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Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine Hochvolt-Batterie. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug.
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Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, können sich während ihrer Betriebszeit durch Lade- und Entlade-Zyklen ausdehnen oder aufbauchen. Durch das Ausdehnen entstehen zwischen den Zellen, welche in einem Batteriegehäuse angeordnet sind, gewisse Kräfte aufeinander und nach außen. Diese Kräfte können in einem Bereich von 1 Kilonewton und bis zum Ende einer Betriebsdauer – Lebensdauer einer Batterie – bis auf 20 Kilonewton ansteigen. Diese Kräfte werden bei heutigen Batteriezellen durch massive und teuren Pressplatten aus Stahl oder Aluminium aufgenommen. Trotz massiver Platten wachsen die Module im Batteriesystem je nach Auslegung.
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Aus der
DE 10 2012 223 566 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formieren von Batteriezellen bekannt. Ferner gehen daraus eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie und eine mit der Batterieantriebsenergie übertragend verbundenen Antriebsvorrichtung hervor. Zwischen den Batteriezellen ist ein elastisch verformbares Ausgleichselement angeordnet, welches zusammen mit den Batteriezellen vor dem Formieren verpresst wird.
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Aus der
US 2012/0219839 A1 geht ein mechanisch flexibles und poröses Kompensationselement zur Temperaturregelung einer elektrochemischen Zelle hervor. Darin sind mindestens zwei Zellen nebeneinander angeordnet. Ein Zwischenraum zwischen den Zellen ist mit einem porösen und deformierbaren Kompensationselement gefüllt, welches dazu ausgelegt ist, die Temperatur der Zellen zu regulieren.
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In der
DE 10 2012 224 330 A9 ist eine elektrische Akkumulatorvorrichtung beschrieben. Die Akkumulatorvorrichtung umfasst eine erste Akkumulatorzelle, die an einer ersten Seite ein erstes elastisches Element aufweist, ein Kühlelement zum Kühlen der ersten Akkumulatorzelle und eine erste Dichtschicht, die die erste Akkumulatorzelle mit dem ersten elastischen Material zumindest teilweise umgibt, um sie gegenüber einer Umwelt abzudichten. Eine Ausdehnung der ersten Akkumulatorzelle führt dabei zu einer Kompression des ersten elastischen Elements.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie derart zu verbessern, dass die durch die Batteriezellen ausgeübten Kräfte innerhalb der Batterie kompensiert werden können.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, welche Batteriezellen und ein Gehäuse umfasst. Wandungen des Gehäuses begrenzen einen Gehäuseraum, in welchem die Batteriezellen in einer vorbestimmten Anordnung angeordnet sind. Die Batterie kann insbesondere als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein. Die Wandungen sind ferner dazu ausgelegt, die Batteriezellen entlang einer Anordnungsrichtung zusammenzuhalten. Durch zumindest eine Fixiereinheit mit jeweils einem ersten und einem zweitem Fixierelement sind die Batteriezellen in der Anordnungsrichtung fixiert, wobei jeweils das erste und das zweite Fixierelement in einem vorbestimmten Abstand senkrecht zur Anordnungsrichtung an einer Batteriezelle der Batteriezellen angeordnet sind. Zwischen dem ersten und dem zweiten Fixierelement ist ein Freiraum gebildet. Mit anderen Worten kann an einer Seite einer Batteriezelle, beispielsweise an einem oberen und einem unteren Ende einer Batteriezelle, jeweils ein Fixierelement derart angeordnet sein, dass zwischen den beiden Fixierelementen – dem ersten Fixierelement und dem zweiten Fixierelement – ein Freiraum gebildet ist. In vorteilhafter Weise kann der Freiraum eine Abmessung in Anordnungsrichtung der Batteriezellen zwischen 0,5 Millimeter und 3,0 Millimeter aufweisen. Unter den Bereichsgrenzen „0,5 Millimeter bis 3,0 Millimeter” werden insbesondere 0,5 Millimeter, 1,0 Millimeter, 1,5 Millimeter, 2,0 Millimeter, 2,5 Millimeter und 3,0 Millimeter verstanden.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die jeweiligen Batteriezellen konstruktiv besonders einfach im Gehäuse der Batterie zusammengehalten sind. Des Weiteren kann dadurch der Verbindungsprozess der jeweiligen Batteriezellen und dadurch die Montage vereinfacht werden. Durch ein vereinfachtes Herstellungsverfahren und einem geringeren Werkstoffbedarf können Kosten reduziert werden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass bei zumindest einer Fixiereinheit das erste und das zweite Fixierelement zwischen einer Wandung des Gehäuses und der Batteriezelle angeordnet sind. Mit anderen Worten kann durch das erste und das zweite Fixierelement zwischen einer Batteriezelle, d. h. beispielsweise einer End-Zelle, und einer Wandung der Wandungen des Gehäuses der Batterie eine Aussparung ausgebildet sein. Mit anderen Worten können das erste und das zweite Fixierelement als Abstandshalter zwischen einer Batteriezelle und der Wandung des Gehäuses dienen.
