DE102018126272A1

DE102018126272A1 - Batteriearrayplattenbaugruppe mit druckhaltepuffer

Info

Publication number: DE102018126272A1
Application number: DE102018126272.8A
Authority: DE
Inventors: Jacob Wiles; Dylan Erb; Alexander Bartlett; Bikram Singh; Baocheng SUN
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2019-04-25
Also published as: CN109698294A; US20190123317A1; US10581041B2

Abstract

Eine beispielhafte Baugruppe beinhaltet unter anderem eine Gruppe von Batteriezellen und eine Arrayplattenbaugruppe, die einen Druckhaltepuffer aufweist, der ausgelegt ist, sich als Reaktion darauf, dass sich die Gruppe von Batteriezellen ausdehnt, plastisch zu verformen. Ein beispielhaftes Verfahren beinhaltet unter anderem das Zusammendrücken einer Gruppe von Batteriezellen mit einer Arrayplattenbaugruppe, die einen Druckhaltepuffer aufweist, wobei sich der Druckhaltepuffer als Reaktion darauf, dass sich die Gruppe von Batteriezellen ausdehnt, plastisch verformt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Arrayplattenbaugruppen in Batteriepacks von elektrifizierten Fahrzeugen. Eine beispielhafte Arrayplattenbaugruppe beinhaltet einen Druckhaltepuffer, der das Aufrechterhalten eines relativ gleichmäßigen Drucks auf Batteriezellen des Batteriepacks ermöglicht, selbst wenn sich die Batteriezellen im Laufe der Zeit ausdehnen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Im Allgemeinen unterscheiden sich elektrifizierte Fahrzeuge von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, da elektrifizierte Fahrzeuge unter Verwendung einer oder mehrerer batteriebetriebener elektrischer Maschinen selektiv angetrieben werden. Herkömmliche Kraftfahrzeuge werden im Gegensatz zu elektrifizierten Fahrzeugen ausschließlich mit einem Verbrennungsmotor angetrieben. Elektrifizierte Fahrzeuge können anstelle von oder zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor elektrische Maschinen verwenden.
Beispielhafte elektrifizierte Fahrzeuge sind Hybridelektrofahrzeuge (Hybrid Electric Vehicles - HEV), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicles - PHEV), Brennstoffzellenfahrzeuge und batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (Battery Electric Vehicles - BEV). Ein Antriebsstrang für ein elektrifiziertes Fahrzeug kann ein Hochspannungsbatteriepack beinhalten, das Batteriezellen aufweist, die elektrische Leistung zum Antreiben der elektrischen Maschinen und anderer elektrischer Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs speichern.
Der Batteriepack beinhaltet eine Vielzahl von Batteriezellen, die Energie speichern, um die elektrischen Verbraucher mit Leistung zu versorgen. Während des Betriebs auf die Batteriezellen ausgeübter Druck kann die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen beeinflussen. Von Zeit zu Zeit, wie etwa wenn die Batteriezellen geladen werden, kann sich das externe Profil der Batteriezellen auswölben oder anschwellen. Das Auswölben oder Anschwellen kann dazu führen, dass sich die Abmessungen der Batteriezellen ändern, was zu einem erhöhten Druck auf die Batteriezellen führen und Schwierigkeiten in Bezug auf die Gehäuse schaffen kann.
