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Die Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl von Batterieelementen, die jeweils ein Gehäuse mit einer Decke und einem Boden aufweisen, wobei die Decken und/oder die Böden jeweils eine Geometrie mit einem Basisrand aufweisen, an welchen sich an gegenüberliegenden Enden in einem Winkel α kleiner 90° jeweils ein Seitenrand anschließt, und die Batterieelemente in einem Verbund abhängig von einer Kraftwirkung verbundverformend relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind.
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Derartige Batterievorrichtungen finden vor allem bei Kraftfahrzeugen mit einem elektrischen Antriebsmotor Anwendung. Zusätzlich zum Speichern von elektrischer Energie dient eine solche Batterievorrichtung dort im Falle einer äußeren Krafteinwirkung, wie sie bei einem Unfall erfolgt, der Absorption kinetischer Energie. Die Absorption der Energie erfolgt dann über das verbundverformende Verschieben der Batterieelemente relativ zueinander. Zusätzlich können speziell auf eine Deformation ausgelegte Bauelemente, die beispielsweise gezielt in eine bestimmte Richtung oder an einem bestimmten Ort des Bauelements deformierbar sind, sogenannte Deformationselemente, zur Absorption der Energie beitragen.
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In der
DE 10 2010 033 806 A1 ist eine gattungsgemäße Batterievorrichtung vorgeschlagen. Es handelt sich um einen Batteriepack mit einer Vielzahl an Batterieelementen zwischen denen Deformationselemente angeordnet sind. Die Batterieelemente liegen hierbei in Schichten vor und berühren sich in ihren Eckbereichen. In den entstehenden Zwischenräumen befinden sich die Deformationselemente. Bei einer äußeren Krafteinwirkung verschieben sich die Batterieelemente unter Verformung der Deformationselemente und diese Verformung absorbiert kinetische Energie.
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Die
FR 2 058 740 A5 beschreibt eine ringförmige Anordnung von Batterieelementen, deren Gehäuse über Schwalbenschwanzverbindungen fest miteinander verbunden sind.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Batterievorrichtung für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit einer Batterievorrichtung so zu schaffen, dass die Absorption der kinetischen Energie verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterievorrichtung und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Eine erfindungsgemäßen Batterievorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Batterieelementen, die jeweils ein Gehäuse mit einer Decke und einem Boden aufweisen. Die Decken und/oder die Böden weisen jeweils eine Geometrie mit einem Basisrand auf, an welchen sich an gegenüberliegenden Enden in einem Winkel kleiner 90° jeweils ein Seitenrand anschließt. In den Gehäusen befinden sich vorzugsweise einzelne, innerhalb eines Batterieelements zusammengeschaltete Batteriezellen. Die Batterieelemente sind in einem Verbund abhängig von einer Kraftwirkung verbundverformend relativ zueinander verschiebbar angeordnet, wobei die Batterieelemente einen Ring bilden. Hierbei sind alle den Ring bildenden Batterieelemente so angeordnet, dass die Basisränder ihrer Decken und/oder Böden einem Ringmittelpunkt abgewandt orientiert sind. Die Basisränder sind also nach außen weisend angeordnet und bilden vorzugsweise eine Ringbegrenzung. Insbesondere ist somit die Orientierung aller Batterieelemente, die einen Ring bilden, derart, dass sich die Decken und/oder Böden in ihrer Form zum Ringmittelpunkt hin verjüngen. Der besondere Vorteil dieser Batterievorrichtung liegt in der ringförmigen Anordnung und insbesondere der Orientierung der Batterieelemente zueinander, welche eine Absorption kinetischer Energie bei einer Krafteinwirkung - also das Energieabsorptionsvermögen der Vorrichtung - dahingehend verbessert, dass Krafteinwirkungen aus verschiedenen Richtungen in Ringebene gleich effizient absorbiert werden. Ferner erlaubt die Anordnung in einem Ring pro Raumeinheit eine größere Zahl von Batterieelementen unterzubringen als die bekannte Anordnung der Batterieelemente in Schichten.
