, a partition plate of a frame of the battery being placed on a magnetorheological cushion as the first component of the components of the battery and being plastically molded by the cushion and then a magnetic field being generated in the area of the cushion to harden the cushion, with at least one cell module of the battery as the second component of the components of the battery being pressed into a thermal paste previously applied to a surface of at least one of the components, while the bulkhead is fully supported by the hardened cushion, with the thermal paste between the cell module and the bulkhead plate is distributed laterally.
  • a battery can be a chemical store for electrical energy.
  • the battery can be, for example, a traction battery for an electrically powered vehicle.
  • the battery can comprise several cell modules electrically interconnected with one another.
  • a cell module can be composed of several prismatic cells that are electrically interconnected.
  • the cell module can be essentially cuboid.
  • a frame of the battery can have spars which are connected to one another essentially at right angles and which form at least one compartment of the battery that is closed on one side by the bulkhead plate.
  • a cell module can be placed in a compartment.
  • the bulkhead plate can also be referred to as the floor of the compartment.
  • the bulkhead plate can also be referred to as a cooling plate.
  • the frame can be attached to a body of the vehicle.
  • the battery can be attached to an underbody of the vehicle. When installed, the bulkhead plate can be protected by a stone guard plate.
  • the cell module can be arranged on the bulkhead plate.
  • the heat generated by the chemical processes and electrical resistances in the cells can be dissipated via the bulkhead.
  • heat can be supplied to the cells via the partition plate if the cells are too cold for the chemical processes are.
  • the bulkhead plate can be shaped essentially like a surface of the cell module.
  • thermal paste is arranged between the cell module and the partition plate.
  • the thermal paste can be referred to as gap filler paste.
  • the thermal paste can be applied to the surface of the bulkhead plate before the cell module is inserted into the compartment.
  • the thermal paste can also be applied to the surface of the cell module before it is inserted.
  • the thermal paste can be applied to the bulkhead plate and the cell module.
  • the thermal paste can set chemically after application or after pressing and be permanently elastic.
  • the thermal paste can be a two-component material.
  • the heat conducting paste can be a one-component material, cannot set and be permanently plastic, that is to say remain essentially unchanged pasty after application or pressing.
  • a magnetorheological cushion can be plastically deformable without the influence of a strong, in particular artificial, magnetic field.
  • a deformability of the cushion can correspond to a deformability of a cushion filled with a viscous or highly viscous liquid.
  • the strong artificial magnetic field is activated, a filling of the pillow hardens and becomes essentially solid. The filling solidifies or partially solidifies when the magnetic field is applied.
  • the cushion can have a residual elasticity.
  • the magnetic field can be provided by a switchable magnet.
  • the magnet can for example be an electromagnet.
  • the magnet can also consist of several permanent magnets that can be displaced relative to one another. In a passive position of the permanent magnets, the magnetic fields of the permanent magnets can essentially cancel one another out.
  • the magnetic fields of the permanent magnets can add up.
  • the magnet can be arranged in the immediate vicinity of the cushion so that the magnetic field of the magnet flows through the cushion with a high magnetic flux density. The influence of the earth's magnetic field on the filling is negligible.
  • the cell module When the cell module is pressed into the thermal paste, the cell module can be pressed with a contact pressure.
  • the contact pressure can be large enough to stimulate the highly viscous or pasty thermal paste to flow sideways by means of internal hydraulic pressure.
  • the thermal paste is distributed in a gap between the cell module and the bulkhead plate and fills the Gaps essentially completely.
  • the cell module can be pressed into the thermal paste in a force-controlled manner, i.e. until the contact pressure reaches a predetermined value.
  • the cell module can be pressed into the thermal paste until it rests against the bulkhead.
  • the cell module can also be pressed into the heat-conducting paste in a path-controlled manner, that is to say until a predetermined layer thickness of the heat-conducting paste is reached between the cell module and the bulkhead plate.
  • a predetermined layer thickness of the heat-conducting paste is reached between the cell module and the bulkhead plate.
  • the cushion can have an elastic cover and a filling made from a liquid and particles made from a ferromagnetic material.
  • the filling can for example consist of a suspension of oil and iron filings.
  • the envelope can consist, for example, of one or more layers of elastic film.
  • PVC or PE films which can be provided with a temperature-resistant coating, for example PTFE, come into consideration as the material for the flexible shell.
  • the magnetic field when the magnetic field is activated, a single particle is in contact with several other particles at the same time, so that a very stable position can be achieved. Due to the direct contact of the ferromagnetic, the magnetic field can flow through the filling with a high magnetic flux density.
  • the cushion can have several separate chambers. The chambers can be flooded with magnetic fields of different strengths in order to become differently firm.
  • the magnetic field can be deactivated to soften the pillow.
  • the frame with the cell module can be lifted off the softened cushion.
  • the filling of the pillow can easily be deformed again.
  • a The next frame can be placed on the pillow and the process is repeated.
  • the method can be carried out in a clocked manner. A cycle time of two minutes, for example, can be aimed for.
  • the thermal paste can be applied in the form of beads.
  • a distance between the caterpillars can be essentially constant.
  • the caterpillars can be flattened when pressed.
  • the beads can be applied in a straight line.
  • the beads can be applied essentially in parallel.
  • the distance between the beads can be filled with the thermal paste when pressed.
  • the beads can be applied lengthways or across the cells of the cell module.
  • the caterpillars can be applied across the cells. Air trapped between the caterpillars can escape between the cells.
