DE102018109328A1

DE102018109328A1 - Batterieeinheit mit einem Batteriegehäuse, mindestens einem, in diesem Batteriegehäuse angeordneten Zellverbund und mindestens einem Zellmanagement-Controller sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterieeinheit

Info

Publication number: DE102018109328A1
Application number: DE102018109328.4A
Authority: DE
Inventors: Krino Bornemann; Tobias STROEHLEIN; Uwe Pabst; Volker Hohm; Helge Herten; Dennis Berner; Stefan Blänkner; Christoph Bokelmann-Grotefend; Christian Wick; Stefan Reinsch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2018-04-19
Publication date: 2019-10-24
Also published as: CN110391371B; CN110391371A

Abstract

Eine erfindungsgemäße Batterieeinheit umfasst einen Batteriegehäusegrundkörper (12) und mindestens einen, in dem Batteriegehäusegrundkörper (12) angeordneten Zellverbund (14a, 14b), wobei zusätzlich zu dem Zellverbund (14a, 14b) mindestens ein Zellmanagement-Controller (38) in dem Batteriegehäusegrundkörper (12) angeordnet ist. Dabei ist an dem Batteriegehäusegrundkörper (12) mindestens eine Montageöffnung (32) vorgesehen, um den mindestens einen Zellverbund (14a, 14b) bei der Montage der Batterieeinheit (10) in das Batteriegehäuse einbringen zu können. Dabei ist die mindestens eine Montageöffnung (32) des Batteriegehäusegrundkörpers (12) mittels eines Deckelelements (18a, 18b) derart verschlossen, dass ein Batteriegehäuse gebildet ist. Ferner ist das Deckelelement (18a, 18b) als Funktionsbereich derart ausgelegt ist, sich es sich bei einer Volumenvergrößerung des Batteriegehäuses als Primär-Verformungselement zur Gehäuseaußenseite hin reversibel aufwölben und/oder reversibel ausfahren lässt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit bestehend aus einem Batteriegehäuse, mindestens einem, in diesem Batteriegehäuse angeordneten Zellverbund und mindestens einem Zellmanagement-Controller. Insbesondere betrifft die Erfindung Batterieeinheiten mit mindestens zwei, in dem Batteriegehäuse angeordneten Zellverbünden und jeweils einem Zellmanagement-Controller je Zellverbund. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterieeinheit.
Aus DE 10 2013 201 160 A1 ist eine Batteriezelle mit einem Funktionsbereich in Form eines Ausdehnungs-Berst-Bereichs bekannt, der ein Gehäuse mit einem Behälter und einer Deckelanordnung aufweist, wobei das Gehäuse ferner eine Auswölbung ausbildet, wenn sich das Volumen eines Gehäuseinhalts innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbetriebsbereichs der Batteriezelle erhöht. Der Ausdehnungs-Berst-Bereich ist dazu ausgebildet, bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks innerhalb des Gehäuses zu bersten.
Aus DE 10 2012 216 479 A1 ist eine Batteriezelle mit einer in einer Gehäusedeckplatte integrierten Berstscheibe bekannt, die einen Funktionsbereich bildet. In der Deckplatte sind ein Sollbruchbereich und Schwächungsbereiche ausgebildet, die durch lokales Verprägen eines für die Deckplatte verwendeten Metallblechs erzeugt werden können. Dieser Sollbruchbereich soll bei einem erhöhten Innendruck des Gehäuses bersten.
Aus DE 10 2012 217 451 A1 ist eine Batteriezelle mit einem Gehäuse bekannt, wobei das Gehäuse einen metallischen Behälter mit einer Öffnung und eine metallische, mehrteilige Deckelanordnung aufweist, die unter anderem eine Deckplatte mit einer Durchführungsanordnung zum gasdichten Durchführen von elektrisch leitfähigen Kontaktanordnungen umfasst. Dabei ist in der Deckplatte ein als Funktionsbereich ausgebildeter Knackfederbereich mit reduzierter Materialdicke ausgebildet, der durch Prägen eines Metallblechs gefertigt ist. Der Knackfederbereich kann dabei einen ersten Zustand einnehmen, in dem er nach innen in das Gehäuse hinein gebogen ist, und einen zweiten Zustand, in dem er nach außen aus dem Gehäuse heraus gebogen ist, wobei im heraus gebogenen Zustand eine elektrische Verbindung zwischen der Deckplatte und einem von zwei Stromabnehmern hergestellt wird.
