DE102012218473A1 - Energiespeicheranordnung und Montagevorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung (1) zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Gehäuse (2) mit einer ersten Ebene (4) und einer über der ersten Ebene (4) liegenden zweiten Ebene (5), zumindest ein erstes Energiespeichermodul (6) in der ersten Ebene (4), zumindest ein zweites Energiespeichermodul (7) in der zweiten Ebene (5), und einen am Gehäuse (2) befestigten, das zweite Energiespeichermodul (7) tragenden Zwischenboden (8), wobei jedes Energiespeichermodul (6, 7) zwei Endplatten (9) und mehrere, zwischen den Endplatten (9) verspannte Speicherzellen (10) umfasst.

Description

  • Vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eine Montagevorrichtung für die Energiespeicheranordnung.
  • Die Energiespeicheranordnung dient zum Zusammenfassen mehrerer Energiespeichermodule in einem gemeinsamen Gehäuse. Die Energiespeicheranordnung kann auch als Batterie bezeichnet werden. Die Anordnung wird zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs verwendet und umfasst dazu eine Mehrzahl an Energiespeichermodulen. Insbesondere wird die Energiespeicheranordnung zum Antrieb des Fahrzeugs, beispielsweise von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, verwendet. Ein jeweiliges Energiespeichermodul besteht typischerweise aus mehreren gestapelten prismatischen Speicherzellen. Der Stapel aus den einzelnen Speicherzellen wird zumeist über eine mechanische Endplatte und Zuganker zu dem Energiespeichermodul verspannt. Die Endplatten und Zuganker dienen neben der mechanischen Fixierung der Module zueinander insbesondere dazu, eine Verformung durch Gasdruckänderungen, welche beim Betrieb in den im Inneren der Module angeordneten elektrochemischen Zellen auftreten, entgegenzuwirken.
  • Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Energiespeicheranordnung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, anzugeben, die bei kostengünstiger Herstellung und Montage eine flexible und modulare Anordnung mehrerer Energiespeichermodule in einem Gehäuse ermöglicht. Des Weiteren soll die Energiespeicheranordnung sowohl betriebs- als auch crashsicher sein. Darüber hinaus umfasst die Aufgabe der Erfindung die Bereitstellung einer Montagevorrichtung zum Montieren der Energiespeicheranordnung.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
  • Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Energiespeicheranordnung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Gehäuse mit zumindest zwei übereinander angeordneten Ebenen. In beiden Ebenen werden Energiespeichermodule angeordnet. Die Energiespeichermodule in der ersten Ebene werden als „erste Energiespeichermodule” bezeichnet. Die Module in der zweiten Ebene werden als „zweite Energiespeichermodule” bezeichnet. Jedes Energiespeichermodul weist zwei Endplatten und mehrere, zwischen den Endplatten verspannte Speicherzellen auf. Insbesondere werden die Speicherzellen über Zuganker miteinander verbunden. Erfindungsgemäß werden die zweiten Energiespeichermodule, welche sich in der zweiten Ebene des Gehäuses befinden, über einen Zwischenboden getragen. Der zumindest eine Zwischenboden ist ein separates Bauteil, das in das Gehäuse eingesetzt wird. Der Zwischenboden trennt nicht nur die Energiespeichermodule der verschiedenen Ebenen, sondern dient als primäres, tragendes Element für die zweiten Energiespeichermodule. Die Verwendung des Zwischenbodens ermöglicht somit einen sehr einfachen Montagevorgang, da die Energiespeichermodule der Reihe nach von oben in das Gehäuse eingesetzt werden können. Des Weiteren versteift der Zwischenboden das Gehäuse und bietet eine sehr steife Auflage für die zweiten Energiespeichermodule, sodass sowohl Betriebssicherheit als auch Crashsicherheit gegeben ist. Selbstverständlich können erfindungsgemäß auch mehr als zwei Ebenen übereinander in dem Gehäuse vorgesehen sein. Dabei ist jeweils zwischen zwei Ebenen zumindest ein Zwischenboden eingesetzt.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass das zumindest eine zweite Energiespeichermodul lediglich über den Zwischenboden mit dem Gehäuse verbunden ist. Der Zwischenboden ist somit das einzige, das zweite Energiespeichermodul tragende Bauteil.