  • a topography of at least a partial area of at least one of the surfaces can be measured three-dimensionally.
  • the thermal paste can be applied topography-specifically in the sub-area. Sub-areas in which a particularly low heat transfer resistance is required can be measured. In particular, partial areas can be measured in which thermal paste is to be arranged. Areas in which no thermal paste should be placed can remain unmeasured.
  • the surfaces can be uneven within the range of manufacturing tolerances. The surfaces can be uneven, for example in the tenths of a millimeter. The surfaces can be measured optically, for example.
  • the bulkhead plate can have depressions and elevations as a result of previous manufacturing steps in the manufacture of the frame. More thermal grease can be applied in the area of depressions than in the area of elevations. The beads can be applied thicker or with a larger diameter in the area of depressions than in the area of the elevations. Both surfaces can be measured and the topographies of both surfaces can be taken into account when applying the thermal paste to one of the surfaces.
  • the thermal paste can be applied to at least a partial area of the bulkhead plate.
  • the partition plate can, for example, be larger than the cell module.
  • Areas of the bulkhead between the spars and the cell module or between two cell modules can remain free of thermal paste. While the frame is on the cushion, the surface of the bulkhead plate can face up. The application of the thermal paste can be carried out particularly easily with the support of gravity.
  • a cooling device can be arranged between the bulkhead plate and the cushion.
  • the cooling device can be molded plastically through the cushion.
  • a cooling device can have cooling channels for a coolant.
  • the cooling channels can be arranged on a side of the bulkhead plate facing the cushion and pressed into the cushion when it is placed.
  • the cooling device can be part of the bulkhead plate.
  • the cooling device can also be placed on the bulkhead plate and glued to the bulkhead plate.
  • the cell module can be screwed to the frame after pressing.
  • the cell module can be fixed to the frame with a screw connection.
  • the screw connection can be carried out using a tolerance compensation element in order to compensate for shape and position tolerances during the screwing process.
  • the cell module can move within the tolerance on the thermal paste, i.e. expand when heated and contract when cooled.
  • the cell module can be pushed into a first compartment of the frame. At least one further cell module of the battery can be pressed into at least one further compartment of the frame. While the frame is on the pillow, several or all of the battery cell modules can be installed. One cell module can be installed per compartment. The bars can separate the cell modules from one another and thus make it more difficult or prevent the damage from spreading in the event of damage to the battery.
  • the device for connecting components of a battery is presented, the device being designed to carry out, implement and / or control the method according to one of the preceding claims in corresponding devices.
  • the device can, for example, have a mechanism with actuators or a robotics with which the components of the battery can be displaced, in particular displaced relative to one another.
  • the magnetorheological cushion and an electromagnet for generating a magnetic field in the area of the cushion can be part of such a device.
  • the device can also have a dispenser or a similar device for applying the thermal paste.
  • the device can have a controller, with the aid of which the functionalities of the named structural units of the device can be controlled in order to be able to carry out steps of the method described above.
  • FIG. 1 shows an illustration of a device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows an illustration of placing a frame of a battery on a magnetorheological cushion of a device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows an illustration of an activation of a magnet of a device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows an illustration of pressing a cell module into a heat-conducting paste using a pressing device of a device according to an exemplary embodiment.
  • FIGS. 1-3 are retained as references in the following description.
  • FIG. 1 shows an illustration of a device 100 according to an exemplary embodiment for connecting components of a battery 102.
  • a frame 104 of the battery 102 is shown as the first component 104 of the battery 102.
  • the frame 104 can also be referred to as the battery compartment of the battery 102.
  • a heat-conducting paste 110 is applied in a partial area 108 to a bulkhead plate 106 of the frame 104.
  • the heat-conducting paste 110 is at a distance from the edges of the bulkhead plate 106 here.
  • the thermal paste 110 can be referred to as a gap filler.
  • the frame 104 is made up of spars 112, which in particular form rectangular compartments 114.
  • the bars 112 are side walls of the compartments 114.
  • the frame 104 shown here has only one compartment 114 for the sake of simplicity. Further compartments 114 can be arranged laterally next to the compartment 114, for example.
  • the partition plate 106 closes the compartment 114 at the bottom.
  • the bulkhead plate 106 thus forms a floor of the compartment 114.
  • the bulkhead plate 106 connects the spars 112 to one another.
  • a magnetorheological cushion 116 is arranged under the frame 104 as a first component of the device 100.
  • the magnetorheological cushion 116 changes its properties as a function of a magnetic flux density of a magnetic field flowing through the cushion 116. If the flux density is less than a threshold value, the cushion is plastically deformable. If the flux density is greater than the threshold, the pillow will harden.
  • the cushion 116 has an elastic cover and a filling with magnetorheological properties.
  • the filling consists of a liquid carrier medium and ferromagnetic particles. This gives the filling a high viscosity.
  • the ferromagnetic particles can be magnetized by the magnetic field. When the correspondingly strong enough magnetic field penetrates the cushion 116, the particles adhere to one another and, in particular, offer great resistance to the compressive forces acting on them. Without the magnetic field, the particles are surrounded by the carrier medium and slide off one another. This allows the pillow to cling to almost any contours. When the magnetic field is activated, the molded contour is retained.
  • the cushion 116 lies here on a flat base 118 of the device 100. Due to the force of gravity, a surface of the cushion 116 becomes approximately smooth when the magnetic field is switched off and without an object resting on it, since the filling fills depressions and elevations flow off laterally.