Bei allen vorstehend genannten Batteriezellen sind zwei zapfenartige Stromabnehmer durch die Deckelanordnung nach außen hindurch geführt, wobei die Funktionsbereiche jeweils beabstandet zu den Stromabnehmern ausgebildet sind. Nachteilig an diesen Batteriezellen ist zum einen, dass die Batteriezellen selbst ein eigenes Batteriezellengehäuse aufweisen, und zum anderen, dass solche Batteriezellen mit Batteriezellengehäuse - um die Batteriezellengehäuse zumindest vor größerer, die Batteriezellen schadender, mechanischer Belastung zu schützen - üblicherweise in ein weiteres Batteriegehäuse eingesetzt werden. Aufgrund von Fertigungs- und Montagetoleranzen entsteht so ein großes ungenutztes Luftvolumen in dem Batteriegehäuse, das insbesondere bei Temperaturschwankungen und einem damit verbundenen potentiellen Luftfeuchtigkeitsanstieg unvorteilhaft für die eingesetzten Batteriezellen ist. Ebenfalls nachteilig ist, dass bei relativ großen Luftvolumina relativ teure und technisch aufwendige Membrantechnik eingesetzt werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gewichtsoptimierte und funktional vorteilhafte Batterieeinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterieeinheit zu schaffen, die einfach und kostengünstig herstellbar, durchführbar und einsetzbar sind. Insbesondere sollen Batterieeinheiten geschaffen werden, die vorteilhaft in Verbindung mit Fahrzeugen, insbesondere mit Kraftfahrzeugen, genutzt werden können, beispielsweise als Antriebsenergiespeicher eines Kraftfahrzeuges. Es wird insoweit auch auf Kraftfahrzeuge mit einer solchen Batterieeinheit oder mit mehreren solcher Batterieeinheiten verwiesen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Batterieeinheit umfasst einen Batteriegehäusegrundkörper und mindestens einen, in dem Batteriegehäusegrundkörper angeordneten Zellverbund, wobei zusätzlich zu dem Zellverbund mindestens ein Zellmanagement-Controller in dem Batteriegehäusegrundkörper angeordnet ist. Dabei ist an dem Batteriegehäusegrundkörper mindestens eine Montageöffnung vorgesehen, um den mindestens einen Zellverbund bei der Montage der Batterieeinheit in das Batteriegehäuse einbringen zu können. Dabei ist die mindestens eine Montageöffnung des Batteriegehäusegrundkörpers mittels eines Deckelelements derart verschlossen, dass ein Batteriegehäuse gebildet ist. Ferner ist das Deckelelement als Funktionsbereich derart ausgelegt, dass sich es sich bei einer Volumenvergrößerung des Batteriegehäuses als Primär-Verformungselement zur Gehäuseaußenseite hin reversibel aufwölben und/oder reversibel ausfahren lässt.
Unter einem Batteriegehäusegrundkörper sind insbesondere und vorzugsweise einstückig ausgebildete Elemente zu verstehen, wie beispielsweise langgestreckte Strangpressprofile oder sonstige Elemente mit einer Montageöffnung oder mit zwei - insbesondere stirnseitig ausgebildeten - Montageöffnungen. Unter einem Batteriegehäusegrundkörper werden darüber hinaus aber auch mehrteilig aufgebaute Elemente verstanden, die - beispielsweise durch Schweißen oder auf sonstige Art und Weise - zu einem Grundkörper mit mindestens einer Montageöffnung miteinander verbunden sind.
Unter einem Primär-Verformungselement ist das Element zu verstehen, welches sich bei einer Druckerhöhung in dem Batteriegehäuse, die eine Volumenvergrößerung hervorruft, als erstes zu verformen beginnt und aufgrund einer geeigneten Verformungseigenschaft eine Volumenvergrößerung ermöglicht, die reversibel ist. Dazu ist beispielsweise die Biegesteifigkeit und/oder Oberflächenspannung des Primär-Verformungselementes - zumindest partiell - geringer als bei den übrigen Elementen des Batteriegehäuses. Kommt es zu einer Erhöhung des Innendrucks einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit, wölbt sich zunächst das Deckelelement nach außen, um eine Volumenvergrößerung zu bewirken. Sinkt der Innendruck später wieder ab, bildet sich die Aufwölbung in gleichem Maße wieder zurück.
Alternativ oder in Ergänzung dazu kann der Batteriegehäusegrundkörper eine geeignete, beispielsweise zieharmonikaartige Gestaltung aufweisen, die ein reversibles Ausfahren des Deckelements ermöglicht, um das Volumen des Batteriegehäuses in Folge einer Innendruckerhöhung temporär bedarfsweise zu vergrößern und anschließend bei wieder abfallendem Innendruck auch wieder zu verringern.
Eine erfindungsgemäße Batterieeinheit hat den Vorteil, dass bei geeigneter Auslegung des Deckelelements und des Batteriegehäusegrundkörpers ein vollständiges und flüssigkeitsdichtes Verschließen der Batterieeinheit realisiert werden kann, ohne dass befürchtet werden muss, dass es - während eines bestimmungsgemäßen Betriebes der Batterieeinheit innerhalb festgelegter Betriebsparameter - aufgrund von Volumenveränderungen zu einem Zerbersten des Batteriegehäuses kommt. Vorzugsweise werden maximale Volumenveränderungen bei bestimmungsgemäßem Betrieb zu mindestens 70 Prozent, weiter bevorzugt zu mindestens 85 Prozent und besonders bevorzugt zu 90 Prozent, 95 Prozent oder sogar 100 Prozent durch ein Aufwölben des Deckelelements ausgeglichen. Auf Membranen oder sonstige, technisch und finanziell aufwendige Vorrichtungen zur Ermöglichung eines Luftaustausches kann in diesem Fall verzichtet werden. Mit anderen Worten ausgedrückt ist eine erfindungsgemäße Batterieeinheit bevorzugt so ausgelegt, dass sie bestimmungsgemäße Druck- und Volumenänderungen ausschließlich durch eine Volumenanpassung, im Wesentlichen mittels der Deckelelemente aufnehmen kann, d.h. dass das Batteriegehäuse „atmen“ kann.
Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit ist, dass mit der beschriebenen Konstruktionsweise eine gewichtsoptimierte und funktional vorteilhafte Batterieeinheit geschaffen werden kann, die zudem einfach und kostengünstig herstellbar ist.
In einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit ist an dem mindestens einen Deckelelement und/oder an dem Batteriegehäusegrundkörper mindestens eine Verprägung ausgebildet. Derartige Verprägungen lassen sich besonders einfach und kostengünstig durch geeignete Umformung, insbesondere an einem Deckelelement und/oder einem Batteriegehäusegrundkörper aus einem metallischen Werkstoff, herstellen.
Als Verprägung werden dabei insbesondere rillenartige Materialvertiefungen verstanden, aufgrund welcher ein Aufwölben des Deckelelements begünstigt wird, d.h. welche die für ein Aufwölben erforderliche Biegesteifigkeit des Deckelelements im Vergleich zu einem Deckelelement ohne entsprechende Verprägung reduziert.
Als Verprägung werden dabei auch eine umlaufende Vertiefung oder mehrere umlaufende Vertiefungen verstanden, die an dem Batteriegehäusegrundkörper insbesondere ungefähr parallel zur Erstreckungsebene des Deckelelements angeordnet sind und somit ein bedarfsweises, reversibles translatorisches seitliches Ausfahren eines als Stirnfläche angeordneten Deckelelements ermöglichen.
Unter einem Ausfahren wird insbesondere ein translatorisches Ausfahren verstanden, das auch in Kombination mit einem biegesteifen Deckelelement realisierbar ist, indem an dem Batteriegehäusegrundkörper eine umlaufende Verprägung oder mehrere umlaufende Verprägungen ausgebildet sind, die bei einer Innendruckerhöhung in dem Batteriegehäuse ein ziehharmonikaartiges Aufweiten des Batteriegehäuses als Primär-Verformung dadurch bewirkt wird, dass das Deckelelement gemeinsam mit dem zwischen der umlaufenden Verprägung und der Stoßstelle zwischen Deckelement und Batteriegehäusegrundkörper liegenden Abschnitt überwiegend translatorisch nach außen geschoben wird, indem die Verprägung aufgrund eines sich erhöhenden Innendrucks in dem Batteriegehäuse aus einer gestauchten Lage in eine gestreckte Lage verbracht wird.
Sowohl ein Aufwölben als auch ein seitliches Ausfahren kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein oder mehrere geschlossene, sich über den vollen Umfang erstreckende Vertiefungen an dem Batteriegehäusegrundkörper und/oder an dem Deckelelement ausgebildet sind. Im Falle eines Deckelelements mit rechteckiger Außenkontur können beispielsweise ein oder mehrere Verprägungen parallel, aber beanstandet zur Außenkontur innerhalb der Deckelementfläche ausgebildet sein. Im Falle eines kreisrunden Deckelelements können entsprechend ein oder mehrere kreisrunde Verprägungen ausgebildet sein, insbesondere konzentrisch zur Außenkontur angeordnete Verprägungen. Ebenfalls möglich ist es, runde, ovale, sternförmig angeordnete oder beliebig anders geformte Verprägungen an Deckelelementen mit beliebiger Außengeometrie auszubilden.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform, die ergänzend oder alternativ realisiert sein kann, sind das Deckelelement und der Batteriegehäusegrundkörper aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, und das Deckelelement ist stoffschlüssig mit dem Batteriegehäusegrundkörper verbunden. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang eine Schweißverbindung oder eine Lötverbindung, weil diese stoffschlüssigen Verbindungstechniken mit großer Taktrate kostengünstig, automatisiert sowie in konstant hoher Fertigungsqualität durchgeführt werden können. Dazu müssen jedoch die metallischen Werkstoffe des Batteriegehäusegrundkörpers und des Deckelements die jeweilige Verbindungstechnik ermöglichen, d.h. es müssen miteinander verschweißbare und/oder miteinander verlötbare metallische Werkstoffe für diese Elemente ausgewählt werden.
Batteriegehäusegrundkörper aus metallischen Werkstoffen können in den meisten Fällen besonders einfach und kostengünstig als Strangpressprofile hergestellt sein, insbesondere in Form von langgestreckten Elementen mit einer stirnseitigen, außenseitigen Montageöffnung oder mit zwei stirnseitigen, jeweils außenseitigen Montageöffnungen.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform verschließt das mindestens eine Deckelelement die Montageöffnung des Batteriegehäuses vollflächig, und der Funktionsbereich erstreckt sich an dem Deckelelement über einen Großteil des Deckelelements. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Deckelelement an einer Stirnseite des Batteriegehäuses angeordnet ist, d.h. an einer im Verhältnis zur Oberseite, Unterseite und den beiden Längsseiten (welche bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug eine zur Fahrzeugvorderseite gerichtete Vorderseite und eine zur Fahrzeugrückseite gerichtete Rückseite sein können) eines langgestreckten quaderförmigen Batteriegehäusegrundkörpers eher kleinen Fläche. Bei einem sich über den Großteil des Deckelelements erstreckenden Funktionsbereich wölbt sich bei einem Aufwölben des Deckelelements das gesamte Deckelelement nach außen, so dass sich die durch eine Innendruckerhöhung bewirkte Volumenvergrößerung über die gesamte Deckelelementfläche erstreckt. In diesem Fall ändert sich beim Aufwölben die Relativlage des gesamten Deckelelements zu dem Batteriegehäusegrundkörper, d.h. die Stoßstelle zwischen diesen beiden Elementen wird stark beansprucht. Dies ist insoweit besonders effizient, als dann das gesamte Deckelelement für die Volumenvergrößerung genutzt werden kann.
