-
Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, aus mehreren insbesondere prismatischen Speicherzellen, die zumindest in einer Reihe gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten über mindestens ein Zugelement und insbesondere über mindestens einen Zuganker verspannt sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls.
-
In einer üblicherweise als Batterie bezeichneten Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs kommt meist eine Mehrzahl an Energiespeichermodulen zum Antrieb des Fahrzeugs, beispielsweise von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zum Einsatz. Ein jeweiliges Energiespeichermodul besteht dabei typischerweise aus mehreren gestapelten prismatischen Speicherzellen. Die einzelnen Speicherzellen enthalten elektrochemische Zellen der Batterie. Der Stapel aus den einzelnen Speicherzellen wird zumeist über eine mechanische Endplatte und Zuganker zu dem Energiespeichermodul verspannt. Die Endplatten und Zuganker dienen neben der mechanischen Fixierung der Module zueinander insbesondere dazu, einer Verformung durch Änderung bzw. Erhöhung des Gasinnendrucks während des Betriebs der im Inneren der Module angeordneten elektrochemischen Zellen des Speichermoduls, entgegenzuwirken.
-
Die Endplatten der Energiespeichermodule werden üblicherweise durch Strangpressverfahren hergestellt. Die Herstellung solcher so genannter Strangpressprofile, und insbesondere das Pressen derselben kann nur mit einer geringen Geschwindigkeit ausgeführt werden, um Fehler im Strangpressprofil zu vermeiden. Die pro Zeiteinheit erzeugten Stückzahlen sind daher entsprechend gering. Aus diesem Grund können auch die resultierenden fertigungstechnischen Kosten nicht effektiv reduziert werden. Strangpressprofile für Energiespeichermodule lassen sich daher im großtechnischen Maßstab nicht kostengünstig produzieren. Herkömmliche Strangpressprofile für Energiespeichermodule haben ferner den Nachteil, dass die resultierende Endplatte ein hohes Gewicht aufweist, was sich nachteilig auf das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs auswirkt.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung bereitzustellen, des auf einfache Weise herstellbar ist und ein geringes Eigengewicht aufweist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls bereitzustellen, das eines geringen fertigungstechnischen Aufwandes bedarf und das zudem eine einfache und kostengünstige Fertigung des Energiespeichermoduls erlaubt.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
-
Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, aus mehreren insbesondere prismatischen Speicherzellen, die zu mindestens einer Reihe gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen mindestens zwei Endplatten (auch Druckplatten genannt) über mindestens ein Zugelement und insbesondere über mindestens einen Zuganker verspannt sind. Dabei ist mindestens eine der beiden Endplatten aus einer Stanzbiegeplatte gebildet. Üblicherweise sind die Endplatten an den jeweiligen Stirnseiten der gestapelten Zellen angebracht, so dass das Energiespeichermodul zwei Endplatten umfasst. Eine Endplatte kann allerdings auch aus mehreren Einzelplatten bestehen, wobei erfindungsgemäß wenigstens eine dieser Einzelplatten aus einer Stanzbiegeplatte gebildet ist.
-
Unter einer Stanzbiegeplatte im Sinne der Erfindung ist dabei eine Metallplatte zu verstehen, die durch einen geeigneten Formgebungsprozess, wie beispielsweise durch Biegen der Metallplatte, in die gewünschte Form gebracht, und anschließend in gewünschter Größe ausgestanzt wird. Die durch den Formgebungsprozess erzeugte Struktur der Metallplatte ist geeignet, die durch Betrieb der Zellen im Inneren des Energiespeichermoduls während seiner Lebensdauer entstehenden Druckkräfte, aufzunehmen und abzuleiten. Somit werden irreversible Schädigungen am Energiespeichermodul verhindert und es kann eine ausreichende Stabilität des Energiespeichermoduls während seiner gesamten Lebensdauer gewährleistet werden. Im Gegensatz zu Strangpressprofilen sind Stanzbiegeplatten von geringerem Eigengewicht und reduzieren somit das Gesamtgewicht des Energiespeichermoduls und damit folglich auch dasjenige des Kraftfahrzeugs, in das das erfindungsgemäße Energiespeichermodul eingebaut ist. Das erfindungsgemäße Energiespeichermodul ist ferner ohne großen technischen Aufwand produzierbar und bedarf bestenfalls lediglich einer Formgebungsvorrichtung und einer Stanzvorrichtung, wobei die Formgebungsvorrichtung und die Stanzvorrichtung auch in einer Vorrichtung ausgeführt sein können. Mehrere Stanzbiegeplatten können ferner in Mehrfachformgebungsvorrichtungen und Mehrfachstanzen parallel hergestellt werden, was wiederum den Fertigungsaufwand und damit die Kosten des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls senkt.
