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Die
Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie,
nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus
dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2007 009 315 A1 beschrieben,
eine Vorrichtung zur Kühlung elektrischer Elemente insbesondere
eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl
von elektrischen Elementen, die jeweils eine Bodenfläche
und eine Seitenfläche aufweisen, wobei die Bodenflächen
der Elemente im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind, eine Mehrzahl
von Leitkörpern, die zur Ableitung von Wärme mit
den Seitenflächen der Elemente in thermischen Kontakt stehen,
und einen von einem Kühlmittel durchströmbaren
Kühlkörper, wobei der Kühlkörper
sich in einer Ebene erstreckt, die im Wesentlichen parallel zu der
Ebene der Bodenflächen der Elemente ausgerichtet ist und
so, das der Kühlkörper die Bodenflächen
der Elemente überdeckt.
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In
der
DE 103 52 046
A1 wird eine Batterie mit wenigstens einer zylindrischen
elektrochemischen Speicherzelle und einer Kühleinrichtung
beschrieben, welche ein Gehäuse aufweist, das von einem,
insbesondere flüssigen, Kühlmedium durchströmt
ist. Erfindungsgemäß ist der zumindest annähernd
größte Teil einer zylindrischen Mantelfläche der
wenigstens einen elektrochemischen Speicherzelle von einem einstückigen
Aufnahmeelement umgeben. Dieses Aufnahmeelement ist seinerseits
in dem Gehäuse angeordnet und weist in Längsrichtung
verlaufende elastische Bereiche auf, welche durch eine elastische
Dehnung eine Erweiterung des Durchmessers des Aufnahmeelements erlauben.
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In
der
EP 0 044 753 A1 werden
eine elektrochemische Speicherbatterie und Module für diese Batterie
beschrieben. Eine Natrium-Schwefel-Batterie umfasst eine Mehrzahl
von Modulen, welche jeweils eine oder mehrere Zellen enthalten.
Durch jedes dieser Module verläuft eine Passage, welche
von Heiz- und/oder Kühlmittel durchflossen ist. Zwischen dem äußeren
Gehäuse und den Zellen ist ein luftleerer Bereich, in welchem
Mittel zur Wärmestrahlungsabschirmung angeordnet sind,
zum Beispiel Metallfolie und/oder Keramikpapier. Thermostatgesteuerte Ventile
steuern den Fluss des Heiz- und/oder Kühlmittels durch
die Passage.
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In
der
US 2006/0115720
A1 wird ein Batteriemodul beschrieben. Dieses Batteriemodul
umfasst eine Mehrzahl Einzelzellen mit Zwischenräumen zwischen
diesen. Ein Kühlmedium fließt entlang eines vorgegebenen
Weges in diesen Zwischenräumen. Das Batteriemodul umfasst
des Weiteren eine Barriere zwischen den Einzelzellen, welche eine
Mehrzahl Verbindungsvorsprünge zu den Einzelzellen aufweist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Batterie
anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Eine
Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, umfasst eine
Mehrzahl von in Serie und/oder parallel miteinander verschalteten
Einzelzellen und eine polseitig auf den Einzelzellen angeordnete
Kühlplatte, wobei die Einzelzellen in einem Batteriegehäuse
mit einem Gehäusedeckel derart angeordnet sind, dass zwischen
einer Unterseite der Einzelzellen und einem Boden des Batteriegehäuses ein
Freiraum gebildet ist.
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Erfindungsgemäß ragen
eine Mehrzahl jeweils zwischen und/oder unter den Einzelzellen angeordneter
Stützelemente in diesen Freiraum hinein.
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Der
zwischen der Unterseite der Einzelzellen und dem Boden des Batteriegehäuses
gebildete Freiraum ist ein so genannter Ventingraum. Beispielsweise
durch einen Kurzschluss oder eine Überladung kann sich
in den Einzelzellen der Batterie ein Überdruck bilden,
wodurch an vorgegebenen Stellen der Einzelzellen zur Entlüftung
vorgesehene Öffnungen aufbrechen. Das ausströmende
Gas ist in dem Ventingraum auffangbar und somit ein Gasaustritt aus
der Batterie verhinderbar. Ist die Batterie in einem Fahrzeug eingesetzt,
so besteht die Gefahr einer Beschädigung der Batterie beispielsweise
durch einen Unfall des Fahrzeugs. In diesem Fall ist zum einen die Batterie
und insbesondere sind die Einzelzellen vor schweren Beschädigungen
zu schützen, zum anderen ist sicherzustellen, dass auch
nach einem Unfall dieser Ventingraum noch erhalten ist, um ausströmende
Gase beispielsweise bei einer durch den Unfall verursachten Fehlfunktion
der Batterie auffangen zu können. Insbesondere wenn die
vorgesehenen Öffnungen zur Entlüftung an der Unterseite
der Einzelzellen angeordnet sind, ist sicherzustellen, dass jederzeit
ein Abstand zwischen dem Boden des Batteriegehäuses und
der Unterseite der Einzelzellen vorhanden ist. Daher ist das Batteriegehäuse
gegenüber von außen einwirkenden Kräften
abzustützen.