Eine derartige Belastung der Stoßstelle kann verringert werden, wenn zusätzlich an dem Batteriegehäusegrundkörper eine Verprägung oder mehrere Verprägungen umlaufend ausgebildet sind, um ein zusätzliches seitliches Ausfahren des Deckelelements zu ermöglichen. Derartige Verprägungen an dem Batteriegehäusegrundkörper sind vorzugsweise nahe der Stoßstelle zwischen Deckelelement und Batteriegehäusegrundkörper an dem Batteriegehäusegrundkörper vorgesehen.
Die Sicherheit einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit kann weiter erhöht werden, wenn in dem Batteriegehäusegrundkörper ein Zellmanagement-Controller-Rahmen angeordnet ist, der in mindestens einer Erstreckungsrichtung an das Innenmaß des Batteriegehäusegrundkörpers angepasst ist oder der Zellmanagement-Controller selbst in mindestens einer Erstreckungsrichtung an das Innenmaß des Batteriegehäusegrundkörpers angepasst ist. In diesem Fall kann das Batteriegehäuse gemeinsam mit dem Zellmanagement-Controller-Rahmen einen eindimensionalen Lastpfad oder mehrere Lastpfade bilden, so dass auch ein zweidimensionaler Lastpfad realisierbar ist, beispielsweise ein in einer Fahrzeuglängsrichtung vorgesehener Lastpfad und ein in einer Fahrzeughochrichtung vorgesehener Lastpfad, wenn es sich bei der Batterieeinheit um eine in einem Kraftfahrzeug eingesetzte Batterieeinheit handelt. Unter einem Zellmanagement-Controller-Rahmen werden auch solche Konstruktionen erfasst, die einen zu einem Gehäuse weitergebildeten Rahmen aufweisen und beispielsweise nur eine Einschuböffnung aufweisen, aber ansonsten den Zellmanagement-Controller vollständig umschließen.
In diesem Fall dienen der Zellmanagement-Controller-Rahmen und/oder der Zellmanagement-Controller selbst als innere Versteifungsstruktur zur Erhöhung der Crashsicherheit einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit.
Wenn mindestens ein Stromabnehmer von einer Zugangsfläche des Batteriegehäusegrundkörpers aus zugänglich angeordnet ist, die von der mittels des Deckelelements verschlossenen Seite des Batteriegehäuses abweichend ist, können die Verschaltung der Batterieeinheit einerseits und die Seite, über welche der mindestens eine Zellverbund eingebracht wird, räumlich voneinander getrennt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Komplexität während der Montage der erfindungsgemäßen Batterieeinheit reduziert und Fehler bei der Montage vermieden werden.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit ist mindestens ein nicht formstabiler Zellverbund in dem Batteriegehäuse angeordnet. Bei einem solchen nicht formstabilen Zellverbund handelt es sich beispielsweise um Pouch-Zellen, die sich bei auftretendem äußeren Druck üblicherweise unmittelbar verformen und dort besonders stark nachgeben, wo entsprechender Druck einwirkt.
Insbesondere wenn ein nicht formstabiler Zellverbund in dem Batteriegehäuse angeordnet ist, ist es von Vorteil, wenn das Batteriegehäuse in mindestens einer Erstreckungsrichtung zur Aufnahme von mechanischen Belastungskräften in Höhe von mindestens 50 kN ausgelegt ist. Denn dann ist der Zellverbund auch bei einem Einsatz in Kraftfahrzeugen, die mit teilweise hohen Geschwindigkeiten bewegt werden und in Unfälle verwickelt sein können, ausreichend geschützt. Vorzugsweise ist das Batteriegehäuse in einer Fahrzeugquerrichtung so ausgelegt, dass es mindestens 50 kN, bevorzugt mindestens 75 kN und weiter bevorzugt mindestens 100 kN standhält, ohne dass es dabei zu einer einen umschlossenen nicht formstabilen Zellverbund beeinträchtigenden Verformung des Batteriegehäuses kommt. Die Batterieeinheit kann dann selbst Teil eines Lastpfades sein, insbesondere zur Aufnahme von quer zur Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges wirkenden Kräften und/oder in Fahrzeuglängsrichtung und/oder in Fahrzeughochrichtung auf die Batterieeinheit einwirkenden Kräften.
