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Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbatterie mit mindestens einem Zellblock und mit einer Ausgleichseinheit.
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Aus der
DE 10 2014 219 609 A1 ist bereits eine Kraftfahrzeugbatterie mit mindestens einem Zellblock bekannt, der mehrere Batteriezellen, eine Zellhalterung zur Fixierung der Batteriezellen und eine Ausgleichseinheit aufweist, die zumindest ein Ausgleichselement zu einem zumindest teilweisen Ausgleich von axialen Presskräften innerhalb des Zellblocks umfasst, wobei das Ausgleichselement als Federelement ausgeführt ist, das dazu vorgesehen ist, beim Ausgleich der axialen Presskräfte elastisch verformt zu werden.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Kraftfahrzeugbatterie mit einem verringerten Gewicht bereitzustellen. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem abhängigen Anspruch.
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Die Erfindung geht aus von einer Kraftfahrzeugbatterie mit mindestens einem Zellblock, der mehrere Batteriezellen, eine Zellhalterung zur Fixierung der Batteriezellen und eine Ausgleichseinheit umfasst, die zumindest ein Ausgleichselement zu einem zumindest teilweisen Ausgleich von axialen Presskräften innerhalb des Zellblocks umfasst.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Zellhalterung zumindest ein Spannelement umfasst, welches das Ausgleichselement ausbildet und dazu vorgesehen ist, beim zumindest teilweisen Ausgleich der axialen Presskräfte plastisch verformt zu werden. Dadurch kann eine Zunahme der axialen Presskräfte in dem Zellblock, die beispielsweise durch ein Dickenwachstum der Batteriezellen aufgrund von Alterung oder durch ein An- und Abschwellen der Batteriezellen während eines Ladezyklus verursacht wird, in eine plastische Verformung umgesetzt und somit die Zunahme der axialen Presskräfte verringert oder gänzlich ausgeglichen werden. Die Zellhalterung kann mit geringerem Gewicht ausgeführt werden. Die Zellhalterung kann auf eine Aufnahme geringerer axialer Presskräfte in dem Zellblock während der Lebensdauer ausgelegt werden. Unter einem zumindest teilweisen Ausgleich von axialen Presskräften innerhalb des Zellblocks soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass die Ausgleichseinheit axiale Presskräfte, die eine Vorspannkraft zu einer mechanischen Fixierung der Batteriezellen in dem Zellblock übersteigen, zumindest zu 80 Prozent, vorteilhaft zumindest zu 90 Prozent und bevorzugt zumindest zu 95 Prozent ausgleicht. Besonders bevorzugt gleicht die Ausgleichseinheit die die Vorspannkraft übersteigenden axialen Presskräfte vollständig aus.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Ausgleichseinheit ein als axial bewegliche Druckplatte ausgeführtes weiteres Ausgleichselement umfasst, das mit dem plastisch verformbaren Spannelement verbunden ist. Dadurch kann mittels einer einfachen Konstruktion eine Umsetzung der axialen Presskräfte in die plastische Verformung des Ausgleichselements erreicht werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind sechs Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Kraftfahrzeugbatterie, mit einem Zellblock und mit einer Ausgleichseinheit, die zumindest ein Ausgleichselement zu einem Ausgleich von axialen Presskräften innerhalb des Zellblocks umfasst, vor einem Ausgleich der axialen Presskräfte,
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2 eine schematische Darstellung der Kraftfahrzeugbatterie aus 1 nach einem Ausgleich der axialen Presskräfte in einer 2D-Ansicht,
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3 eine schematische 3D-Darstellung einer Kraftfahrzeugbatterie gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, mit einem Zellblock und mit einer Ausgleichseinheit, die ein plastisch verformbares Ausgleichselement aufweist, das als metallische Wabenstruktur ausgeführt ist,
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4 eine schematische 3D-Darstellung einer Kraftfahrzeugbatterie gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, mit einem Zellblock und mit einer Ausgleichseinheit, die ein Ausgleichselement aufweist, das als Gasdruckfeder mit Überdruckventil ausgeführt ist,
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5 eine Explosionsdarstellung einer Kraftfahrzeugbatterie gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, mit einem Zellblock und mit einer Ausgleichseinheit, die ein als bewegliche Druckplatte ausgeführtes Ausgleichselement und eine Befestigung des Ausgleichselements in Form einer Reibungsbremse umfasst,
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6 eine Explosionsdarstellung einer Kraftfahrzeugbatterie gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, mit einem Zellblock und mit einer Ausgleichseinheit, die ein als bewegliche Druckplatte ausgeführtes Ausgleichselement und eine alternativ ausgeführte Befestigung des Ausgleichselements in Form einer Reibungsbremse umfasst, und
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7 eine Explosionsdarstellung einer Kraftfahrzeugbatterie gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, mit einem Zellblock und mit einer Ausgleichseinheit, die ein als bewegliche Druckplatte ausgeführtes Ausgleichselement und eine alternativ ausgeführte Befestigung des Ausgleichselements in Form einer Reibungsbremse umfasst.