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Dies
ist mittels der erfindungsgemäßen Stützelemente
realisierbar. Ein Bauraumbedarf dieser Stützelemente im
Ventingraum ist vernachlässigbar gering, so dass dessen
Funktion durch die Stützelemente nicht beeinträchtigt
ist. Sind die Stützelemente zwischen den Einzelzellen hindurchgeführt,
ist sichergestellt, dass keine von außen auf die Batterie einwirkende
Kraft auf die Einzelzellen einwirkt, da diese einwirkende Kraft über
die Stützelemente parallel zu den Einzelzellen an diesen
vorbei auf eine gegenüber liegende Seite des Batteriegehäuses
ableitbar ist. Durch eine Verstärkung einer gesamten Batteriestruktur
durch diese Stützelemente sind gesonderte Verstärkungen
des Batteriegehäuses vermeidbar, wodurch sowohl Kosten
und Material als auch ein Gewicht der Batterie reduzierbar sind.
Insbesondere eine Reduktion des Gewichtes der Batterie ist beispielsweise
bei einem Einsatz mehrerer dieser Batterien in einem Hybridfahrzeug
von großer Bedeutung. Die erfindungsgemäße
Lösung ist relativ einfach und kostengünstig auch
in bereits existierende Batteriekonzepte zu implementieren.
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Zweckmäßigerweise
liegen untere Enden der Stützelemente am Boden des Batteriegehäuses an
oder sind in einem vorgegebenen Abstand zu dem Boden des Batteriegehäuses
angeordnet. Entspricht der gebildete Freiraum dem benötigten
Ventingraum, so liegen die unteren Enden der Stützelemente zweckmäßigerweise
direkt am Batteriegehäuse an, so dass dieser Bereich bei
einer Krafteinwirkung nicht verformbar ist. Ist eine Verformung
des Batteriegehäuses in diesem Bereich in einem definierten
Umfang zulässig, so sind die Stützelemente zweckmäßigerweise
derart anzuordnen, dass ihre unteren Enden einen vorgegebenen Abstand
zu dem Boden des Batteriegehäuses aufweisen. Auf diese
Weise ist dieser Bereich der Batterie in zulässiger Weise
bis zu den Stützelementen verformbar, wodurch auf die Batterie
einwirkende Energie durch Verformung des Batteriegehäuses
abbaubar ist.
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Vorzugsweise
liegen obere Enden der Stützelemente an der Kühlplatte
an, wobei zweckmäßigerweise zwischen der Kühlplatte
und dem Gehäusedeckel zumindest ein Gegenlager angeordnet
ist, welches an der Kühlplatte anliegt oder in einem vorgegebenen
Abstand zu der Kühlplatte angeordnet ist und am Gehäusedeckel
anliegt oder in einem vorgegebenen Abstand zu dem Gehäusedeckel
angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine auf den Boden der Batterie einwirkende äußere
Kraft zunächst über die Stützelemente
auf die Kühlplatte und von dieser über das zumindest
eine oder über mehrere Gegenlager auf den Gehäusedeckel
ableitbar. Analog dazu ist eine auf den Gehäusedeckel einwirkende
Kraft auf diese Weise auf den Boden des Batteriegehäuses
ableitbar. Die Einzelzellen sind von dieser Krafteinwirkung nicht
betroffen und geschützt. Auch der Ventingraum bleibt erhalten.
Insbesondere bei einem Abstand des Gegenlagers zur Kühlplatte
bzw. zum Gehäusedeckel ist diese gegen eine äußere
Krafteinwirkung auf den Gehäusedeckel zunächst
bis zu einer vorgegebenen Deformation des Gehäusedeckels
geschützt, muss allerdings so ausgelegt sein, dass sie
bei einer Krafteinwirkung auf den Boden des Batteriegehäuses,
welche über die Stützelemente auf die Kühlplatte übertragbar
ist, selbst begrenzt deformierbar ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Stützelemente
durch Aussparungen in der Kühlplatte hindurchgeführt
und liegen am Gehäusedeckel an oder sind in einem vorgegebenen
Abstand zum Gehäusedeckel angeordnet. Um auch die Kühlplatte vor
einer äußeren Krafteinwirkung auf den Boden des Batteriegehäuses
oder den Gehäusedeckel zu schützen, ist es vorteilhaft,
die Stützelemente durch Aussparungen in der Kühlplatte
hindurchzuführen, so dass eine äußere
Krafteinwirkung auf den Boden des Batteriegehäuses oder
des Gehäusedeckels ausschließlich durch die Stützelemente übertragbar
ist. Liegen diese nicht direkt am Gehäusedeckel an, so ist
eine zulässige Verformung des Gehäusedeckels ermöglicht.
