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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen, einen Kraftwagen mit wenigstens einem Batteriesystem sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Batteriesystems.
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Elektrisch angetriebene Kraftwagen benötigen zur Energieversorgung ihres elektrischen Traktionsmotors eine elektrische Energiequelle. Üblicherweise werden als Energiequelle mehrere einzelne Batteriezellen miteinander verschaltet und zu einem Batteriemodul zusammengefasst. Diese Batteriemodule werden wiederum ihrerseits mit mehreren weiteren Batteriemodulen miteinander verschaltet und in Batteriesystemen zusammengefasst. Diese Batteriesysteme werden in entsprechend dafür vorgesehenen Bereichen des Kraftwagens angeordnet. Insbesondere im Hinblick auf eine möglichst gute Betriebssicherheit der einzelnen Batteriezellen, der Batteriemodule sowie der Batteriesysteme müssen entsprechende Sicherheitsvorkehrungen für eventuelle Crashfälle vorgesehen werden. In einem Crashfall, beispielsweise bei einem Frontalaufprall des Kraftwagens auf einen anderen Kraftwagen, können so hohe Kräfte an den Batteriesystemen und an den Batteriemodulen auftreten, dass diese beschädigt werden. Je nach auftretenden Kräften können die in den Batteriemodulen angeordneten Batteriezellen dabei so stark beschädigt werden, dass es zu Explosionen der Batteriezellen kommen kann. Neben der Beeinträchtigung der Energieversorgung stellt dies insbesondere ein beträchtliches Sicherheitsrisiko dar, da durch solche Explosionen weitere Batteriezellen in Brand gesetzt werden können, infolgedessen unter Umständen der gesamte Kraftwagen in Brand gesetzt werden kann.
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Zur Absorption der in einem Crashfall auftretenden Kräfte bzw. zur Absorption der in einem Crashfall auftretenden kinetischen Energie ist es allgemein bekannt, Deformationselemente innerhalb der Batteriesysteme vorzusehen, welche sich im Falle einer Kollision verformen und so Energie absorbieren. Die als Knautschzone dienenden Deformationselemente zielen dabei auf eine Verringerung der auf die einzelnen Batteriezellen einwirkenden Beschleunigung ab, sodass die an den Batteriezellen auftretenden Kräfte in einem Crashfall verringert werden.
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Der
JP 2010135273 ist ein Batteriemodul als bekannt zu entnehmen, in welchem eine Mehrzahl von Batteriezellen und wenigstens ein Deformationselement vorgesehen sind. In diesem Fall ist das Deformationselement dazu ausgelegt, durch eine elastische Verformung seiner Gestalt eine dämpfende Wirkung bereitzustellen.
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Der
DE 10 2009 033 076 A1 ist ein Batteriemodul für ein Fahrzeug als bekannt zu entnehmen, welches aus mehreren zylinderförmig ausgebildeten Batteriezellen zusammengesetzt ist Mehrere dieser Batteriemodule sind zu einem Batteriesystem zusammengesetzt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemodul, ein Batteriesystem und einen Kraftwagen mit einem Batteriesystem sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriesystems bereitzustellen, mittels welchen ein verbessertes Crashverhalten von Batteriemodulen ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6, einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriesystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul, insbesondere für einen elektrisch angetriebenen Kraftwagen, umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen und wenigstens ein Deformationselement, wobei sich das erfindungsgemäße Batteriemodul dadurch auszeichnet, dass das Deformationselement dazu ausgelegt ist, durch eine plastische Verformung seiner Gestalt eine von außen auf das Batteriemodul einwirkende mechanische Energie zu absorbieren. Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen, innerhalb eines in sich abgeschlossenen Batteriemoduls neben den Batteriezellen wenigstens ein Deformationselement vorzusehen, welches in einem Crashfall als Knautschzone dient, indem es durch die Verformung seiner Gestalt von außen auf das Batteriemodul einwirkende Kräfte absorbiert. Im Gegensatz zu dem aus der
