CN108292722A - 用于机动车电池的电池单元模块以及用于制造这种电池单元模块的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车电池的电池单元模块(1)，包括多个用于储存电能的电池单元(2)以及模块框架(3)，该模块框架具有至少两个压力元件(4、5)和至少一个承受拉力负荷并且由材料制成的拉杆(6、7)，在所述压力元件之间设有电池单元(2)，借助所述拉杆将压力元件(4、5)在中间设有电池单元(2)的情况下相互夹紧，由此压紧电池单元(2)，在此借助拉杆(6、7)这样相互夹紧压板(4、5)，使得达到拉杆(6、7)材料的屈服极限或0.2％屈服强度。

Description

用于机动车电池的电池单元模块以及用于制造这种电池单元 模块的方法
技术领域
本发明涉及一种用于机动车电池的电池单元模块以及用于制造这种电池单元模块的方法。
背景技术
由一般现有技术并且尤其是由批量车辆制造已知为机动车、如汽车配备电气化传动系。这种电气化传动系也被称为替代传动系或替代驱动装置并且包括至少一个电机，该电机可作为用于驱动相应机动车的电动机运行。因此，机动车可纯电动地驱动。替代地或附加地可设想，这种传动系包括用于驱动机动车的内燃机，在此，电机例如可在驱动机动车时辅助内燃机。因此，机动车例如构造为电动车辆或混合动力车辆。
为了使电机能够在其马达模式中运行，必须向电机供应电流或电能。为此通常使用至少一个电池形式的电能储存器，通过该电能储存器可储存电能。电机可在其马达模式中被供应储存在电能储存器中的电能。通常，这种电气化传动系具有高重量和高成本。
发明内容
因此，本发明的任务在于提供一种电池单元模块以及一种用于制造这种电池单元模块的方法，使得用于机动车的电气化传动系的重量和成本可保持得特别低。
该任务根据本发明通过具有权利要求1的特征的电池单元模块和具有权利要求8的特征的方法来实现。本发明的有利实施方式是从属权利要求的主题。
本发明的第一方面涉及一种用于机动车、尤其是汽车如轿车的电池的电池单元模块。该电池单元模块包括多个用于储存电能或电流的电池单元。因此，电池单元模块可用于电气化传动系中，该电气化传动系例如在其完全制成的状态中包括至少一个电机。该电机例如可在马达模式中并且因此作为电动机运行，通过该电动机可驱动机动车。为了使电机在马达模式中运行，向电机供应储存在电池和因此电池单元模块或电池单元中的电能。
电池单元模块还包括模块框架，该模块框架具有至少两个压力元件以及至少一个承受拉力负荷并且由材料制成的拉杆。电池单元在此设置在各压力元件之间。所述压力元件例如沿一个方向彼此间隔开地设置，电池单元例如沿该方向连续或依次地设置并且在此设置在各压力元件之间。借助所述拉杆，压力元件在中间设有电池单元的情况下被相互夹紧，由此压紧电池单元。例如压力元件通过承受拉力负荷的拉杆彼此连接，从而压紧设置在各压力元件之间的电池单元。通过使拉杆承受拉力负荷，电池单元通过压力元件压合或压紧在一起。
现在为了将电池单元模块和因此电池以及电气化传动系整体的重量和成本保持得特别低，借助拉杆这样相互压紧压板，使得达到拉杆材料的屈服极限或0.2％屈服强度。换言之，拉杆为了相互压紧压力元件并且因此为了压紧电池单元受到这样的拉力负荷，使得达到拉杆材料的屈服极限或0.2％屈服强度。通过使用模块框架，电池单元模块和因而电池整体的空间需求可保持较低。此外，可将各个电池单元紧凑地保持在一起，使得电池单元模块可作为预装配或预组装的结构单元来操纵。由此，电池可特别简单且耗时短低成本地制造，从而电池和因此电气化传动系的成本可保持低的。