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Die
Stützelemente weisen bevorzugt einen runden, ovalförmigen
oder vieleckigen Querschnitt auf. Eine Bauform der Stützelemente
ist an den vorhandenen Bauraum anpassbar und so zu wählen, dass
der vorhandene Bauraum optimal nutzbar ist. Durch eine optimale
Nutzung des vorhandenen Bauraums und eine Wahl einer geeigneten
Bauform sind die Stützelemente ausreichend stark auslegbar,
um auftretenden Kräften standzuhalten.
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Vorzugsweise
sind Zellpole der Einzelzellen durch Ausnehmungen in der Kühlplatte
hindurchgeführt und die Einzelzellen durch auf die Zellpole
aufgesetzte Zellverbinder seriell und/oder parallel miteinander
verschaltet und an der Kühlplatte befestigt. Durch die
Befestigung der Einzelzellen an der Kühlplatte sind diese,
neben einer optimalen thermischen Anbindung an die Kühlplatte,
von einem direkten Kontakt mit dem Batteriegehäuse entkoppelt,
wodurch zum einen die Bildung des Ventingraums ermöglicht
ist und zum anderen auf das Batteriegehäuse einwirkende äußere
Kräfte nicht direkt auf die Einzelzellen übertragbar
sind.
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Zweckmäßigerweise
sind die Einzelzellen in ihrer Längsrichtung parallel zueinander
angeordnet, wobei in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
in einem Zellverbund mehrere Einzelzellen in Reihe und mehrere Reihen
von Einzelzellen derart parallel nebeneinander angeordnet sind,
dass der Zellverbund eine Wabenstruktur bildet. Dies ist eine optimal
Bauraum sparende Anordnung der Einzelzellen, wodurch ein Bauraumbedarf
der Batterie so gering wie möglich ist. Insbesondere in
Hybridfahrzeugen, in denen mehrere dieser Batterien eingesetzt sind
und in denen der vorhandene Bauraum äußerst begrenzt
ist, ist dies von großer Bedeutung.
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Bevorzugt
ist jeweils ein Stützelement in Längsausdehnung
zumindest teilweise in einem Zwischenraum angeordnet, welcher durch
mehrere sich seitlich berührende Einzelzellen gebildet
ist, wobei die Stützelemente zweckmäßigerweise
jeweils an einer Zellwand zumindest einer Einzelzelle anliegen oder
in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform diesen
Zwischenraum zwischen den Einzelzellen jeweils vollständig
ausfüllen. Durch die wabenartige Anordnung der Einzelzellen
ist, insbesondere bei Rundzellen, zwischen diesen ein Zwischenraum
gebildet. In diesem Zwischenraum ist ausreichend Bauraum vorhanden,
um die Stützelemente hindurchzuführen. Durch ein
seitliches Anlegen der Stützelemente an die Einzelzellen
oder, noch vorteilhafter, durch eine Wahl einer Bauform der Stützelemente, welche
den Zwischenraum zwischen den Einzelzellen vollständig
ausfüllt, ist ein seitliches Abknicken der Stützelemente
bei Belastung verhinderbar, wodurch eine Struktur der Batterie bei
einer äußeren Krafteinwirkung sicher erhaltbar
ist, da auftretende äußere Kräfte durch
die Stützelemente vollständig übertragbar
sind. Die derart angeordneten und dimensionierten Stützelemente
sind auch als seitliche Halterung der Einzelzellen nutzbar.
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Liegen
die Stützelemente mit ihrem oberen Ende an der Kühlplatte
an oder sind in den Aussparungen, durch welche sie durch die Kühlplatte
hindurchgeführt sind, mit dieser thermisch kontaktiert, so
sind die Stützelemente auch zu einer Wärmeübertragung
von den Einzelzellen auf die Kühlplatte nutzbar, da sie
beispielsweise aus Metall und daher Wärme leitend ausgeführt
sind. Auf diese Weise ist auch eine Kühlung der Einzelzellen
verbesserbar, da zusätzlich zu einer Stirnkühlung
noch eine Seitenkühlung durch die Stützelemente
erreicht ist.