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Die 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeugbatterie 10a, die als Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie ausgeführt ist. Das Kraftfahrzeug umfasst einen Antriebsstrang mit einem Elektromotor 11a und einem Verbrennungsmotor 12a, die beide zum Antrieb von Antriebsrädern 13a vorgesehen sind. Die Kraftfahrzeugbatterie 10a umfasst mehrere Zellblöcke 14a. Die Zellblöcke 14a umfassen jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen 15a, die zur Speicherung und Abgabe der elektrischen Leistung vorgesehen sind. Die Kraftfahrzeugbatterie 10a weist ein Gehäuse 16a auf, das die Zellblöcke 14a mit den Batteriezellen 15a aufnimmt. Die Batteriezellen 15a der Zellblöcke 14a sind gestapelt angeordnet. Jeder Zellblock 14a weist eine Stapelrichtung 17a auf, entlang der die Batteriezellen 15a des entsprechenden Zellblocks 14a hintereinander angeordnet sind.
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Um die Batteriezellen 15a fest miteinander zu verbinden, weist der Zellblock 14a eine Zellhalterung 18a auf. Die Zellhalterung 18a ist zur mechanischen Fixierung der Batteriezellen 15a vorgesehen. Die Zellhalterung 18a umfasst zwei Endplatten 19a, 20a, welche entlang der Stapelrichtung 17a jeweils an einer Seite des Stapels der Batteriezellen 15a angeordnet sind, sowie zwei Spannelemente 21a, welche die Endplatten 19a, 20a miteinander verbinden. Die Endplatten 19a, 20a in Verbindung mit den Spannelementen 21a fixieren die Batteriezellen 15a mechanisch.
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Die Kraftfahrzeugbatterie 10a weist eine Ausgleichseinheit 22a auf, die zumindest ein Ausgleichselement 23a zu einem zumindest teilweisen Ausgleich von axialen Presskräften innerhalb des Zellblocks 14a umfasst (vgl. 2). Das Ausgleichselement 23a wird von dem Spannelement 21a ausgebildet. Die Ausgleichseinheit 22a nimmt die axialen Presskräfte auf und setzt sie in eine plastische Verformung des Ausgleichselements 23a um. Die axialen Presskräfte werden beispielsweise durch ein Dickenwachstum der Batteriezellen 15a über die Lebensdauer der Batteriezellen 15a hervorgerufen, das durch Prozesse in einem elektrochemisch aktiven Teil der Batteriezellen 15a entsteht, beispielsweise bei Lithium-Batterien durch eine Abscheidung von metallischem Lithium. Die axialen Presskräfte werden durch die plastische Verformung des Ausgleichselements 23a ausgeglichen, so dass in dem Zellblock 14a insgesamt über eine Lebensdauer der Batteriezellen 15a zumindest im Wesentlichen gleichbleibende axiale Presskräfte bestehen.
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Die Ausgleichseinheit 22a weist ein als axial bewegliche Druckplatte ausgeführtes weiteres Ausgleichselement 24a auf. Das weitere Ausgleichselement 24a weist eine im Wesentlichen rechteckige, einer Form der Batteriezellen 15a entsprechende, Form auf. Das weitere Ausgleichselement 24a ist an das Ausgleichselement 23a, das von dem Spannelement 21a ausgebildet wird, angeschweißt. Das von dem Spannelement 21a ausgebildete Ausgleichselement 23a weist eine zentrale rechteckige Ausnehmung 30a und eine U-förmige Nut 31a auf, die in einem geringen Abstand auf drei Seiten der Ausnehmung 30a verläuft. Zwischen der Nut 31a und der Ausnehmung 30a weist das Spannelement 21a eine Form auf, die zwei dünne Stege 32a und einen an einer Seite der dünnen Stege 32a angeordneten rechteckigen Bereich 33a aufweist. Das von dem Spannelement 21a ausgebildete Ausgleichselement 23a ist an einen Bereich der C-Form angeschweißt, der an die als Stege 32a ausgeführten Schenkel angrenzt. Bei einer Zunahme der axialen Presskräfte wird das weitere Ausgleichselement 24a durch die axialen Presskräfte verschoben und das von dem Spannelement 21a ausgebildete Ausgleichselement 23a wird an den Stegen 32a in axialer Richtung gedehnt und somit verformt (vgl. 1). Ein ursprünglicher Spalt zwischen dem weiteren Ausgleichselement 24a und der benachbarten Endplatte 20a ist so gewählt, dass durch das Dickenwachstum der Batteriezellen 15a während der Lebensdauer das weitere Ausgleichselement 24a bis an die Endplatte 20a heranrückt und eine Außenabmessung des Zellblocks 14a entlang der Stapelrichtung 17a somit über die Lebensdauer konstant, bleibt.