此外，基于上述由拉杆引起的电池单元的压紧，整体上可为了拉杆和尤其是模块框架使用特别低成本且特别低重量的材料，从而电池单元模块和因此电气化传动系的重量和成本可保持得特别低。
拉杆的材料例如可以是金属材料、尤其是轻金属或轻金属合金、如铝或铝合金，从而可特别好地压紧电池单元并且重量和成本可保持得特别低。
本发明尤其是基于下述构思：这样利用或选择材料的弹性特性，使得例如在电池单元模块的使用寿命中出现的循环负荷纯拉伸弹性地、即通过材料的纯拉伸弹性特性吸收或者说接纳或补偿，相反，电池单元模块的由老化引起的长度增加现在有针对性地通过拉杆的塑性变形提供(vorgehalten)。
优选借助拉杆这样相互夹紧压板，使得正好达到拉杆材料的屈服极限或0.2％屈服强度，即拉杆或其材料精确地被加载至屈服极限或0.2％屈服强度。当在电池单元模块的使用寿命中例如出现电池单元尤其是沿上述方向、即沿压力元件彼此间隔开的方向的膨胀时，则拉杆的应变增加。由于已经在电池单元模块的使用寿命开始时尤其是精确地或正好达到屈服极限或0.2％屈服强度，因此拉杆的任何进一步的增量应变都将导致拉杆的塑性变形，这种塑性变形直到使用寿命结束都不能或不应导致拉杆材料中的任何颈缩。由此确保由拉杆引起的、用于压紧电池单元的夹紧力在使用寿命中至少几乎保持恒定。换言之，可在使用寿命期间确保电池单元受到至少近似相似的负荷。因此，可避免在使用寿命期间电池单元受到可变的机械负荷。此外，可至少几乎完全利用拉杆的材料特性，从而可避免拉杆和因此模块框架整体的高重量且高成本的过大尺寸。因此可保持低重量和低成本。
屈服极限通常以Re表示并且是材料特性值并且表示这样的应力，直至该应力材料在单轴和无扭矩拉伸应力下不显示永久的塑性变形。在此涉及屈服极限。设置在各压力元件之间并且例如依次或连续设置的电池单元构成电池组，该电池组的长度例如可因老化而增加。基于该从屈服极限或0.2％屈服强度开始的长度增加，作用于拉杆的负荷或拉杆的应变增加，这导致拉杆的塑性变形。
在一种有利方案中，所述屈服极限是上屈服极限，其通常也以ReH表示。如果拉杆材料例如具有上屈服极限ReH和下屈服极限ReL，则上面提到的屈服极限优选是上屈服极限ReH，从而在电池组的长度增加并且因此拉杆的应变从上屈服极限开始增加时，拉杆发生塑性变形。
已证明特别有利的是，所述压力元件中的一个压力元件构造为固定支架，其可固定在电池的结构元件、尤其是壳体上。因此电池在其完全制成的状态中包括至少一个另外的结构元件，其例如构造为壳体。在此电池单元模块保持在所述另外的结构元件上。在此优选规定，压力元件之一构造为固定支架，其可固定或已固定在电池的所述另外的结构元件、尤其是壳体上。由此可确保电池单元模块的确定且可靠的以及低重量且低成本的安装，而无需设置数量过多的高重量和高成本的附加保持元件。
为了保持电池单元模块的成本和重量特别低，在本发明的另一种实施方式中规定，另一压力元件构造为浮动支架，其允许所述另一压力元件相对于电池的结构元件移动。换言之，所述另一压力元件优选构造为浮动支架并且可有针对性地移动地支承。由此可避免压紧并且因此电池单元模块过负荷，从而电池单元模块可特别低重量且低成本地构造。
在本发明的另一种实施方式中，在电池单元的完全充电状态中达到所述屈服极限或0.2％屈服强度。由此，尤其是在电池单元模块的使用寿命开始时提供定义的状态，从该状态起在电池组的长度增加时发生希望的拉杆塑性变形。通过该实施方式尤其是可纯拉伸弹性地吸收或补偿循环负荷。当例如从电池单元的完全充电状态开始出现电池组的长度减小或者说长度变小、随后又出现电池组的这种长度增加，以致没有超过屈服极限或0.2％屈服强度时，则所述长度变化弹性地、尤其是拉伸弹性地、即通过拉杆的弹性变形被吸收。但当由老化引起的长度增加从屈服极限或0.2％屈服强度开始时，则超过屈服极限或0.2％屈服强度，使得这种长度增加通过拉杆的塑性变形吸收。