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Ein
Querschnitt eines Teils des Stützelementes, welcher in
den Freiraum hineinragt, ist in vorteilhafter Weise größer
als ein Querschnitt eines Teils des Stützelementes, welcher
zwischen den Einzelzellen angeordnet ist. Der Teil der Stützelemente, welcher
in den Freiraum, also in den Ventingraum hineinragt, ist nicht durch
eine seitliche Abstützung an den Einzelzellen vor verbiegen
oder abknicken gesichert, deshalb ist dieser Teil stärker
zu dimensionieren als der Teil der Stützelemente, welcher
von den Einzelzellen umgeben ist und durch diese seitlich abgestützt
ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind eine
Mehrzahl von Stützelementen derart miteinander verbunden,
dass sie einen wabenförmigen Formkörper bilden,
in dessen Ausformungen die Einzelzellen angeordnet sind, wobei Verbindungen zwischen
den Stützelementen beispielsweise durch Schaumstoff gebildet
sind. Die Ausformungen korrespondieren vorzugsweise mit einer Kontur
der Zellwand der Einzelzellen. Durch einen derartigen Formkörper
ist eine solche Batterie sehr effizient fertigbar, da die Einzelzellen
in den Formkörper einsetzbar und mit diesem zusammen in
das Batteriegehäuse einsetzbar sind, so dass sowohl die
Einzelzellen als auch die Stützelemente optimal positioniert
und ausgerichtet sind.
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Durch
den Formkörper sind, insbesondere wenn die Ausformungen
mit der Kontur der Zellwand der Einzelzellen korrespondieren, die
Einzelzellen zusätzlich seitlich gehaltert. Die Verbindungen
zwischen den Stützelementen sind beispielsweise durch Schaumstoff
wie zum Beispiel einen Hartschaum einfach, kostengünstig
und mit sehr geringem Gewicht realisierbar. Auch bei einer Verbindung
der Stützelemente beispielsweise durch Metall sind diese
Verbindungen nicht vollflächig über die gesamte
Länge der Stützelemente und eine gesamte Ausdehnung
zwischen diesen auszugestalten, sondern lediglich durch einzelne
Verstrebungen, wodurch das Gewicht des Formkörpers reduziert
ist und Material einsparbar ist. Die Verbindungen sind lediglich
an eine erforderliche Stabilität des Formkörpers,
welche beispielsweise zum Einbau erforderlich ist, anzupassen. Insbesondere
auf eine möglichst geringe Beeinträchtigung des
Ventingraums ist bei der Auslegung des Formkörpers bzw.
der Verbindungen zwischen den Stützelementen zu achten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegen die
Stützelemente an einem Rand der Unterseite der Einzelzellen
an. Sind Zellgehäuse der Einzelzellen verstärkt,
so dass diese Kräfte aufnehmen und übertragen
können, so ist eine auf den Boden des Batteriegehäuses
einwirkende Kraft über die Stützelemente auf das
Zellgehäuse der Einzelzellen und von diesen auf die Kühlplatte
und von dort über den oder die Gegenlager auf den Gehäusedeckel übertragbar.
Insbesondere bei Einzelzellen, welche mit vieleckigen Gehäusen
ausgeführt sind, zwischen denen aufgrund einer hohen Packungsdichte
der Einzelzellen für die Stützelemente kein Bauraum
vorhanden ist, ist durch diese Alternative trotzdem ein ausreichender
Schutz der Batterie realisierbar. Auch in dieser Ausführungsform
sind die Stützelemente zu einem Formkörper verbindbar,
um eine optimale seitliche Stabilität und exakte Positionierung
der Stützelemente sicherzustellen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Stützelemente
in Längsausdehnung zumindest teilweise keilförmig
ausgebildet. Bei einer äußeren Krafteinwirkung
auf den Boden des Batteriegehäuses sind diese keilförmigen
Stützelemente in die Zwischenräume zwischen den
Einzelzellen pressbar, wodurch die Kraft sowohl in Längs-
als auch in Querrichtung auf die Einzelzellen übertragbar ist.
Durch die Keilform ist eine vorgegebene Verformung des Batteriegehäuses
realisierbar, wobei eine Größe der zulässigen
Verformung durch eine Länge der Stützelemente
und eine Ausprägung der Keilform vorgebbar ist. Auch diese
Ausführungsform der Stützelemente ist zweckmäßigerweise
durch Verbindung der Stützelemente zu einem Formkörper
realisierbar, um eine optimale seitliche Stabilität und
exakte Positionierung der Stützelemente sicherzustellen.
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Die
Batterie ist vorzugsweise eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine
Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
Eine derart gesicherte Batterie ist sicher in einem Fahrzeug betreibbar,
da mittels der erfindungsgemäßen Lösung
sichergestellt ist, dass von der Batterie auch beispielsweise nach
einem Unfall des Fahrzeugs keine Gefährdung ausgeht.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines durch miteinander verbundene Stützelemente gebildeten
wabenförmigen Formkörpers,
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2 eine
Explosionsdarstellung einer Batterie,
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3 eine
Schnittdarstellung eines horizontalen Querschnitts der Batterie,
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4 eine
seitliche Darstellung eines Zellverbundes, und
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5 eine
Schnittdarstellung eines vertikalen Querschnitts der Batterie.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines durch miteinander verbundene
Stützelemente 1 gebildeten wabenförmigen
Formkörpers 2. Die Stützelemente 1 sind
derart miteinander verbunden, dass die dadurch gebildeten Ausformungen 3 des wabenförmigen
Formkörpers 2, in welche Einzelzellen 4 anordbar
sind, mit einer Kontur einer Zellwand der Einzelzellen 4 korrespondieren,
so dass eine perfekte Passform der Einzelzellen 4 in dem
Formkörper 2 erreicht ist. Der hier dargestellte
Formkörper 2 ist zur Aufnahme von als Rundzellen
ausgebildeten Einzelzellen 4 vorgesehen.