-
Übliche weitere Bauelemente, wie beispielsweise Isolatoren zwischen den Zellen, können das Energiespeichermodul komplettieren.
-
In vorteilhafter Ausführung ist vorgesehen, dass beide Endplatten des Energiespeichermoduls aus Stanzbiegeplatten gebildet sind. Dies reduziert wiederum das Gesamtgewicht des Energiespeichermoduls und ferner auch die Kosten desselben.
-
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Stanzbiegeplatte mindestens eine Prägung aufweist. Prägungen dienen dazu eine gewisse Struktur in der Stanzbiegeplatte und damit in der Endplatte des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls, auszubilden. Durch unterschiedliche Ausgestaltung der Prägung bzw. der Prägungen, kann die Stanzbiegeplatte an vorgesehenen Stellen Erhöhungen bzw. Vertiefungen aufweisen, durch deren feine Abstimmung die Stabilität der Endplatte gezielt steuerbar ist, so dass Druckentwicklungen aus dem Inneren des Energiespeichermoduls effizient und gleichmäßig auf die Endplatten übertragen und aus dem inneren abgeleitet werden, so dass die Stabilität des Energiespeichermoduls während seiner Lebensdauer nicht negativ beeinträchtigen wird. Das Aufbringen einer Prägung auf mindestens eine der Stanzbiegeplatten, die als Endplatte des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls vorgesehen ist, ist ein effizienter, variabel einsetzbarer, einfacher, gut steuerbarer und kostengünstiger Prozess zur Herstellung einer qualitativ hochwertigen und stabilen Endplatte, der einen geringen fertigungstechnischen Aufwand erfordert. Für die Ausführung der Prägung können herkömmliche Prägevorrichtungen verwendet werden. Der technische Aufwand hierfür ist gering, so dass die Fertigungskosten des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls unter denjenigen gemäß herkömmlicher Strangpressverfahren hergestellter Strangpressprofile bleiben.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die Stanzbiegeplatte Bodenbefestigungselemente aufweist. Bodenbefestigungselemente dienen dazu ein Energiespeichermodul beispielsweise mit der Fahrzeugrahmenstruktur eines Kraftfahrzeugs zu verbinden. Durch Verwendung einer als Stanzbiegeplatte ausgeführten Endplatte können solche Bodenbefestigungselemente, z. B. durch Ausgestaltung der entsprechenden Stanz- oder Prägevorrichtung, vorteilhafter Weise bereits in die Stanzbiegeplatte integriert sein. Dies erhöht den Verbund mit den umgebenden Bauteilen und sichert somit eine ausreichende Stabilität des Energiespeichermoduls in seiner Umgebung selbst bei einwirkenden mechanischen Kräften, wie sie durch bestimmungsgemäßen Gebrauch des Energiespeichermoduls übertragen werden. Die Bodenbefestigungselemente können in beliebiger Form, beispielsweise als Öse oder Bolzen, und Anzahl ausgebildet werden.
-
Vorzugsweise sind sie mindestens an jeder bodenseitigen Ecke des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls vorgesehen.