Wenn mindestens zwei Zellmanagement-Controller innerhalb des Batteriegehäusegrundkörpers angeordnet sind und jeder Zellmanagement-Controller mit mindestens einem separaten Zellverbund funktional verbunden ist, ergibt sich ein konstruktiv besonders einfacher Aufbau, bei dem die Zellmanagement-Controller auch vorteilhaft als separierende Zwischenwände und/oder Lastpfade genutzt werden können. Dies gilt insbesondere für Fälle, in denen die Zellmanagement-Controller in mittleren Bereichen, beabstandet von den jeweiligen Deckelementen angeordnet sind.
Besonders einfach und kostengünstig lässt sich ein Batteriegehäusegrundkörper einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit als Aluminiumstrangpressprofil oder sonstiges metallisches Strangpressprofil herstellen, wobei an mindestens einer Stirnseite eine Montageöffnung ausgebildet ist und diese Montageöffnung mittels des Deckelelements verschlossen ist. Mit verschlossen ist hier insbesondere eine fluiddichtend verschließende Anordnung des Deckelelements an dem Batteriegehäusegrundkörper gemeint.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist durch die Anordnung von einem oder mehreren Deckelelementen und/oder einem oder mehreren Zellmanagement-Controllern und/oder entsprechenden Zellmanagement-Controller-Rahmen innerhalb des Batteriegehäusegrundkörpers eine Zellverbundkammer zur Aufnahme mindestens eines nicht formstabilen Zellverbundes gebildet. Diese Ausführungsform ist mit einer besonders effizienten Volumenausnutzung verbunden und ermöglicht zugleich einen guten mechanischen Schutz von nicht formstabilen Zellverbünden. Vorzugsweise ist das eingeschlossene Luft- bzw. Gasvolumen einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit kleiner als 5 Prozent des eingeschlossenen Gesamtvolumens, weiter bevorzugt kleiner al 3 Prozent, kleiner als 2 Prozent oder sogar kleiner als 1 Prozent. Dabei wird das eingeschlossene Gasvolumen insbesondere dadurch minimiert, dass ein oder mehrere nicht formstabile Zellverbünde mit Druck beaufschlagt und komprimiert in den Batteriegehäusegrundkörper eingebracht werden und dort vor dem Verschließen der Montageöffnung(en) wieder expandieren, so dass das Luft- bzw. Gasvolumen durch die Expansion des einen, nicht formstabilen Zellverbundes oder der mehreren, nicht formstabilen Zellverbünde verdrängt wird, bevor das Deckelelement oder die Deckelelemente fest mit dem Batteriegehäusegrundkörper verbunden werden.
Weiter bevorzugt sind die Zellverbünde so ausgelegt, dass diese beim Positionieren der Deckelelemente in ihrer Soll-Position unmittelbar vor der - vorzugsweise stoffschlüssigen Verbindung mit dem Batteriegehäusegrundkörper - zumindest leicht - mit Druck beaufschlagen, so dass sich die Zellverbünde weitestgehend in allen Richtungen an die Innenwände des Batteriegehäuses andrücken und Luft- bzw. Gaseinschlüssen entgegenwirken.
Unabhängig von dem Vorstehenden wird bei der Montage der Deckelelemente vorzugsweise ein fluiddichtes Batteriegehäuse gebildet, insbesondere ein tauchwasserdichtes Batteriegehäuse, das ausschließlich an den nach außen geführten Anschlusskontakten, insbesondere Hochvoltverbindern, noch mit zusätzlichen Maßnahmen abgedichtet werden muss.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieeinheit mit einem Batteriegehäusegrundkörper, mindestens einem in dem Batteriegehäusegrundkörper angeordneten Zellverbund und mindestens einem in dem Batteriegehäusegrundkörper angeordneten Zellmanagement-Controller, wobei folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

a) Einführen mindestens eines Zellverbundes - vorzugweise mindestens teilweise aus nicht formstabilen Elementen bestehend - durch mindestens eine Montageöffnung des Batteriegehäusegrundkörpers,
b) Einführen mindestens eines Zellmanagement-Controllers in den Batteriegehäuseg rundkörper,
c) Herstellen einer Verbindung zwischen mindestens einem separaten Deckelelement und dem Batteriegehäusegrundkörper derart, dass ein Batteriegehäuse gebildet ist und das Deckelelement als Funktionsbereich derart ausgelegt ist, dass es sich bei einer Volumenvergrößerung des Batteriegehäuses als Primär-Verformungselement zur Gehäuseaußenseite hin reversibel aufwölben und/oder reversibel ausfahren lässt.

Das Einführen des mindestens einen Zellmanagement-Controllers kann entweder ebenfalls über die Montageöffnung oder über eine weitere Öffnung erfolgen, insbesondere über eine im Bereich der Unterseite eines Batteriegehäusegrundkörpers ausgebildete Einführöffnung.
Wenn ein separater Zellmanagement-Controller-Rahmen vorgesehen ist, wird vorzugsweise der Zellmanagement-Controller-Rahmen über die Montageöffnung in den Batteriegehäusegrundkörper eingebracht und der bzw. die Zellmanagement-Controller selbst über eine Öffnung oder mehrere Öffnungen im Bereich einer Unterseite des Batteriegehäusegrundkörpers.
