DE102014221944A1 - Clamping device for clamping storage units of an electrical energy storage module and corresponding energy storage module - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung (18) zum Verspannen einer Anordnung (12), insbesondere eines Stapels, von Speichereinheiten (14) eines elektrischen Energiespeichermoduls (10) in einer diese Anordnung (12) aufnehmenden Rahmeneinrichtung (16), wobei die Spannvorrichtung (18) zum spreizenden Verspannen über zwei einander gegenüberliegende Seiten (24, 26) der Spannvorrichtung (18) eingerichtet ist. Es ist vorgesehen, dass die Spannvorrichtung (18) zwei entlang eines Spreizweges relativ zueinander verlagerbare Spannelemente (34, 36) und eine Verlagerungseinrichtung (38) zum Verlagern dieser beiden Spannelemente (34, 36) entlang dieses Spreizweges relativ zueinander aufweist, wobei die beiden Spannelemente (34, 36) einander entgegengesetzt nach außen wirkende Spannbacken bilden, von denen jede je eine Seitenfläche einer der beiden Seiten (24, 26) formt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Energiespeichermodul (10) mit einer Anordnung (12) von Speichereinheiten (14), einer Rahmeneinrichtung (16) und zumindest einer Spannvorrichtung (18) zum Verspannen der Anordnung (12) von Speichereinheiten (14) in der die Anordnung (12) und die Spannvorrichtung (18) aufnehmenden Rahmeneinrichtung (16).The invention relates to a clamping device (18) for clamping an arrangement (12), in particular a stack, of storage units (14) of an electrical energy storage module (10) in a frame device (16) receiving this arrangement (12), wherein the clamping device (18) is arranged for spreading bracing over two opposite sides (24, 26) of the clamping device (18). It is provided that the tensioning device (18) has two clamping elements (34, 36) displaceable relative to each other along a spreading path and a displacement device (38) for displacing these two tensioning elements (34, 36) along this spreading path relative to one another, wherein the two tensioning elements (34, 36) form oppositely outwardly acting clamping jaws, each of which each forms a side surface of one of the two sides (24, 26). The invention further relates to an electrical energy storage module (10) having an arrangement (12) of storage units (14), a frame device (16) and at least one clamping device (18) for clamping the arrangement (12) of storage units (14) in which the arrangement (12) and the clamping device (18) receiving frame means (16).
Description
Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Verspannen einer Anordnung, insbesondere eines Stapels, von Speichereinheiten eines elektrischen Energiespeichermoduls in einer diese Anordnung aufnehmenden Rahmeneinrichtung, wobei die Spannvorrichtung zum spreizenden Verspannen über zwei einander gegenüberliegende Seiten der Spannvorrichtung eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Energiespeichermodul mit einer Anordnung von Speichereinheiten, einer Rahmeneinrichtung und zumindest einer Spannvorrichtung zum Verspannen der Anordnung von Speichereinheiten in der die Anordnung und die Spannvorrichtung aufnehmenden Rahmeneinrichtung.The invention relates to a clamping device for clamping an arrangement, in particular a stack, of storage units of an electrical energy storage module in a frame device receiving this arrangement, wherein the clamping device is arranged for expanding clamping on two opposite sides of the clamping device. The invention further relates to an electrical energy storage module having an arrangement of storage units, a frame device and at least one clamping device for clamping the arrangement of storage units in the frame device receiving the arrangement and the clamping device.
