CN117276793A - 具有不带有电池功能的结构元件的电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有多个彼此电互连的电池(9)和至少一个没有电池功能的结构元件(11)的电池堆(10)的组合，所述结构元件代替所述电池(9)之一能集成或被集成到所述电池堆(10)中。

Description

具有不带有电池功能的结构元件的电池堆
技术领域
本发明涉及一种具有多个彼此电互连的电池的电池堆以及具有这种电池堆的机动车。
背景技术
电池是一种基于电化学的用于电能的蓄存器，在电池放电时，蓄存的化学能通过电化学氧化还原反应转化为电能。在本发明的上下文下，不仅所谓的一次电池而且所谓的二次电池或蓄电池都被理解为电池，所述一次电池仅设置用于一次放电，而不设置用于再充电，所述二次电池或蓄电池设置用于多次充电并且被相应地设计。二次电池的充电在此是在放电时进行的电化学氧化还原反应的电解逆转，该电解逆转通过施加电压实现。
电池包括一个或通常多个原电池或电池单体，所述原电池或电池单体布置在包覆部内、通常以经常被称为“软包”的薄膜包覆部或尺寸稳定的壳体的形式的包覆部内。电池单体分别包括两个电极、布置在电极之间的用于电极的电分离的分离部以及用作在电极之间的离子导体的电解质。电池单体的两个电极在所包括的活性材料方面不相同，由此电极中的一个电极是起阳极作用，而另一个起阴极作用(分别关于电池单体的放电)。此外，电池通常包括两个电池极，这些电池极被集成到包覆部中并且通过所谓的电流导出件在包覆部内部与电极进行导电连接。在此，所有起阳极作用的电极都与电池极之中的一个电池极连接，而起阴极作用的电极则与电池极之中的另一个电池极连接。
通常，为了实现足够高的导电能力，大量的电池单体，例如以电极和分离部的堆叠或缠绕部的形式，被组合在一个电池中。
在特别高的功率要求的情况下，如机动车的牵引电池适用的，大量仍可单个较好操纵的电池被组合成所谓的电池堆，其中，为电池堆的电池设置电串联和/或电并联。电池堆的电池在此经常也彼此机械连接。机动车的牵引电池通常包括多个这样的电池堆，这些电池堆既可以串联也可以并联。
在机动车中，牵引电池的各个电池通常紧密地打包地布置在为此设置的安装空间内，该安装空间例如在机动车的底部组件区域中设置在电池包围容纳部内。在此，各个电池可以直接接触或者在这些电池之间分别仅布置有相对薄的中间元件，以便实现尽可能紧凑地集成到机动车中。中间元件在此可以尤其是设计成可变形的，以便可以补偿各个电池的膨胀。补充地或备选地，这些中间元件也可以起电绝缘作用。
牵引电池在机动车中通常占据的相对较大的空间需求导致：所述牵引电池或至少其电池包围容纳部可能是机动车内的负荷路径的一部分。这尤其可以适用于机动车的事故情况，其中，显著的变形和力应尽可能有利地分布到车辆的承载性部件上，以便可以实现对位于机动车乘客舱内的人员的尽可能好的保护。在发生这种事故的情况下，也应避免对电池的损害，以便使由此产生的火灾危险尽可能保持得小。
为了满足这些要求，已知的是，在电池包围容纳部内布置有加强元件，所述加强元件应确保电池包围容纳部的相应机械稳定性。然而，这与相对较高的设计耗费相关联。此外，这种加强元件减少了在电池包围容纳部内可用于集成电池的安装空间。
此外，机动车中的电池和尤其是其包覆部可以与最大出现的负载相适配地设计尺寸。然而，在此，则通常设置成，电池之中的所有电池都相同地设计尺寸，以便使制造和维护成本保持得低。然而，由于电池的潜在机械负载在局部不相同，在许多情况下，由于各电池的相同尺寸设计而产生过度尺寸设计，这在制造成本、总重量以及安装空间需求方面可产生负面影响。
DE 10 23009 035 492A1公开了一种用于机动车的电池，该电池具有多个板状的电池单体，所述电池单体堆叠成单体堆叠并且布置在电池壳体内。在单体堆叠中设置有与电池单体平行的板状元件，这些元件在单体堆叠的至少两个端部处伸出于电池单体并且作用为碰撞元件。
EP 2 562 843 A1公开了一种电池堆，该电池堆具有在壳体内以排列布置结构布置的多个电池，其中，在两个电池之间关于排列布置结构的中间区段中设置有加强元件，该加强元件与壳体的壁连接。