-
Stanzbiegeplatten im Sinne der Erfindung sind, wie bereits ausgeführt, geformte bzw. strukturierte Metallplatten. Das Material dieser Metallplatten kann je nach qualitativer Anforderung entsprechend ausgewählt werden. Vorzugsweise ist die Stanzbiegeplatte aus Aluminium oder Stahl gebildet, da diese Materialien eine hohe mechanische, chemische, sowie physikalische Stabilität aufweisen. Aluminium als Material ist dabei besonders bevorzugt, da es, im Vergleich zu anderen Metallen, und insbesondere zu Stahl, über ein geringeres Eigengewicht verfügt und somit das Gesamtgewicht des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls effizient gesenkt werden kann.
-
Um die im Inneren des Energiespeichermoduls angeordnete, gestapelte Zellenstruktur zu stabilisieren, sind die an den jeweiligen Stirnseiten der äußeren Zellen angebrachten Endplatten über mindestens ein Zugelement, wie beispielsweise eine Verschweißung oder eine Verschraubung, und vorzugsweise über mindestens einen Zugelement verspannt. Die Anzahl und Form der Zugelemente richtet sich nach deren individueller Gestaltung. Je nach erforderlicher Stabilität kann ein bzw. können mehrere Zugelemente vorgesehen werden, die die stirnseitig angebrachten Endplatten miteinander verbinden (verspannen). in einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist dabei vorgesehen, dass die Endplatten mit jeweiligen Zugelementen verschraubt und/oder gestaucht und/oder verschweißt und/oder mittels mindestens eines Klipps, miteinander verbunden sind, und/oder das Zugelement die Endplatte hintergreift und/oder umgreift. Geeignete Verschraubungsmittel sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Verwendung einer auf die vorstehende Art und Weise mit mindestens einem Zugelement und insbesondere einem Zuganker verbundenden, als Stanzbiegeplatte ausgebildeten Endplatte, bietet ferner den Vorteil, dass sie beim Verspannen zur Anpassung der Längentoleranz des Speicherzellenmoduls verwendbar ist. Bei Verwendung einer als Stanzbiegeplatte ausgeformten Endplatte, können ferner vorzugsweise die Befestigungsmittel, wie beispielsweise Schrauben oder Bolzen, mit bereits in die Stanzbiegeplatte integrierten Befestigungsmitteln, wie Gewindelöchern oder Ösen, verbunden werden. Dies reduziert wiederum den fertigungstechnischen Aufwand und trägt zur Senkung der Kosten des Energiespeichermoduls bei. Die Zuganker können ferner auch durch Klinschen, Klemmen, Nieten oder Falzen mit der Endplatte verbunden werden. Vorteilhafter Weise können die Zuganker auch eine Stauchung um mindestens einen Teil der Endplatte, meist um mindestens eine seitliche Kante desselben, aufweisen, und auf diese Art und Weise mit ihr verbunden werden. Stauchungen haben dabei den Vorteil keine zusätzlichen Befestigungselemente zu erfordern. Die Stauchung des Zugankers kann bequem nach Anordnung der Zellen und umgebenden Endplatten erfolgen und individuell, also in Abhängigkeit der Größe des Zellenstapels, ausgeführt werden. Ferner können Zugelemente oder Zuganker auch mit der Endplatte verschweißt werden. Mögliche Schweißverfahren umfassen dabei Metallschweißen mit inerten Gasen, Wolframinertgasschweißen und Laserschweißen. Das geeignete Schweißverfahren wird in Abstimmung mit den verwendeten Materialen ausgewählt. Eine Schweißverbindung sichert dabei eine dauerhafte Verbindung der Endplatte mit dem Zugelement oder Zuganker. In einer weiteren Ausgestaltung können die Zugelemente oder Zuganker auch mit den Endplatten mittels eines Klipps verbunden sein. Klippelemente wiesen dabei den Vorteil auf, dass sie an beliebigen Stellen im Nachhinein, also nach Anordnung des Zellenstapels, und somit individuell, angebracht werden können. Klippverbindungen sind dabei unabhängig von der Größe und Form des Zellenstapels, was den fertigungstechnischen Aufwand reduziert und eine gewisse Variabilität des Fertigungsprozesses erlaubt. Die jeweiligen Befestigungsmechanismen können auch untereinander kombiniert werden, so kann zum Beispiel zusätzlich zu einer Schweißverbindung eine Schraub- oder Klemmverbindung (Klippverbindung) vorgesehen sein, was die Stabilität der Verankerung des Zugankers mit der Endplatte deutlich erhöht.