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Erfindungsgemäße
Stützelemente 1 sind, wenn die Einzelzellen 4 in
den Formkörper 2 eingesetzt sind, jeweils in Längsausdehnung
zumindest teilweise in einem Zwischenraum angeordnet, welcher durch
mehrere sich seitlich berührende Einzelzellen 4 gebildet
ist. Dazu ist ein Querschnitt der Stützelemente 1 im
hier dargestellten Ausführungsbeispiel näherungsweise
dreieckig ausgeführt, so dass die Stützelemente 1 diesen
Zwischenraum vollständig ausfüllen. Auf diese
Weise ist zum einen ein zwischen den Einzelzellen 4 vorhandener
Bauraum optimal genutzt, zum anderen ist auf diese Weise eine optimale
Stabilität der Stützelemente 1 erreichbar,
da diese gegen ein seitliches Abknicken bei Belastung durch die
Einzelzellen 4 gehaltert sind.
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Im
hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die jeweils
am Rand des Formkörpers 2 angeordneten Ausformungen 3 nicht
vollständig geschlossen, und da auch die am Rand des Formkörpers 2 angeordneten
Stützelemente 1 nicht allseitig von Einzelzellen 4 umgeben
sind, ist insbesondere auf deren Auslegung zu achten, um die erforderliche
Stabilität sicherzustellen. Diese sind beispielsweise aus
einem stabileren Material zu fertigen oder Abmessungen des Formkörpers 2 und
eines Batteriegehäuses 5 sind so aufeinander abzustimmen,
dass die äußeren Stützelemente 1 seitlich
am Batteriegehäuse 5 anliegen und durch dieses
gestützt sind. Eine weitere Möglichkeit ist beispielsweise
eine Versteifung der Einzelzellen 4, des Formkörpers 2 und
insbesondere der äußeren Stützelemente 1 durch
eine in den Abbildungen nicht dargestellte Vergussmasse, zum Beispiel
aus einem Hartschaum, welche insbesondere zwischen den Einzelzellen 4 sowie
den äußeren Stützelementen 1 und
Seiten des Batteriegehäuses 5 anordbar ist.
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Verbindungen 6 der
Stützelemente 1, durch welche der Formkörper 2 gebildet
ist, können beispielsweise aus Schaumstoff, zum Beispiel
aus Hartschaum, oder beispielsweise auch aus Kunststoffen oder aus
Metall sein. So kann beispielsweise der gesamte Formkörper 2,
d. h. sowohl die Stützelemente 1 als auch die
Verbindungen 6 zwischen diesen, aus dem gleichen Material
gefertigt sein, wodurch ein Fertigungsaufwand reduzierbar ist. Da
die Stützelemente 1 jedoch auf wesentlich höhere
Belastungen auszulegen sind als die Verbindungen 6 zwischen diesen
und beispielsweise aus einem hochfesten Metall gefertigt sind, ist
aus Kostengründen aber auch ein Einsatz anderer Materialen
für die Verbindungen 6, wie bereits erwähnt,
durchaus sinnvoll, wodurch auch eine Gewichtsreduktion des Formkörpers 2 und
damit einer gesamten Batterie 7 erzielbar ist.
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Durch
einen Einsatz von beispielsweise Kunststoffen oder Schaumstoff als
Material der Verbindungen 6 sind diese zum Beispiel auch
derart flexibel auslegbar, dass eine optimale Passform der Einzelzellen 4 in
den Ausformungen 3 des Formkörpers 2 erzielbar
ist. In jedem Fall sollten die Verbindungen 6 zwischen
den Stützelementen 1 so angeordnet sein, dass
eine größtmögliche Materialreduktion
und damit Gewichtsreduktion erreichbar ist, und die Verbindungen 6 zwischen
den Stützelementen 1 sollten möglichst
nicht in einem Freiraum 8, welcher zwischen einer Unterseite
der Einzelzellen 4 und einem Boden des Batteriegehäuses 5 gebildet
ist, angeordnet sein, da dieser Freiraum 8 ein so genannter Ventingraum
ist. Beispielsweise durch einen Kurzschluss oder eine Überladung
kann sich in den Einzelzellen 4 der Batterie 7 ein Überdruck
bilden, wodurch an vorgegebenen Stellen der Einzelzellen 4 zur Entlüftung
vorgesehene Öffnungen aufbrechen. Das ausströmende
Gas ist in dem Ventingraum auffangbar und somit ein Gasaustritt
aus der Batterie 7 verhinderbar. Dieser als Ventingraum
genutzte Freiraum 8 sollte nicht durch in diesem angeordnete
Verbindungen 6 beeinträchtigt sein. Daher sind
die Verbindungen 6 der Stützelemente 1 vorzugsweise
auf Höhe der Einzelzellen 4 anzuordnen.