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In vorteilhafter Weise kann das erste und das zweite Fixierelement quaderförmig ausgebildet sein. In vorteilhafter Weise kann die Fixiereinheit als Rahmenelement ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Ausdehnung der Batteriezelle durch den Freiraum kompensiert werden kann. Mit anderen Worten kann sich die Batteriezelle in den Freiraum hinein ausdehnen.
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Das Gehäuse der Batterie kann aus Kunststoff und/oder Metall gebildet sein. Ist das Gehäuse der Batterie oder die Wandungen des Gehäuses beispielsweise aus einem Kunststoff gebildet, so kann die Fixiereinheit mit einem ersten und einem zweiten Fixierelement, welche zwischen der Batteriezelle – einer End-Zelle – und der Wandung des Gehäuses angeordnet ist, aus dem gleichen Kunststoff, wie die Wandung des Gehäuses gebildet sein. Bestehen die Fixiereinheit und/oder die Wandung des Gehäuses aus dem gleichen Material oder Werkstoff, so kann die Wandung mit der Fixiereinheit als eine Einheit hergestellt werden. Mit anderen Worten kann die Wandung mit der Fixiereinheit in einem Herstellungsschritt gefertigt werden. Mit anderen Worten kann die Wandung des Gehäuses mit dem Fixierelement als eine Vergussmasse ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass weniger Herstellungsschritte erforderlich sind und damit die Herstellungskosten reduziert werden können.
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Da durch die Ausdehnung der Batteriezellen im Gehäuse nicht nur Kräfte zwischen einer End-Zelle und den Wandungen des Gehäuses sondern auch Kräfte zwischen den jeweiligen Batteriezellen wirken, kann in vorteilhafter Weise bei zumindest einer Fixiereinheit das erste und das zweite Fixierelement zwischen zwei Batteriezellen angeordnet sein. Mit anderen Worten kann das Wachstum der Batteriezelle, d. h. eine Ausdehnung der Batteriezelle in Anordnungsrichtung, durch definierte Aussparungen – den Freiraum zwischen den Batteriezellen – zugelassen werden. Mit anderen Worten können das erste und das zweite Fixierelement, wie oben bereits erwähnt, als Abstandshalter zwischen den jeweiligen Batteriezellen dienen. In vorteilhafter Weise kann das erste und das zweite Fixierelement quaderförmig ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass durch den Freiraum zwischen den Batteriezellen genügend Platz vorhanden ist, sodass bei einer Ausdehnung der Batteriezellen keine Kräfte aufeinander ausgeübt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das erste und das zweite Fixierelement aus Kunststoff, insbesondere aus Thermoplast, gebildet sind. In vorteilhafter Weise können das erste und das zweite Fixierelement aus einem offenporigen oder einem geschlossenporigen Kunststoff gebildet sein. Bestehen das erste und das zweite Fixierelement beispielsweise aus einem offenporigen Kunststoff, so kann der offenporige Kunststoff einem Auslaufen der Batterie bei einem Defekt entgegenwirken, indem die Flüssigkeit von dem Kunststoff aufgenommen werden kann. Als offenporiger Kunststoff kann beispielsweise Moosgummi verwendet werden. Besteht das erste und das zweite Fixierelement beispielsweise aus einem geschlossenporigen Kunststoff, so kann eine gute Abdichtung gewährleistet werden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zwischen den Batteriezellen ein elastisch verformbares Kompensationselement angeordnet ist. Mit anderen Worten kann zwischen den Batteriezellen ein Kompensationselement angeordnet sein, welches eine Ausdehnung der Batteriezelle durch elastische Verformung aufnehmen kann. Mit anderen Worten kann das Kompensationselement dazu ausgelegt sein, eine durch eine Ausdehnung der Batteriezelle hervorgerufene Kraft, welche auf das Kompensationselement wirkt, zu kompensieren oder aufzunehmen. In vorteilhafter Weise kann das Kompensationselement aus Kunststoff, insbesondere aus einem Elastomer oder einem gummielastischen Polymer, gebildet sein. Insbesondere kann das Kompensationselement aus einem offenporigen oder einem geschlossenporigen Kunststoff gebildet sein. Bei einem offenporigen Kunststoff kann es sich insbesondere um Moosgummi handeln.