DE 10 2016 008 170 A1描述了一种用于机动车的电池，该电池具有电池壳体和布置在电池壳体内的至少一个单体块，所述单体块具有单体保持件，该单体保持件带有至少两个端板，所述端板设置用于沿着堆叠方向固定电池单体，并且带有至少部分由端板构造的加固结构，该加固结构设置用于吸收作用到电池壳体上的碰撞负荷。
发明内容
本发明基于以下任务：展示一种牵引电池在机动车中的改进集成。
所述任务在根据本发明的机动车中解决，该机动车包括至少一个与根据本发明的电池堆的组合。根据本发明的与电池堆的组合以及根据本发明的机动车的有利设计方案是本发明的主题并且由以下对本发明的描述得出。
根据本发明，设置有电池堆的组合，所述电池堆包括多个彼此电互连(尤其是串联和/或并联)的电池以及不带有电池功能的结构元件(即所述结构元件不用作为电池并且也不设置用于用作电池)，其中，结构元件可以在针对电池之中的至少一个电池进行替换时、优选针对电池之中的多个电池或所有电池备选地进行替换时能集成或被集成到电池堆中。因此可能的是且设置成，将结构元件代替电池集成到电池堆中，而这不妨碍电池堆的功能性。该电池堆仅具有降低的电功率能力，该降低的电功率能力可归因于该电池堆在没有结构元件的情况下本可包括额外的电池。
电池堆的电池优选包括至少一个电池单体、优选多个电池单体，以及包围一个或多个电池单体的、优选设计成气密地封闭的(电池)包覆部。所述至少一个电池单体(分别)包括两个电极、一个布置在电极之间的用于电极的电分离的分离部和一个用作在电极之间的离子导体的电解质。所述电解质可以设计成液态或固态的，尤其是在固态设计的情况下，也可以作用为分离部。此外，电池可以包括第一电池极和第二电池极，其中，这些电池极设置用于将电池电附接到外部(即不属于电池的)部件处。由于将这种电池集成到电池堆中，这种外部部件尤其可以是电池堆的另一个电池、结构元件(如果所述结构元件至少导电地设计)或电池堆极。电池极能如此集成到包覆部中，使得电池极的第一区段布置在包覆部之外，并且由此对于到外部部件处的附接是可接近的，而位于包覆部内的第二区段则用于与电池单体电连接。在此，(每个)电池单体的第一电极与第一电池极电连接，并且(每个)电池单体的第二电极与第二电池极电连接。
包覆部优选可以设计为壳体，尤其是设计为尺寸稳定的壳体(即该壳体在承受在正常使用时作用到该壳体上的力的负载时不以重大的程度变形)，由此可以得到电池单体的(尤其是与薄膜包覆部(“软包”)相比)相对较高的机械可承载性。此外，包覆部可以设计成方形的，这在安装空间需求方面可以起到有利作用。
为了有利的可操纵性，根据本发明的组合的电池堆也可以包括(电池堆)包覆部，优选是呈壳体的形式的包覆部。该壳体在此也可以设计成部分敞开的。此外，电池堆可以包括两个电池堆极，以便将电池堆与外部(即不属于电池堆的)电部件、例如一个或多个另外的电池堆进行电连接。
本发明实现了：使电池堆灵活地且成本适宜地适配，以便满足特定的、如有可能变化的稳定性要求。所述至少一个结构元件在此能以显著程度有助于满足这些稳定性要求，其方式为，所述结构元件按照要求集成到电池堆中。此外，由于结构元件不具有电池功能，因此所述结构元件可以设计成(与电池堆的电池相比)相对稳定的。为此，所述结构元件可以在至少一个、优选地在每个负载方向方面具有与电池堆的电池相比更大的机械可承载性。
根据本发明的组合的集成，更确切地说根据本发明的带有至少一个相应的结构元件的电池堆到(根据本发明的)机动车中的集成例如实现：机动车在包括至少一个电池堆的区域中的机械可承载性方面进行适配，如这例如在机动车的开发框架内或由于要求变化，尤其是在事故安全性方面可以是需要的。为此在传统的机动车中通常必须有针对性地将加强结构集成到电池包围容纳部中，而本发明实现了：所述至少一个电池堆的一个或多个电池能够在关于电池在电池堆内的布置方面的一个或多个限定的位置处被(相应)结构元件替代，并且由此有针对性地适配电池堆的结构强度和因此机动车在包括所述至少一个电池堆的区域中的结构强度。如果(如这优选设置的那样)电池相同地设计尺寸并且因此尤其是也在机械可承载性方面没有不同地设计尺寸(这在针对电池的制造成本方面可产生有利影响)，则所述优点在此也可以实现。