KURZDARSTELLUNG
Eine Baugruppe gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem eine Gruppe von Batteriezellen und eine Arrayplattenbaugruppe, die einen Druckhaltepuffer aufweist, der ausgelegt ist, sich als Reaktion darauf, dass sich die Gruppe von Batteriezellen ausdehnt, plastisch zu verformen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform der vorstehenden Baugruppe umfasst der Druckhaltepuffer einen offenzelligen Schaumstoff.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einer der vorstehenden Baugruppen besteht der Druckhaltepuffer aus einem Kohlenstoff oder einem Material auf Kohlenstoffbasis.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einer der vorstehenden Baugruppen beinhaltet der Druckhaltepuffer ferner eine erste und eine zweite Unterplatte. Der offenzellige Schaumstoff ist zwischen der ersten und zweiten Unterplatte angeordnet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einer der vorstehenden Baugruppen verfügen die erste und zweite Unterplatte über eine Materialzusammensetzung, die die gleiche ist wie eine Materialzusammensetzung des offenzelligen Schaumstoffs.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einer der vorstehenden Baugruppen bestehen die erste Unterplatte, die zweite Unterplatte und der offenzellige Schaumstoff jeweils aus einem Kohlenstoff oder einem Material auf Kohlenstoffbasis.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einer der vorstehenden Baugruppen ist die Arrayplattenbaugruppe an einem Längsende der Gruppe von Batteriezellen positioniert.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einer der vorstehenden Baugruppen ist die Arrayplattenbaugruppe eine erste Arrayplattenbaugruppe an einem ersten Längsende der Gruppe von Batteriezellen. Die Baugruppe beinhaltet ferner eine zweite Arrayplattenbaugruppe, die einen Druckhaltepuffer aufweist, an einem gegenüberliegenden, zweiten Längsende der Gruppe von Batteriezellen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einer der vorstehenden Baugruppen ist der Druckhaltepuffer ausgelegt, sich als Reaktion auf einen Druck auf den Druckhaltepuffer, der gleich oder größer als fünf Pfund pro Quadratzoll ist, plastisch zu verformen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einer der vorstehenden Baugruppen ist der Druckhaltepuffer derart ausgelegt, dass ein auf die Gruppe von Batteriezellen ausgeübter Druck nominal der gleiche bleibt, wenn sich der Druckhaltepuffer plastisch verformt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einer der vorstehenden Baugruppen ist die Gruppe von Batteriezellen entlang einer Längsachse angeordnet und die plastische Verformung des Druckhaltepuffers verringert eine axiale Breite des Druckhaltepuffers.
Ein Verfahren gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem das Zusammendrücken einer Gruppe von Batteriezellen mit einer Arrayplattenbaugruppe, die einen Druckhaltepuffer aufweist. Der Druckhaltepuffer verformt sich als Reaktion darauf, dass sich die Gruppe von Batteriezellen ausdehnt, plastisch.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Verfahrens beinhaltet der Druckhaltepuffer einen offenzelligen Schaumstoff.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren ist der offenzellige Schaumstoff zwischen einer ersten und zweiten Unterplatte der Arrayplattenbaugruppe angeordnet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem der vorstehenden Verfahren ist eine Materialzusammensetzung der ersten und zweiten Unterplatte die gleiche wie eine Materialzusammensetzung des offenzelligen Schaumstoffs.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem der vorstehenden Verfahren ist die Gruppe von Batteriezellen entlang einer Längsachse verteilt und das Zusammendrücken ist ein axiales Zusammendrücken.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem der vorstehenden Verfahren ist die Arrayplattenbaugruppe eine erste Endplattenbaugruppe an einem ersten Längsende der Gruppe von Batteriezellen und das Zusammendrücken umfasst das Zusammendrücken der Gruppe von Batteriezellen zwischen der ersten Endplattenbaugruppe und einer zweiten Endplattenbaugruppe an einem gegenüberliegenden zweiten Längsende der Gruppe von Batteriezellen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem der vorstehenden Verfahren verformt sich der Druckhaltepuffer plastisch als Reaktion auf einen Druck auf den Druckhaltepuffer, der gleich oder größer als fünf Pfund pro Quadratzoll ist.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem der vorstehenden Verfahren bleibt ein auf die Gruppe von Batteriezellen ausgeübter Druck nominal der gleiche, wenn sich der Druckhaltepuffer plastisch verformt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem der vorstehenden Verfahren ist die Gruppe von Batteriezellen entlang einer Längsachse angeordnet und das plastische Verformen des Druckhaltepuffers verringert eine axiale Breite des Druckhaltepuffers.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorhergehenden Absätze, die Patentansprüche oder die folgende Beschreibung und die folgenden Zeichnungen, einschließlich ihrer sämtlichen verschiedenen Aspekte oder entsprechenden Einzelmerkmale, können unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination miteinander betrachtet werden. Merkmale, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, gelten für alle Ausführungsformen, sofern solche Merkmale nicht inkompatibel sind.
Figurenliste
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der offenbarten Beispiele werden dem Fachmann aus der detaillierten Beschreibung ersichtlich. Die der ausführlichen Beschreibung beigefügten Figuren können kurz wie folgt beschrieben werden:

1 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs eines elektrifizierten Fahrzeugs.
2 veranschaulicht ein Array von einem Batteriepack in dem Antriebsstrang aus 1.