Stand der TechnikState of the art
In Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden heutzutage als elektrische Energiespeicher (EES) oft auf Lithiumchemie basierende Akkumulatoren (Lithium-Ionen-Akkumulatoren) eingesetzt, da diese im Vergleich zu Nickel- oder Blei-basierten Vertretern ihrer Art die größte bisher verfügbare Energiedichte bei geringstem Gewicht aufweisen. Typischerweise sind elektrische Energiespeicher als Reihenschaltung von Einzel-Speicherzellen oder als Reihenschaltung von parallel geschalteten Speicherzellen realisiert. Meist sind die Einzelzellen in Modulen gruppiert, sodass die Gesamtbatterie als Reihenschaltung von Modulen aufgebaut ist. Bekannt sind neben sogenannten Pouch-Zellen, die kein eigenes Gehäuse haben, zylindrische und prismatisch geformte Lithium-Ionen-Akkumulator-Zellen. Während des Lade- und Entladevorganges „atmen“ Lithium-Ionen-Akkumulator-Zellen, vor allem prismatische Speicherzellen verändern orthogonal zu ihrer größten Fläche ihre Ausdehnung. Um eine hohe Lebensdauer dieser Speicherzellen (oder anderer Speichereinheiten) zu gewährleisten müssen sie mit einer definierten Verpresskraft im Energiespeichermodul gehalten werden, um dem Atmen entgegenzuwirken und eine Ausdehnung der Zellen und einem damit einhergehenden „Zerbröseln“ der Aktivmaterialien innerhalb der Zellen zu verhindern. Dazu werden nach dem Stand der Technik die zu einem Modul gehörenden Zellen bei einem bestimmten Ladungszustand und der sich daraus ergebenden Zell-Dicke beim Modul-Zusammenbau entweder mit einer bestimmten Kraft oder auf ein festgelegtes Maß zusammengedrückt und die restliche Modulmechanik in dieser Position zusammengeschweißt, um über die Modullebendauer die entsprechende Verpresskraft aufrecht zu halten.In electric or hybrid vehicles, lithium-ion accumulators (lithium-ion accumulators) are often used today as electrical energy stores (EES), since these have the largest available energy density with the lowest weight in comparison to nickel- or lead-based representatives of their kind , Typically, electrical energy stores are realized as a series connection of individual memory cells or as a series circuit of parallel-connected memory cells. Most of the individual cells are grouped in modules, so that the total battery is constructed as a series of modules. Known are next to so-called pouch cells that have no own housing, cylindrical and prismatic shaped lithium-ion battery cells. During the charging and discharging process, lithium-ion battery cells "breathe", especially prismatic storage cells change their extent orthogonal to their largest surface. In order to ensure a long service life of these memory cells (or other storage units), they must be held in the energy storage module with a defined pressing force in order to counteract breathing and to prevent expansion of the cells and concomitant "crumbling" of the active materials within the cells. For this purpose, according to the state of the art, the cells belonging to a module are compressed at a certain charge state and the resulting cell thickness during module assembly, either with a certain force or to a certain extent, and the remaining module mechanics are welded together in this position to maintain the corresponding pressing force over the module life.
Die eingangs erwähnte Spannvorrichtung ist zum Beispiel aus der Druckschrift
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung und das Energiespeichermodul mit einer derartigen Spannvorrichtung bieten den Vorteil einer bequemen Montierbarkeit. The tensioning device according to the invention and the energy storage module with such a tensioning device offer the advantage of convenient mountability.
Bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung ist vorgesehen, dass diese Spannvorrichtung zwei entlang eines Spreizweges relativ zueinander verlagerbare Spannelemente und eine Verlagerungseinrichtung zum Verlagern dieser beiden Spannelemente entlang des Spreizweges relativ zueinander aufweist. Dabei bilden die beiden Spannelemente einander entgegengesetzt nach außen wirkende Spannbacken, von denen jede je eine Seitenfläche einer der beiden Seiten formt. Eine solche Spannvorrichtung kann zum Verspannen sowohl zwischen einem Rahmenelement der Rahmeneinrichtung und der Anordnung der Speichereinheiten als auch zwischen Speichereinheiten der Anordnung selbst platziert werden. In beiden Fällen kann durch das Aufspreizen der als Spannbacken fungierenden Spannelemente die Anordnung der Speichereinheiten in der Rahmeneinrichtung verspannt werden. Bevorzugt ist diese Spannvorrichtung eine Spannvorrichtung zum Verspannen eines Stapels von Speichereinheiten eines elektrischen Energiespeichermoduls in einer diesen Stapel aufnehmenden Rahmeneinrichtung. Dabei sind die Speichereinheiten bevorzugt prismatische Speichereinheiten. Die Rahmeneinrichtung kann auch als Modulkäfig bezeichnet werden.In the case of the tensioning device according to the invention, it is provided that this tensioning device has two tensioning elements displaceable relative to one another along a spreading path and a displacement device for displacing these two tensioning elements along the spreading path relative to one another. In this case, the two clamping elements form oppositely outwardly acting clamping jaws, each of which each forms a side surface of one of the two sides. Such a tensioning device can be placed for clamping both between a frame element of the frame means and the arrangement of the storage units, as well as between storage units of the arrangement itself. In both cases, the arrangement of the storage units in the frame device can be clamped by the spreading of the clamping jaws acting as clamping jaws. Preferably, this clamping device is a clamping device for clamping a stack of storage units of an electrical energy storage module in a frame device receiving this stack. The storage units are preferably prismatic storage units. The frame means may also be referred to as a module cage.