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Es ist vorgesehen, dass die Gehäuse der Batterieelemente strukturierte oder beschichtete Außenflächen umfassen. Insbesondere kann die Außenfläche geriffelt oder gewellt sein und so erlauben, dass die Batterieelemente ineinander greifen. Auch können die Außenflächen mit einer Antigleitbeschichtung ausgestattet sein. Das hat den Vorteil, dass das Verhalten und das Energieabsorptionsvermögen der Batterievorrichtung im Falle einer Krafteinwirkung beeinflusst werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass einander zugewandte Seitenränder zweier aneinander anliegender Batterieelemente eines Rings in einem krafteinwirkungslosen Grundzustand des Verbunds zumindest über 75% ihrer Länge, insbesondere über 80% ihrer Länge, insbesondere über 95% ihrer Länge, aneinander liegen. Das hat den Vorteil, dass die Batterieelemente besonders einfach zu der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung zu montieren sind und besonders kompakt angeordnet sind. Zudem lässt sich das Energieabsorptionsvermögen der Batterievorrichtung bei einer großen gemeinsamen Fläche über eine Veränderung der Oberflächenstruktur der aneinander grenzenden Flächen gut erhöhen. Es bietet sich hier beispielsweise eine aufgeraute, verklebte oder speziell beschichtete Oberfläche an. Ferner ist der Verbund im Grundzustand stabil gehalten, so dass ein unerwünschtes Verrutschen der Batterieelemente verhindert ist. Dennoch ist bei einer Krafteinwirkung ein bezüglich der Richtungen der Verbundverformung hochflexibler Aufbau erreicht.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Decken der den Ring bildenden Batterieelemente in Form und/oder Fläche gleich ausgebildet sind. Beispielsweise ist die Form der Batterieelemente die eines Zylinders mit den Decken und Böden als Grundfläche. Das hat den Vorteil, dass sich aus derartigen Batterieelementen besonders gleichmäßig aufgebaute Batterievorrichtungen zusammenstellen lassen, deren Energieabsorptionsvermögen vorteilhaft ist.
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Bevorzugt ist es, dass die Decken der den Ring bildenden Batterieelemente eine trapezförmige Geometrie aufweisen und dem Basisrand gegenüberliegend ein im Vergleich zum Basisrand kürzerer Abschlussrand ausgebildet ist. Während die Basisränder also nach außen weisen und insbesondere eine Ringbegrenzung bilden, weisen die kürzeren Abschlussränder nach innen, in Richtung eines Ringinneren, aufeinander zu. Die trapezförmige Grundfläche der Batterieelemente hat den Vorteil, dass sich einfach regelmäßige Ringe bilden lassen. Ferner können die Batterieelemente selbst so effektiv mit den üblichen zylinderförmigen Batteriezellen gefüllt werden, da so eine dichteste Zylinderpackung der Batteriezellen in den Batterieelementen umgesetzt werden kann.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Seitenränder zwischen dem Basisrand und dem Abschlussrand in sich geradlinig verlaufend ausgebildet sind. Das hat den Vorteil, dass leicht ebene Mantelflächen an den Seiten der Batterieelemente ausgebildet werden können und erleichtert das Verschieben der Batterieelemente bei äußerer Krafteinwirkung, also bei einem Unfall. Auch ist die Herstellung und die Montage der Batterieelemente dadurch vereinfacht.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der Ring bei einer Betrachtung in Richtung einer Längsachse des Rings im Wesentlichen aus vier in Umlaufrichtung um die Längsachse aneinander angrenzenden oder anliegenden Batterieelementen aufgebaut ist. Mit „im Wesentlichen“ wird hier darauf hingewiesen, dass weitere Elemente, zum Beispiel Abstandselemente, die möglicherweise ein Scheuern der Batterieelemente aneinander verhindern, Teil des Rings sein können. Ein Entfernen solcher weiteren Elemente kann dann gegebenenfalls den Ring in ein Ringfragment überführen. Ein aus vier Batterieelementen bestehender Ring hat den Vorteil, dass sich eine viereckige Geometrie ergibt, die insbesondere in rechtwinkligen Fahrzeugbereichen eine flächen- und raumfüllende Anordnung ermöglicht.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Ring bei einer Betrachtung in Richtung der Längsachse des Rings im Wesentlichen aus sechs in Umlaufrichtung um die Längsachse aneinander angrenzenden oder anliegenden Batterieelementen aufgebaut ist. „Im Wesentlichen“ ist hier wie im vorhergehenden Absatz zu verstehen. Ein aus sechs Batterieelementen bestehender Ring hat den Vorteil, dass sich eine wabenförmige Geometrie ergibt, die bei großer Stabilität eine flächen- und raumfüllende Anordnung ermöglicht.