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In den 3 bis 7 sind fünf weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 und 2, verwiesen wird. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 3 bis 7 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis f ersetzt.
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In der 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kraftfahrzeugbatterie 10b dargestellt. Die Kraftfahrzeugbatterie 10b weist einen Zellblock 14b auf, der mehrere Batteriezellen 15b, eine Zellhalterung 18b zur Fixierung der Batteriezellen 15b und eine Ausgleichseinheit 22b umfasst. Die Ausgleichseinheit 22b umfasst ein Ausgleichselement 23b zu einem zumindest teilweisen Ausgleich von axialen Presskräften innerhalb des Zellblocks 14b. Die Zellhalterung 18b umfasst zwei Endplatten 19b, 20b, welche entlang einer Stapelrichtung 17b der Batteriezellen 15b jeweils an einer Seite des Stapels der Batteriezellen 15b angeordnet sind, sowie zwei Spannelemente 21b, welche die Endplatten 19b, 20b miteinander verbinden. Das Ausgleichselement 23b ist zwischen einer der Batteriezellen 15b und einer der Endplatten 20b in dem Zellblock 14b angeordnet und weist eine metallische Wabenstruktur aus Aluminium auf. Das Ausgleichselement 23b ist bei einer Montage einer Vorspannkraft ausgesetzt worden, die unmittelbar an einer Fließgrenze eines Materials des Ausgleichselements 23b liegt. Bei einer Zunahme der axialen Presskräfte innerhalb des Zellblocks 14b wird das Ausgleichselement 23b plastisch verformt und die Zunahme der axialen Presskräfte wird ausgeglichen. In alternativen Ausgestaltungen kann das Ausgleichselement 23b auch beispielsweise aus Stahl oder aus einem beispielsweise mit Aluminium- oder Stahlfasern verstärkten Metallfaserstoff bestehen. In einer weiteren, nicht dargestellten alternativen Ausgestaltung kann eine Ausgleichseinheit mehrere Ausgleichselemente aufweisen, die beispielsweise beidseitig des Stapels der Batteriezellen zwischen den Batteriezellen und den Endplatten oder zwischen den einzelnen Batteriezellen angeordnet sind.
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In der 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kraftfahrzeugbatterie 10c dargestellt. Die Kraftfahrzeugbatterie 10c weist einen Zellblock 14c auf, der mehrere Batteriezellen 15c, eine Zellhalterung 18c zur Fixierung der Batteriezellen 15c und eine Ausgleichseinheit 22c umfasst. Die Ausgleichseinheit 22c umfasst ein Ausgleichselement 23c zu einem zumindest teilweisen Ausgleich von axialen Presskräften innerhalb des Zellblocks 14c. Die Zellhalterung 18c umfasst zwei Endplatten 19c, 20c, welche entlang einer Stapelrichtung 17c der Batteriezellen 15c jeweils an einer Seite des Stapels der Batteriezellen 15c angeordnet sind, sowie zwei Spannelemente 21c, welche die Endplatten 19c, 20c miteinander verbinden. Das Ausgleichselement 23c ist zwischen einer der Batteriezellen 15c und einer der Endplatten 20c in dem Zellblock 14c angeordnet und ist als kissenförmige Gasdruckfeder mit einem Überdruckventil 25c ausgeführt. Das Ausgleichselement 23c weist dünne Bleche auf, welche die Kissenform ausbilden und ist mit einem Gas gefüllt. Das Überdruckventil 25c ist dazu vorgesehen und dahingehend eingestellt, bei einer Zunahme eines einwirkenden Drucks auf das Gas in dem Ausgleichselement 23c aufgrund von axialen Presskräften kurzzeitig zu öffnen und dadurch Gas abzulassen. Durch das Ablassen von Gas wird eine Federkraft des Ausgleichselements 23c reduziert und die Zunahme der axialen Presskräfte innerhalb des Zellblocks 14c wird damit vermieden.