  • the thermal paste 110 has been applied to the bulkhead plate 106 in the form of beads.
  • the caterpillars run essentially parallel to one another.
  • a diameter of the caterpillars is variable over their length. How much thermal paste is applied per area of the partition plate 106 can be set via the diameter. In this way, more heat-conducting paste 110 can be applied over a larger diameter in places that require more heat-conducting paste 110 than in places that require less heat-conducting paste 110, where the beads are then applied with a smaller diameter.
  • this metered application for example, unevenness in the partition plate 106 and the cell module to be attached can be compensated for.
  • the unevenness can be detected before the application of the thermal paste 110, in that the bulkhead 106 or the partial area 108 in which the thermal paste 110 is to be applied is measured three-dimensionally. If unevenness of the cell module is to be compensated for, the surface of the cell module to be indented into the thermal paste can also be measured three-dimensionally. Based on this measurement, the diameter of the caterpillars can then be determined for each position of the caterpillars.
  • FIG. 2 shows an illustration of placing a frame 104 of a battery 102 on a magnetorheological cushion 116 of a device 100 according to an exemplary embodiment.
  • the illustration essentially corresponds to the illustration in FIG. 1.
  • the frame 104 rests here on the cushion 116 and an underside of the bulkhead plate 106 is shaped by the magnetorheological cushion. Due to the fluidity of its filling and the elasticity of its cover, the cushion 116 rests against the bulkhead plate 106 over the entire surface.
  • the frame 104 has sunk somewhat into the cushion 116.
  • the cushion 116 with the base 118 has been pressed against the bulkhead plate 106 by a lifting device 200 of the device 100.
  • the frame 104 can be lowered onto the cushion 116 by a lowering device.
  • the bulkhead plate 106 has a cooling device (not shown here) on the underside.
  • the cooling device has cooling channels which protrude beyond a main plane of extent of the underside.
  • the cooling channels are also shaped three-dimensionally when the frame 104 is placed on the cushion 116.
  • FIG. 3 shows an illustration of an activation of a magnet 300 of a device 100 according to an exemplary embodiment.
  • the illustration essentially corresponds to the illustration in FIG. 2.
  • the magnet 300 is shown here symbolically, which provides a magnetic field 302 flowing through the cushion 116. Due to the magnetic field 302, the cushion 116 hardens and maintains the contour of the frame 104 lowered thereon.
  • FIG. 4 shows an illustration of pressing a cell module 400 into a heat-conducting paste 110 using a pressing device 402 of a device 100 according to an exemplary embodiment.
  • the cell module 400 is a second component 400 of the battery 102.
  • the illustration essentially corresponds to the illustration in FIG. 3.
  • the cell module 400 is arranged in the compartment 114 and is pressed into the thermal paste 110 by the pressing device 402. Pressing can also be referred to as setting.
  • the magnet 300 is switched on during the pressing and provides the magnetic field 302.
  • the bulkhead plate 106 is supported over the entire surface by the hardened cushion 116, so that a pressure in the thermal paste 110 resulting from the pressing cannot deform the bulkhead plate 106.
  • the cell module 400 is screwed to the frame 104 after it has been pressed.
  • a position of the cell mode 400 relative to the frame 104 is secured by the screw connection.
  • Tolerance compensation elements are used for screwing, for example to compensate for shape and position tolerances during the screwing process.
  • the magnet 300 is switched off and thus the magnetic field 302 is deactivated. As a result, the cushion 116 becomes soft again and the battery 102 can simply be lifted off the cushion.
  • FIG. 4 shows an adaptive counter-holding with MRF in an application in the module setting process of battery systems.
  • the compression of the gap filler during the module setting process creates relatively high forces.
  • a partition plate which forms the underside of the frame and separates the cell module side and the cooling side can be deflected by these forces. To prevent this, an adaptive counter-hold is an advantage.
  • the contour of the bulkhead plate is molded with a magnetorheological fluid (MRF), which is located in a cushion.
  • MRF magnetorheological fluid
  • the metal particles are aligned by activating an electromagnet. This activation freezes the form and the setting process with the module can be carried out.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von Komponenten einer Batterie (102), wobei als erste Komponente (104) eine Schottplatte (106) eines Rahmens (104) der Batterie (102) auf ein magnetorheologisches Kissen (116) aufgesetzt wird, durch das Kissen (116) plastisch abgeformt wird und ein Magnetfeld (302) im Bereich des Kissens (116) erzeugt wird, um das Kissen (116) zu verhärten, wobei als zweite Komponente (400) zumindest ein Zellmodul (400) der Batterie (102) in eine zuvor auf eine Oberfläche zumindest einer der Komponenten (104, 400) aufgebrachte Wärmeleitpaste (110) gedrückt wird, während die Schottplatte (106) durch das verhärtete Kissen (116) vollflächig abgestützt wird, wobei die Wärmeleitpaste (110) zwischen dem Zellmodul (400) und der Schottplatte (106) lateral verteilt wird.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM VERBINDEN VON KOMPONENTEN EINER BATTERIE
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Verbinden von Komponenten einer Batterie.