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In vorteilhafter Weise kann das Kompensationselement derart ausgestaltet sein, dass es sich bis zu einem Schwellwert einer Kraft, welche durch eine Batteriezelle auf das Kompensationselement wirkt, plastisch verformt. Übersteigt die Kraft – Zellkraft der Batterie –, welche auf das Kompensationselement wirkt, diesen Schwellwert, so kann sich das Kompensationselement elastisch verformen. Mit anderen Worten ist das Kompensationselement derart ausgestaltet, dass es die Kräfte bis zu einem Schwellwert plastisch aufnimmt und, sobald dieser Schwellwert überschritten wird, sich elastisch verformt. Dieser Schwellwert kann beispielsweise 10 Kilonewton betragen. Mit anderen Worten kann sich das Kompensationselement bis zu einer Kraft – Zellkraft – von beispielsweise 10 Kilonewton plastisch und ab einer Kraft von größer als 10 Kilonewton elastisch verformen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Batterie durch die Ausdehnung der Batteriezellen innerhalb des Gehäuses nach außen nicht wächst, sondern innerhalb des ursprünglichen Maßes bleibt. Je nachdem welche Kräfte zwischen den Batteriezellen wirken kann eine Shore-Härte der Kompensationselemente gewählt werden. Die Shore-Härte ist eine Kennzahl, die vorwiegend für Elastomere und gummielastische Polymere eingesetzt wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Freiraum mit Luft gefüllt ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Batteriezellen zusätzlich gekühlt werden können.
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Zu der Erfindung gehört ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie. Die Batterie ist insbesondere eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie. Das Kraftfahrzeug kann bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, ausgestaltet sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dazu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterie in einem Querschnitt;
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2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Batterie in einem Querschnitt; und
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3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Batterie in einem ausgedehnten Zustand der Batteriezellen.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsformen stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängige voneinander betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung auch jeweils unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung die erfindungsgemäße Batterie 10 in einem Querschnitt in einer Ausführungsform. Dabei umfasst die Batterie 10 Batteriezellen 12, und ein Gehäuse, dessen Wandungen 14 einen Gehäuseraum begrenzen, in welchem die Batteriezellen 12 in einer vorbestimmten Anordnung angeordnet sind. in 1 sind auf einer rechten und einer linken Seite der Batterie 10 jeweils eine Wandung 14 des Gehäuses der Batterie 10 dargestellt. Die Wandungen 14 sind dazu ausgelegt, die Batteriezellen 12 entlang einer Anordnungsrichtung zusammenzuhalten. Die Batteriezellen 12 sind dabei durch zumindest eine Fixiereinheit mit jeweils einem ersten 16 und einem zweiten Fixierelement 18 in einer Anordnungsrichtung fixiert. Das erste 16 und das zweite Fixierelement 18 sind dabei in einem vorbestimmten Abstand senkrecht zur Anordnungsrichtung an einer Batteriezelle 12 angeordnet. In diesem Fall ist eine Fixiereinheit mit einem ersten 16 und einem zweiten Fixierelement 18 auf einer rechten und einer linken Seite jeweils an einer End-Zelle der Batteriezellen 12 angeordnet. Durch die Anordnung der Fixierelemente 16, 18 ist zwischen den Fixierelementen 16, 18 ein Freiraum 20 gebildet. Dieser Freiraum 20 kann dabei mit Luft gefüllt sein. Ferner ist zwischen den Batteriezellen 12 ein elastisch verformbares Kompensationselement 22 angeordnet.
