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Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, mit mehreren Energiespeicherzellen und mit einer die Energiespeicherzellen zumindest im Wesentlichen umfassenden Einhausung.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Energiespeichermoduls.
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Üblicherweise werden eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, insbesondere Pouch-Zellen, zu einem Zellstapel zusammengefasst und beispielsweise mit weiteren Energiespeichermodulen elektrisch verbunden, um einen Energiespeicher, insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, zu bilden. Um die Energiespeicherzellen zusammenzuhalten und zu schützen werden sie eingehaust, wofür beispielsweise Bleche, Stirnplatten, Anschraubhülsen und andere Verbindungstechniken vorgesehen sind. Die Herstellung derartiger Speichermodule ist daher komplex und kostenaufwendig. Weil üblicherweise mehrere derartige Energiespeichermodule in einem Energiespeicher verbaut werden, wirkt eine Änderung an dem Aufbau des jeweiligen Energiespeichermoduls sich auf den gesamten Energiespeicher entsprechend skaliert aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiespeichermodul zu schaffen, dessen Herstellung kostengünstiger ist, und das ein geringeres Gewicht aufweist, um das Gesamtgewicht eines Energiespeichers zu reduzieren und damit den Energieverbrauch insbesondere in einem Kraftfahrzeug aufgrund des reduzierten Gewichts zu verringern.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Energiespeichermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 jeweils gelöst.
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Das erfindungsgemäße Energiespeichermodul hat den Vorteil, dass die Einhausung der Energiespeicherzellen kostengünstig in Bezug auf Material und Herstellungsprozess und gewichtssparend ist, dabei jedoch die gleichen mechanischen Eigenschaften gewährleistet, die herkömmliche Einhausungen auch bieten. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Einhausung aus zumindest einem um die Energiespeicherzellen gewickelten Verbundband gefertigt ist, das ein erstarrtes Trägermaterial und eine Vielzahl von in dem Trägermaterial angeordnete Stützfasern aufweist. Das Verbundband lässt sich bei der Fertigung einfach um die Energiespeicherzellen herumwickeln und dadurch vorteilhaft platzieren. Durch das Umwickeln der Speicherzellen kann durch das Verbundband außerdem eine lastpfadgerechte Ausrichtung der in dem Trägermaterial gehaltenen Stützfasern realisiert werden, wodurch eine hohe mechanische Belastbarkeit des Energiespeichermoduls gewährleistet ist. Dabei wird das Verbundband um den Verbund aus der Vielzahl von Energiespeicherzellen, die also vorher bereits zu dem Energiespeicherzellenverbund oder -Stapel zusammengesetzt wurden, herumgewickelt, sodass das Verbundband eine Außen-Einhausung bildet. Für den Umwickelvorgang ist das Trägermaterial zweckmäßigerweise flexibel, insbesondere fluid oder viskos derart, dass sich das Verbundband passgenau um die Energiespeicherzellen herumwickeln lässt. Ist jedoch das Trägermaterial erstarrt, hält es seine stützende Form bei, wobei die in dem Trägermaterial enthaltene Stützfasern dazu beitragen, die Grundform des Verbundbands im viskosen/fluiden Zustand des Trägermaterials beizubehalten und eine hohe Belastung der erstarrten Einhausung zu gewährleisten.
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Vorzugsweise ist das Trägermaterial ein Kunststoffmaterial. Hierdurch kann auf bekannte Verfahren zur Herstellung des Verbundbands zurückgegriffen werden. Insbesondere kann hierdurch auf einfache Art und Weise ein Endlosverbundband mit integrierten Stützfasern bereitgestellt werden, wodurch die Fertigung des Energiespeichermoduls und insbesondere eine Vielzahl von Energiespeichermodule vereinfacht wird.
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Besonders bevorzugt ist das Trägermaterial ein thermoplastischer Kunststoff. Dieser ist im Normalzustand ausgehärtet und kann durch Erwärmen flexibel beziehungsweise fluid/viskos gemacht werden. Zum Umwickeln der Energiespeicherzellen wird dazu das Trägermaterial erhitzt, bis es eine gewünschte Fließfähigkeit oder Flexibilität aufweist. Nach dem Umwickeln wird der Kunststoff auf seine Ausgangstemperatur zurückgekühlt, sodass er erhärtet und seine Form dauerhaft beibehält.
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Alternativ oder zusätzlich weist das Trägermaterial einen Harz auf, welcher insbesondere durch Erwärmung, beispielsweise in einem Trockenofen oder dergleichen, aushärtbar ist. Der Harz stellt eine kostengünstige Variante des Trägermaterials dar, und ist ein häufig verwendeter Verbundwerkstoff, sodass auch hier auf bekannte Prozessschritte zur Herstellung des Verbundbands zurückgegriffen werden kann.