  • Der Zwischenboden liegt bevorzugt auf Nischen, Fortsätzen oder Auflagen des Gehäuses auf. Besonders bevorzugt wird der Zwischenboden mit dem Gehäuse verschraubt. Insbesondere ist pro zweitem Energiespeichermodul ein separater Zwischenboden vorgesehen. Jeder Zwischenboden wird dabei bevorzugt an vier Verschraubungspunkten mit dem Gehäuse verbunden.
  • Die Endplatten der zweiten Energiespeichermodule liegen bevorzugt auf dem Zwischenboden auf. Insbesondere erfolgt eine direkte Verschraubung der Endplatten mit den Zwischenböden. Wenn mehrere zweite Energiespeichermodule in der zweiten Ebene angeordnet werden und pro zweitem Energiespeichermodul ein Zwischenboden vorgesehen ist, liegen auf jedem Zwischenboden genau zwei Endplatten an den gegenüberliegenden Enden auf.
  • Zwischen dem Zwischenboden und dem zumindest einem zweiten Energiespeichermodul wird vorzugsweise eine Kühlvorrichtung angeordnet. Diese Kühlvorrichtung umfasst insbesondere ein Kühlrippenelement. Die Kühlvorrichtung muss möglichst dicht und flächig an der Unterseite des zweiten Energiespeichermoduls anliegen, um die Wärme effektiv abzuführen.
  • Wenn in der zweiten Ebene mehrere zweite Energiespeichermodule angeordnet sind, ist bevorzugt vorgesehen, dass pro zweitem Energiespeichermodul ein Zwischenboden verwendet wird. Die Kühlvorrichtung allerdings erstreckt sich vorteilhafterweise über mehrere zweite Energiespeichermodule. Insbesondere ist nur eine gemeinsame Kühlvorrichtung, insbesondere mit einem gemeinsamen Kühlrippenelement, für alle zweiten Energiespeichermodule vorgesehen.
  • Die Zwischenböden pressen bevorzugt die Kühlvorrichtung an die Unterseite der zweiten Energiespeichermodule. Durch eine entsprechend hohe Anpresskraft der Kühlvorrichtung an die Unterseite der zweiten Energiespeichermodule erhöht sich die Kühlleistung.
  • Der Zwischenboden wird bevorzugt aus Kunststoff, Aluminiumdruckguss oder Magnesiumguss, als Stanz-Biegeteil oder als Strangguss-/Strangpressprofil gefertigt.
  • Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung ermöglicht eine Reduzierung der Belastung des untersten Gehäusebodens, da über die Zwischenböden die Kraft in die Wände des Gehäuses eingeleitet wird. Des Weiteren wirken die Zwischenböden wie Brücken zwischen den Gehäusewandungen und versteifen somit das gesamte Gehäuse.
  • Der modulare Aufbau durch Verwendung mehrerer Energiespeichermodule und einen separaten Zwischenboden pro zweitem Energiespeichermodul ermöglicht einen Baukasten zur Gestaltung unterschiedlichster Energiespeicheranordnungen.
  • Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Montagevorrichtung zum Einsetzen der Zwischenböden in das Gehäuse der Energiespeicheranordnung. Zur Kosteneinsparung wird das Gehäuse der Energiespeicheranordnung möglichst als Rohgussteil, ohne weitere Bearbeitung, verwendet. Dies hat allerdings zur Folge, dass die Toleranzen zur Positionierung der Energiespeichermodule und der Zwischenböden im Gehäuse relativ groß sind. Insbesondere dann, wenn mehrere zweite Energiespeichermodule und somit auch mehrere Zwischenböden angeordnet werden, ist es besonders wichtig, dass die Zwischenböden äußerst parallel zueinander liegen. Nur so kann gewährleistet werden, dass die gemeinsame Kühlvorrichtung gleichmäßig und flächig an die Unterseite der zweiten Energiespeichermodule angedrückt wird. Aus diesen Gründen ist folgende Montagevorrichtung vorgesehen: Die Montagevorrichtung umfasst zumindest zwei Halter. An jedem Halter sind Aufnahmen ausgebildet. Die Aufnahmen dienen zum Befestigen eines Zwischenbodens. Pro Halter wird ein Zwischenboden befestigt. Die beiden Halter sind miteinander derart verbunden, dass sie lediglich in einer ersten Richtung verschiebbar zueinander sind. Die Aufnahmen an den jeweiligen Haltern sind so ausgebildet, dass sie bezüglich des Halters lediglich in einer zweiten Richtung verschiebbar sind. Die erste Richtung steht dabei senkrecht zur zweiten Richtung.