-
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines, wie oben beschriebenen, Energiespeichermoduls vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Endplattengrundmaterials, Ausbilden der gewünschten Form der Endplatte, ggf. Prägen einer Struktur in das Endplattengrundmaterial, ggf. Vorsehen von Bodenbefestigungselementen, Ausstanzen der Endplatte, Anbringen mindestens jeweils einer Endplatte an der jeweiligen Stirnseite der endständigen Speicherzelle der in üblicher Weise in Reihe gestapelten, insbesondere prismatischen Speicherzellen und Verspannen der Endplatten über mindestens ein Zugelement und insbesondere einen Zuganker.
-
Im Einzelnen wird beispielsweise ein Metallblech von einer Blechrolle abgewickelt und einer Formgebungsvorrichtung zugeführt. Hier wird das Blech mit einer Struktur versehen, also beispielsweise gebogen. Additiv oder alternativ kann diese Struktur auch durch Prägen in einem Prägewerkzeug erzeugt werden. Die gewünschte Endform der Endplatte wird dann durch eine Stanzvorrichtung ausgestanzt, wodurch eine Endplatte im Sinne der Erfindung, also in Form einer Stanzbiegeplatte, ausgebildet wird. Zusätzlich können auch Bodenbefestigungselemente gebildet werden, die dann integraler Bestandteil der als Stanzbiegeplatte ausgebildeten Endplatte sind. Das Verspannen der Endplatten mittels Zugelementen und insbesondere mittels Zugankern kann beispielsweise durch Verschrauben und/oder Stauchen und/oder Verschweißen und/oder mittels Anbringen mindestens eines Klipps, wie oben beschrieben, erfolgen.
-
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Energiespeichermoduls.
-
Somit wird ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls bereitgestellt, das einfach umzusetzen und variabel in seiner Anwendung ist. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert lediglich einen geringen fertigungstechnischen Aufwand und trägt damit zur Senkung der Herstellkosten des Energiespeichermoduls und damit der Gesamtkosten desselben, bei. Das erfindungsgemäße Energiespeichermodul weist neben einer hohen Qualität, mechanischen, chemischen und physikalischen Stabilität und effizienten Wirkungsweise, ein geringeres Eigengewicht als übliche, nach dem Strangpressverfahren hergestellte Strangpressprofile, auf, so dass das Gesamtgewicht eines Kraftfahrzeugs, das das erfindungsgemäße Energiespeichermodul enthält, reduziert wird. Somit wird auch die Verwendung einer Stanzbiegeplatte zur Herstellung einer Endplatte für ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung beschrieben.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 das erfindungsgemäße Energiespeichermodul gemäß einer Ausführungsform, bestückt mit Speicherzellen, umfassend eine Endplatte, die als Stanzbiegeplatte mit geprägter Struktur ausgebildet ist.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von 1 genauer erläutert.
-
1 zeigt ein Energiespeichermodul 1, das mit Speicherzellen 10 bestückt ist, und an den jeweiligen Stirnseiten (nicht gezeigt) der endständigen Speicherzellen 13, 14 je eine Endplatte 30 (nur diejenige Endplatte 30 der Vorderseite der Reihe der Speicherzellen 40 ist gezeigt) aufweist, die als Stanzbiegeplatte 30 ausgebildet ist. Die Stanzbiegeplatte 30 weist in ihrer Flächenmitte eine ovale Prägung 31 auf, von der aus in jede Ecke der Stanzbiegeplatte 30 eine längliche Prägung 32 verläuft. Diese Prägungen 31, 32 sind zur Außenseite des Energiespeichermoduls 1 hin ausgebeult.