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2 zeigt
eine Explosionsdarstellung der Batterie 7. In dem Batteriegehäuse 5 ist
der wabenförmige Formkörper 2, welcher
durch die verbundenen Stützelemente 1 gebildet
ist, anordbar. In die Ausformungen 3 des Formkörpers 2 ist
ein Zellverbund 9 aus Einzelzellen 4 einsetzbar.
Bei einer Fertigung der Batterie 7 sind beispielsweise
die Einzelzellen 4 in den Formkörper 2 einsetzbar
und dadurch optimal positioniert. Dies ist insbesondere wichtig, weil
nachfolgend eine Kühlplatte 10 polseitig auf die Einzelzellen 4 aufsetzbar
ist, wobei Zellpole 11 der Einzelzellen 4 durch
Ausnehmungen in der Kühlplatte 10 hindurchzuführen
und oberhalb der Kühlplatte 10 durch auf die Zellpole 11 aufgesetzte
Zellverbinder 12 elektrisch seriell und oder parallel zu
verschalten sind. Dadurch sind die Einzelzellen 4 an der
Kühlplatte 10 gehaltert und optimal thermisch
an diese angebunden. Daher ist eine optimale Positionierung der
Einzelzellen 4 sehr vorteilhaft, um die Fertigung zu erleichtern.
Das Batteriegehäuse 5 ist mit einem Gehäusedeckel 13 verschließbar.
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung eines horizontalen Querschnitts der Batterie 7.
Der Zellverbund 9 ist in dem Batteriegehäuse 5 angeordnet.
Jeweils zwischen mehreren Einzelzellen 4 sind die Stützelemente 1 derart
angeordnet, dass sie diesen Zwischenraum nahezu vollständig
ausfüllen. Auf diese Weise sind die Stützelemente 1 optimal
seitlich gehaltert und dadurch gegen ein Verbiegen gesichert. Die äußeren
Stützelemente 1 im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
liegen nicht an den Seitenwänden des Batteriegehäuses 5 an,
so dass diese beispielsweise durch eine hier nicht dargestellte
Vergussmasse aus Hartschaum, welche zwischen dem Zellverbund 9 und
den Seitenwänden des Batteriegehäuses 5 einfüllbar
ist, gegen ein Verbiegen zu sichern sind, oder stärker
zu dimensionieren sind.
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4 zeigt
eine seitliche Darstellung des Zellverbundes 9. In dieser
Darstellung gut zu erkennen ist, dass die Stützelemente 1 nach
unten über die Unterseite der Einzelzellen 4 hinausragen.
Ist dieser Zellverbund 9 in ein Batteriegehäuse 5 eingesetzt,
so ragen die Stützelemente 1 in den Freiraum 8,
welcher sich bis zum Boden des Batteriegehäuses 5 erstreckt,
hinein. In diesem Ausführungsbeispiel liegen die Stützelemente 1 mit
einem oberen Ende an der Kühlplatte 10 an. In
weiteren Ausführungsformen sind diese beispielsweise auch
durch Aussparungen in der Kühlplatte 10 durchführbar
oder mit ihren oberen Enden in einem vorgegebenen Abstand zur Kühlplatte 10 anordbar.
Da die Stützelemente 1 bevorzugt aus Metall gefertigt
sind, welches Wärme leitend ist, sind die Stützelemente 1,
wenn diese an der Kühlplatte 10 anliegen oder
in den Aussparungen thermisch mit der Kühlplatte 10 kontaktiert
sind, auch zusätzlich zur Wärmeleitung von den
Einzelzellen 4 zur Kühlplatte 10 nutzbar,
wodurch eine Kühlfunktion für die Einzelzellen 4 verbesserbar
ist, da dadurch neben einer Stirnkühlung der Einzelzellen 4 durch
die polseitig angeordnete Kühlplatte 10 zusätzlich
noch eine Seitenkühlung durch die an den Zellwänden
der Einzelzellen 4 anliegenden Stützelemente 1 ermöglicht
ist.
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5 zeigt
eine Schnittdarstellung eines vertikalen Querschnitts der Batterie 7.