Eine wichtige Anwendung solcher Spannvorrichtungen sind die als Batteriemodule ausgebildeten Energiespeichermodule zum Aufbau von Batteriesystemen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Bei diesen Batteriemodulen sind Stapel von Batteriezellen in den Rahmeneinrichtungen der Batteriemodule mittels der Spannvorrichtungen durch Verspannen fixiert.An important application of such tensioners are those designed as battery modules Energy storage modules for the construction of battery systems for electric or hybrid vehicles. In these battery modules, stacks of battery cells are fixed in the frame means of the battery modules by means of the chucks by clamping.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung zum Verlagern der beiden Spannelemente entlang des Spreizweges relativ zueinander ein Betätigungselement aufweist, das auch bei einer in die Rahmeneinrichtung eingebrachten Spannvorrichtung betätigbar ist und so auch bei einer in die Rahmeneinrichtung eingebrachten Spannvorrichtung ein Verlagern der Spannelemente ermöglicht.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the device for displacing the two clamping elements along the Spreizweges relative to each other has an actuating element which is operable even in an introduced into the frame device clamping device and so even with an introduced into the frame device clamping a displacement of the Clamping elements allows.
Zur Führung der beiden Spannelemente beim Verfahren entlang des Spreizwegs sind diese miteinander verzahnt ausgeführt. Die entsprechende Verzahnung der Spannelemente ermöglicht das Verlagern der Spannelemente gegeneinander in Spreizrichtung und hemmt ein Verlagern in einer Richtung quer zu dieser Spreizrichtung.To guide the two clamping elements in the process along the Spreizwegs these are executed interlocked. The corresponding toothing of the clamping elements allows the displacement of the clamping elements against each other in the spreading direction and inhibits a displacement in a direction transverse to this spreading direction.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Verlagerungseinrichtung zumindest ein beweglich gelagertes Keilelement zum Spreizen der beiden Spannelemente über Anlaufschrägen dieser Spannelemente auf. Dabei ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass die Verlagerungseinrichtung mindestens eine Spindel zum Bewegen des mindestens einen Keilelements aufweist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the displacement device has at least one movably mounted wedge element for spreading the two clamping elements over run-on slopes of these clamping elements. In this case, it is further preferably provided that the displacement device has at least one spindle for moving the at least one wedge element.
Prinzipiell reicht ein einziges beweglich gelagertes Keilelement zum Spreizen der beiden Spannelemente über Anlaufschrägen dieser Spannelemente aus, das dann beispielsweise gegenüber einem festen Gegenelement verfahren wird. In principle, a single movably mounted wedge element for spreading the two clamping elements extends over run-on slopes of these clamping elements, which is then moved, for example, with respect to a fixed counter-element.
Bevorzugt weist die Verlagerungseinrichtung zwei gegenläufig ausgerichtete und gegenläufig bewegbare Keilelemente zum Spreizen der beiden Spannelemente über Anlaufschrägen dieser Spannelemente auf.Preferably, the displacement device has two counter-aligned and counter-movable wedge elements for spreading the two clamping elements on chamfers of these clamping elements.