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Bevorzugt sind zumindest einige der Stützfasern Kohlefasern. Diese gewährleisten in vorteilhafter Weise eine hohe Belastbarkeit der Einhausung.
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Alternativ oder zusätzlich sind zumindest einige der Stützfasern Glasfasern. Auch diese haben den Vorteil, dass sie das Trägermaterial in dem Verbundband verstärken und stützen und dadurch einen erhöhte Belastbarkeit der Einhausung gewährleisten. Vorzugsweise sind die Stützfasern lastpfadgerecht in dem Verbundband oder das Verbundband mit den Stützfasern lastpfadgerecht um die Energiespeicherzellen herumgewickelt, um eine vorteilhafte Verstärkung beziehungsweise Stützung der Energiespeicherzellen zu erzielen. Das Verbundband ist bevorzugt einlagig um das Energiespeichermodul herumgewickelt. Optional können auch mehrere Lagen des Verbundbands zumindest abschnittsweise vorhanden sein.
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Bevorzugt verlaufen die Stützfasern zumindest im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Verbundbands. Dies bedeutet, dass Stützfasern innerhalb des Verbundbands in der Ebene des Verbundbands verlaufend liegen, sodass sie eine lastpfadgerechte Stützung entlang des Verbundbands in vorteilhafter Weise gewährleisten.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest einige der Stützfasern, insbesondere alle Stützfasern parallel zueinander ausgerichtet sind. Dadurch erhalten die Stützfasern eine Vorzugsrichtung und eine bevorzugte Stützrichtung, welche einen lastpfadgerechte Verlegung des Verbundbands ermöglicht.
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Insbesondere sind zumindest einige der Stützfasern, insbesondere alle Stützfasern parallel zur Längserstreckung des Verbundbands ausgerichtet. Dies erleichtert die Herstellung der Einhausung, weil die Ausrichtung der Stützfasern mit der Ausrichtung des Verbundbands korrespondiert, sodass eine einfache Orientierung bei der Herstellung gewährleistet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest einige Stützfasern schräg oder senkrecht zur Längserstreckung des Verbundbands ausgerichtet sind. Dadurch wird eine Wirkrichtung der Stützfasern innerhalb des Verbundbands und insbesondere innerhalb der Ebene des Verbundbands variiert, sodass das Verbundband in vorteilhafter Weise an unterschiedliche Anwendungszwecke anpassbar ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass in dem Verbundband nur parallel zueinander liegende Stützfasern angeordnet sind, sodass die Stützfasern entweder parallel zur Längserstreckung des Verbundbands oder schräg oder senkrecht dazu ausgerichtet sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist bevorzugt vorgesehen, dass in dem Verbundband Stützfasern vorhanden sind, die senkrecht zueinander oder schräg zueinander ausgerichtet sind. Dadurch wird die Belastbarkeit des Verbundbands und der Einhausung weiter erhöht.
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Besonders bevorzugt sind zumindest einige der Stützfasern zu einem Stützfasergewebe miteinander verwoben. Dadurch wird eine besonders hohe Belastbarkeit des Verbundbands und der Einhausung gewährleistet. Das Stützfaser-Gewebe erlaubt dennoch bei der Fertigung der Einhausung eine flexible Handhabung des Verbundbands und ein einfaches und sicheres Umwickeln der Energiespeicherzellen, solang das Trägermaterial viskos/fluid ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst mehrere Energiespeicherzellen als Energiespeicherzellenverbund bereitgestellt werden. Das bedeutet, dass die Energiespeicherzellen eine Energiespeicherzelleneinheit, insbesondere einen Energiespeicherzellenstapel bilden. Anschließend werden die Energiespeicherzellen durch zumindest bereichsweises Umwickeln der Energiespeicherzellen mit einem Verbundband, das ein fluides/viskoses Trägermaterial mit einer Vielzahl von in dem Trägermaterial angeordneten Stützfasern aufweist, eingehaust. Das Verbundband ist dabei insbesondere wie vorstehend beschrieben ausgebildet. Anschließend wird das Trägermaterial erhärtet, beispielsweise durch Erhitzen und/oder Trocknen oder durch Abkühlen bis die Einhausung durch das Verbundband eine feste Struktur bildet. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 ein Energiespeichermodul in einer perspektivischen Darstellung,
- 2 das Energiespeichermodul mit einer vorteilhaften Einhausung,
- 3A bis 3C unterschiedliche Verbundbänder für die Einhausung des Energiespeichermoduls und
- 4 ein Flussidagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen des vorteilhaften Energiespeichermoduls mit der Einhausung.