Stand der Technik
Eine Batterie kann aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sein. Eine der Komponenten kann ein Rahmen oder Batteriegehäuse der Batterie sein. Eine andere Komponente der Batterie können ein oder mehrere Zellmodule der Batterie sein. Ein Zellmodul kann aus mehreren Zellen zusammengesetzt sein. Beim Laden und Entladen der Zellen entsteht Wärme. Diese Wärme kann über eine Kühleinrichtung als weitere Komponente der Batterie abgeführt werden. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise an eine Kühlfläche des Zellmoduls angebunden werden. Zum Anbinden kann zwischen der Kühleinrichtung und dem Zellmodul eine Wärmeleitpaste angeordnet werden.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Verbinden von Komponenten einer Batterie bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
Es wird ein Verfahren zum Verbinden von Komponenten einer Batterie vorgestellt, wobei als erste Komponente der Komponenten der Batterie eine Schottplatte eines Rahmens der Batterie auf ein magnetorheologisches Kissen aufgesetzt wird und dabei durch das Kissen plastisch abgeformt wird und dann ein Magnetfeld im Bereich des Kissens erzeugt wird, um das Kissen zu verhärten, wobei als zweite Komponente der Komponenten der Batterie zumindest ein Zellmodul der Batterie in eine zuvor auf eine Oberfläche zumindest einer der Komponenten aufgebrachte Wärmeleitpaste gedrückt wird, während die Schottplatte durch das verhärtete Kissen vollflächig abgestützt wird, wobei die Wärmeleitpaste zwischen dem Zellmodul und der Schottplatte lateral verteilt wird.
Eine Batterie kann ein chemischer Speicher für elektrische Energie sein. Die Batterie kann beispielsweise eine Traktionsbatterie für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug sein. Die Batterie kann mehrere elektrisch miteinander verschaltete Zellmodule umfassen. Ein Zellmodul kann aus mehreren elektrisch miteinander verschalteten prismatischen Zellen zusammengesetzt sein. Das Zellmodul kann im Wesentlichen quaderförmig sein. Ein Rahmen der Batterie kann Holme aufweisen, die im Wesentlichen rechtwinklig miteinander verbunden sind und zumindest ein Abteil der Batterie ausbilden, das auf einer Seite durch die Schottplatte verschlossen ist. Ein Zellmodul kann in einem Abteil angeordnet werden. Die Schottplatte kann auch als Boden des Abteils bezeichnet werden. Die Schottplatte kann auch als Kühlplatte bezeichnet werden. Am Fahrzeug kann der Rahmen an einer Karosserie des Fahrzeugs befestigt werden. Die Batterie kann an einem Unterboden des Fahrzeugs befestigt werden. Die Schottplatte kann in eingebautem Zustand durch eine Steinschlagschutzplatte geschützt werden.
Das Zellmodul kann auf der Schottplatte angeordnet werden. Über die Schottplatte kann beim Laden und Entladen der Zellen aufgrund der ablaufenden chemischen Prozesse und elektrischer Widerstände in den Zellen entstehende Wärme abgeführt werden. Ebenso kann den Zellen über die Schottplatte Wärme zugeführt werden, falls die Zellen zu kalt für die chemischen Prozesse sind. Die Schottplatte kann im Wesentlichen geformt sein, wie eine Oberfläche des Zellmoduls. Zum Verringern eines Wärmeübergangswiderstands wird zwischen dem Zellmodul und der Schottplatte Wärmeleitpaste angeordnet. Die Wärmeleitpaste kann als Lückenfüllerpaste bezeichnet werden. Die Wärmeleitpaste kann vor dem Einsetzen des Zellmoduls in das Abteil auf die Oberfläche der Schottplatte aufgebracht werden. Ebenso kann die Wärmeleitpaste vor dem Einsetzen auf die Oberfläche des Zellmoduls aufgebracht werden. Alternativ kann die Wärmeleitpaste auf die Schottplatte und das Zellmodul aufgebracht werden. Die Wärmeleitpaste kann nach dem Aufträgen beziehungsweise nach dem Drücken chemisch abbinden und dauerelastisch sein. Die Wärmeleitpaste kann ein Zweikomponentenwerkstoff sein. Ebenso kann die Wärmeleitpaste ein einkomponentiger Werkstoff sein, nicht abbinden und dauerplastisch sein, also nach dem Aufträgen beziehungsweise Drücken im Wesentlichen unverändert pastös bleiben.
Ein magnetorheologisches Kissen kann ohne Einfluss eines starken insbesondere künstlichen Magnetfelds plastisch verformbar sein. Eine Verformbarkeit des Kissens kann einer Verformbarkeit eines mit einer viskosen beziehungsweise hochviskosen Flüssigkeit gefüllten Kissens entsprechen. Wenn das starke künstliche Magnetfeld aktiviert wird, erhärtet eine Füllung des Kissens und wird im Wesentlichen fest. Die Füllung verfestigt beziehungsweise teilverfestigt sich beim Anlegen des Magnetfelds. Das Kissen kann dabei eine Restelastizität aufweisen. Das Magnetfeld kann durch einen schaltbaren Magnet bereitgestellt werden. Der Magnet kann beispielsweise ein Elektromagnet sein. Der Magnet kann auch aus mehreren relativ zueinander verlagerbaren Permanentmagneten bestehen. In einer Passivposition der Permanentmagnete können sich die Magnetfelder der Permanentmagnete im Wesentlichen gegenseitig auslöschen. In einer Aktivposition der Permanentmagnete können sich die Magnetfelder der Permanentmagnete addieren. Der Magnet kann in unmittelbarerer Umgebung des Kissens angeordnet sein, damit das Magnetfeld des Magneten das Kissen mit einer hohen magnetischen Flussdichte durchflutet. Ein Einfluss des Erdmagnetfelds auf die Füllung ist vernachlässigbar.