Hinsichtlich des Primär-Verformungselements sowie hinsichtlich weiterer möglicher Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens, wird darauf verwiesen, dass sämtliche Elemente insbesondere einfach und kostengünstig so gestaltet sein können, wie vorstehend in Verbindung mit den Vorrichtungsansprüchen beschrieben wurde. Die Erfindung erstreckt sich insoweit auch auf Verfahren mit einzelnen oder mehreren der vorstehend beschriebenen Elemente.
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Batterieeinheit mit ausgewählten Elementen in einer Explosionsdarstellung,
2 die Batterieeinheit aus 1 in einem montierten Zustand mit transparent dargestellten Wänden des Batteriegehäusegrundkörpers und
3 die Batterieeinheit aus den 1 und 2 mit einer Detaildarstellung der Anordnung von Zellmanagement-Controller-Rahmen und Zellmanagement-Controllern.

In den 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit 10 gezeigt. Wie in 1 gut erkennbar ist, umfasst die Batterieeinheit 10 einen sich in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) erstreckenden, langgestreckten Batteriegehäusegrundkörper 12, einen schematisch dargestellten ersten Zellverbund 14a, einen schematisch dargestellten zweiten Zellverbund 14b, einen ersten Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, einen zweiten Zellmanagement-Controller-Rahmen 16b (nur in 2 dargestellt) sowie ein erstes Deckelelement 18a und ein zweites Deckelelement 18b.
Wie in den 1 bis 3 zu erkennen ist, sind in den Deckelelementen 18a, 18b jeweils drei umlaufende Funktionsbereiche in Form von Verprägungen 20 ausgebildet. Bei diesen Verprägungen 20 handelt es sich um rillenartige Bereiche, die gegenüber der benachbarten Oberfläche des jeweiligen Deckelelements 18a, 18b in eine Richtung hervorstehen. Die jeweils drei bei der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform ausgebildeten Verprägungen 20 sind so angeordnet, dass jeweils eine Verprägung 20 eine benachbarte, weiter innen angeordnete Verprägung 20 vollständig umschließt, wobei insgesamt drei umlaufende Verprägungen 20 vorgesehen sind.
Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Batteriegehäusegrundkörper 12 handelt es sich vorliegend um ein Strangpressprofil aus Aluminium. Dieses Strangpressprofil ist in der gezeigten Ausführungsform quaderförmig ausgebildet und umfasst eine Oberseite 22, eine Unterseite 24, eine in Einbaulage in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug nach vorne gerichtete Vorderseite 26 und eine in Einbaulage in einem Kraftfahrzeug nach hinten gerichtete Rückseite 28. Die Oberseite 22, die Vorderseite 26, die Unterseite 24 und die Rückseite 28 umschließen einen Aufnahmeraum für die zwischen den Deckelelementen 18a und 18b angeordneten Elemente. Wie aus 1 gut ersichtlich ist, sind die beiden Stirnseiten 30a, 30b des Batteriegehäusegrundkörpers 12 vor der Montage offen und dienen als Montageöffnung 32 zum Einführen der von der Batterieeinheit 10 aufzunehmenden Elemente.
Die Deckelelemente 18a, 18b sind in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls aus Aluminium hergestellt und als flächige Elemente ausgebildet. Die Verprägungen 20 lassen sich daher in bekannter Art und Weise einfach und kostengünstig mit geeigneten Prägeverfahren an den flächigen Elementen herstellen.
Die Größe der Deckelelemente 18a, 18b ist auf die stirnseitigen Öffnungen 30a, 30b derart abgestimmt, dass die Außenkanten der Deckelelemente 18a, 18b jeweils bündig mit der Oberseite 22 und Unterseite 24, Vorderseite 26 und Rückseite 28 abschließend angeordnet werden können, um die Deckelelemente 18a, 18b anschließend fest mit dem Batteriegehäusegrundkörper 12 zu verbinden. Eine derartige Verbindung kann nach Montage aller Elemente in dem Batteriegehäusegrundkörper 12 insbesondere stoffschlüssig erfolgen, vorzugsweise durch Schweißen entlang des jeweiligen Stoßes.
Wie bereits erwähnt, sind die Zellverbünde 14a, 14b in 1 nur schematisch dargestellt. Bei diesen Zellverbünden 14a, 14b handelt es sich vorzugsweise um nicht formstabile Batteriezellen 34, die über in 1 schematisch dargestellte Schaltverbinder 36a, 36b miteinander zu einem Zellverbund 14a, 14b verschaltet sein können. Bei den nicht formstabilen Batteriezellen handelt es sich vorzugsweise um mehrere, miteinander verschaltete Pouch-Zellen.
Wie insbesondere in 3 gut ersichtlich ist, sind die beiden Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b (in 3 ist nur der erste Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a gezeigt) in der gezeigten Ausführungsform gehäuseartig ausgebildet. Die sich im eingebauten Zustand einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) erstreckende Länge lz des Zellmanagement-Controller-Rahmens 16a, 16b ist jeweils auf die sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckende Innenlänge I_B des Batteriegehäusegrundkörpers 12 derart abgestimmt, dass von außen im Bereich eines Zellmanagement-Controller-Rahmens 16a, 16b auf den Batteriegehäusegrundkörper 12 in Längsrichtung einwirkende Kräfte sich jeweils an dem Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b abstützen können. Der Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b dient insoweit auch als sogenannter X-Lastpfad, entlang welchem sich in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) wirkende Kräfte abstützen können.