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1 zeigt in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung ein Energiespeichermodul 1 für einen Energiespeicher, insbesondere eine Traktionsbatterie, eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Das Energiespeichermodul 1 weist mehrere Energiespeicherzellen 2 auf, die aneinander anliegend gestapelt sind und einen Energiespeicherzellenstapel 3 oder -Verbund bilden. Die Energiespeicherzellen 2 weisen elektrische Anschlüsse +,- auf, die zur elektrischen Kontaktierung und Verbindung der Speicherzellen miteinander dienen. Die Energiespeicherzellen 2 beziehungsweise der Speicherzellenstapel 3 sind von einer Einhausung 4 umgeben, welche den Energiespeicherzellenstapel 3 zumindest im Wesentlichen umschließt, sodass dieser geschützt im Inneren der Einhausung 4 liegt. Zur elektrischen Kontaktierung verbleiben elektrische Verbindungen, die die Einhausung 4 durchdringen und/oder Öffnungen in der Einhausung, durch welche die elektrische Verbindung geführt werden können. Durch die Einhausung 4 sind die Energiespeicherzellen 2, die insbesondere als Pouch-Zellen ausgebildet sind, aneinander festgehalten und geschützt, sodass durch die Einhausung 4 ein handhabbares Energiespeichermodul 1 zur Verfügung gestellt wird, das beispielsweise mehrfach in ein Energiespeichergehäuse einsetzbar ist, um dort einen Energiespeicher auszubilden.
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2 zeigt das Energiespeichermodul 1 mit der nunmehr geschlossen dargestellten Einhausung 4. Die Einhausung 4 ist hergestellt aus einem Endlos-Verbundband 5, das um die Energiespeicherzellen 2 beziehungsweise den Energiespeicherzellenstapel 3 herumgewickelt wurde. Das Verbundband 5 weist ein Trägermaterial 6 auf, das in zumindest einem Aggregatszustand flexibel ist, insbesondere viskos oder fluid, sowie in dem Trägermaterial 6 befindliche Stützfasern 7.
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3A bis 3C zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele des Verbundbands 5 in jeweils einer vereinfachten Draufsicht.
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3A zeigt das Verbundband 5 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei welchem in den Trägermaterial 6 eine Vielzahl von Stützfasern 7 in der Ebene des Verbundbands 6 verlaufend parallel zueinander und parallel zur Längserstreckung des Verbundbands 6 ausgerichtet sind.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3B ist vorgesehen, dass die Stützfasern 7 in dem Verbundband 6 zwar in der Ebene des Verbundbands 6 verlaufen, jedoch schräg beziehungsweise geneigt zu dessen Längserstreckung. Insbesondere ist vorliegend vorgesehen, dass die Stützfasern in einem Winkel von α = 45° zur Längserstreckung des Verbundbands 5 ausgerichtet sind. Die Stützfasern 7 verlaufen dabei alle parallel zueinander.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3C sind Stützfasern 7 vorhanden, die in der Ebene des Verbundbands 5 verlaufen, jedoch schräg zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere sind die Stützfasern 7 senkrecht zueinander und schräg zur Längserstreckung des Verbundbands 5 ausgerichtet und besonders bevorzugt miteinander verwoben, sodass sie ein Fasergewebe 8 bilden. Hierdurch ergibt sich eine besonders tragfähige Einhausung 4.
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Die Stützfasern 7 sind insbesondere als Kohlefasern oder Glasfasern ausgebildet, die eine hohe mechanische Belastbarkeit der Einhausung 4 gewährleisten.
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Natürlich können auch noch andere Faserstrukturen in dem Verbundband 5 realisiert werden. Die obenstehend Genannten sind als mögliche Ausführungsbeispiele zu verstehen, jedoch nicht als abschließende Auflistung.
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Das Trägermaterial 6 ist derart beschaffen, wie vorstehend bereits erwähnt, dass es in zumindest einem Aggregatszustand eine flexible Verformung des Verbundbandes 5 zulässt. Insbesondere ist das Trägermaterial aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt, der aufschmilzt, wenn er ausreichend erhitzt wird.
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Anhand von 4 soll erläutert werden, wie die Einhausung 4 beziehungsweise das Energiespeichermodul 1 hergestellt werden.
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In einem ersten Schritt S1 wird der Energiespeicherstapel 3 mit Energiespeicherzellen 2 zur Verfügung gestellt. In einem darauffolgenden Schritt S2 wird das Verbundband 5, das insbesondere als Endlos-Verbundband bereitgestellt ist, vollständig oder abschnittsweise derart erhitzt, dass das Trägermaterial 6 flexibel verformbar wird. In einem darauffolgenden Schritt S3 wird das Verbundband 5 um den Energiespeicherzellenstapel 3 derart herumgewickelt, dass dieser durch das Verbundband vollständig oder nahezu vollständig umschlossen/eingeschlossen ist. Dabei wird das Verbundband 5 bevorzugt derart um den Elektrodenstapel 3 gewickelt, sodass sich die Stützfasern 7 zumindest im Wesentlichen lastpfadgerecht erstrecken, um dem Energiespeichermodul 1 die bestmögliche Stabilität zu bieten.