为了将电池单元模块的重量和成本保持得特别低，在本发明的另一种实施方式中规定，所述拉杆与压力元件材料锁合地连接。为此拉杆例如与压力元件焊接。例如压力元件由金属材料制成。此外可设想，压力元件构造为压板。
本发明也包括一种用于机动车、尤其是汽车如轿车的电池，所述电池包括至少一个根据本发明的电池单元模块。根据本发明的电池单元模块的优点和有利实施方式被看作是本发明电池的优点和有利实施方式，并且反之亦然。
本发明的第二方面涉及一种用于制造用于机动车电池的电池单元模块、尤其是根据本发明第一方面的按本发明的电池单元模块的方法。在该方法的第一步骤中，提供多个用于储存电能或电流的电池单元。在该方法的第二步骤中，提供模块框架，其具有至少两个压力元件和至少一个由材料、尤其是金属材料制成的拉杆。在该方法的第三步骤中，将电池单元设置在压力元件之间。例如这样设置压力元件，使得它们沿一个方向彼此间隔开。在此，电池单元例如这样设置在压力元件之间，使得电池单元沿该方向依次或连续设置。在该方法的第四步骤中，借助拉杆将压力元件在中间设有电池单元的情况下相互夹紧，由此拉杆承受拉力负荷。在此借助拉杆这样相互夹紧压板，使得拉杆材料尤其是正好或精确达到屈服极限或0.2％屈服强度。本发明第一方面的优点和有利实施方式被看作是本发明第二方面的优点和有利实施方式，反之亦然。
优选在电池单元模块制造之后立即并且因此在其使用寿命开始时精确达到拉杆材料的屈服极限或0.2％屈服强度。由此循环负荷——尤其是从屈服极限或0.2％屈服强度开始——可通过拉杆的弹性变形来吸收，在此由老化引起的长度增加通过拉杆的塑性变形来提供。这例如意味着，在电池单元模块的使用寿命开始时，模块框架优选被完全充电的电池单元精确加载至屈服极限、尤其是ReH或至0.2％屈服强度(Rp,0.2)。拉杆的任何进一步的增量应变都导致拉杆的塑性变形，由此确保由模块框架引起并且作用于电池单元上的、用于压紧电池单元的夹紧力保持至少几乎恒定的水平。
在本发明的第二方面的一种有利实施方式中规定，所述电池单元借助不同于模块框架的压紧装置压紧。电池单元在其借助于压紧装置压紧的状态中被装上模块框架。尤其是例如首先规定，借助压紧装置压紧压力元件和设置在各压力元件之间的电池单元，使得借助压紧装置将设置在压力元件之间的电池单元通过压力元件压紧并且因此压合或压紧在一起。在该状态中，拉杆与压力元件耦合、尤其是连接，随后例如由压紧装置松开电池单元模块或者说随后终止由压紧装置引起的压紧。在此，拉杆材料在由压紧装置引起的压紧终止之后优选直接或立即、尤其是正好或精确地达到屈服极限或0.2％屈服强度。由此在电池单元模块的使用寿命开始时提供定义的初始状态，从该状态开始循环负荷可通过拉杆的弹性变形吸收、但电池组的由老化引起的长度增加则通过拉杆的塑性变形吸收。由此可为拉杆使用特别低重量且低成本的材料。
最后已证明特别有利的是，拉杆在电池单元被压紧装置压紧的状态中与压力元件连接。由此拉杆例如仅在由压紧装置引起的压紧终止时、即在压紧装置松开电池单元模块时才承受拉力负荷。因此拉杆用于在由压紧装置引起的电池单元的压紧终止之后保持或引起电池单元的压紧，从而拉杆承受拉力负荷。通过拉杆与压力元件的这种连接，尤其是可在电池单元模块的使用寿命开始时实现拉杆的定义状态、尤其是定义的初始状态以及拉杆承受的定义负荷。由此，可通过拉杆的弹性变形定义地补偿循环负荷或长度变化并且通过拉杆的塑性变形定义地提供电池组的与老化有关的长度增加。因此电池单元模块的成本和重量可保持得特别低。
