DE102016011237A1

DE102016011237A1 - Verfahren zur Demontage einer Einzelzelle aus einem Zellmodul eines elektrischen Energiespeichers und Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Info

Publication number: DE102016011237A1
Application number: DE102016011237.9A
Authority: DE
Inventors: Marcus Zacher; Steffen Zawierucha; Hannes Walz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-09-17
Filing date: 2016-09-17
Publication date: 2017-04-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Demontage einer Einzelzelle (1.1) aus einem Zellmodul (1) eines elektrischen Energiespeichers, wobei – eine mittels zumindest eines Spannelements (1.4) erzeugte axiale Spannung des Zellmoduls (1) gelöst wird, – Zellpole (1.1.1) der Einzelzelle (1.1) von einem Zellverbinder getrennt werden und – die Einzelzelle (1.1) aus dem Zellmodul (1) entnommen wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Zellmodul (1) vor dem Lösen der axialen Spannung in einer Spannvorrichtung (2.1) angeordnet wird, wobei – das Zellmodul (1.1) an einem ortsfesten Klemmelement (2.1.1) angeordnet wird und – ein bewegbares Klemmelement (2.1.2) axial in Richtung des Zellmoduls (1) relativ zum ortsfesten Klemmelement (2.1.1) hydraulisch bewegt wird, bis das Zellmodul (1) zwischen den Klemmelementen (2.1.1, 2.1.2) eingespannt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (2) zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Demontage einer Einzelzelle aus einem Zellmodul eines elektrischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Elektrische Energiespeicher, z. B. Traktionsbatterien für Fahrzeuge, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein elektrischer Energiespeicher umfasst ein oder mehrere Zellmodule, die jeweils aus einer Mehrzahl von Einzelzellen zu einem Zellverbund zusammengesetzt sind. Zur Analyse bestimmter Parameter und/oder Funktionen der Einzelzellen, insbesondere während eines Entwicklungsprozesses des elektrischen Energiespeichers, kann eine Demontage bestimmter Einzelzellen aus dem Zellmodul erforderlich sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Demontage einer Einzelzelle aus einem Zellmodul eines elektrischen Energiespeichers anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 4 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Demontage einer Einzelzelle aus einem Zellmodul eines elektrischen Energiespeichers wird eine mittels zumindest eines Spannelements erzeugte axiale Spannung des Zellmoduls gelöst. Anschließend werden Zellpole der Einzelzelle von einem Zellverbinder getrennt und die Einzelzelle aus dem Zellmodul entnommen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Zellmodul vor dem Lösen der axialen Spannung in einer Spannvorrichtung angeordnet wird, wobei das Zellmodul an einem ortsfesten Klemmelement angeordnet wird und wobei ein bewegbares Klemmelement axial in Richtung des Zellmoduls relativ zum ortsfesten Klemmelement hydraulisch bewegt wird, bis das Zellmodul zwischen den Klemmelementen eingespannt ist.
Mittels des Verfahrens kann eine Sicherheit bei der Demontage der Einzelzelle gegenüber dem Stand der Technik erheblich verbessert werden. Dies ist dadurch begründet, dass mögliche Zellverformungen von außen nicht erkennbar sind, die beispielsweise durch sogenanntes Lithium-Plating entstanden sind. Bei der konventionellen Demontage einer Einzelzelle, bei dem das Zellmodul ohne Ausübung einer Spannkraft auf dieses demontiert wird, kann das Zellmodul zerbersten, woraus ein erhebliches Sicherheits- und Verletzungsrisiko einer das Zellmodul demontierenden Person resultiert. Wird jedoch wie vorgeschlagen, das Zellmodul zwischen den Klemmelementen eingespannt, bevor dieses demontiert wird, kann ein Zerbersten desselben vermieden oder zumindest verringert werden. Nach der Entnahme der Einzelzelle kann eine auf das Zellmodul ausgeübte Spannkraft kontrolliert und kontinuierlich verringert werden. Des Weiteren kann das Verfahren für verschiedene Zellmodultypen, z. B. für sogenannte Pouchzellen und für prismatische Einzelzellen, durchgeführt werden. Ferner ist das Verfahren automatisierbar, so dass ein Kosten- und Zeitaufwand zur Durchführung des Verfahrens optimiert sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Zellmoduls eines elektrischen Energiespeichers und
2 schematisch eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Demontage einer Einzelzelle aus einem Zellmodul.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zellmoduls 1 in einer Schnittdarstellung, insbesondere in einem Längsschnitt.