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Denkbar ist es, wie in 2 gezeigt, Verbundbänder mit unterschiedlichen Stützfaserstrukturen zu verwenden. So wird beispielsweise ein erstes Verbundband 5_1 mit parallel und in der Längserstreckung ausgerichteten Fasern gemäß Ausführungsbeispiel der 3A einerseits und ein Verbundband 5_2 mit schräg ausgerichteten Verbundfasern gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3B andererseits verwendet, um gemeinsam die Einhausung 4 zu bilden. Die Verbundbänder 5_1, 5_2 können sich dabei auch gegenseitig überlappen beziehungsweise überdecken.
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Sobald die Einhausung 4 durch das eine oder die mehreren Verbundbänder 5, 5_1, 5_2 hergestellt ist, wird in einem Schritt S4 das Trägermaterial 6 erhärtet, beispielsweise indem es abgekühlt und/oder getrocknet wird. Sobald das Trägermaterial 6 ausgehärtet ist und die Einhausung 4 die gewünschte Steifigkeit erreicht hat, wird im Schritt S5 abschließend das fertige Energiespeichermodul 1 mit der Einhausung 4 erhalten und kann zum Beispiel zum Einbau in ein Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.
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Erforderliche Anschraubpunkte oder Verbindungspunkte des Energiespeicherzellenstapels 3 können ohne zusätzliche Fügetechniken vorpositioniert und durch das jeweilige Verbundband 5 mitumwickelt werden. Dadurch ist eine einfache Anordnung und Befestigung von Verbindungspunkten des Energiespeichermoduls 1 möglich. Gleiches gilt für elektrische Verbinder und/oder Kontaktstellen.
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Anstelle eines thermoplastischen Kunststoffs kann auch ein nasser Kunststoff als Trägermaterial verwendet werden, insbesondere ein Harz, der erst durch Erhitzen austrocknet und erhärtet. Dann entfällt der vorgelagerte Schritt des Aufschmelzens des Trägermaterials.
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Das Energiespeichermodul 1 hat den Vorteil, dass außer dem Umwickeln der Energiespeicherzellen keine oder kaum weitere Fügetechniken erforderlich sind, um das Energiespeichermodul 1 auch mit Anschlussverbindungen oder dergleichen auszustatten. Dadurch, dass die Einhausung einfach durch das Umwickeln gefertigt wird, wird außerdem die Teilezahl zum Herstellen des Energiespeichermoduls 1 im Vergleich zu bekannten Verfahren, bei denen eine Vielzahl von Kunststoffteilen nacheinander an dem Energiespeichermodul befestigt werden, reduziert. Während des Wickelvorgangs kann die Wickelrichtung variiert werden, oder ein Verbundband wird in eine Richtung und ein anderes Verbundband in eine andere Richtung um den Energiespeicherzellenstapel 3 gewickelt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel unterscheiden sich auch die Faseranteile der aufgewickelten Bahnen des Verbundbands, sodass einige der aufgewickelten Bahnen einen besonders hohen Faseranteil aufweisen und entlang eines Lastpfads des Energiespeichermoduls gewickelt sind, und andere Bahnen, die an Stellen liegen, die keine besondere Verstärkung erfordern, einen geringeren Faseranteil aufweisen und optional stattdessen mehrfach überlagernd gewickelt sind.
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Eine oder mehrere Druckplatten, die auch in heutigen Energiespeichern bereits zum Einsatz kommen, können durch das Verbundband ebenfalls miteingewickelt werden, um die Stabilität und Robustheit des Energiespeichermoduls 1 zu erhöhen. Bei den Verbindungsstellen kann es sich beispielsweise um Hülsen mit Schraubgewinde handeln, die durch das Umwickeln mit dem Verbundband positioniert und befestigt werden.
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Weil üblicherweise eine Vielzahl derartiger Energiespeichermodule 1 in einem Energiespeicher verbaut werden, und das Energiespeichermodul 1 besonders gewichtsparend ausgebildet ist, verringert sich auch das Gewicht des gesamten Energiespeichers deutlich. Durch den Kunststoff als Trägermaterial 6 wird außerdem eine elektrisch isolierende Schicht um das jeweilige Energiespeichermodul 1 gebildet, was die Crash-Sicherheit weiter erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiespeichermodul
- 2
- Energiespeicherzelle
- 3
- Energiespeicherzellenstapel
- 4
- Einhausung
- 5
- Verbundband
- 5_1
- Verbundband
- 5_2
- Verbundband
- 6
- Trägermaterial
- 7
- Stützfaser
- 8
- Fasergewebe