附图说明
本发明的其它细节结合附图由对一种优选实施例的后续说明给出。在附图中：
图1是用于机动车电池的电池单元模块的示意性俯视图，其包括至少一个由材料制成的拉杆，该拉杆为了压紧电池单元模块的电池单元承受这样的拉力负荷，使得达到拉杆材料的屈服极限或0.2％屈服强度；
图2是电池单元模块的示意性侧视图；以及
图3是用于说明尤其是在电池单元模块的使用寿命中拉杆特性的应力应变曲线。
具体实施方式
在附图中相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。
图1以示意性俯视图示出用于机动车、尤其是汽车如轿车的电池的电池单元模块，该电池单元模块整体以附图标记1表示。机动车在其完全制成的状态中具有电气化传动系，该传动系包括至少一个电机和上述的具有电池单元模块1的电池。电池在其完全制成的状态中包括例如多个电池单元模块，其中在图1中以附图标记1标记的电池单元模块作为代表示出。
电机可在马达模式中运行并且因此可作为电动机运行，使得机动车可借助电动机驱动。为了使电机在马达模式中运行，必须向电机供应电流或电能。电池是一种电能储存器，借助其或在其中可储存电能或电流。电机可被供应储存在电池中的电能，以便由此使电机在其马达模式中运行。
为此，电池单元模块1包括多个电池单元2，借助这些电池单元可储存电能。各个电池单元2例如包括电池单元壳体，在其中例如容纳有相应电池单元2的电解质。此外，电池单元模块1具有整体以3表示的模块框架，该模块框架包括至少两个压板4和5形式的压力元件。此外，模块框架3包括承受拉力负荷的拉杆6和7，所述拉杆分别由一种材料、尤其是由金属材料制成。
由图1可以看出，压板4和5沿图1中通过双向箭头8所示的方向彼此间隔开设置。在此，电池单元2沿所述方向设置在压板4和5之间，电池单元2沿所述方向连续或依次设置。借助拉杆6和7将压板4和5在中间设有电池单元2的情况下相互夹紧，由此压紧各电池单元2。换言之，承受拉力负荷的拉杆6和7与压板4和5耦合、尤其是连接，使得承受拉力负荷的拉杆6和7将压板4、5彼此连接，由此压紧电池单元2。电池单元2构成电池组，其具有沿所述方向延伸的长度。在此在图1中示出电池组的初始长度，在此在图1中还示出电池单元模块1的初始长度L0。
在用于制造电池单元模块1的方法的范畴内，将例如凸起和/或棱柱形的电池单元2彼此堆叠。堆叠的电池单元2例如借助不同于电池单元模块1的压紧装置被压紧到特定标称尺寸并且随后或者说在被压紧装置压紧的状态中被模块框架3围拢。之后松开压紧装置。这可理解为借助于压紧装置引起的压紧终止。由于压紧装置松开，电池单元2的复位力尤其是通过压板4和5作用于与压板4和5连接的、尤其是焊接的拉杆6和7上，使得在制造之后例如直接发生拉杆6和7或者说电池单元模块1整体的尤其是弹性的第一伸长。拉杆6和7或者说电池单元模块1整体的伸长也被称为长度增加。所述尤其是弹性的第一伸长也被称为εMontage。因此，在拉杆6和7上出现永久的准静态应力。
图3示出拉杆6和7的相应材料的应力-应变曲线。众所周知，应力-应变曲线示出抗拉强度Rm、上屈服极限ReH、下屈服极限ReL，吕德斯伸长率AL、均匀伸长率Ag和断裂伸长率A，从断裂伸长率起出现断裂。以E表示颈缩开始。上屈服极限ReH左侧是相应的拉杆6或7或者说相应的拉杆6或7材料的弹性区域B。例如可这样确定模块框架3、尤其是拉杆6和7的尺寸，使得所有准静态和循环负荷不超过所使用材料的纯弹性区域B。此外可规定，两个压板4和5构造为固定支架，从而压板4和5尤其是不可移动地固定在例如电池的另一部件、如壳体上。但模块框架3和压板4和5作为固定支架的这种设计是不利的，如在下面还将更详细解释。