Das Zellmodul 1 ist zur Anordnung in einem nicht dargestellten, elektrischen Energiespeicher vorgesehen, wobei der elektrische Energiespeicher das Zellmodul 1 oder mehrere elektrisch miteinander verschaltete Zellmodule 1 umfasst. Der elektrische Energiespeicher ist beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder für ein Brennstoffzellenfahrzeug. Eine derartige Traktionsbatterie dient als Energiespeicher für elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs.
Das Zellmodul 1 umfasst eine Mehrzahl von Einzelzellen 1.1, welche beispielsweise jeweils als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet und gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als sogenannte Pouch- oder Coffee-Bag-Zeilen geformt sind, bei denen ein elektrochemisch aktiver Inhalt von einer folienartigen Verpackung umgeben ist. An einer Seite der Einzelzelle 1.1. sind Zellpole 1.1.1 als elektrische Anschlüsse aus der Verpackung herausgeführt.
Zur Ausbildung des Zellmoduls 1 werden benachbarte Einzelzellen 1.1 jeweils um 180 Grad um ihre Hochachse gegeneinander verdreht und mittels Fixierelementen 1.2, auch Spacer genannt, in einem definierten Abstand zueinander angeordnet und gegeneinander elektrisch isoliert. Die Zellpole 1.1.1 benachbarter Einzelzellen 1.1 werden mit nicht dargestellten Zellableitern verbunden, insbesondere kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden. Damit sind die Einzelzellen 1.1 mechanisch stabil zueinander angeordnet und zumindest axial in eine Längsausdehnung x des Zellmoduls 1 positioniert. Die Fixierelemente 1.2 sind beispielsweise als so genannte Halbrahmen ausgebildet, wobei in nicht näher dargestellter Weise zwischen zwei benachbarten Fixierelementen 1.2 jeweils eine Einzelzelle 1.1 kraftschlüssig durch Reibung gehalten ist.
Zum Verpressen des Zellmoduls 1 wird eine Kraft stirnseitig in das Zellmodul 1 eingeleitet. Dies erfolgt hierbei mittels Endplatten 1.3, die stirnseitig am Zellmodul 1 angeordnet werden. Die Endplatten 1.3 weisen dabei zusammen mit den Fixierelementen 1.2 nicht dargestellte Durchgangslöcher auf, durch welche ein Spannelement 1.4, insbesondere ein Zuganker, zur Versteifung des Zellmoduls 1 hindurchgeführt ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Spannelemente 1.4 angeordnet.
Durch Störprozesse im Betrieb des Zellmoduls 1, z. B. bei einer inhomogenen Stromdichteverteilung beim Laden des elektrischen Energiespeichers oder bei einer niedrigen Temperatur und einem hohen Ladestrom, ist es möglich, dass im Verlauf einer Redoxreaktion zwischen den Elektroden der Einzelzellen 1.1 Lithium-Ionen an der Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Schicht innerhalb der Einzelzelle 1.1, z. B an der Oberfläche einer Anode, als metallisches Lithium abgeschieden werden. Dies ist auch bekannt als sogenanntes Lithium-Plating und stellt im regulären Betrieb des elektrischen Energiespeichers insbesondere dann ein hohes Gefährdungspotential dar, wenn die Metall-Abscheidungen ein dendritisches Wachstum aufweisen. Ab einer bestimmten Größe der dendritischen Metall-Abscheidungen können diese einen zwischen den Elektroden angeordneten, elektrisch isolierenden Separator beschädigen und möglicherweise perforieren, wobei das Risiko eines Kurzschlusses sehr hoch ist.