-
Die Speicherzelle 10 besteht typischerweise aus einer oder mehreren einzelnen elektrochemischen Zellen, welche in der hier gewählten Darstellung im Inneren der Speicherzelle 10 im Verborgenen liegen. Auf einer Vorderseite 15 weisen die Speicherzellen 10 ein Anschlussterminal erster Polarität 11 und ein Anschlussterminal zweiter Polarität 12 auf (Parallelschaltung), wobei die Anschlussterminals erster Polarität 11 und zweiter Polarität 12 auf jeder Seite der Speicherzellen 10 auch alternierend, also im Wechsel, angeordnet sein können (Reihenschaltung). Auf der in dieser Figur nicht dargestellten Rückseite der Speicherzellen 10 sind keine Anschlussterminals vorgesehen. Eines der Anschlussterminals 11, 12, typischerweise der Plus-Pol der Speicherzelle 10, kann elektrisch mit einem Gehäuse (nicht gezeigt) der Speicherzelle 10 verbunden sein.
-
Da in dem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul 1 mehrere der Speicherzellen 10 zumindest in einer Reihe 40 gestapelt, hintereinander angeordnet werden, werden zumindest gegenüberliegende Hauptflächen (nicht gezeigt) mit einem elektrisch isolierenden Material versehen. Dieses kann eine Klebefolie sein, die auf die Hauptflächen aufgebracht ist. Alternativ kann auf die Hauptflächen auch ein elektrisch isolierender Kleber aufgebracht werden. Ebenso wäre die Verwendung eines Schrumpfschlauchs, der auf die mit Kleber versehenen Hauptflächen aufgebracht wird, denkbar.
-
Die Verspannung der zu einer Reihe 40 gestapelten Speicherzellen 10 erfolgt im Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Endplatten 30 und Zugankern 20, 21. Die Zuganker 20, 21 sind dabei auf gegenüberliegenden Seiten entlang des Zellenstapels parallel angeordnet und mit den Endplatten 30 mittels einer Umformung 22 verbunden. Dadurch umgreift der Zuganker 20, 21 den Rand 33 der Endplatte 30. Mit anderen Worten erfolgt die Umformung 22 somit um den Rand 33 der Endplatten 30, also um eine seitliche Kante der Endplatte. Durch die Ausgestaltung der Endplatten 30 in Form einer geprägten Stanzbiegeplatte 30, sowie durch mit den Endplatten 30 durch eine Umformung 22 verbundenen Zugankern 20, 21 ist eine gleichmäßige Ausdehnung des Energiespeichermoduls 1 parallel zur Kraftrichtung der Verspannung (d. h. in Erstreckungsrichtung der Zuganker 20, 21) sichergestellt, wenn sich die Speicherzellen 10 in der Speicherzellen-Reihe 40 aufgrund von Gasdruckänderungen, welche beim Betrieb der Speicherzellen 10 auftreten, verformen. Der Vollständigkeit halber sei angeführt, dass die Anzahl an Speicherzellen und deren Anordnung in einer oder mehreren Reihen, beliebig ist.
-
Die Umformung 22 als Verbindung zwischen den Zugankern 20, 21 und der Endplatte 30 stellt ein einfaches, sicheres und etabliertes Verbindungsverfahren im Bereich der Automobiltechnik dar. Prinzipiell könnte die Herstellung der mechanischen Verbindung aber auch auf alternative Weise erfolgen, beispielsweise durch Verschweißen, Verschrauben oder jede beliebige andere form- und/oder kraftschlüssige Verbindung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Energiespeichermodul
- 10
- Speicherzelle
- 11
- Anschlussterminal erster Polarität
- 12
- Anschlussterminal zweiter Polarität
- 13
- Endständige Speicherzelle
- 14
- Endständige Speicherzelle
- 15
- Vorderseite
- 20
- Zuganker
- 21
- Zuganker
- 22
- Umformung
- 30
- Endplatte
- 31
- ovale Prägung
- 32
- längliche Prägung
- 33
- Rand der Endplatte
- 40
- Speicherzellen-Reihe