Beim Drücken des Zellmoduls in die Wärmeleitpaste hinein kann das Zellmodul mit einem Anpressdruck gedrückt werden. Der Anpressdruck kann groß genug sein, um die hochviskose beziehungsweise pastöse Wärmeleitpaste durch einen inneren hydraulischen Druck zum seitlichen Fließen anzuregen. Durch das seitliche Fließen verteilt sich die Wärmeleitpaste in einem Spalt zwischen dem Zellmodul und der Schottplatte und füllt den Spalt im Wesentlichen vollständig aus. Das Zellmodul kann kraftgesteuert in die Wärmeleitpaste gedrückt werden, also bis der Anpressdruck einen vorbestimmten Wert erreicht. Das Zellmodul kann in die Wärmeleitpaste gedrückt werden, bis es an der Schottplatte anliegt. Das Zellmodul kann auch weggesteuert in die Wärmeleitpaste gedrückt werden, also bis eine vorbestimmte Schichtdicke der Wärmeleitpaste zwischen dem Zellmodul und der Schottplatte erreicht ist. Durch die vollflächige Abstützung mit dem verhärteten Kissen wird die Schottplatte durch den in der Wärmeleitpaste lokal entstehenden hohen hydraulischen Druck im Wesentlichen nicht verformt.
Während der Rahmen auf dem magnetorheologischen Kissen liegt können weitere Komponenten der Batterie montiert werden beziehungsweise weitere Arbeitsschritte zum Herstellen der Batterie ausgeführt werden.
Das Kissen kann eine elastische Hülle und eine Füllung aus einer Flüssigkeit und Partikeln aus einem ferromagnetischen Werkstoff aufweisen. Die Füllung kann beispielsweise aus einer Suspension aus Öl und Eisenspänen bestehen. Die Hülle kann beispielsweise aus einer oder mehreren Lagen elastische Folie bestehen. Als Material für die flexible Hülle kommen hier PVC- oder PE-Folien in Betracht, die mit einer temperaturbeständigen Beschichtung, zum Beispiel PTFE, versehen sein können. Wenn das Magnetfeld deaktiviert ist, können die Partikel aufgrund der Schmierung durch die Flüssigkeit einfach aneinander abgleiten, um eine Kontur der Schottplatte abzuformen. Wenn das Magnetfeld die Füllung durchdringt, haften die Partikel magnetisch aneinander und können nur durch eine große Krafteinwirkung relativ zueinander bewegt werden. Insbesondere liegt bei aktiviertem Magnetfeld ein einzelnes Partikel gleichzeitig an mehreren anderen Partikeln an, wodurch eine sehr stabile Lage erreicht werden kann. Durch den direkten Kontakt der ferromagnetischen kann das Magnetfeld die Füllung mit einer hohen magnetischen Flussdichte durchfluten. Das Kissen kann mehrere getrennte Kammern aufweisen. Die Kammern können von unterschiedlich starken Magnetfeldern durchflutet werden, um unterschiedlich fest zu werden.
Nach dem Drücken kann das Magnetfeld deaktiviert werden, um das Kissen zu enthärten. Der Rahmen kann mit dem Zellmodul von dem enthärteten Kissen abgehoben werden.
Durch das Deaktivieren des Magnetfelds kann die Füllung des Kissens wieder einfach verformt werden. Nach dem Abheben der miteinander verbundenen Komponenten kann ein nächster Rahmen auf das Kissen aufgesetzt werden und damit das Verfahren erneut ablaufen. Das Verfahren kann getaktet ausgeführt werden. Als Taktzeit können beispielsweise zwei Minuten angestrebt werden.
Die Wärmeleitpaste kann in Form von Raupen aufgetragen werden. Ein Abstand zwischen den Raupen kann im Wesentlichen konstant sein. Die Raupen können beim Drücken platt gedrückt werden. Die Raupen können geradlinig aufgetragen werden. Die Raupen können im Wesentlichen parallel aufgetragen werden. Der Abstand zwischen den Raupen kann beim Drücken durch die Wärmeleitpaste ausgefüllt werden. Durch eine quer zu den Raupen gerichtete Fließbewegung der Wärmeleitpaste beim Drücken kann eine näherungsweise vollflächige Benetzung beider Komponenten mit der Wärmeleitpaste erreicht werden. Die Raupen können längs oder quer zu den Zellen des Zellmoduls aufgetragen werden. Insbesondere können die Raupen quer zu den Zellen aufgetragen werden. Zwischen den Raupen eingeschlossene Luft kann zwischen den Zellen entweichen.
Eine Topografie zumindest eines Teilbereichs zumindest einer der Oberflächen kann dreidimensional vermessen werden. Die Wärmeleitpaste kann im Teilbereich topografiespezifisch aufgetragen werden. Teilbereiche in denen ein besonders geringer Wärmeübergangswiderstand erforderlich ist können vermessen werden. Insbesondere können Teilbereiche vermessen werden, in denen Wärmeleitpaste angeordnet werden soll. Bereiche in denen keine Wärmeleitpaste angeordnet werden soll, können unvermessen bleiben. Die Oberflächen können im Bereich von Herstellungstoleranzen uneben sein. Die Oberflächen können beispielsweise im Zehntelmillimeterbereich uneben sein. Die Oberflächen können beispielsweise optisch vermessen werden. Insbesondere die Schottplatte kann durch vorausgehende Fertigungsschritte bei der Herstellung des Rahmens Vertiefungen und Erhebungen aufweisen. Im Bereich von Vertiefungen kann mehr Wärmeleitpaste aufgetragen werden, als im Bereich von Erhebungen. Die Raupen können im Bereich von Vertiefungen dicker beziehungsweise mit einem größeren Durchmesser aufgetragen werden, als im Bereich der Erhebungen. Beide Oberflächen können vermessen werden und die Topografien beider Oberflächen beim Aufträgen der Wärmeleitpaste auf eine der Oberflächen berücksichtigt werden.