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In der 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer Kraftfahrzeugbatterie 10d dargestellt. Die Kraftfahrzeugbatterie 10d weist einen Zellblock 14d auf, der mehrere Batteriezellen 15d, eine Zellhalterung 18d zur Fixierung der Batteriezellen 15d und eine Ausgleichseinheit 22d umfasst. Die Ausgleichseinheit 22d umfasst ein Ausgleichselement 23d zu einem zumindest teilweisen Ausgleich von axialen Presskräften innerhalb des Zellblocks 14d. Die Zellhalterung 18d umfasst zwei Endplatten 19d, 20d, welche entlang einer Stapelrichtung 17d der Batteriezellen 15d jeweils an einer Seite des Stapels der Batteriezellen 15d angeordnet sind, sowie zwei Spannelemente 21d, welche die Endplatten 19d, 20d miteinander verbinden. Das Ausgleichselement 23d ist als axial bewegliche Druckplatte ausgeführt und zwischen einem Ende eines Stapels der Batteriezellen 15d und einer der Endplatten 20d angeordnet. Die Ausgleichseinheit 22d umfasst ferner eine als Reibungsbremse ausgeführte Befestigung 26d des Ausgleichselements 23d. Die Spannelemente 21d bilden einen Teil der Befestigung 26d aus und weisen Langlöcher 27d auf. Die Befestigung 26d umfasst ferner Schrauben 28d, die zur Verschraubung des Ausgleichselements 23d an den Spannelementen 21d vorgesehen sind. Das Ausgleichselement 23d weist Rundlöcher 29d auf, die für die Aufnahme der Schrauben 28d vorgesehen sind. Die Schrauben 28d sind mit einem definierten Moment angezogen und weisen eine definierte Reibkraft mit den Spannelementen 21d auf. Bei einer Zunahme der axialen Presskräfte in dem Zellblock 14d, beispielsweise aufgrund eines Dickenwachstums der Batteriezellen 15d, verrutschen die Schrauben 28d in den Langlöchern 27d, sobald die axialen Presskräfte die Reibkraft der Schrauben 28d mit den Spannelementen 21d übersteigen, wodurch das Ausgleichselement 23d verschoben wird. Eine Zunahme der axialen Presskräfte wird dadurch verhindert.
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In der 6 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Kraftfahrzeugbatterie 10e dargestellt. Die Kraftfahrzeugbatterie 10e weist einen Zellblock 14e auf, der mehrere Batteriezellen 15e, eine Zellhalterung 18e zur Fixierung der Batteriezellen 15e und eine Ausgleichseinheit 22e umfasst. Die Ausgleichseinheit 22e umfasst ein Ausgleichselement 23e zu einem zumindest teilweisen Ausgleich von axialen Presskräften innerhalb des Zellblocks 14e. Die Zellhalterung 18e umfasst zwei Endplatten 19e, 20e, welche entlang einer Stapelrichtung 17e der Batteriezellen 15e jeweils an einer Seite des Stapels der Batteriezellen 15e angeordnet sind, sowie zwei Spannelemente 21e, welche die Endplatten 19e, 20e miteinander verbinden. Eine der Endplatten 20e ist axial verschiebbar ausgeführt und bildet das Ausgleichselement 23e aus. Die Ausgleichseinheit 22e umfasst ferner eine als Reibungsbremse ausgeführte Befestigung 26e des Ausgleichselements 23e. Das Ausgleichselement 23e weist Langlöcher 27e auf. Die Befestigung 26e umfasst Schrauben 28e, die in die Langlöcher 27e eingesetzt sind und mit einem definierten Moment angezogen sind. Das definierte Moment ist so gewählt, dass bei einem Auftreten von axialen Presskräften, die eine Vorspannkraft übersteigen und die beispielsweise durch ein Dickenwachstum der Batteriezellen 15e verursacht werden, das Ausgleichselement 23e entgegen einer Reibkraft verschoben wird. Die axialen Presskräfte werden dadurch ausgeglichen. Der Zellblock 14e verändert somit über eine Lebensdauer der Batteriezellen 15e seine äußeren Abmessungen. Die Spannelemente 21e sind so ausgeführt, dass sie in axialer Richtung leicht verformbar sind, um eine axiale Verschiebung der Endplatte 20e zu ermöglichen.