JP 2010135273 bekannten Deformationselement ist das erfindungsgemäße Deformationselement nicht dazu ausgebildet, durch eine elastische Verformung eine Dämpfung hervorzurufen. Stattdessen wird in einem Crashfall gerade durch die plastische Verformung der Gestalt des Deformationselements eine besonders effektive Absorption der von außen auf das Batteriemodul einwirkenden mechanischen Energie erzielt. Bei einer lediglich elastischen Verformung der Gestalt des Deformationselements in einem Crashfall würde hingegen keine so starke Absorption der mechanischen Energie erzielt werden können.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Batteriezellen somit im Falle eines Crashs besonders effektiv vor Beschädigungen bzw. vor ihrer Zerstörung bewahrt, da das zumindest eine in dem Batteriemodul vorgesehene Deformationselement die mechanisch einwirkende Energie absorbiert, sodass die an den einzelnen Batteriezellen auftretenden Beschleunigungen und entsprechenden Kräfte wirksam reduziert werden können. Einer Zerstörung der Batteriezellen und somit des gesamten Batteriemoduls wird vorgebeugt, sodass ein Versagen des Batteriemoduls und dessen Explosion und gegebenenfalls auch Inbrandsetzung vermieden werden können. Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus der Batteriemodule ist es nunmehr möglich, diese Batteriemodule auch in solchen Bereichen eines Kraftwagens vorzusehen, in welchen bei einem Crash erhöhte Kräfte bzw. mechanische Energien auf die Batteriemodule einwirken. Beispielsweise können solche Batteriemodule im Heckbereich, im Vorderwagenbereich oder dergleichen vorgesehen werden, wo bislang aus Sicherheitsgründen noch keine Batteriemodule vorgesehen werden konnten. Dadurch ergeben sich größere gestalterische Freiheiten bei der Konzipierung von elektrisch angetriebenen Kraftwagen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Batteriezellen in einem ersten Bereich des Batteriemoduls angeordnet sind und das Deformationselement in einem zweiten Bereich des Batteriemoduls angeordnet ist, welcher wenigstens von einer Gehäusewand berandet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das Deformationselement in einem äußeren Bereich des Batteriemoduls vorgesehen wird, sodass von außen auf das Batteriemodul einwirkende Kräfte besonders effektiv von dem Deformationselement aufgenommen werden können, ohne dass die Batteriezellen beschädigt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Batteriezellen zumindest bereichsweise in einen Strukturschaum eingebettet sind, wobei die Steifigkeit des Strukturschaums um ein vorgegebenes Maß größer, insbesondere wenigstens doppelt so groß, wie die des Deformationselements ist. Durch die Einbettung der Batteriezellen in den Strukturschaum wird eine besonders steife Struktur innerhalb des Batteriemoduls geschaffen, wodurch in einem Crashfall einer Deformation der Batteriezellen effektiv vorgebeugt wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Deformationselement als Strangpressprofil ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Deformationselement dabei als Hohlprofil ausgebildet, welches durch eine vorgegebene Deformation seiner Gestalt die von außen auf das Batteriemodul einwirkende mechanische Energie absorbieren kann. Die als Strangpressprofil ausgebildeten Deformationselemente können besonders kostengünstig hergestellt werden, sodass das Batteriemodul insgesamt ebenfalls kostengünstig herstellbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Gehäuse des Batteriemoduls als Hexaeder mit einer mehreckigen, insbesondere trapezförmigen, Grundfläche ausgebildet, wobei seitliche Gehäuseflächen des Batteriemoduls im Wesentlichen senkrecht zu der Grundfläche angeordnet sind. Dadurch können mehrere der Batteriemodule besonders platzsparend aneinander angeordnet werden, sodass der in einem Kraftwagen vorzusehende Bauraum für die Batteriemodule gering gehalten werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem, insbesondere für einen elektrisch angetriebenen Kraftwagen, umfasst eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Batteriemodulen oder eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriemodule.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Batteriesystem mehrere Varianten von Batteriemodulen umfasst, welche sich in ihrer Gestalt und/oder Größe unterscheiden. Mit anderen Worten kann das Batteriesystem modular aufgebaut sein, welches eine Mehrzahl von Varianten der Batteriemodule umfasst, welche miteinander kompatibel ausgebildet sind und somit im Wesentlichen in beliebigen Konfigurationen zu jeweiligen Batteriesystemen zusammengesetzt werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Batteriesystem mehrere Varianten von Batteriemodulen umfasst, welche sich bezüglich der Anzahl der Batteriezellen, der Größe und/oder der Position des Deformationselements innerhalb des Batteriemoduls unterscheiden. Je nach erforderlicher Leistung, Kapazität, vorhandenem Bauraum und dergleichen können jeweils passende Varianten von Batteriemodulen zu dem Batteriesystem zusammengesetzt werden, sodass im Wesentlichen ohne Überdimensionierungen ein jeweils passendes Batteriesystem bereitgestellt werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Batteriesystem wenigstens ein weiteres Batteriemodul umfasst, welches kein Deformationselement aufweist. Je nach Verbauort des Batteriesystems in einem Kraftwagen können innerhalb des Batteriesystems auch Bereiche gegeben sein, welche auch in einem Crashfall kaum solchen Kräften ausgesetzt sind, welche zu einer Zerstörung jeweiliger Batteriemodule in diesen Bereichen führen würden. Durch die Vorsehung weiterer Batteriemodule, welche kein Deformationselement aufweisen, kann das Batteriesystem dadurch leichter und kostengünstiger ausgebildet sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein jeweiliges Volumenverhältnis von Deformationselement zu Batteriezellen innerhalb der Batteriemodule in Abhängigkeit von einer jeweilig vorgesehenen Positionierung der Batteriemodule in einem Kraftwagen festgelegt ist. Batteriemodule, welche in gefährdeteren Fahrzeugzonen verbaut werden, weisen somit größere Deformationselemente oder mehrere Deformationselemente auf, wobei diejenigen Batteriemodule, welche in weniger gefährdeten Fahrzeugzonen verbaut werden, kleinere und/oder weniger Deformationselemente aufweisen, sodass an den jeweiligen Einbauort angepasste Batteriemodule in dem Batteriesystem vorgesehen werden können.
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Ein erfindungsgemäßer Kraftwagen, insbesondere elektrisch angetriebener Kraftwagen, umfasst wenigstens ein erfindungsgemäßes Batteriesystem oder eine vorteilhafte Ausführungsform des Batteriesystems.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwagens ist es vorgesehen, dass die Batteriemodule, bei welchen die Deformationselemente den größten Volumenanteil des Batteriemoduls einnehmen, in den Bereichen des Kraftwagens angeordnet sind, in welchen bei wenigstens einem vorgegebenen Zusammenstoß des Kraftwagens mit einem vom Kraftwagen verschiedenen Objekt die größten Kräfte einwirken.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Batteriesystems, insbesondere für einen elektrisch angetriebenen Kraftwagen, mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen, welche jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen und wenigstens ein Deformationselement umfassen, zeichnet sich dadurch aus, dass ein jeweiliges Volumenverhältnis von Deformationselement zu Batteriezellen innerhalb der Batteriemodule in Abhängigkeit von einer jeweilig vorgesehenen Positionierung der Batteriemodule in dem Kraftwagen ausgebildet wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Querschnittsansicht durch ein Batteriemodul, welches eine Mehrzahl von Batteriezellen und ein Deformationselement umfasst;
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2 eine schematische Perspektivansicht der in 1 gezeigten Batteriezellen, wobei diese in einen Strukturschaum eingebettet sind;
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3 ein Gehäuse des Batteriemoduls, welches als Hexaeder mit einer trapezförmigen Grundfläche ausgebildet ist;
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4 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht eines Batteriesystems, welches eine Mehrzahl der in den 1 und 3 gezeigten Batteriemodule umfasst; und in
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5 eine schematische Ansicht eines elektrisch angetriebenen Kraftwagens, bei welchem ein Batteriesystem in einem Mitteltunnelbereich und ein Batteriesystem in einem Heckbereich des Kraftwagens angeordnet ist.
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Ein Batteriemodul 10 für einen elektrisch angetriebenen Kraftwagen ist in einer schematischen Schnittansicht in 1 gezeigt. Das Batteriemodul 10 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 12 und ein Deformationselement 14. Die Batteriezellen 12 und das Deformationselement 14 sind gemeinsam innerhalb eines Gehäuses 16 des Batteriemoduls 10 angeordnet. Das Batteriemodul 10 dient dabei als kleinste zu regelnde Einheit, d. h. es ist das kleinste Element eines Batteriemanagementsystems, welches überwacht und geregelt wird.