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Die Wandung 14 des Gehäuses der Batterie 10 kann dabei aus Kunststoff und/oder Metall gebildet sein. Ferner können auch die Fixierelemente 16, 18 der Fixiereinheit aus einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast, gebildet sein. In vorteilhafter Weise können die Fixierelemente 16, 18 und/oder das Kompensationselement 22 aus einem offenporigen und/oder geschlossenporigen Kunststoff gebildet sein.
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2 stellt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie 10 schematisch dar. Darin ist im vergleich zu 1 anstelle der Kompensationselemente 22 zwischen den jeweiligen Batteriezellen 12 eine Fixiereinheit mit einem ersten 16 und einem zweiten Fixierelement 18 vorgesehen. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform sowohl zwischen den jeweiligen Batteriezellen 12 und einer Batteriezelle und der Wandung 14 des Gehäuses der Batterie 10 eine Fixiereinheit mit einem ersten 16 und einem zweiten Fixierelement 18 angeordnet.
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In 3 ist schematisch die erfindungsgemäße Batterie 10 in einem ausgedehnten Zustand am Beispiel der Batterie 10 nach dem Aufbau von 1 dargestellt. Die Pfeile in 3 stellen die Ausdehnungsrichtung der jeweiligen Batteriezellen 12 dar. Der durch das erste 16 und das zweite Fixierelement 18 gebildete Freiraum 20 ist derart ausgelegt, dass die Ausdehnung 24 der Batteriezelle 12, welche einer Wandung 14 zugeordnet ist, aufnehmen kann. Der Freiraum 20 kann dabei eine Abmessung in Anordnungsrichtung zwischen 0,5 und 3,0 Millimeter aufweisen. Dehnen sich dich Batteriezellen 12 oder in diesem Fall die Batterie-End-Zellen mehr aus, als der Freiraum 20 dies zulässt, so kann die Mehrausdehnung durch die Wandungen 14 des Gehäuses der Batterie 10 kompensiert werden.
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Insgesamt geht somit eine Absorption der Mengenausdehnung bei einer Lithium-Ionen-Batterie hervor. Dabei werden auf beiden Seiten des Moduls (zwischen End-Zelle und Pressplatte) offen beziehungsweise geschlossen porige Gummiteile angebracht, dessen Stärke etwa 2 bis 3 Millimeter beträgt. Die Shore-Härte der Gummiteile sind so ausgelegt, dass die Zellkräfte bis zum Beispiel auf etwa 10 Kilonewton plastisch aufgenommen werden können. Übersteigt die Zellkraft die ausgelegte Kraft, so beginnt das Gummi elastisch zu werden und gibt nach. Das Modul wächst nicht nach außen, sondern bleibt innerhalb des ursprünglichen Maßes. Ferner wird durch die Fixierelemente bewusst zugelassen, dass die Zelle sich am Ende ausdehnen kann. Das heißt das Endmaterial (Zwischenend-Zelle und Pressplatte) wird in der Mitte so ausgespart, dass die Zelle sich nach außen bewegen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012223566 A1 [0003]
- US 2012/0219839 A1 [0004]
- DE 102012224330 A9 [0005]