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In der 7 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Kraftfahrzeugbatterie 10f dargestellt. Die Kraftfahrzeugbatterie 10f weist einen Zellblock 14f auf, der mehrere Batteriezellen 15f, eine Zellhalterung 18f zur Fixierung der Batteriezellen 15f und eine Ausgleichseinheit 22f umfasst. Die Ausgleichseinheit 22f umfasst ein Ausgleichselement 23f zu einem zumindest teilweisen Ausgleich von axialen Presskräften innerhalb des Zellblocks 14f. Die Zellhalterung 18f umfasst zwei Endplatten 19f, 20f, welche entlang einer Stapelrichtung 17f der Batteriezellen 15f jeweils an einer Seite des Stapels der Batteriezellen 15f angeordnet sind. Die Kraftfahrzeugbatterie 10f umfasst ein Gehäuse 16f, von dem lediglich ein Unterteil dargestellt ist. Eine der Endplatten 20f ist axial verschiebbar ausgeführt und bildet das Ausgleichselement 23f aus. Die Ausgleichseinheit 22f umfasst ferner eine als Reibungsbremse ausgeführte Befestigung 26f des Ausgleichselements 23f an dem Gehäuse 16f. Die Endplatte 20f, die das Ausgleichselement 23f ausbildet, weist zur Ausbildung der Befestigung 26f Langlöcher 27f auf. Die Befestigung 26f umfasst Schrauben 28f, die in die Langlöcher 27f und in korrespondierende Löcher in dem Gehäuse 16f eingesetzt sind und dort mit einem definierten Moment angezogen sind. Das definierte Moment ist so gewählt, dass bei einer Zunahme der axialen Presskräfte, beispielsweise durch ein Dickenwachstum der Batteriezellen 15f, die das Ausgleichselement 23f ausbildende Endplatte 20f entgegen einer Reibkraft verschoben wird und dadurch die Zunahme der axialen Presskräfte ausgeglichen wird. Der Zellblock 14f verändert somit über eine Lebensdauer der Batteriezellen 15f seine äußeren Abmessungen. Die Endplatten 19f, 20f sind an einer dem Unterteil des Gehäuses 16f zugewandten Seite verbreitert ausgeführt. Durch eine verbreiterte Ausführung an der dem Unterteil des Gehäuses 16f zugewandten Seite wird ein durch die axialen Presskräfte verursachtes Kippen der Endplatten 19f, 20f verhindert.
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Grundsätzlich ist auch vorstellbar, dass in weiteren nicht dargestellten alternativen Ausgestaltungen eine Ausgleichseinheit ein Ausgleichselement aufweist, das als Konstantkraftfeder ausgeführt ist. Das als Konstantkraftfeder ausgeführte Ausgleichselement kann beispielsweise als eine Spezialfeder mit einer flachen Kraft-Weg-Kennlinie, bevorzugt einer annähernd horizontalen Kraft-Weg-Kennlinie, wie beispielsweise als eine Rollfeder, ausgeführt sein. Das als Konstantkraftfeder ausgeführte Ausgleichselement kann beispielsweise als eine Feder mit einem Mechanismus zur Kompensierung einer sich über einen Weg vergrößernden Federkraft, beispielsweise als eine Spiral- oder Schenkelfeder mit einem Hebelmechanismus mit variabler Übersetzung, ausgeführt sein. Auch ist vorstellbar, dass in weiteren alternativen Ausgestaltungen eine Ausgleichseinheit als eine elektromotorische oder elektromagnetische Vorrichtung ausgeführt ist, die aktiv, beispielsweise über angesteuerte Magnetspulen, oder passiv, beispielsweise über Permanentmagnete, die axialen Presskräfte in einem Zellblock ausgleicht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeugbatterie
- 11
- Elektromotor
- 12
- Verbrennungsmotor
- 13
- Antriebsrad
- 14
- Zellblock
- 15
- Batteriezelle
- 16
- Gehäuse
- 17
- Stapelrichtung
- 18
- Zellhalterung
- 19
- Endplatte
- 20
- Endplatte
- 21
- Spannelement
- 22
- Ausgleichseinheit
- 23
- Ausgleichselement
- 24
- Ausgleichselement
- 25
- Überdruckventil
- 26
- Befestigung
- 27
- Langloch
- 28
- Schrauben
- 29
- Rundloch
- 30
- Ausnehmung
- 31
- Nut
- 32
- Steg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014219609 A1 [0002]