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Es ist weiter von Vorteil, wenn die Länge einer Verbindungsgeraden zwischen zwei gegenüberliegenden Batterieelementen durch den Ringmittelpunkt des Rings die Länge eines Seitenrands eines Batterieelements unterschreitet. Alternativ kann die Verbindungsgerade länger sein als ein Seitenrand.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Decken der den Ring bildenden Batterieelemente in einer gemeinsamen Deckenebene und/oder die Böden der den Ring bildenden Batterieelemente in einer gemeinsamen Bodenebene angeordnet sind, bzw. sich vollständig darin erstrecken. Auf eine andere Ebene gestellt, liegt der Ring also flächig auf. Das hat den Vorteil, dass die Ringe stapelbar sind und auch in Richtung der Längsachse des Ringes der Raum effizient genutzt wird. Insbesondere lassen sich so leicht mehrere Ebenen von Ringen anordnen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Decken und/oder die Böden der den Ring bildenden Batterieelemente in Umlaufrichtung um die Längsachse des Rings betrachtet in zumindest zwei verschiedenen Decken- bzw. Bodenebenen angeordnet sind. Insbesondere können die Decken und/oder Böden in Umlaufrichtung um die Längsachse des Rings alternierend in den verschiedenen Ebenen angeordnet sein. Das hat den Vorteil, dass über ein Ineinandergreifen verschiedener Ringe oder der Ringe in andere Elemente im Kraftfahrzeug die Stabilität und das Energieabsorptionsvermögen der Batterievorrichtung zunimmt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in einem Ringinneren zumindest ein Deformationselement angeordnet ist, welches dazu ausgelegt ist, kinetische Energie in eine Verformung umzuwandeln. Insbesondere kann das Deformationselement ein Rohr sein welches zum Beispiel parallel zu der Längsachse des Rings orientiert ist. Das hat den Vorteil, das insbesondere ein bereits vorhandener Hohlraum genutzt wird um zusätzlich zum verbundverformenden Verschieben der Batterieelemente kinetische Energie zu absorbieren.
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Die Erfindung beinhaltet auch ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung oder einer vorteilhaften Ausführung davon.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle 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 aber in Alleinstellung verwendbar. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Batterieelements eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung;
- 2 eine schematische Draufsicht auf das Batterieelement gemäß 1;
- 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung;
- 4 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung;
- 5 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung mit mehreren Batterievorrichtungen gemäß 3; und
- 6 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Batterievorrichtung.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Batterieelement 1 schematisch dargestellt. Das Batterieelement 1 umfasst eine Decke 3, einen Boden 4 und eine Mantelwand 12 eines Gehäuses 2, von dem Batteriezellen 13 (2) im Inneren des Batterieelements 1 umgeben sind. Die Decke 3 weist einen Basisrand 5 und daran über eine Rundung anschließend an gegenüberliegenden Enden zwei Seitenränder 6 und zu dem Basisrand 5 parallel verlaufend und über weitere Rundungen in die Seitenränder 6 mündend einen Abschlussrand 7 auf. Im Ausführungsbeispiel ist der Boden 4 in Größe und Form analog zur Decke 3 ausgebildet. Die Decke 3 und der Boden 4 bilden daher jeweils eine Trapezform.