电池单元2在运行时通过充电和放电引起循环负荷，该循环负荷导致循环应变或长度变化、尤其是长度增加。这种循环应变也被称为εSOC。电池单元2和因此电池的“充电”应理解为将电能储存到电池单元2中、即电池被充入电能。“放电”应理解为储存在电池单元2或电池中的电能从电池中被取出或从电池中放出。
此外，温度梯度作用于夹紧地保持电池单元2的机械模块部件。所述机械模块部件例如是拉杆6和7以及压板4和5。所述温度梯度引起与温度有关的长度变化或伸长变化或应变，其也以εT表示。这种循环伸长或长度变化与电池单元模块1根据其——例如由电池剩余容量测得的——老化或使用寿命至少近似线性的长度增加叠加，在此所述至少近似线性的增加也称为伸长或长度增加，其也以εSOH表示。所有膨胀共同引起作用于模块框架3的力，该力也被称为阈值力(Schwellkraft)并且在图1中以力箭头F表示。该阈值力引起在图1中以Δx表示的伸长、即电池单元模块1和因此拉杆6和7的长度增加。因此，电池单元模块1根据时间t和因此根据电池单元模块1的使用寿命的伸长Δx能以下述公式描述：
Δx(t)≈εSOH(t)+εSOC(C)+εT(T)+εMontage
在此t表示时间、C表示储存状态并且T表示温度或者说所述的温度梯度。电池单元模块1的上述不利设计导致以下缺点：电池单元2在使用寿命内承受可变的机械载荷、过高且不必要的重量，不必要的高成本以及材料特性未被充分利用。此外，运行性能仅部分提供。
为了避免上述缺点，现在规定，这样压紧电池单元2或借助拉杆6和7相互夹紧压板4和5，使得尤其是在松开压紧装置之后精确地或者说正好达到拉杆6和7材料的上屈服极限ReH或0.2％屈服强度(0,2-％-Dehngrenze)Rp,0.2。换言之，由于电池单元2被压紧，拉杆6和7受到这样的负荷，使得精确地或者说正好达到材料的屈服极限(Streckgrenze)或0.2％屈服强度。在图3中以BOL表示电池单元模块1使用寿命开始，以EOL表示使用寿命结束。因此，Δx(t＝BOL)表示电池单元模块1在使用寿命开始时、尤其是松开压紧装置之后立即或直接的长度增加或者说伸长。此外，Δx(t＝EOL)表示电池单元模块1在使用寿命结束时的伸长或者说长度增加。此外，图3中的箭头L表示使用寿命以及在使用寿命中或在应变时拉杆6和7的特性。
因此，在电池单元模块1中规定，这样利用或选择拉杆6和7材料的弹性特性，使得循环负荷纯拉伸弹性地被吸收。换言之，循环负荷通过拉杆6和7的弹性变形并且因此通过弹性区域B被吸收或补偿。相反，电池单元模块1的由老化引起的长度增加Δx有针对性地通过拉杆6和7的塑性变形提供。在使用寿命开始时拉杆6和7在电池单元2的完全充电状态中精确地被加载至屈服极限或者说0.2％屈服强度，使得在松开压紧装置之后立即精确地达到拉杆6和7的相应材料的屈服极限或0.2％屈服强度。这导致，例如从上屈服极限ReH开始拉杆6和7的任何进一步的增量应变都导致拉杆6和7的塑性变形，但该塑性变形在使用寿命结束之前不应导致材料的颈缩。由此确保借助拉杆6和7引起的用于压紧电池单元2的夹紧力保持在至少近似恒定的水平上。
由图2可见，还优选规定，压板4构造为固定支架9，其固定在电池的所述的结构元件、尤其是壳体上。另一压板5优选构造为浮动支架10，其允许压板5相对于电池的结构元件、尤其是相对于电池壳体移动。因此，压板4用作固定支架9，而压板5设计为可有针对性移动地支承。例如在高压电池(HV电池)中有针对性地提供用于膨胀的相应预留部。由于其构造为HV电池，因此电池具有例如大于50V、尤其是大于60V的工作电压。电池尤其是具有几百伏的工作电压。在图1和2中用实线示出电池单元模块1的初始长度L0，用虚线示出伸长Δx。