3 veranschaulicht eine Seitenansicht einer Arrayplattenbaugruppe von dem Array aus 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines Druckhaltepuffers aus der Arrayplattenbaugruppe von 3.
5 veranschaulicht eine Spannungs-Formveränderungs-Kurve für einen offenzelligen Schaumstoff, der in dem Druckhaltepuffer von 4 verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt Details von Batteriebaugruppen zur Verwendung in Batteriepacks von elektrifizierten Fahrzeugen.
Eine beispielhafte Batteriebaugruppe beinhaltet eine Gruppe von Batteriezellen und eine Arrayplattenbaugruppe. Wenn sich eine oder mehrere der Batteriezellen ausdehnen, kann ein Druckhaltepuffer der Arrayplattenbaugruppe zusammengedrückt werden und sich plastisch verformen. Der Druckhaltepuffer kann Veränderungen der Abmessungen der Gruppe von Batteriezellen aufgrund des Ausdehnens einer oder mehrerer der Batteriezellen ermöglichen, während er einen Druck auf die Batteriezellen innerhalb eines gewünschten Bereichs hält.
1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang 10 für ein elektrifiziertes Fahrzeug, bei dem es sich in diesem Beispiel um ein Hybridelektrofahrzeug (HEV) handelt. Obwohl ein HEV abgebildet ist, versteht es sich, dass die hier beschriebenen Konzepte nicht auf HEVs beschränkt sind und sich auf beliebige andere Arten von elektrifizierten Fahrzeugen erstrecken könnten, darunter unter anderem Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs), batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs), Brennstoffzellenfahrzeuge usw.
Der Antriebsstrang 10 beinhaltet einen Batteriepack 14, einen Elektromotor 18, einen Generator 20 und einen Verbrennungsmotor 22. Der Elektromotor 18 und der Generator 20 sind Arten von elektrischen Maschinen. Der Elektromotor 18 und der Generator 20 können getrennt sein oder können die Form eines kombinierten Motor-Generators aufweisen.
In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem Antriebsstrang 10 um ein Antriebsstrangsystem mit Leistungsverzweigung, der ein erstes Antriebssystem und ein zweites Antriebssystem einsetzt. Das erste und das zweite Antriebssystem erzeugen ein Drehmoment zum Antreiben von einer oder mehreren Gruppen von Fahrzeugantriebsrädern 26 des elektrifizierten Fahrzeugs. Das erste Antriebssystem beinhaltet eine Kombination des Verbrennungsmotors 22 und des Generators 20. Das zweite Antriebssystem beinhaltet wenigstens den Elektromotor 18, den Generator 20 und den Batteriepack 14. Der Elektromotor 18 und der Generator 20 sind Teile eines elektrischen Antriebssystems des Antriebsstrangs 10.
Der Motor 22, bei dem es sich in diesem Beispiel um einen Verbrennungsmotor handelt, und der Generator 20 können durch eine Kraftübertragungseinheit 30, wie etwa einen Planetenradsatz, miteinander verbunden sein. Selbstverständlich können andere Arten von Leistungsübertragungseinheiten, einschließlich anderer Zahnradsätze und Getriebe, verwendet werden, um den Verbrennungsmotor 22 mit dem Generator 20 zu verbinden. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform handelt es sich bei der Kraftübertragungseinheit 30 um einen Planetenradsatz, der ein Hohlrad 32, ein Sonnenrad 34 und eine Trägerbaugruppe 36 beinhaltet.
Der Generator 20 kann vom Verbrennungsmotor 22 durch die Leistungsübertragungseinheit 30 angetrieben werden, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 20 kann alternativ als Elektromotor zum Umwandeln von elektrischer Energie in kinetische Energie fungieren, wodurch Drehmoment an eine Welle 38 ausgegeben wird, die mit der Leistungsübertragungseinheit 30 verbunden ist. Da der Generator 20 mit dem Verbrennungsmotor 22 wirkverbunden ist, kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors 22 durch den Generator 20 gesteuert werden.
Das Hohlrad 32 der Leistungsübertragungseinheit 30 kann mit einer Welle 40 verbunden sein, die über eine zweite Leistungsübertragungseinheit 44 mit Fahrzeugantriebsrädern 26 verbunden ist. Die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 kann einen Zahnradsatz mit einer Vielzahl von Zahnrädern 46 beinhalten. Andere Leistungsübertragungseinheiten können ebenfalls geeignet sein.