In der gezeigten Ausführungsform ist auch die sich in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) erstreckende Höhe hz der Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b auf die Höhe h_B des Innenmaßes des Batteriegehäusegrundkörpers 12 entsprechend abgestimmt, so dass der Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b jeweils auch einen Z-Lastpfad bildet. Dadurch kann die Biegesteifigkeit der Batterieeinheit 10 deutlich erhöht werden, wodurch die Batterieeinheit 10 die darin aufgenommenen Batteriezellen 34 bei während des Fahrbetriebs oder im Crashfall auftretenden hohen Kräften sehr gut vor mechanischer Belastung schützt.
In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich darüber hinaus ein in Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) wirkender Y-Lastpfad von den Deckelelementen 18a, 18b aus über die Wände des Batteriegehäusegrundkörpers 12 und stützt sich zudem über die in etwa mittig des Batteriegehäuses fest mit dem Batteriegehäusegrundkörper 12 verbundenen Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b ab.
Wie in den 1 und 3 gut erkennbar ist, sind die Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b dazu ausgebildet, Zellmanagement-Controller 38 über nicht dargestellte, unterseitig in dem Batteriegehäusegrundkörper 12 und in den Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b ausgebildete Einführöffnungen aufzunehmen. In der gezeigten Ausführungsform ist das Einführen von jeweils zwei Management-Controllern 38 in einen Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b vorgesehen. Die Zellmanagement-Controller 38 sind plattenartig ausgebildet und werden zur Befestigung innerhalb der Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b mit den in 3 angedeuteten Schrauben 40 mit dem Batteriegehäusegrundkörper 12 und dem Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b verschraubt. Eine nicht näher dargestellte Abdichtung der Zellmanagement-Controller 38 gegenüber dem Batteriegehäusegrundkörper 12 ist ebenfalls vorgesehen.
Wie in 1 gut erkennbar ist, sind oberseitig der Zellverbünde 14a, 14b jeweils auf der zu den Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b gerichteten Seite zwei Hochvoltsteckverbinder 42 vorgesehen.
In der gezeigten Ausführungsform sind an den Zellmanagement-Controllern 38 jeweils nicht im Detail dargestellte drahtlose Schnittstellen vorgesehen, die eine Kommunikation der Zellmanagement-Controller 38 mit einer nicht dargestellten Batteriesteuerung ermöglicht, insbesondere eine optische Kommunikation oder eine sonstige drahtlose Kommunikation, beispielsweise über eine Funkverbindung.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit 10 erfolgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch Einführen jeweils mindestens eines Zellverbundes 14a, 14b und mindestens eines Zellmanagement-Controller-Rahmens 16a, 16b durch die stirnseitigen Öffnungen 30a, 30b in den Batteriegehäusegrundkörper 12. Es wird aber auch nochmals darauf hingewiesen, dass die Zellmanagement-Controller-Rahmen 16a, 16b alternativ auch durch Öffnungen in dem Batteriegehäusegrundkörper 12 auf der Unterseite 24 eingebracht werden können.
Anschließend wird eine Verbindung zwischen mindestens einem separaten Deckelelement 18a, 18b und dem Batteriegehäusegrundkörper 12 derart hergestellt, dass ein fluiddichtes - vorzugsweise tauchwasserdichtes - Batteriegehäuse gebildet ist und das Deckelelement 18a, 18b als Funktionsbereich derart ausgelegt ist, dass es sich bei einer Volumenvergrößerung des Batteriegehäuses als Primär-Verformungselement zur Gehäuseaußenseite reversibel aufwölben und/oder reversibel ausfahren lässt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Deckelelemente 18a, 18b mit Hilfe der Verprägungen 20 derart gestaltet, dass sich diese bei einer Erhöhung des Innendrucks in dem Batteriegehäuse nach außen aufwölben. Dabei erstreckt sich die Aufwölbung über die gesamte Fläche des jeweiligen Deckelelements 18a, 18b.
Nach Einbringen der Zellverbünde 14a, 14b werden die Deckelelemente 18a, 18b mit dem Batteriegehäusegrundkörper 12 verschweißt, so dass ein nicht demontierbares, fluiddichtes Batteriegehäuse gebildet ist.