  • Um eine Energiespeicheranordnung mit drei Zwischenböden auszugestalten, ist bevorzugt ein dritter Halter vorgesehen. Die drei Halter sind dabei in einer Ebene miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen den Haltern lässt jeweils nur eine Verschiebung in der ersten Richtung zu. Am dritten Halter sind wiederum Aufnahmen vorgesehen, um einen Zwischenboden am dritten Halter zu befestigen. Auch die Aufnahmen am dritten Halter lassen lediglich eine Verschiebung des Zwischenbodens bzw. der Aufnahmen bezüglich des dritten Halters in der zweiten Richtung zu.
  • Mit der erfindungsgemäßen Montagevorrichtung werden die Zwischenböden exakt parallel zueinander ausgerichtet und können relativ unabhängig von der Fertigungsgenauigkeit des Gehäuses im Gehäuse parallel zueinander positioniert werden. Zur Verbindung der Zwischenböden mit den Aufnahmen an den Haltern wird insbesondere eine Bohrung im Zwischenboden genutzt, die im späteren Montageprozess zur Verbindung mit den Endplatten oder mit der Kühlvorrichtung genutzt wird.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 2 ein Energiespeichermodul der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel,
  • 3 ein erstes Detail der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel,
  • 4 ein zweites Detail der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel,
  • 5 einen Zwischenboden der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
  • 6 eine erfindungsgemäße Montagevorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • Im Folgenden wird anhand der 1 bis 5 ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeicheranordnung 1 beschrieben.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch die Energiespeicheranordnung 1. Die Energiespeicheranordnung 1 umfasst ein Gehäuse 2. Dieses Gehäuse 2 wird beispielsweise in einem Kraftfahrzeug montiert. Das Gehäuse 2 ist über einen Deckel 3 verschlossen.
  • Des Weiteren ist das Gehäuse 2 in eine erste Ebene 4 und eine über der ersten Ebene 4 angeordnete zweite Ebene 5 unterteilt. In der ersten Ebene 4 befinden sich mehrere erste Energiespeichermodule 6. In der zweiten Ebene 5 befinden sich mehrere zweite Energiespeichermodule 7. Zwischen den beiden Ebenen 4, 5 ist pro zweitem Energiespeichermodul 7 ein Zwischenboden 8 eingezogen. Der Zwischenboden 8 liegt auf dem Gehäuse 2 auf und ist mit dem Gehäuse 2 verbunden. Jeder Zwischenboden 8 trägt ein zweites Energiespeichermodul 7.
  • 2 zeigt den Aufbau der Energiespeichermodule 6, 7. In der Energiespeicheranordnung 1 sind die ersten und zweiten Energiespeichermodule 6, 7 gleich aufgebaut.
  • Das Energiespeichermodul 6, 7 umfasst zwei parallele Endplatten 9. Zwischen den Endplatten 9 sind mehrere prismatische Speicherzellen 10 hintereinander angeordnet. Über drei Zuganker 11 sind die beiden Endplatten 9 miteinander verspannt, sodass ein sich in den Speicherzellen 10 aufbauender Innendruck durch die Endplatten 9 gehalten wird. Die Darstellung in 2 zeigt zwei parallele Reihen 13, 14 von jeweils sechs Speicherzellen 10. Genauso gut ist es möglich, auch nur eine Reihe von Speicherzellen 10 zwischen den Endplatten 9 anzuordnen. Dementsprechend würde dann der mittlere Zuganker 11 entfallen.
  • Des Weiteren zeigt 2 in jeder Endplatte 9 zwei Durchgangslöcher 12. Diese Durchgangslöcher 12 werden zum Verschrauben der Endplatten 9 mit dem Gehäuse 2 bzw. dem Zwischenboden 8 verwendet.
  • 3 zeigt die Energiespeicheranordnung 1, wobei das Gehäuse 2 ausgeblendet ist. Dadurch ist zu sehen, dass in jeder Ebene 4, 5 jeweils drei Energiespeichermodule 6, 7 angeordnet sind. Unter jedem zweiten Energiespeichermodul 7 ist ein eigener Zwischenboden 8 vorgesehen. Dieser Zwischenboden 8 trägt das jeweilige zweite Energiespeichermodul 7.