Die Wärmeleitpaste kann auf zumindest einen Teilbereich der Schottplatte aufgetragen werden. Die Schottplatte kann beispielsweise größer als das Zellmodul sein. Um Gewicht zu sparen können Bereiche der Schottplatte zwischen den Holmen und dem Zellmodul beziehungsweise zwischen zwei Zellmodulen frei von Wärmeleitpaste bleiben. Während der Rahmen auf dem Kissen liegt, kann die Oberfläche der Schottplatte nach oben weisen. Das Aufträgen der Wärmeleitpaste kann so mit Unterstützung durch die Schwerkraft besonders einfach durchgeführt werden.
Zwischen der Schottplatte und dem Kissen kann eine Kühleinrichtung angeordnet sein. Die Kühleinrichtung kann durch das Kissen plastisch abgeformt werden. Eine Kühleinrichtung kann Kühlkanäle für ein Kühlmittel aufweisen. Die Kühlkanäle können auf einer dem Kissen zugewandten Seite der Schottplatte angeordnet sein und beim Aufsetzen in das Kissen gepresst werden. Die Kühleinrichtung kann Bestandteil der Schottplatte sein. Die Kühleinrichtung kann auch auf die Schottplatte aufgesetzt und mit der Schottplatte verklebt werden.
Das Zellmodul kann nach dem Drücken mit dem Rahmen verschraubt werden. Durch eine Verschraubung kann das Zellmodul am Rahmen fixiert werden. Die Verschraubung kann in unter Verwendung eines Toleranzausgleichselements erfolgen, um Form und Lagetoleranzen während des Schraubvorgangs auszugleichen. So kann sich das Zellmodul auf der Wärmeleitpaste innerhalb der Toleranz bewegen also bei Erwärmung ausdehnen und beim Auskühlen zusammenziehen.
Das Zellmodul kann in ein erstes Abteil des Rahmens gedrückt werden. Zumindest ein weiteres Zellmodul der Batterie kann in zumindest ein weiteres Abteil des Rahmens gedrückt werden. Während der Rahmen auf dem Kissen liegt können mehrere beziehungsweise alle Zellmodule der Batterie verbaut werden. Pro Abteil kann ein Zellmodul verbaut werden. Die Holme können die Zellmodule voneinander trennen und so im Fall einer Beschädigung der Batterie eine Ausbreitung des Schadens erschweren beziehungsweise verhindern.
Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Verbinden von Komponenten einer Batterie vorgestellt, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in entsprechenden Einrichtungen auszuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern. Die Vorrichtung kann hierzu beispielsweise über eine Mechanik mit Aktuatoren oder eine Robotik verfügen, mit der die Komponenten der Batterie verlagert, insbesondere relativ zueinander verlagert, werden können. Ferner können das magnetorheologische Kissen sowie ein Elektromagnet zur Erzeugung eines Magnetfelds im Bereich des Kissens Teil einer solchen Vorrichtung sein. Die Vorrichtung kann außerdem einen Dispenser oder eine ähnliche Einrichtung zum Aufträgen der Wärmeleitpaste aufweisen. Schließlich kann die Vorrichtung eine Steuerung aufweisen, mithilfe derer Funktionalitäten der genannten Baueinheiten der Vorrichtung gesteuert werden kann, um Schritte des zuvor beschriebenen Verfahrens ausführen zu können.
Kurze Figurenbeschreibung
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Aufsetzens eines Rahmens einer Batterie auf ein magnetorheologisches Kissen einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines Aktivierens eines Magneten einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 4 zeigt eine Darstellung eines Drückens eines Zellmoduls in eine Wärmeleitpaste unter Verwendung einer Drückeinrichtung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den Figuren 1-3 als Referenz beibehalten.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Verbinden von Komponenten einer Batterie 102. Hier ist als erste Komponente 104 der Batterie 102 ein Rahmen 104 der Batterie 102 dargestellt. Der Rahmen 104 kann auch als Batteriefach der Batterie 102 bezeichnet werden. Auf eine Schottplatte 106 des Rahmens 104 ist in einem Teilbereich 108 eine Wärmeleitpaste 110 aufgetragen. Die Wärmeleitpaste 110 weist hier einen Abstand zu Rändern der Schottplatte 106 auf. Die Wärmeleitpaste 110 kann als Gapfiller bezeichnet werden. Der Rahmen 104 ist aus Holmen 112 aufgebaut, die insbesondere rechteckige Abteile 114 ausbilden. Die Holme 112 sind dabei Seitenwände der Abteile 114. Der hier dargestellte Rahmen 104 weist zur einfacheren Darstellung nur ein Abteil 114 auf. Weitere Abteile 114 können beispielsweise seitlich neben dem Abteil 114 angeordnet sein. Die Schottplatte 106 schließt das Abteil 114 nach unten ab. Die Schottplatte 106 bildet also einen Boden des Abteils 114 aus. Die Schottplatte 106 verbindet die Holme 112 miteinander.