由于在松开压紧装置之后立即如上所述有针对性地加载拉杆6和7，使得精确地达到屈服极限或0.2％屈服强度，因此可避免模块框架3的过大尺寸，从而模块框架3和因此电池单元模块1在整体上可特别低重量地和低成本地构造。此外，可在使用寿命内确保电池单元2的至少近似相似的负荷。
附图标记列表
1 电池单元模块
2 电池单元
3 模块框架
4 压板
5 压板
6 拉杆
7 拉杆
8 双向箭头
9 固定支架
10 浮动支架
B 弹性区域
E 颈缩
F 力箭头
L 箭头
Rm 抗拉强度
ReH 上极限点
ReL 下极限点
AL 吕德斯伸长率
Ag 均匀伸长率
A 断裂伸长率
Δx 伸长
BOL 使用寿命开始
EOL 使用寿命结束

Claims (10)

1.用于机动车电池的电池单元模块(1)，所述电池单元模块包括多个用于储存电能的电池单元(2)以及包括模块框架(3)，该模块框架具有至少两个压力元件(4、5)和至少一个承受拉力负荷并且由材料制成的拉杆(6、7)，在所述至少两个压力元件之间设有电池单元(2)，借助所述拉杆，压力元件(4、5)在中间设有电池单元(2)的情况下相互被夹紧，由此压紧电池单元(2)，在此所述压板(4、5)借助拉杆(6、7)相互被夹紧成，使得达到拉杆(6、7)的材料的屈服极限或0.2％屈服强度。
2.根据权利要求1所述的电池单元模块(1)，其特征在于，所述屈服极限是材料的上屈服极限(ReH)。
3.根据权利要求1或2所述的电池单元模块(1)，其特征在于，所述压力元件(4、5)中的一个压力元件构造为固定支架(9)，该固定支架能固定在电池的结构元件、尤其是壳体上。
4.根据权利要求3所述的电池单元模块(1)，其特征在于，另一压力元件(5)构造为浮动支架(10)，该浮动支架允许所述另一压力元件(5)相对于所述结构元件移动。
5.根据前述权利要求之一所述的电池单元模块(1)，其特征在于，在电池单元(2)的完全充电状态中达到所述屈服极限或0.2％屈服强度。
6.根据前述权利要求之一所述的电池单元模块(1)，其特征在于，所述拉杆(6、7)与压力元件(4、5)材料锁合地连接。
7.用于机动车的电池，包括至少一个根据前述权利要求之一所述的电池单元模块(1)。
8.用于制造用于机动车电池的电池单元模块(1)的方法，包括下述步骤：
-提供多个用于储存电能的电池单元(2)；
-提供模块框架(3)，该模块框架包括至少两个压力元件(4、5)和至少一个由材料制成的拉杆(6，7)；
-在压力元件(4、5)之间设置电池单元(2)；
-借助拉杆(6、7)将压力元件(4、5)在中间设有电池单元(2)的情况下相互夹紧，由此所述拉杆(6、7)承受拉力负荷，在此借助拉杆(6、7)将压板(4、5)相互夹紧，使得拉杆(6、7)的材料达到屈服极限或0.2％屈服强度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电池单元(2)借助不同于模块框架(3)的压紧装置压紧并且在其被压紧装置压紧的状态中装上模块框架(3)，拉杆(6、7)的材料在由压紧装置引起的压紧终止之后达到屈服极限或0.2％屈服强度。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述拉杆(6、7)在电池单元(2)被压紧装置压紧的状态中与压力元件(4、5)连接。
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