Dargestellt ist der Zellverbund 9 im Batteriegehäuse 5,
welches mit dem Gehäusedeckel 13 verschlossen
ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die
Einzelzellen 4 in dem wabenförmigen Formkörper 2 angeordnet, welcher
durch die miteinander verbundenen Stützelemente 1 gebildet
ist. Zwischen einem Bereich zwischen der Unterseite der Einzelzellen 4 und
dem Boden des Batteriegehäuses 5 ist der Freiraum 8 gebildet,
welcher als Ventingraum nutzbar ist. Dieser Freiraum 8 ist
unbedingt zu erhalten, auch bei einer auf die Batterie 7 von
außen einwirkenden Kraft, beispielsweise bei einem Unfall
eines Fahrzeugs, in welchem die Batterie 7 eingesetzt ist.
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Um
diesen Freiraum 8 durch den Einsatz der Stützelemente 1 nicht
zu beeinträchtigen, sind die Verbindungen 6 zwischen
den Stützelementen 1 auf Höhe der Einzelzellen 4 angeordnet,
so dass in diesen Freiraum 8 lediglich die Stützelemente 1 selbst hineinragen.
Durch deren schmale Bauform ist eine Beeinträchtigung des
Freiraums 8 bzw. dessen Funktion jedoch vernachlässigbar
gering. Dies gilt auch, wenn die Stützelemente 1 in
einem unteren Bereich, d. h. in dem Bereich, welcher in den Freiraum 8 hineinragt,
stärker dimensioniert sind, d. h. beispielsweise einen
größeren Querschnitt aufweisen. Im hier dargestellten
Ausführungsbeispiel ist dies zwar nicht der Fall, es ist
aber unter Umständen notwendig, um auch in diesem Bereich
der Stützelemente 1, welcher nicht seitlich von
Einzelzellen 4 umgeben und durch diese abgestützt
ist, ein seitliches Verbiegen oder Abknicken der Stützelemente 1 zu
vermeiden. Eine Abstützung des Batteriegehäuses 5 ohne
eine Beeinträchtigung des als Ventingraum genutzten Freiraums 8 ist
ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen
Lösung.
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Im
hier dargestellten Ausführungsbeispiel liegen untere Enden
der Stützelemente 1 am Boden des Batteriegehäuses 5 an
und die oberen Enden der Stützelemente 1 liegen
an der Kühlplatte 10 an. Wirkt eine äußere
Kraft auf den Boden des Batteriegehäuses 5 ein,
ist diese sofort auf die Stützelemente 1 und von
diesen auf die Kühlplatte 10 übertragbar,
parallel zu den Einzelzellen 4 und an diesen vorbei, so
dass auch die Einzelzellen 4 von dieser Krafteinwirkung nicht
betroffen sind und daher nach einer solchen Krafteinwirkung nicht
beschädigt sind. Auf diese Weise ist das Batteriegehäuse 5 optimal
gegen Verformungen geschützt, so dass der Freiraum 8 und
dessen Funktion erhalten bleiben. Dies ist insbesondere bei einem
Unfall des Fahrzeugs von großer Bedeutung, da bei einem
solchen Ereignis Beschädigungen elektrischer Systeme des
Fahrzeugs wahrscheinlich sind, wodurch eine Fehlfunktion der Batterie 7 mit
einer daraus resultierenden Ausgasung aus den Einzelzellen 4 hervorrufbar
ist. Bei einer Beeinträchtigung der Funktion dieses Freiraums 8 könnten
Gase aus der Batterie 7 austreten und beispielsweise Insassen
des Fahrzeugs gefährden. Dies ist mittels der erfindungsgemäßen
Stützelemente 1 vermeidbar.
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Da
die Kraft in diesem Ausführungsbeispiel über die
Stützelemente 1 auf die Kühlplatte 10 ableitbar
ist, ist diese beispielsweise ausreichend stark zu dimensionieren,
um diese Kraft aufnehmen zu können, oder es sind zwischen
der Kühlplatte 10 und dem Gehäusedeckel 13 beispielsweise
ein oder mehrere, hier nicht dargestellte Gegenlager anzuordnen,
so dass die Kraft über die Stützelemente 1,
die Kühlplatte 10 und die Gegenlager auf den Gehäusedeckel 13 übertragbar
ist. In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform
sind die Stützelemente 1 durch Aussparungen in
der Kühlplatte 10 durch diese durchführbar,
so dass die auf die Batterie 7 von außen einwirkende
Kraft direkt von dem Boden des Batteriegehäuses 5 über
die Stützelemente 1 auf den Gehäusedeckel 13 übertragbar
ist und somit die Kühlplatte 10 nicht belastet
ist. Dies ist eine sinnvolle Alternative, da auf diese Weise eine
Gefahr einer Beschädigung der Kühlplatte 10 und
daraus austretender Kühlflüssigkeit vermeidbar
ist.
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In
weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsformen sind
die Stützelemente 1 mit ihren Enden auch in einem
vorgegebenen Abstand zu dem Boden des Batteriegehäuses 5 und/oder
der Kühlplatte 10 bzw. und/oder dem Gehäusedeckel 13 anordbar
bzw. vorhandene Gegenlager in einem vorgegebenen Abstand zu der
Kühlplatte 10 und/oder zu dem Gehäusedeckel 13 anordbar.