为了有利地实现所述至少一个结构元件代替电池到电池堆中的可集成性，可以优选设置成，电池堆的至少一个、优选所有电池至少部分地具有与结构元件相同的尺寸。相同的尺寸在此尤其是涉及固定元件的布置结构，借助这些固定元件，不仅电池而且结构元件可以机械固定地集成到电池堆中(“相同的安装尺寸”)。在此，例如电池或结构元件的外表面也可以用作为“固定元件”，该外表面通过与例如电池堆的包裹部的接触而确保机械固定地集成到电池堆中。
根据一个优选的设计方式可以设置成，所述结构元件集成到电池的电互连结构中，并且尤其是在与该结构元件邻接的电池之间构造电连接。由此，在电池堆的部件的电互连结构方面可以实现有利的设计。
此外，优选可以设置成，所述结构元件将邻接的电池彼此电绝缘。这也可以结合结构元件到电池的电互连结构中的集成而相关联，例如其方式为，结构元件具有基本上起电绝缘作用的基体，该基体直接或间接地与邻接的电池的包覆部接触，而结构元件的电集成通过附加的接触元件和如有可能结构元件的将这些接触元件电连接的导体进行，其中，接触元件直接或间接地与邻接的电池的电池极电连接。
按照根据本发明的组合的一个优选设计方式，结构元件可以具有限界内部体积的壳体。在此，壳体在此优选可具有与电池堆的电池的包覆部相同的形状(即相同的几何基本形状，优选方形，以及相同的尺寸)，由此结构元件可以有利地集成到电池堆中。
带有壳体的结构元件的设计方案可以在结构元件的仍然相对较低的质量同时在实现相对较高的机械可承载性方面有利地起作用。结构元件的相应设计在此可优选通过壳体的壁厚的尺寸设计来实现。由于结构元件优选应具有比电池堆的电池更高的机械可承载性，因此可以优选地设置成，结构元件的壳体的至少一个(优选所有)壁厚大于电池的壳体的壁厚之中的至少一个壁厚或所有壁厚。
备选地或补充地，结构元件的设计为了实现相对较高的机械可承载性也可以有利地通过至少一个加强元件的集成来实现，所述加强元件布置在内部体积内并且在此优选附接到壳体的至少两个壁处。加强元件在此可以完全或仅部分地填充内部体积。
由于根据本发明的组合的结构元件可以仅关于机械可承载性来设计，因为该结构元件不具有电池功能，则实现了：该结构元件也有利地用于外部(即不构成电池堆的一部分的)元件、例如根据本发明的机动车的座椅骨架或电池堆应固定所处的固定结构的附接。为此，结构元件可以包括至少一个连接元件、例如集成螺纹或穿通开口，所述连接元件设置用于与外部元件连接。
按照根据本发明的组合的一个优选设计方式可以设置成，所述结构元件由不可燃烧和/或(热)膨胀性的材料构成和/或吸能地设计，由此可以实现所述结构元件的附加用途，该附加用途尤其是在电池堆的安全性方面可有利地起作用，例如在根据本发明的具有相应的电池堆的机动车发生事故时。根据本发明，“膨胀性”通常被理解为防火或甚至起灭火作用的特性，该特性尤其也可以基于结构元件的相应材料由于热作用而膨胀和尤其是发泡。在此，发泡例如可以引起改善的热绝缘和/或空间分隔。膨胀性的材料也可以由于热作用而释放出起灭火作用的气体和/或通过抽走蒸发热量对火起冷却作用。“吸能”理解为如下设计方案，该设计方案有针对性地设计用于，由于变形而吸收或转换引起这种变形的能量之中的尽可能多的能量，尤其是转换成热能。为此，结构元件可以有针对性地设计成可塑性变形的和/或至少部分由泡沫结构组成。
按照根据本发明的机动车的一个优选设计方案可以设置成，所述电池堆叠的电池以沿所述机动车的纵向方向延伸的排列(或称为行，即Reihe)布置。由此，根据本发明是电池堆一部分的所述至少一个结构元件可以有利地用于支撑沿机动车的横向方向作用的负载。在此也可以设置成，根据本发明的组合的多个电池堆沿机动车的横向方向并排布置，其中，那么此外优选在相邻的电池堆的电池之间存在补偿空间和/或相邻的电池堆的结构元件直接或间接地——此时例如通过间隔元件——支撑在彼此处，该间隔元件可以优选设计成不导电的。由此，例如在发生事故时沿机动车的横向方向作用到多个电池堆上的负载可以有利地通过电池堆的结构元件和所述至少一个间隔元件来支撑。与此相对，由于补偿空间，各个电池能以限定的方式运动，而不与其他电池进行接触。由此，可以有效地保护电池不受损伤。补偿空间优选可以是(以空气或另一种气体填充的或未填充的)自由空间。但是，补偿空间也可以有利地以固体、例如吸能泡沫填充，由此可以进一步提高针对电池的保护作用。