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In 2 ist schematisch ein Batterieelement 1 von oben dargestellt, die Decke 3 liegt also in der Zeichnungsebene. Gut zu sehen ist hier die trapezförmige Grundfläche. Die Seitenränder 6 bilden mit dem Basisrand 5 einen Winkel a, welcher kleiner als 90° ist. Vorzugsweise beträgt der Winkel α zwischen 30° und 75°, besonders vorteilhaft sind Winkel α zwischen 40° und 65°. Die Länge I1 über alles, also der Wert der maximalen Ausdehnung des Batterieelements parallel zum Basisrand 5, liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 150mm und 180mm. Die Breite b1 über alles, also der Wert der maximalen Ausdehnung senkrecht zum Basisrand 5, liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 70mm und 85mm. Die in der Draufsicht nicht sichtbare Höhe h1 (1) des Batterieelements 1 liegt beispielsweise in einem Bereich von 80mm bis 95mm. In 2 sind auch die Grundflächen der Batterieelemente 13 in einer möglichen Anordnung innerhalb des Batterieelements 1 eingezeichnet. Vorzugsweise ist die Länge I1 über alles ein Vielfaches des Durchmessers der verwendeten Batteriezellen 13 und die Höhe h1 (1) ein Vielfaches der Höhe der verwendeten Batteriezellen 13. Dies hat den Vorteil, dass die Batteriezellen 13, welche üblicherweise die Form eines Zylinder haben, das Gehäuse effizient füllen. Als Folge der Abmessungen der verwendeten Batteriezellen 13 können die Länge 11, die Breite b1 und die Höhe h1 auch über oder unter dem oben definierten Bereich liegen. Das ist insbesondere der Fall, wenn die trapezförmige Grundfläche der Batterieelemente 13, beispielsweise über ein Verlängern von Seitenrändern 6, in eine dreiecksförmige Grundfläche überführt wird.
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In 3 ist eine Batterievorrichtung I mit einem Ring 8 als Verbund von Batterieelementen 1 in einer Draufsicht dargestellt (Längsachse A des Rings 8 ist senkrecht zur Zeichnungsebene). Es ist der krafteinwirkungslose und somit unverformte Grundzustand dargestellt. Die Basisränder 5 aller den Ring 8 bildenden Batterieelemente 1 sind einem Ringmittelpunkt 9 ab-, die Abschlussränder 7 diesem zugewandt. Die - beispielsweise geradlinigen - Seitenränder 6 aneinander angrenzender Batterieelemente 1 liegen in 3 über zumindest 95% ihrer Länge aneinander an. Insbesondere bei unterschiedlich breiten Batterieelementen 1 können sie aber auch zu einem geringeren Prozentsatz aneinander anliegen.
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In einem Ringinneren 10 ist zumindest ein Deformationselement 11, welches als Rohr ausgebildet sein kann, angeordnet. Das Deformationselement 11 erstreckt sich mit seiner Längsachse parallel zur Längsachse A oder ist vorzugsweise koaxial dazu. Bei einer Krafteinwirkung von Außen, auch auf nur eines der Batterieelemente 1, verschieben sich im vorliegenden Fall zumindest einige der Batterieelemente 1 relativ zueinander und absorbieren so verbundverformend kinetische Energie. Zudem wird hierbei gegebenenfalls das Deformationselement 11 verformt, welches dabei zusätzlich kinetische Energie aufnimmt. Beispielsweise liefert der Verbund auch aufgrund vorliegender Symmetrieachsen - wie beispielsweise in den hier sechs Richtungen senkrecht zu den Basisrändern 5 - dabei ein in die entsprechenden Richtungen jeweils identisches Absorptions- und Verformungsverhalten des Ringes 8. Deutlich wird in 3 auch der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Batterieelemente 1 und der des Verbunds. So bietet es sich, wenn beispielsweise ein sechseckiger Ring 8 erwünscht ist, an, Batterieelemente 1 mit einem Winkel α von 60° zu wählen. Wie in 3 zu erkennen ist, liegen alle Abschlussränder an einer Außenseite 11a des Deformationselements 11 an.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Batterievorrichtung I in Draufsicht gezeigt. Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Ring 8 handelt es sich jedoch um einen aus vier Batterieelementen 1 gebildeten Verbund. Die 4 verdeutlicht insbesondere, wie eine Veränderung der Geometrie der Batteriezellen 1, beispielsweise ein von 60° auf 45°geänderter Winkel α, zu einer Veränderung des Ringes 8, beispielsweise von einem sechs- zu einem viereckigen Verbund, führt. So kann die Batterievorrichtung I an unterschiedliche Gegebenheiten, zum Beispiel eine Fahrzeuggeometrie oder die Geometrie benachbarter Batterievorrichtungen, angepasst werden.