Die Zahnräder 46 übertragen Drehmoment vom Verbrennungsmotor 22 auf ein Differential 48, um letztlich den Fahrzeugantriebsrädern 26 Traktion bereitzustellen. Das Differential 48 kann eine Vielzahl von Zahnrädern beinhalten, welche die Übertragung von Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 26 ermöglichen. In diesem Beispiel ist die zweite Kraftübertragungseinheit 44 durch das Differential 48 mechanisch an eine Achse 50 gekoppelt, um Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 26 zu verteilen.
Der Elektromotor 18 kann zudem eingesetzt werden, um die Fahrzeugantriebsräder 26 durch Ausgeben von Drehmoment an eine Welle 52 anzutreiben, die ebenfalls mit der zweiten Leistungsübertragungseinheit 44 verbunden ist. In einer Ausführungsform wirken der Elektromotor 18 und der Generator 20 als Teil eines Nutzbremssystems zusammen, bei dem sowohl der Elektromotor 18 als auch der Generator 20 als Elektromotoren zum Ausgeben von Drehmoment eingesetzt werden können. Beispielsweise können der Elektromotor 18 und der Generator 20 jeweils elektrische Leistung an den Batteriepack 14 ausgeben.
Nun stellt unter Bezugnahme auf 2, unter fortgeführter Bezugnahme auf 1, der Batteriepack 14 eine Batterie mit relativ hoher Spannung bereit, die die erzeugte elektrische Leistung speichert und elektrische Leistung ausgibt, um den Elektromotor 18, den Generator 20 oder beides zu betreiben. Der Batteriepack 14 beinhaltet wenigstens ein Batteriearray 60, das eine Gruppe einzelner Batteriezellen 64 aufweist, die nebeneinander entlang einer Längsachse A angeordnet sind.
Die Gruppe von Batteriezellen 64 wird mitunter als „Zellstapel“ bezeichnet. In dieser Ausführungsform sind die Batteriezellen 64 Lithium-Ionen-Pouch-Zellen. Allerdings könnten Batteriezellen mit anderen Geometrien (zylindrisch, prismatisch usw.), anderen Chemikalien (Nickel-Metallhydrid, Blei-Säure usw.) oder beidem alternativ dazu verwendet werden.
Die Gruppe von Batteriezellen 64 ist axial zwischen einem Paar von Arrayplattenbaugruppen 68 angeordnet. Eine der Arrayplattenbaugruppen 68 ist an jedem Längsende der Gruppe von Batteriezellen 64 angeordnet. Die Batteriezellen 64 und die Arrayplattenbaugruppen 68 sind auf einer Wärmetauschplatte 70 angeordnet, die verwendet werden kann, um zum Beispiel Wärmeenergie von dem Batteriearray 60 abzuleiten, um Komponenten des Batteriearrays 60 unter einer gewünschten Temperatur zu halten.
Zwischen den Arrayplattenbaugruppen 68 erstrecken sich Spannelemente 72. Die Spannelemente 72 können zum Beispiel Spannstangen oder Klemmstangen sein. Durch das Anziehen oder Festziehen bringen die Spannelemente 72 die Arrayplattenbaugruppen 68 entlang der Achse A näher zusammen, wodurch die Gruppe von Batteriezellen 64 entlang der Achse A zusammengedrückt wird. Die Spannung kann zum Beispiel derart eingestellt sein, dass eine Kraft von ungefähr 5 Pfund pro Quadratzoll (ungefähr 34 Kilopascal) axial auf die Batteriezellen 64 aufgebracht wird.
Während des Betriebs der Batteriezellen 64 können sich die Batteriezellen 64 ausdehnen oder auswölben. Wird dies nicht berücksichtigt, kann die Ausdehnung dazu führen, dass ein Druck auf die Batteriezellen 64 über ein gewünschtes Niveau steigt.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4 und unter fortgesetzter Bezugnahme auf 2 beinhaltet die Arrayplattenbaugruppe 68 nun einen Druckhaltepuffer 82, der verwendet wird, um die axiale Ausdehnung der Batteriezellen 64 zu ermöglichen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Druckhaltepuffer 82 an einer primären Platte 86 der Arrayplattenbaugruppe befestigt.