Unter dem Rahmen 104 ist als eine erste Komponente der Vorrichtung 100 ein magnetorheologisches Kissen 116 angeordnet. Das magnetorheologische Kissen 116 verändert seine Eigenschaften in Abhängigkeit einer das Kissen 116 durchflutenden magnetischen Flussdichte eines Magnetfelds. Wenn die Flussdichte kleiner als ein Schwellenwert ist, ist das Kissen plastisch verformbar. Wenn die Flussdichte größer als der Schwellenwert ist, verhärtet das Kissen.
Das Kissen 116 weist eine elastische Hülle und eine Füllung mit magnetorheologischen Eigenschaften auf. Beispielsweise besteht die Füllung aus einem flüssigen Trägermedium und ferromagnetischen Partikeln. Dadurch weist die Füllung eine hohe Viskosität auf. Die ferromagnetischen Partikel sind durch das Magnetfeld magnetisierbar. Wenn das entsprechend stark genügende Magnetfeld das Kissen 116 durchdringt, haften die Partikel aneinander und setzen insbesondere einwirkenden Druckkräften einen großen Widerstand entgegen. Ohne das Magnetfeld sind die Partikel von dem Trägermedium umgeben und gleiten aneinander ab. Dadurch kann sich das Kissen an nahezu beliebige Konturen anschmiegen. Wenn das Magnetfeld aktiviert wird, bleibt die abgeformte Kontur erhalten. Das Kissen 116 liegt hier auf einer planen Unterlage 118 der Vorrichtung 100. Durch die Schwerkraft wird eine Oberfläche des Kissens 116 bei abgeschaltetem Magnetfeld und ohne aufliegenden Gegenstand näherungsweise glatt, da die Füllung Vertiefungen auffüllt und Erhebungen seitlich abfließen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Wärmeleitpaste 110 in Form von Raupen auf die Schottplatte 106 aufgetragen worden. Die Raupen verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Ein Durchmesser der Raupen ist über ihre Länge variabel. Über den Durchmesser kann eingestellt werden, wie viel Wärmeleitpaste pro Fläche der Schottplatte 106 aufgetragen wird. An Stellen, die mehr Wärmeleitpaste 110 benötigen kann so über einen größeren Durchmesser mehr Wärmeleitpaste 110 aufgetragen werden, als an Stellen, die weniger Wärmeleitpaste 110 benötigen, wo die Raupen dann mit einem geringeren Durchmesser aufgetragen werden. Durch dieses dosierte Aufträgen können beispielsweise Unebenheiten der Schottplatte 106 und des aufzusetzenden Zellmoduls ausgeglichen werden.
Die Unebenheiten können vor dem Aufträgen der Wärmeleitpaste 110 erfasst werden, indem die Schottplatte 106 beziehungsweise der Teilbereich 108, in dem die Wärmeleitpaste 110 aufgetragen werden soll, dreidimensional vermessen wird. Wenn Unebenheiten des Zellmoduls ausgeglichen werden sollen, kann auch die in die Wärmeleitpaste einzurückende Oberfläche des Zellmoduls dreidimensional vermessen werden. Basierend auf dieser Vermessung kann dann der Durchmesser der Raupen für jede Position der Raupen bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Aufsetzens eines Rahmens 104 einer Batterie 102 auf ein magnetorheologisches Kissen 116 einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Darstellung entspricht dabei im Wesentlichen der Darstellung in Fig. 1. Im Gegensatz dazu liegt der Rahmen 104 hier auf dem Kissen 116 auf und eine Unterseite der Schottplatte 106 wird durch das magnetorheologische Kissen abgeformt. Durch die Fließfähigkeit seiner Füllung und die Elastizität seiner Hülle liegt das Kissen 116 vollflächig an der Schottplatte 106 an. Der Rahmen 104 ist dabei ein Stück in das Kissen 116 eingesunken. Hier ist das Kissen 116 mit der Unterlage 118 durch eine Anhebeeinrichtung 200 der Vorrichtung 100 gegen die Schottplatte 106 gedrückt worden. Alternativ dazu kann der Rahmen 104 durch eine Absenkeinrichtung auf das Kissen 116 abgesenkt werden.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Schottplatte 106 an der Unterseite eine hier nicht dargestellte Kühleinrichtung auf. Die Kühleinrichtung weist Kühlkanäle auf, die über eine Haupterstreckungsebene der Unterseite überstehen. Die Kühlkanäle werden beim Aufsetzen des Rahmens 104 auf das Kissen 116 ebenso dreidimensional abgeformt.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines Aktivierens eines Magneten 300 einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Darstellung entspricht dabei im Wesentlichen der Darstellung in Fig. 2. Zusätzlich dazu ist hier der Magnet 300 symbolisch dargestellt, der ein das Kissen 116 durchflutendes Magnetfeld 302 bereitstellt. Durch das Magnetfeld 302 verhärtet das Kissen 116 und behält die Kontur des darauf abgesenkten Rahmens 104 bei.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung eines Drückens eines Zellmoduls 400 in eine Wärmeleitpaste 110 unter Verwendung einer Drückeinrichtung 402 einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Zellmodul 400 ist eine zweite Komponente 400 der Batterie 102. Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der Darstellung in Fig. 3. Zusätzlich ist hier das Zellmodul 400 im Abteil 114 angeordnet und wird von der Drückeinrichtung 402 in die Wärmeleitpaste 110 gedrückt. Das Drücken kann auch als Setzen bezeichnet werden. Der Magnet 300 ist während des Drückens angeschaltet und stellt das Magnetfeld 302 bereit. Während des Drückens wird die Schottplatte 106 also vollflächig durch das verhärtete Kissen 116 abgestützt, sodass ein durch das Drücken resultierender Druck in der Wärmeleitpaste 110 die Schottplatte 106 nicht verformen kann.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Zellmodul 400 nach dem Drücken mit dem Rahmen 104 verschraubt. Durch die Verschraubung wird eine Position des Zellmodus 400 relativ zum Rahmen 104 gesichert. Zum Verschrauben werden dabei Toleranzausgleichselemente verwendet, um beispielsweise Form und Lagetoleranzen während des Schraubvorgangs auszugleichen. Nach dem Drücken wird der Magnet 300 abgeschaltet und damit das Magnetfeld 302 deaktiviert. Dadurch wird das Kissen 116 wieder weich und die Batterie 102 kann einfach von dem Kissen abgehoben werden.