Aufgrund der nicht dargestellten, im Bereich der Unterseite 24 des Batteriegehäusegrundkörpers 12 ausgebildeten Einführöffnungen, welche Revisionsöffnungen darstellen, sind die Zellmanagement-Controller 38 austauschbar in dem Batteriegehäusegrundkörper 12 angeordnet. Diese Zellmanagement-Controller 38 sind auch derart gegenüber dem Batteriegehäusegrundkörper 12 abgedichtet, dass ein Feuchtigkeitseintritt wirksam vermieden wird. Das Gleiche gilt für die Verbindung zwischen den Deckelelementen 18a, 18b und dem Batteriegehäusegrundkörper 12.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Batterieeinheit
12: Batteriegehäusegrundkörper
14a: erster Zellverbund
14b: zweiter Zellverbund
16a: erster Zellmanagement-Controller-Rahmen
16b: zweiter Zellmanagement-Controller-Rahmen
18a: erstes Deckelelement
18b: zweites Deckelelement
20: Verprägung
22: Oberseite
24: Unterseite
26: Vorderseite
28: Rückseite
30a: stirnseitige Öffnung
30b: stirnseitige Öffnung
32: Montageöffnung
34: Batteriezelle
36a: Schaltverbinder
36b: Schaltverbinder
38: Zellmanagement-Controller
40: Schraube
42: Hochvoltsteckverbinder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013201160 A1 [0002]
DE 102012216479 A1 [0003]
DE 102012217451 A1 [0004]

Claims

Batterieeinheit mit einem Batteriegehäusegrundkörper (12) und mindestens einem, in dem Batteriegehäusegrundkörper (12) angeordneten Zellverbund (14a, 14b), wobei zusätzlich zu dem Zellverbund (14a, 14b) mindestens ein Zellmanagement-Controller (38) in dem Batteriegehäusegrundkörper (12) angeordnet ist, wobei an dem Batteriegehäusegrundkörper (12) mindestens eine Montageöffnung (32) vorgesehen ist, um den mindestens einen Zellverbund (14a, 14b) bei der Montage in den Batteriegehäusegrundkörper (12) einbringen zu können, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Montageöffnung (32) des Batteriegehäusegrundkörpers (12) mittels eines Deckelelements (18a, 18b) derart verschlossen ist, dass ein Batteriegehäuse gebildet ist, und das Deckelelement (18a, 18b) als Funktionsbereich derart ausgelegt ist, dass es sich bei einer Volumenvergrößerung des Batteriegehäuses als Primär-Verformungselement zur Gehäuseaußenseite hin reversibel aufwölben und/oder reversibel ausfahren lässt.
Batterieeinheit nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mindestens einen Deckelelement (18a, 18b) und/oder an dem Batteriegehäusegrundkörper (12) mindestens eine Verprägung (20) ausgebildet ist.
Batterieeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelement (18a, 18b) und der Batteriegehäusegrundkörper (12) aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sind und das Deckelelement (18a, 18b) stoffschlüssig mit dem Batteriegehäusegrundkörper (12) verbunden ist.
Batterieeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement (18a, 18b) die Montageöffnung (32) des Batteriegehäuses vollflächig verschließt und sich der Funktionsbereich über einen Großteil des Deckelelements (18a, 18b) erstreckt.
Batterieeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Batteriegehäusegrundkörper (12) ein Zellmanagement-Controller-Rahmen (16a, 16b) angeordnet ist, der in mindestens einer Erstreckungsrichtung an das Innenmaß des Batteriegehäusegrundkörpers (12) angepasst ist und/oder dass der Zellmanagement-Controller (38) selbst in mindestens einer Erstreckungsrichtung an das Innenmaß des Batteriegehäusegrundkörpers (12) angepasst ist.
Batterieeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stromabnehmer von einer Zugangsfläche des Batteriegehäusegrundkörpers (12) aus zugänglich angeordnet ist, die von der mittels des Deckelelements (18a, 18b) verschlossenen Seite des Batteriegehäuses abweichend ist.
Batterieeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zellverbund (14a, 14b) ein nicht formstabiler Zellverbund ist, der zumindest teilweise unmittelbar an mindestens eine Innenwand des Batteriegehäuses angrenzend in dem Batteriegehäuse angeordnet ist.
Batterieeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Zellmanagement-Controller (38) innerhalb des Batteriegehäusegrundkörpers (12) angeordnet sind und jeder Zellmanagement-Controller (38) mit mindestens einem separaten Zellverbund (14a, 14b) funktional verbunden ist.
Batterieeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anordnung von einem oder mehreren Deckelelementen (18a, 18b) und/oder einem oder mehreren Zellmanagement-Controllern (38) innerhalb des Batteriegehäusegrundkörpers (12) eine Zellverbundkammer zur Aufnahme mindestens eines nicht formstabilen Zellverbundes (14a, 14b) gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterieeinheit (10) mit mindestens einem Batteriegehäusegrundkörper (12), mindestens einem in dem Batteriegehäusegrundkörper (12) angeordneten Zellverbund (14a, 14b) und mindestens einem in dem Batteriegehäusegrundkörper (12) angeordneten Zellmanagement-Controller (38), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Einführen mindestens eines Zellverbundes (14a, 14b) durch mindestens eine Montageöffnung (32) des Batteriegehäusegrundkörpers (12), b) Einführen mindestens eines Zellmanagement-Controllers (38) in den Batteriegehäusegrundkörper (12), c) Herstellen einer Verbindung zwischen mindestens einem separaten Deckelelement (18a, 18b) und dem Batteriegehäusegrundkörper (12) derart, dass ein Batteriegehäuse gebildet ist und das Deckelelement (18a, 18b) als Funktionsbereich derart ausgelegt ist, dass es sich bei einer Volumenvergrößerung des Batteriegehäuses als Primär-Verformungselement zur Gehäuseaußenseite hin reversibel aufwölben und/oder reversibel ausfahren lässt.