Die axiale Position der primären Platten 86 der Arrayplattenbaugruppen 68 ist in Bezug auf einander fixiert. Um die axialen Positionen der primären Platten 86 zu fixieren, erstrecken sich mechanische Befestigungselemente 90 durch einen Abschnitt der primären Platte 86 und befestigen die primäre Platte 86 mechanisch an der Wärmetauschplatte 70. Die primären Platten 86 könnten in anderen Beispielen an anderen Strukturen befestigt sein. Die primären Platten 86 könnten auch auf andere Weise befestigt sein, wie etwa durch Hartlöten oder Schweißen. Die primären Platten 86 können aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen. In einem spezifischen Beispiel bestehen die primären Platten 86 aus Aluminium.
Der Druckhaltepuffer 82 beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel einen offenzelligen Schaumstoff 100, der zwischen einer ersten Unterplatte 104 und einer zweiten Unterplatte 108 angeordnet ist. Der offenzellige Schaumstoff 100 ist ein poröses Material mit Poren, die miteinander verbunden sind, anstatt getrennt wie zum Beispiel bei Blasen.
Der offenzellige Schaumstoff 100 kann zum Beispiel metallisch, ein Kohlenstoffl oder ein Material auf Kohlenstoffbasis oder eine Kombination von diesen sein. In diesem Beispiel ist der offenzellige Schaumstoff 100 ein glasartiger Kohlenstoff. In anderen Beispielen besteht der offenzellige Schaumstoff 100 vollständig aus einem Metall oder Metalllegierungsmaterial.
Insbesondere verfügen die erste Unterplatte 104 und die zweite Unterplatte 108 in dem Ausführungsbeispiel über eine Materialzusammensetzung, die die gleiche ist wie eine Materialzusammensetzung des offenzelligen Schaumstoffs 100. In diesem Beispiel bestehen somit die erste Unterplatte 104 und die zweite Unterplatte 108 ebenfalls aus glasartigem Kohlenstoff.
In der beispielhaften nicht einschränkenden Ausführungsform beinhaltet der Druckhaltepuffer 82 den offenzelligen Schaumstoff 100 als energieabsorbierendes Material. In anderen Beispielen könnten andere energieabsorbierende Materialien anstelle von oder zusätzlich zu dem offenzelligen Schaumstoff 100 verwendet werden. Andere energieabsorbierende Materialien können eine Wabenstruktur beinhalten, die aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt ist.
Der Druckhaltepuffer 82 kann über ein Haftmittel an der primären Platte 86 befestigt sein. In einem weiteren Beispiel hält die Spannung der Arrayplattenbaugruppen 68 zueinander die Position des Druckhaltepuffers 82.
Der beispielhafte Druckhaltepuffer 82 ist der Darstellung nach in der Arrayplattenbaugruppe 68 an einem axialen Ende der Gruppe von Batteriezellen 64 integriert. In weiteren Beispielen könnten der Druckhaltepuffer 82 und restliche Abschnitte der Arrayplattenbaugruppe 68 anderweitig innerhalb des Arrays 60 verteilt sein, wie etwa zwischen axial benachbarten Batteriezellen 64.
Wenn sich die Batteriezellen 64 ausdehnen, erhöht sich eine Kraft F (3), die auf die Arrayplattenbaugruppe 68 durch die Batteriezellen 64 ausgeübt wird. Der offenzellige Schaumstoff 100 kann derart ausgelegt sein, dass sich der offenzellige Schaumstoff 100 plastisch verformt, wenn die Kraft F einen Schwellenwert, wie etwa 5 Pfund pro Quadratzoll, übersteigt. Die plastische Verformung erlaubt es dem Druckhaltepuffer 82, axial derart zusammenzusinken, dass sich die erste Unterplatte 104 axial näher an die zweite Unterplatte 108 bewegt. Diese Bewegung der ersten Unterplatte 104 erlaubt es den Batteriezellen 64, sich axial auszudehnen. Somit steigt der Druck auf die Batteriezellen 64 nicht über einen gewünschten Wert.