  • 4 zeigt die Energiespeicheranordnung 1, wobei die Energiespeichermodule 6, 7 und der Deckel 3 ausgeblendet sind. Dadurch ist in 4 lediglich das Gehäuse 2 mit den drei Zwischenböden 8 zu sehen. Im Gehäuse 2 sind mehrere Auflagen 15 ausgebildet. Auf diesen Auflagen 15 liegen die Zwischenböden 8 auf und sind mit dem Gehäuse 2 verschraubt.
  • 5 zeigt im Detail einen der Zwischenböden 8. Jeder Zwischenboden 8 umfasst einen umlaufenden Rahmen 16. Der Rahmen 16 wiederum setzt sich zusammen aus zwei parallelen Längsstreben 18 und zwei parallelen Querstreben 19. Die Längsstreben 18 stehen senkrecht zu den Querstreben 19. Zur Versteifung des Zwischenbodens 8 sind parallel zu den Längsstreben 18 drei weitere Streben 17 eingezogen.
  • Entlang der Querstreben 19 sind beidseitig erste Verschraubungspunkte 21 zur Verschraubung des Zwischenbodens 8 mit dem Gehäuse 2 vorgesehen. Zwischen den ersten Verschraubungspunkten 21 sind zweite Verschraubungspunkte 22 und dritte Verschraubungspunkte 23 vorgesehen. Die zweiten Verschraubungspunkte 22 dienen zur Verschraubung der Endplatten 9 der zweiten Energiespeichermodule 7 mit den Zwischenböden 8. Zwischen den zweiten Verschraubungspunkten 22 ist beidseitig je einer der dritten Verschraubungspunkte 23 vorgesehen. Die dritten Verschraubungspunkte 23 dienen zur Positionierung über einen PIN einer nicht dargestellten Kühlvorrichtung an den Zwischenböden 8.
  • Des Weiteren werden die dritten Verschraubungspunkte 23 zur Befestigung der Zwischenböden 8 an einer Montagevorrichtung 20 (siehe 6) genutzt.
  • 6 zeigt die Montagevorrichtung 20 zum Montieren von drei Zwischenböden 8 in das Gehäuse 2.
  • Die Montagevorrichtung 20 umfasst einen ersten Halter 24 in der Mitte und seitlich angeordnet einen zweiten Halter 25 und einen dritten Halter 26. Der zweite und dritte Halter 25, 26 sind jeweils über ein Schienensystem mit dem ersten Halter 24 verbunden. Dadurch sind die beiden außen liegenden Halter 25, 26 relativ zum ersten Halter 24 entlang einer ersten Richtung 28 verfahrbar.
  • An jedem Halter 24–26 sind jeweils zwei Aufnahmen 27 vorgesehen. Die Aufnahmen 27 sind über ein weiteres Schienensystem mit dem jeweiligen Halter 24–26 verbunden. Dadurch sind die Aufnahmen 27 bezüglich des jeweiligen Halters 24–26 entlang einer zweiten Richtung 29 verschiebbar. Die zweite Richtung 29 steht senkrecht zur ersten Richtung 28.
  • An jedem Halter 24–26 wird über die Aufnahmen 27 ein Zwischenboden 8 befestigt. Dabei erfolgt eine Befestigung der Zwischenböden 8 über die dritten Verschraubungspunkte 23 mit den Aufnahmen 27.
  • Die gezeigte Montagevorrichtung 20 hält während des Montagevorgangs die drei Zwischenböden 8 exakt parallel zueinander. Gleichzeitig ermöglicht die Montagevorrichtung 20 ein Verschieben der Zwischenböden 8 zueinander in einer Ebene, sodass auf etwaige Fertigungstoleranzen in dem Gehäuse 2 reagiert werden kann.
  • Die Montagevorrichtung 20 ermöglicht eine für die Kühlvorrichtung notwendige parallele Ausrichtung der Zwischenböden 8 zueinander bei gleichzeitig möglichst groben Toleranzen des Gehäuses 2. Die Montagevorrichtung 20 ermöglicht eine parallele Verschiebbarkeit der Zwischenböden 8 in den zwei Richtungen 28, 29. Dadurch kann das Gehäuse 2 relativ grob bleiben und die Bohrungen im Zwischenboden 8 können klein gehalten werden, sodass die zulässige Flächenpressung nicht überschritten wird. Gleichzeitig wird durch die genaue Positionierung des Zwischenbodens 8 eine ausreichend große Auflage der Kühlvorrichtung auf dem Zwischenboden 8 gewährleistet.
  • Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sich der Zwischenboden 8, der das zweite Energiespeichermodul 7 trägt, beispielsweise über Auflagen 15 an den Wänden, genauer gesagt Seitenwänden des Gehäuses 2 abstützt. D. h. der Zwischenboden 8 stützt sich nicht über entsprechend ausgebildete Tragelemente direkt auf dem untersten Gehäuseboden, der das erste Energiespeichermodul 6 trägt, ab. Folglich werden die von dem Zwischenboden 8 ausgehenden Kräfte nicht in den untersten Gehäuseboden, sondern in die Seitenwände des Gehäuses 2 eingeleitet, wodurch die auf den untersten Gehäuseboden einwirkende Belastung reduziert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Energiespeicheranordnung
    2
    Gehäuse
    3
    Deckel
    4
    Erste Ebene
    5
    Zweite Ebene
    6
    Erstes Energiespeichermodul
    7
    Zweites Energiespeichermodul
    8
    Zwischenboden
    9
    Endplatten
    10
    Speicherzellen
    11
    Zuganker
    12
    Durchgangslöcher
    13, 14
    Reihen
    15
    Auflagen
    16
    Rahmen
    17
    Streben
    18
    Längsstreben
    19
    Querstreben
    20
    Montagevorrichtung
    21–23
    Verschraubungspunkte
    24
    Erster Halter
    25
    Zweiter Halter
    26
    Dritter Halter
    27
    Aufnahmen
    28
    Erste Richtung
    29
    Zweite Richtung

Claims (11)

  1. Energiespeicheranordnung (1) zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend – ein Gehäuse (2) mit einer ersten Ebene (4) und einer über der ersten Ebene (4) liegenden zweiten Ebene (5), – zumindest ein erstes Energiespeichermodul (6) in der ersten Ebene (4), – zumindest ein zweites Energiespeichermodul (7) in der zweiten Ebene (5), und – einen am Gehäuse (2) befestigten, das zweite Energiespeichermodul (7) tragenden Zwischenboden (8), – wobei jedes Energiespeichermodul (6, 7) zwei Endplatten (9) und mehrere, zwischen den Endplatten (9) verspannte Speicherzellen (10) umfasst.
  2. Energiespeicheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Energiespeichermodul (7) lediglich über den Zwischenboden (8) mit dem Gehäuse (2) verbunden ist.
  3. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenboden (8) mit dem Gehäuse (2) verschraubt ist.
  4. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenboden (8) einen umlaufenden Rahmen (16) umfasst.
  5. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (9) des zweiten Energiespeichermoduls (7) auf dem Zwischenboden (8) aufliegen, und vorzugsweise mit dem Zwischenboden (8) verschraubt sind.
  6. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei erste Energiespeichermodule (6) in der ersten Ebene (4) und zumindest zwei zweite Energiespeichermodule (7) in der zweiten Ebene (5) angeordnet sind, wobei pro zweitem Energiespeichermodul (7) ein eigener Zwischenboden (8) angeordnet ist.
  7. Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung zwischen dem Zwischenboden und dem zweiten Energiespeichermodul.
  8. Energiespeicheranordnung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kühlvorrichtung, vorzugsweise ein Kühlrippenelement, über mehrere Zwischenböden (8) und mehrere zweite Energiespeichermodule (7) erstreckt.
  9. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenboden (8) die Kühlvorrichtung an die Unterseite des zweiten Energiespeichermoduls (7) presst.
  10. Montagevorrichtung (20) zum Einsetzen von Zwischenböden (8) in ein Gehäuse (2) einer Energiespeicheranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend – einen ersten Halter (24) mit zumindest einer zum Befestigen eines ersten Zwischenbodens (8) ausgebildeten Aufnahme (27), und – einen mit dem ersten Halter (24) verbundene zweiten Halter (25) mit zumindest einer zum Befestigen eines zweiten Zwischenbodens (8) ausgebildeten Aufnahme (27), – wobei der zweite Halter (25) relativ zum ersten Halter (24) in einer ersten Richtung (28) verschiebbar ist, und – wobei die Aufnahmen (27) relativ zu den Haltern (24–26) in einer zur ersten Richtung (28) senkrechten zweiten Richtung (29) verschiebbar sind.
  11. Montagevorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch – einen mit dem ersten Halter (24) verbundene dritten Halter (26) mit zumindest einer zum Befestigen eines dritten Zwischenbodens (8) ausgebildeten Aufnahme (27), – wobei der dritte Halter (26) relativ zum ersten Halter (24) in der ersten Richtung (28) verschiebbar ist.
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