Um derartige, ungewollte chemische Vorgänge zu vermeiden, werden während der Entwicklung von elektrischen Energiespeichern Tests durchgeführt, bei denen anschließend eine Untersuchung der Einzelzellen 1.1 oder bestimmter Einzelzellen 1.1 erforderlich ist. Um eine separate Untersuchung bestimmter Einzelzellen 1.1 zu ermöglichen, muss das Zellmodul 1 zerlegt werden, so dass eine Entnahme der Einzelzellen 1.1 möglich ist. Insbesondere als Pouchzellen ausgebildete Einzelzellen 1.1 können bei bestimmten, nicht erwünschten chemischen Prozessen, z. B. beim Lithium-Plating, ihr Volumen vergrößern. Dies führt insbesondere im Verbund innerhalb des Zellmoduls 1 dazu, dass unerwünschte Drücke entstehen können, mit denen das Zellmodul 1 beaufschlagt wird.
Bei der Zerlegung des Zellmoduls 1 müssen die Spannelemente 1.4 gelöst und die Zellableiter voneinander getrennt werden. Es kann dabei nicht von außen erkannt werden, ob eine oder mehrere Einzelzellen 1.1 Zellverformungen aufweisen, da diese nahezu vollständig von den rahmenförmigen Fixierelementen 1.2 und den Endplatten 1.3 verdeckt sind. Hierbei besteht die Gefahr, dass das Zellmodul 1 während der Demontage aufgrund der hohen Drücke zerberstet, wobei ein hohes Sicherheits- und Verletzungsrisiko für die demontierende Person besteht.
Zur Lösung des Problems wird ein Verfahren zur Demontage einer Einzelzelle 1.1 aus dem Zellmodul 1, insbesondere während der Entwicklung zur weiteren Analyse, vorgeschlagen, mittels welchem die Einzelzelle 1.1 sicher demontierbar ist, ohne dass ein Zerbersten derselben auftreten kann oder zumindest das Risiko eines Zerberstens der Einzelzelle 1.1 verringert wird.
Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung 2 vorgesehen, die in 2 näher gezeigt und beschrieben ist.
2 zeigt die Vorrichtung 2 teilweise in einer Schnittdarstellung mit dem Zellmodul 1 gemäß dem in 1 gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Die Vorrichtung 2 umfasst eine Spannvorrichtung 2.1 mit einem ortsfesten Klemmelement 2.1.1, welches beispielsweise als eine fixierte, unbewegliche Klemmbacke ausgebildet ist, und einem bewegbaren Klemmelement 2.1.2, welches relativ zum ortsfesten Klemmelement 2.1.1 in Richtung der Längsachse x bewegbar ist. Das bewegbare Klemmelement 2.1.2 ist beispielsweise als eine Anpressplatte mit einer Kolbenstange ausgebildet.
Die Vorrichtung 2 umfasst weiterhin eine Druckeinheit 2.2 mit einem Hydraulikzylinder 2.2.1, einem Hydraulikspeicher 2.2.2, einer Hydraulikpumpe 2.2.3 und einem Ventil 2.2.4.
Der Hydraulikzylinder 2.2.1 ist ein zylindrisches Element, in welchem das bewegbare Klemmelement 2.1.2 angeordnet und bei Beaufschlagung mit einer Hydraulikflüssigkeit in Richtung der Längsachse x relativ zum Hydraulikzylinder 2.2.1 bewegbar ist. Die Hydraulikflüssigkeit wird vom Hydraulikspeicher 2.2.2 zur Verfügung gestellt und mittels der Hydraulikpumpe 2.2.3 in den Hydraulikzylinder 2.2.1 gefördert.
Zur Demontage einer Einzelzelle 1.1 wird zunächst das Zellmodul 1 zwischen dem ortsfesten Klemmelement 2.1.1 und der Druckeinheit 2.2, insbesondere dem bewegbaren Klemmelement 2.1.2, angeordnet, wobei eine der Endplatten 1.3 am ortsfesten Klemmelement 2.1.1 abgestützt wird. Anschließend wird das bewegbare Klemmelement 2.1.2 in Richtung der Längsachse x mittels des Hydraulikzylinders 2.2.1 auf die andere Endplatte 1.3 zubewegt, bis eine bestimmte Spannkraft erreicht wird, die auf das Zellmodul 1 ausgeübt wird. D. h., das Zellmodul 1 wird zwischen den Klemmelementen 2.1.1, 2.1.2 eingespannt. Die Bewegung des bewegbaren Klemmelements 2.1.2 erfolgt, indem die Hydraulikpumpe 2.2.3 die hydraulische Flüssigkeit vom Hydraulikspeicher 2.2.2 in den Hydraulikzylinder 2.2.1 pumpt.