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Das Deformationselement 14 ist dazu ausgelegt, durch eine plastische Verformung seiner Gestalt eine von außen auf das Batteriemodul 10 einwirkende mechanische Energie zu absorbieren. Mit anderen Worten dient das Deformationselement 14 als Knautschzone, welche insbesondere bei einem Unfall des Kraftwagens, die auf das Batteriemodul 10 einwirkende kinetische Energie absorbiert und so die Batteriezellen 12 innerhalb des Batteriemoduls 10 vor Beschädigungen bewahrt. Die Batteriezellen 12 sind in einem ersten Bereich 18 des Batteriemoduls 10 angeordnet und das Deformationselement 14 ist in einem zweiten Bereich 20 des Batteriemoduls 10 angeordnet, welcher wenigstens von einer Gehäuseaußenwand 22 des Gehäuses 16 berandet ist. Mit anderen Worten ist es also vorgesehen, dass das Deformationselement 14 nicht zwischen den einzelnen Batteriezellen 12 angeordnet ist, sondern vorzugsweise in einem äußeren Randbereich des Batteriemoduls 10 vorgesehen wird, wodurch ein besonders guter Schutz der einzelnen Batteriezellen 12 ermöglicht wird.
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Im vorliegend gezeigten Fall sind die Batteriezellen 12 zylinderförmig ausgebildet, wobei die Batteriezellen 12 auch beliebige weitere Formen aufweisen können. Das Deformationselement 14 ist vorliegend als Strangpressprofil ausgebildet, welches besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Das Deformationselement 14 kann beispielsweise als Hohlprofil aus Stahlblech ausgebildet sein, wobei das Deformationselement 14 auch beliebige weitere Formen aufweisen kann. Darüber hinaus kann das Deformationselement 14 auch aus anderen Materialien aufgebaut sein, welche dazu geeignet sind, von außen auf das Batteriemodul 10 einwirkende mechanische Energie durch eine plastische Verformung zu absorbieren.
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In 2 sind in einer schematischen Perspektivansicht die Batteriezellen 12 gezeigt, welche im Wesentlichen vollständig von einem Strukturschaum 24 eingebettet sind. Die Steifigkeit des Strukturschaums 24 ist dabei um ein vorgegebenes Maß größer, beispielsweise doppelt so groß, wie die des Deformationselements 14. Durch die Einbettung der einzelnen Batteriezellen 12 in den Strukturschaum 24 wird eine relativ steife Struktur geschaffen, welche die Batteriezellen 12 vor Beschädigungen schützt. In einem Crashfall wird somit zunächst das Deformationselement 14 verformt, bevor es zu einer Verformung bzw. Zerstörung des Strukturschaums 24 kommt. Des Weiteren können die einzelnen Batteriezellen 12 durch die Einbettung in den Strukturschaum 24 leicht voneinander beabstandet ausgerichtet werden, sodass diese sich nicht gegenseitig berühren. Einer mechanischen Krafteinwirkung durch die einzelnen Batteriezellen 12 aufeinander wird dadurch effektiv vorgebeugt, sodass Beschädigungen an den einzelnen Batteriezellen 12 durch Berührungen untereinander vermieden werden können.
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In 3 ist in einer schematischen Perspektivansicht das Batteriemodul 10 gezeigt, wobei in der vorliegenden Darstellung das im Wesentlichen geschlossen ausgebildete Gehäuse 16 zu erkennen ist. Das Gehäuse 16 des Batteriemoduls 10 ist als Hexaeder mit einer trapezförmigen Grundfläche 26 ausgebildet, wobei seitliche, hier nicht näher bezeichnete Gehäuseflächen des Batteriemoduls 10 im Wesentlichen senkrecht zu der Grundfläche 26 angeordnet sind. Das Batteriemodul 10 bzw. das Gehäuse 16 umfasst zwei Kühlmittelanschlüsse 28 und einen Lüftungsauslass 30, welche zur Temperierung der in dem Batteriemodul 10 angeordneten Batteriezellen 12 dienen. Ferner sind an dem Batteriemodul 10 elektrische Kontakte 32 vorgesehen, über welche das Batteriemodul 10 beispielsweise mit weiteren, hier nicht dargestellten Batteriemodulen verbunden werden kann.