Auf diese Weise ist bei einer von außen auf das Batteriegehäuse 5 einwirkenden
Kraft zuerst das Batteriegehäuse 5 in vorgegebenem,
zulässigem Maße verformbar, bevor die Kraft über
die Stützelemente 1 übertragbar ist. Dies
ist beispielsweise sinnvoll, um auf die Batterie 7 einwirkende kinetische
Energie durch eine Verformung des Batteriegehäuses 5 abzubauen.
Durch die Stützelemente 1 ist sichergestellt,
dass die Verformung des Batteriegehäuses 5 einen
zulässigen Bereich nicht überschreitet, so dass
ein Mindestmaß des Freiraums 8, welcher dessen
ordnungsgemäße Funktion sicherstellt, stets gegeben
ist.
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In
einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform
liegen die Stützelemente 1 an einem Rand der Unterseite
der Einzelzellen 4 an. Sind Zellgehäuse der Einzelzellen 4 verstärkt,
so dass diese Kräfte aufnehmen und übertragen
können, so ist eine auf den Boden des Batteriegehäuses 5 einwirkende
Kraft über die Stützelemente 1 auf das
Zellgehäuse der Einzelzellen 4 und von diesen
auf die Kühlplatte 10 und von dort über
den oder die Gegenlager auf den Gehäusedeckel 13 übertragbar.
Insbesondere Einzelzellen 4, welche mit vieleckigen Zellgehäusen
ausgeführt sind, zwischen denen aufgrund einer hohen Packungsdichte
der Einzelzellen 4 für die Stützelemente 1 kein
Bauraum vorhanden ist, ist durch diese Alternative trotzdem ein
ausreichender Schutz der Batterie 7 realisierbar. Auch
in dieser Ausführungsform sind die Stützelemente 1 zu
einem Formkörper 2 verbndbar, um eine optimale
seitliche Stabilität und exakte Positionierung der Stützelemente 1 sicherzustellen.
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In
einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform
sind die Stützelemente 1 in Längsausdehnung
zumindest teilweise keilförmig ausgebildet. Bei einer äußeren
Krafteinwirkung auf den Boden des Batteriegehäuses 5 sind
diese keilförmigen Stützelemente 1 in
die Zwischenräume zwischen den Einzelzellen 4 pressbar,
wodurch die Kraft sowohl in Längs- als auch in Querrichtung
auf die Einzelzellen 4 übertragbar ist. Durch
die Keilform ist eine vorgegebene Verformung des Batteriegehäuses 5 realisierbar,
wobei eine Größe der zulässigen Verformung durch
eine Länge der Stützelemente 1 und eine
Ausprägung der Keilform vorgebbar ist. Auch diese Ausführungsform
der Stützelemente 1 ist zweckmäßigerweise
durch ein verbinden der Stützelemente 1 zu einem
Formkörper 2 realisierbar, um eine optimale seitliche
Stabilität und exakte Positionierung der Stützelemente 1 sicherzustellen.
-
Durch
eine mittels der erfindungsgemäßen Lösung
erzielbare Verstärkung einer gesamten Batteriestruktur
durch diese Stützelemente 1 sind gesonderte Verstärkungen
des Batteriegehäuses 5 vermeidbar, wodurch sowohl
Kosten und Material als auch ein Gewicht der Batterie 7 reduzierbar
sind. Insbesondere eine Reduktion des Gewichtes der Batterie 7 ist
beispielsweise bei einem Einsatz mehrerer dieser Batterien 7 in
einem Hybridfahrzeug von großer Bedeutung. Die erfindungsgemäße
Lösung ist, insbesondere aufgrund einer Vielzahl an möglichen Ausführungsformen,
relativ einfach und kostengünstig auch in bereits existierende
Batteriekonzepte zu implementieren. Mittels der erfindungsgemäßen
Lösung ist eine Sicherheit einer solchen Batterie 7,
insbesondere wenn diese in einem Fahrzeug eingesetzt ist, beispielsweise
bei einem Unfall erheblich steigerbar, so dass sichergestellt ist,
dass beispielsweise für Insassen in einem Hybridfahrzeug
bei einem Unfall kein erhöhtes Gefährdungsrisiko
von den darin installierten Batterien 7 ausgeht.
-
- 1
- Stützelement
- 2
- Formkörper
- 3
- Ausformung
- 4
- Einzelzelle
- 5
- Batteriegehäuse
- 6
- Verbindung
- 7
- Batterie
- 8
- Freiraum
- 9
- Zellverbund
- 10
- Kühlplatte
- 11
- Zellpole
- 12
- Zellverbinder
- 13
- Gehäusedeckel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102007009315
A1 [0002]
- - DE 10352046 A1 [0003]
- - EP 0044753 A1 [0004]
- - US 2006/0115720 A1 [0005]