Die auf das Zellmodul 1 ausgeübte Spannkraft kann elektronisch oder analog mittels eines Manometers überwacht werden. Sobald das Zellmodul 1 ausreichend eingespannt ist bzw. die Spannkraft einen vorgegebenen Schwellwert erreicht oder überschreitet, wird die Hydraulikpumpe 2.2.3 deaktiviert. Damit ist das Verfahren in vorteilhafter Weise automatisierbar. Anschließend können die Spannelemente 1.4 sicher demontiert und andere Demontagetätigkeiten am Zellmodul 1 durchgeführt werden. Sobald die Demontagetätigkeiten abgeschlossen sind, kann die Spannkraft verringert werden, wobei mittels des Ventils 2.2.4 die Hydraulikflüssigkeit aus dem Hydraulikzylinder 2.2.1 abgelassen wird. Dabei bewegt sich das bewegbare Klemmelement 2.1.2 langsam von der Endplatte 1.3 des Zellmoduls 1 weg, so dass sich das Zellmodul 1 entspannt.
Das beschriebene Verfahren ist nicht auf einen bestimmten Zellmodultyp beschränkt. Anstelle eines Zellmoduls 1 mit Pouchzellen können beispielsweise auch Zellmodule 1 mit prismatischen Zellen verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Zellmodul
1.1: Einzelzelle
1.1.1: Zellpol
1.2: Fixierelement
1.3: Endplatte
1.4: Spannelement
2: Vorrichtung
2.1: Spannvorrichtung
2.1.1: ortsfestes Klemmelement
2.1.2: bewegbares Klemmelement
2.2: Druckeinheit
2.2.1: Hydraulikzylinder
2.2.2: Hydraulikspeicher
2.2.3: Hydraulikpumpe
2.2.4: Ventil
x: Längsachse

Claims

Verfahren zur Demontage einer Einzelzelle (1.1) aus einem Zellmodul (1) eines elektrischen Energiespeichers, wobei – eine mittels zumindest eines Spannelements (1.4) erzeugte axiale Spannung des Zellmoduls (1) gelöst wird, – Zellpole (1.1.1) der Einzelzelle (1.1) von einem Zellverbinder getrennt werden und – die Einzelzelle (1.1) aus dem Zellmodul (1) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellmodul (1) vor dem Lösen der axialen Spannung in einer Spannvorrichtung (2.1) angeordnet wird, wobei – das Zellmodul (1.1) an einem ortsfesten Klemmelement (2.1.1) angeordnet wird und – ein bewegbares Klemmelement (2.1.2) axial in Richtung des Zellmoduls (1) relativ zum ortsfesten Klemmelement (2.1.1) hydraulisch bewegt wird, bis das Zellmodul (1) zwischen den Klemmelementen (2.1.1, 2.1.2) eingespannt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf das Zellmodul (1) ausgeübte Spannkraft erfasst wird und die Bewegung des bewegbaren Klemmelements (2.1.2) gestoppt wird, wenn die erfasste Spannkraft einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Entnahme der Einzelzelle (1.1) aus dem Zellmodul (1) die auf das Zellmodul (1) ausgeübte Spannkraft verringert wird.
Vorrichtung (2) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend – die Spannvorrichtung (2.1) mit dem ortsfesten Klemmelement (2.1.1) und dem bewegbaren Klemmelement (2.1.2), und – eine Druckeinheit (2.2) mit einem Hydraulikzylinder (2.2.1), einem eine Hydraulikflüssigkeit zur Verfügung stellenden Hydraulikspeicher (2.2.2), einer die Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikzylinder (2.2.1) fördernden Hydraulikpumpe (2.2.3) und einem Ventil (2.2.4), wobei die Druckeinheit (2.2) mit der Spannvorrichtung (2.1) derart gekoppelt ist, dass das bewegbare Klemmelement (2.1.2) mittels des Hydraulikzylinders (2.2.1) relativ zum ortsfesten Klemmelement (2.2.1) hydraulisch bewegbarist.