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In 5 ist schematisch eine flächige Anordnung 14 mit einer Mehrzahl von Batterievorrichtungen I gemäß 3 in perspektivischer Darstellung gezeigt. Deutlich wird hier die Vorteilhaftigkeit gleichförmiger, beispielsweise sechs- oder viereckiger, Ringe 8. So wird eine besonders effiziente Nutzung des vorhandenen Bauraumes ermöglicht. Gleichzeitig wird anhand 5 deutlich, was beispielsweise eine Veränderung der Breite der Batterieelemente 1 bewirkt, nämlich eine Zunahme des von Batterieelementen 1 eingenommenen Raumanteils, in Konsequenz also des elektrischen Speichervermögens der flächigen Anordnung, ohne eine Veränderung der Außenabmessungen der flächigen Anordnung. Dabei wird ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, nämlich Krafteinwirkungen aus verschiedenen Richtungen gleich gut absorbieren zu können, beibehalten.
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In 6 ist beispielhaft eine Seitenansicht einer Ausführungsform gezeigt, bei der die den Ring 8 bildende Batterieelemente 1 nicht alle mit ihren Decken 3 und/oder Böden 4 in einer gemeinsamen Decken- bzw. Bodenebene angeordnet sind. Im vorliegenden Fall sind drei erste Batterieelemente 1 auf einer gemeinsamen Decken- bzw. Bodenebene angeordnet. Zwischen je zweien der drei ersten Batterieelementen 1 sind an die Seitenränder 6 der drei ersten Batterieelemente 1 angrenzend drei zweite Batterieelemente 1 angeordnet. Diese zweiten Batterieelemente 1 sind wiederum auf einer gemeinsamen Decken- bzw. Bodenebene angeordnet, welche im Vergleich zu der gemeinsamen Decken- bzw. Bodenebene der drei ersten Batterieelemente 1 verschoben ist. Insgesamt sind die Batterieelemente 1 also auf zwei verschiedenen Decken- bzw. Bodenebenen angeordnet, die in Umlaufrichtung der Längsachse A des Rings 8 alternierend zueinander versetzt sind. Im gezeigten Beispiel wird unter bzw. über die jeweils im Vergleich zu den ersten drei Batterieelementen 1 versetzten zweiten Batterieelemente 1 je ein zusätzliches Batterieelement 1 angeordnet, sodass der Ring 8 hier neun Batterieelemente 1 umfasst. Zusätzlich können hier die Breiten b1 (2) der ersten drei Batterieelemente 1 von denen der restlichen Batterieelemente 1 abweichen. Die Unterschiede in den Breiten b1 und den gemeinsamen Decken- bzw. Bodenebenen der Batterieelemente 1 können zum Beispiel bei einer flächigen Anordnung 14 (5) vorteilhaft sein. Es kann sich auch anbieten, eine andere als die in 6 gezeigte, alternierend wechselnde Anordnung der Decken- bzw. Bodenebenen umzusetzen.