备选地，电池堆的电池也能以沿所述机动车的横向方向延伸的排列布置。根据本发明是电池堆一部分的所述至少一个结构元件则可以用于支撑沿机动车的纵向方向作用的负载。
根据本发明的机动车的所述至少一个电池堆可以优选地布置在机动车的车身的底部组件中，尤其是布置在由车身或底部组件构造的电池包围容纳部内。尤其是，所述至少一个电池堆的所述至少一个结构元件则可以是在车身的门槛之间延伸的负荷路径的一部分，以便有利地支撑沿机动车的横向方向作用到车身上的负载，以用于保护所述至少一个电池堆的电池。
附图说明
下面借助附图中所示的实施例对本发明进行更详细解释。在附图中分别以简化图示示出：
图1以侧视图示出根据本发明的机动车；以及
图2示出所述机动车的一个区段的俯视图。
具体实施方式
图1和图2示出根据本发明的机动车，该机动车可以是所谓的电池电动机动车(BEV)。
该机动车包括车身1，该车身能以自承载式结构形式实施。因此，车身1能以已知的方式具有所谓的底部组件，该底部组件为机动车的底盘和动力总成系统的部件提供固定点并且在此可以包括纵梁和横梁以及底部面和轮拱，它们可以至少部分由金属板材制成。车身1的中间底部3位于机动车的两个车桥(或称为车轴，即Achsen)2之间的区段中。该中间底部基本上在其整个水平延伸部(沿着机动车的纵向轴线4和横向轴线5的延伸部)形成电池包围容纳部，机动车的牵引电池6布置在该电池包围容纳部中。沿机动车的横向方向，电池包围容纳部在此由车身1的两个被称为门槛7的纵梁限界。
牵引电池6可以根据需求以电能供应机动车的牵引马达(未示出)，以用于驱动机动车。
通过将牵引电池6布置在由中间底部3构造的电池包围容纳部中，其尽可能少地限制机动车的可用空间，该可用空间尤其是通过乘客舱和行李舱形成。此外，牵引电池6通过定位在中间底部3的电池包围容纳部中而在机动车发生事故的情况下相对好地受到保护。此外，相对重的牵引电池6在中间底部3中的放置得低的安装位置可以对机动车的行驶行为产生积极影响。
牵引电池6的损伤危险存在于布置在中间底部3中的情况下、尤其是还在所谓的侧面碰撞的情况下，在该侧面碰撞的情况下，物体8在具有沿机动车的横向方向指向的方向分量的相对运动的范围内碰撞到门槛7之一上，如这在图2中所示。在这种情况下，该门槛7可受到非常高的力负载，并且由此以显著的程度发生变形。由于牵引电池6通常基本上在很大程度上填充在电池包围容纳部(该电池包围容纳部在侧向上由门槛7限界)内的安装空间，因此门槛7的这种变形可以导致牵引电池6的至少单个电池9的损伤或变形。这种损伤应尽可能避免，因为这带来并非不显著的火灾危险。
根据图2，牵引电池6包括多个沿横向方向并排布置的电池堆10，这些电池堆又由多个彼此互连的单个电池9组成。在此，各个电池堆10的电池9以沿机动车的纵向方向延伸的排列布置。
在电池堆10之中的每个电池堆中，多个单个的电池9通过结构元件11替代，或者结构元件11布置在电池堆10的接纳部中，这些接纳部(也)设计用于接纳或集成电池9。结构元件11为此具有与电池9相同的形状，并且由此能以简单的方式代替电池9嵌入到电池堆10的接纳部中并且机械固定在所述接纳部中。在此，各个电池堆10的结构元件11布置在相应的电池堆11内的相同的部位处，从而电池堆10的结构元件11构造多个沿机动车的横向方向延伸的排列布置结构。
在电池堆10的相邻电池堆之间构造有补偿空间(自由空间)12。在结构元件11的排列布置结构的区域中，在这些补偿空间12中分别布置有一个间隔元件13，其中，这些间隔元件13直接与邻接的结构元件11接触。由此，不同的电池堆10的结构元件11的排列布置结构分别与相关的间隔元件13相关联地构造负荷路径，该负荷路径沿机动车的横向方向在车身1的门槛7之间封闭地延伸，通过该负荷路径，作用到门槛7中的一个门槛上的负载也被传递到另一个门槛7上并且因此分布到两个门槛7上，以实现机动车的中间底部3的尽可能高的机械稳定性。因此，结构元件11以及因此包括这些结构元件11的牵引电池6在重大的程度上有助于构造可足够受载的中间底部3，由此使牵引电池6的各个电池9得到良好的保护。