Mit anderen Worten wird in Fig. 4 ein adaptives Gegenhalten mit MRF in einer Anwendung beim Modulsetzprozess von Batteriesystemen gezeigt. Bei Batteriesystemen entstehen durch das Verpressen des Gapfillers beim Modulsetzvorgang relativ hohe Kräfte. Durch diese Kräfte kann eine die Rahmenunterseite ausbildende Schottplatte, welche die Zellmodulseite und die Kühlseite abtrennt, durchgebogen werden. Um dies zu verhindern ist ein adaptives Gegenhalten vom Vorteil.
Hintergrund sind die Ebenheitstoleranzen von der Rahmenunterseite welche „normales Gegenhalten“ mit einer festen Geometrie nicht möglich machen. Wenn die Kontur der Schottplatte beim Modulsetzen nicht in der Ausgangsposition gehalten wird, kann eine errechnete Menge Wärmeleitpaste inkorrekt sein und ein Benetzungsgrad kann sinken. Bei einer Überdrückung, also einer elastischen und/oder plastischen Verformung der Schottplatte kann nach dem Setzprozess ein Luftspalt zwischen der Wärmeleitpaste und der Schottplatte entstehen, wodurch die Wärmeabfuhr eingeschränkt sein kann.
Das kann durch den hier vorgestellten Ansatz verhindert werden. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird die Kontur der Schottplatte mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit (MRF) abgeformt, welche sich in einem Kissen befindet. Nach dem Abformprozess richten sich die Metallpartikel durch Aktivierung eines Elektromagneten. Durch diese Aktivierung wird die Form eingefroren und der Setzprozess mit dem Modul kann durchgeführt werden.
Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft gewählt. BEZUGSZEICHENLISTE
100 Vorrichtung 102 Batterie 104 erste Komponente Rahmen
106 Schottplatte 108 Teilbereich 110 Wärmeleitpaste 112 Holm 114 Abteil
116 magnetorheologisches Kissen 118 Unterlage
200 Anhebeeinrichtung
300 Magnet 302 Magnetfeld
400 zweite Komponente Zellmodul

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Verbinden von Komponenten einer Batterie (102), wobei als erste Komponente (104) eine Schottplatte (106) eines Rahmens (104) der Batterie (102) auf ein magnetorheologisches Kissen (116) aufgesetzt wird, durch das Kissen (116) plastisch abgeformt wird und ein Magnetfeld (302) im Bereich des Kissens (116) erzeugt wird, um das Kissen (116) zu verhärten, wobei als zweite Komponente (400) zumindest ein Zellmodul (400) der Batterie (102) in eine zuvor auf eine Oberfläche zumindest einer der Komponenten (104, 400) aufgebrachte Wärmeleitpaste (110) gedrückt wird, während die Schottplatte (106) durch das verhärtete Kissen (116) vollflächig abgestützt wird, wobei die Wärmeleitpaste (110) zwischen dem Zellmodul (400) und der Schottplatte (106) lateral verteilt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem nach dem Drücken das Magnetfeld (302) deaktiviert wird, um das Kissen (116) zu enthärten und der Rahmen (104) mit dem Zellmodul (400) von dem enthärteten Kissen (116) abgehoben wird.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeleitpaste (110) in Form von Raupen aufgetragen wird, wobei die Raupen beim Drücken platt gedrückt werden.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Topografie zumindest eines Teilbereichs (108) zumindest einer der Oberflächen dreidimensional vermessen wird und die Wärmeleitpaste (110) im Teilbereich (108) topografiespezifisch aufgetragen wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeleitpaste (110) auf zumindest einen Teilbereich (108) der Schottplatte (106) aufgetragen wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Schottplatte (106) und dem Kissen (116) eine Kühleinrichtung angeordnet ist, wobei ferner die Kühleinrichtung durch das Kissen (116) plastisch abgeformt wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zellmodul (400) nach dem Drücken mit dem Rahmen (104) verschraubt wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zellmodul (400) in ein erstes Abteil (114) des Rahmens (104) gedrückt wird, wobei zumindest ein weiteres Zellmodul (400) der Batterie (102) in zumindest ein weiteres Abteil (114) des Rahmens (114) gedrückt wird.
9. Vorrichtung (100), wobei die Vorrichtung (100) dazu ausgebildet ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in entsprechenden Einrichtungen auszuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern..
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das Kissen (116) eine elastische Hülle und eine Füllung aus einer Flüssigkeit und Partikeln aus einem ferromagnetischen Werkstoff aufweist.
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