Alternativ zur Ausgestaltung des Spannelements mit einer mindestens ein Keilelement aufweisenden Verlagerungseinrichtung ist das die Spannvorrichtung als Scheren-Spannvorrichtung ausgebildet. Eine solche Scheren-Spannvorrichtung arbeitet nach dem Prinzip eines Scheren-Wagenhebers oder eines sogenannten Labor-Boys. Die Verlagerungseinrichtung einer solchen Scheren-Spannvorrichtung umfasst ein eine Spindel aufweisendes Spindelgetriebe und mehrere Kniehebel. Bevorzugt sind dabei zwei gegenläufig angeordnete Kniehebel vorgesehen. Prinzipiell kann die Spannvorrichtung – analog zu sehr einfachen Wagenhebern – auch nur einen einzigen Kniehebel zwischen den beiden die Spannbacken bildenden Spannelementen aufweisen. As an alternative to the embodiment of the clamping element with a displacement device having at least one wedge element, the clamping device is designed as a scissor-type clamping device. Such a scissors-tensioning device operates on the principle of a scissors jack or a so-called laboratory boy. The displacement device of such a scissors-clamping device comprises a spindle having a spindle gear and a plurality of toggle levers. Preferably, two oppositely arranged toggle lever are provided. In principle, the clamping device - analogous to very simple jacks - even have a single toggle between the two clamping jaws forming clamping elements.
Bei dem elektrischen Energiespeichermodul mit der Anordnung von Speichereinheiten, der Rahmeneinrichtung und der zumindest einen Spannvorrichtung zum Verspannen der Anordnung von Speichereinheiten in der die Anordnung und die Spannvorrichtung aufnehmenden Rahmeneinrichtung ist vorgesehen, dass die Spannvorrichtung als vorstehend genannte Spannvorrichtung ausgebildet ist. Das elektrische Energiespeichermodul ist insbesondere ein Batteriemodul mit wiederaufladbaren Batteriezellen oder anderen wiederaufladbaren Batterieeinheiten als Speichereinheiten.In the electric energy storage module with the arrangement of storage units, the frame device and the at least one clamping device for clamping the arrangement of storage units in the arrangement and the clamping device receiving frame means is provided that the clamping device is formed as the above-mentioned clamping device. The electrical energy storage module is in particular a battery module with rechargeable battery cells or other rechargeable battery units as storage units.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist vorgesehen, dass die Spannvorrichtung zum Verspannen zwischen einem Rahmenelement der Rahmeneinrichtung und der Anordnung der Speichereinheiten oder zwischen den Speichereinheiten der Anordnung selbst platziert ist.According to an advantageous embodiment of the energy storage module according to the invention it is provided that the clamping device is placed for clamping between a frame member of the frame means and the arrangement of the storage units or between the storage units of the arrangement itself.
Gemäß noch einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anordnung der Speichereinheiten ein Stapel von Speichereinheiten ist.According to yet another advantageous embodiment of the invention, it is provided that the arrangement of the storage units is a stack of storage units.
Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Energiespeichermodul zum modularen Aufbau eines elektrischen Energiespeichers mit mehreren solchen Energiespeichermodulen eingerichtet ist.Finally, it is advantageously provided that the energy storage module is set up for the modular construction of an electrical energy store with a plurality of such energy storage modules.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the figures of exemplary embodiments. Show it:
Die
Die
Die
Die
In
Zusätzlich kann die Verzahnung noch dahingehend erweitert werden, dass die beiden Spannelemente
Die
Eine entsprechende Elastizität der Komponenten der Spannvorrichtung
Die
Das Energiespeichermodul
Die Anzahl der entsprechenden Laschen und Aussparungen der Rahmenelemente
Das jeweilige Modulgehäuse
Es ergibt sich die folgende Funktion und daraus die folgenden Vorteile:
Statt die Verpressung der Speichereinheiten
Instead of compressing the
Das hier vorgestellt Verspannkonzept kann sowohl herkömmliche, offene Modulkonstuktionen (isolierte Speichereinheiten
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102010031641 A1 [0004] DE 102010031641 A1 [0004]
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