由于电池堆10的多个单个的电池9相应通过结构元件11的灵活可替换性，因此能以简单的方式如此设计牵引电池6，使得所述牵引电池有利地助于车身1整体的稳定性。在此也可行的是，在负载要求发生变化的情况下或在机动车的设计范围内确定附加地需要横向负荷路径以满足限定的负载要求时，容易地适配结构元件11的位置。这种负载要求在此可不仅是出于事故安全性的原因而存在，而且也可例如由机动车的变化的结构构造而产生。即，作为承载构件的结构元件11也可以有利地用于固定外部元件、即不属于牵引电池6的元件，例如机动车的乘客座椅(未示出)或相关的座椅骨架。为此，座椅骨架可以例如有利地与结构元件11螺纹连接，为此这些结构元件可以具有相应的螺纹开口或穿通开口(未示出)。通过结构元件11的灵活的可定位性在此可为基本相同的车辆配备例如不同的乘客座椅(这些乘客座椅在座椅骨架的连接部位的定位方面也不相同)，而不必对机动车的车身1进行耗费的结构改变。
附图标记列表
1车身
2车桥
3中间底部
4纵向轴线
5横向轴线
6牵引电池
7门槛
8物体
9电池
10电池堆
11结构元件
12补偿空间
13间隔元件

Claims (15)

1.一种具有多个彼此电互连的电池(9)和至少一个没有电池功能的结构元件(11)的电池堆(10)的组合，所述结构元件代替所述电池(9)之一能集成或被集成到所述电池堆(10)中。
2.根据权利要求1所述的组合，其特征在于，所述电池(9)至少部分地具有与所述结构元件(11)相同的尺寸。
3.根据前述权利要求中任一项所述的组合，其特征在于，所述结构元件(11)在邻接的电池(9)之间构造电连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的组合，其特征在于，所述结构元件(11)将邻接的电池(9)彼此电绝缘。
5.根据前述权利要求中任一项所述的组合，其特征在于，所述电池(9)的包覆部设计为壳体和/或设计成方形的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的组合，其特征在于，所述结构元件(11)关于至少一个负载方向具有相对于所述电池(9)而言更大的机械可承载性。
7.根据前述权利要求中任一项所述的组合，其特征在于，所述结构元件(11)具有限界内部体积的壳体。
8.根据前述权利要求中任一项所述的组合，其特征在于，所述结构元件(11)包括至少一个连接元件，所述连接元件设置用于与外部元件连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的组合，其特征在于，所述结构元件(11)由不可燃烧和/或膨胀性的材料构成和/或吸能地设计。
10.一种机动车，所述机动车具有至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的组合。
11.根据权利要求10所述的机动车，其特征在于，所述电池堆(10)的电池(9)以沿所述机动车的纵向方向延伸的排列布置。
12.根据权利要求10或11所述的机动车，其特征在于，根据权利要求1至10中任一项所述的组合的多个电池堆(10)沿所述机动车的横向方向并排布置。
13.根据权利要求12所述的机动车，其特征在于，在相邻的电池堆(10)的电池(9)之间存在补偿空间(12)和/或相邻的电池堆(10)的结构元件(11)直接或间接地支撑彼此处。
14.根据权利要求13所述的机动车，其特征在于，所述电池堆(10)的两个相邻的结构元件(11)通过至少一个间隔元件(13)支撑在彼此处，所述间隔元件设计成电绝缘的。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的机动车，其特征在于，相邻的电池堆(10)的一个结构元件(11)或多个结构元件(11)相应是在所述机动车的车身(1)的门槛(7)之间延伸的负荷路径的一部分。
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