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In 4 ist in einer teilweise geschnittenen Ansicht ein Batteriesystem 34 gezeigt, welches sechs Batteriemodule 10 umfasst. Im vorliegend gezeigten Fall sind alle Batteriemodule 10 des Batteriesystems 34 mit einer gleichen Gestalt und Größe ausgebildet. Das Batteriesystem 34 kann aber auch mehrere Varianten von Batteriemodulen 10 umfassen, welche sich in ihrer Gestalt und/oder Größe unterscheiden. Beispielsweise können sich die Grundflächen der einzelnen Batteriemodule 10 dadurch unterscheiden, dass diese neben Trapezformen auch andere, beispielsweise polygone Grundflächen aufweisen. Darüber hinaus kann das Batteriesystem 34 auch mehrere Varianten von Batteriemodulen 10 umfassen, welche sich bezüglich der Anzahl der in den einzelnen Batteriemodulen 10 vorgesehenen Batteriezellen 12, der Größe und/oder Position des Deformationselements 14 innerhalb der jeweiligen Batteriemodule 10 unterscheiden. Ferner umfasst das Batteriesystem 34 ein weiteres Batteriemodul 36, welches kein Deformationselement 14 aufweist. Das jeweilige Volumenverhältnis von Deformationselement 14 zu Batteriezellen 12 innerhalb der Batteriemodule 10 ist dabei in Abhängigkeit von einer jeweilig vorgesehenen Positionierung der Batteriemodule 10 in einem Kraftwagen festgelegt. Mit anderen Worten wird bei der Herstellung des Batteriesystems 34 ein jeweiliges Volumenverhältnis von Deformationselement 14 zu Batteriezellen 12 innerhalb der Batteriemodule 10 in Abhängigkeit von einer jeweilig vorgesehenen Positionierung der Batteriemodule 10 in einem Kraftwagen ausgebildet.
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Der volumenmäßige Anteil der Deformationselemente 14 an dem jeweiligen Batteriemodul 10 wird umso größer ausgebildet, in je gefährdeteren Bereichen die jeweiligen Batteriemodule 10 vorgesehen werden. In besonders sicheren Fahrzeugbereichen hingegen kann der Volumenanteil des Deformationselements 14 sehr gering gehalten werden oder es werden die weiteren Batteriemodule 36 vorgesehen, welche gar kein Deformationselement 14 aufweisen. Ferner kann durch die Vorsehung unterschiedlicher Größenvarianten der Batteriemodule 10 ein an gegebene Bauraumverhältnisse besonders gut angepasstes Batteriesystem 34 bereitgestellt werden.
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In 5 ist in einer schematischen Ansicht ein elektrisch angetriebener Kraftwagen 38 gezeigt. In einem nicht näher bezeichneten Mitteltunnelbereich des Kraftwagens 38 ist ein Batteriesystem 34 angeordnet. Des Weiteren ist in einem nicht näher bezeichneten Heckbereich des Kraftwagens 38 ein weiteres Batteriesystem 34 angeordnet. Die Batteriemodule 10, bei welchen die Deformationselemente 14 den größten Volumenanteil des Batteriemoduls 10 einnehmen, sind dabei in den hier nicht näher bezeichneten Bereichen des Kraftwagens 38 angeordnet, in welchen bei wenigstens einem vorgegebenen Zusammenstoß des Kraftwagens 38 mit einem vom Kraftwagen 38 verschiedenen Objekt die größten Kräfte einwirken. Im vorliegend gezeigten Fall können beispielsweise diejenigen Batteriemodule 10, welche am nächsten zum Heck 40 des Kraftwagens 38 angeordnet sind, besonders groß ausgebildete Deformationselemente 14 umfassen. Im Gegensatz dazu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass bei den Batteriemodulen 10, welche in dem Mitteltunnelbereich des Kraftwagens 38 angeordnet sind, nur besonders klein ausgebildete Deformationselemente 14 vorgesehen werden, da diese Batteriemodule 10 sich unterhalb eines Fahrgastraums des Kraftwagens 38 befinden, welcher in einem Crashfall üblicherweise relativ gut geschützt ist. Insgesamt werden die Batteriesysteme 34 so aufgebaut, dass die einzelnen Batteriemodule 10 jeweils bedarfsgerecht mit entsprechend ausgebildeten Deformationselementen 14 versehen werden, sodass die Batteriezellen 12 je nach Positionierung der Batteriemodule 10 innerhalb des Kraftwagens 38 hinreichend gut geschützt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010135273 [0004, 0008]
- DE 102009033076 A1 [0005]