Unter Bezugnahme auf 5 und fortgeführter Bezugnahme auf die 2-4 beinhaltet eine beispielhafte Spannungs-Formveränderungs-Kurve 150 für den offenzelligen Schaumstoff 100 einen elastischen Bereich 152, einen Energieabsorptionsbereich 154 und einen Verdichtungsbereich 156. Insbesondere kann der offenzellige Schaumstoff 100 in dem Energieabsorptionsbereich 154 einen nominal konstanten Druck aufrechterhalten, während sich die Druckverformung erhöht.
Wenn sich die Batteriezellen 64 derartig auswölben, dass die Kraft F eine Druckverformung auf die Arrayplattenbaugruppe 68 ausübt, die den elastischen Bereich 152 nicht übersteigt, wird der offenzellige Schaumstoff 100 aus einer ausgestalteten Position zusammengedrückt, kehrt dann aber im Wesentlichen in die Ausgestaltungsposition zurück, nachdem die Kraft F entfernt wurde.
Wenn sich die Batteriezellen 64 derartig auswölben, dass die Kraft F eine Druckverformung auf die Arrayplattenbaugruppe 68 ausübt, die den offenzelligen Schaumstoff 100 in den Energieabsorptionsbereich 154 bringt, wird der offenzellige Schaumstoff 100 aus der ausgestalteten Position aus 3 zusammengedrückt. Der offenzellige Schaumstoff 100 kehrt nicht wieder vollständig bis zur Ausgestaltungsposition zurück, wenn die Kraft F entfernt wird. Stattdessen federt der offenzellige Schaumstoff 100 um eine Menge zurück, die im Wesentlichen dem elastischen Bereich 152 entspricht.
Das Zusammendrücken des offenzelligen Schaumstoffs 100 in dem Energieabsorptionsbereich erlaubt es, dass sich die erste Unterplatte 104 nahe an die Unterplatte 108 bewegt. Diese Bewegung ermöglicht das Auswölben der Batteriezellen 64 entlang der Achse A, ohne den Druck auf die Batteriezellen 64 derart zu erhöhen, das er über einem gewünschten Niveau liegt.
Wenn sich die Druckverformung auf den offenzelligen Schaumstoff 100 aufgrund des hinzukommenden Auswölbens von einer oder mehreren der Batteriezellen 64 erhöht, wird der offenzellige Schaumstoff 100 schrittweise axial zusammengedrückt, während er einen relativ gleichmäßigen Druck auf die Batteriezellen 64 aufrechterhält. Der relativ gleichmäßige Druck auf die Batteriezellen 64 wird trotz Schwankungen der Abmessungen zwischen den Batteriezellen 64 und einer reversiblen oder irreversiblen Ausdehnung der Batteriezellen 64 beibehalten. Der offenzellige Schaumstoff 100 ist derart ausgestaltet, dass eine Kraft F nicht dazu führen würde, dass der offenzellige Schaumstoff 100 den Verdichtungsbereich 156 erreicht.
Wenn zum Beispiel ein gewünschter Druck auf die Batteriezellen 64 zwischen vier bis fünf Pfund pro Quadratzoll liegt, kann der offenzellige Schaumstoff 100 ausgestaltet sein, in den Energieabsorptionsbereich überzugehen, als Reaktion darauf, dass die Kraft F fünf Pfund pro Quadratzoll übersteigt.
Im Allgemeinen können die Porendichte und die Materialeigenschaften des offenzelligen Schaumstoffs 100 so eingestellt sein, das der optimale Druck für eine bestimmte Array-Ausgestaltung erzielt wird. Zum Beispiel auf Grundlage der Definition von mechanischer Druckspannung, wobei die Spannung σ ist, eine Druckkraft F_N ist und eine Fläche A ist: $σ = \frac{F_{N}}{A}$
Die Druckkraft F_N die erforderlich ist, um dazu zu führen, dass der offenzellige Schaumstoff 100 fließt und sich plastisch verformt, kann somit durch Verwendung der folgenden Gleichung ermittelt werden: $F_{N} = σ_{y} A$
Ist eine Fläche der beispielhaften Batteriezellen 64 gleich 0,03 Quadratmeter und eine Fließgrenze für den beispielhaften offenzelligen Schaumstoff 100 (glasartiger Kohlenstoff), die sich auf 0,033 Megapascal beläuft, gegeben, beläuft sich die Druckkraft auf 1 Kilonewton, wie nachstehend gezeigt: $F_{N} = 0,033 [M P a] 0,03 [m^{2}]$
$F_{N} = 1 [k N]$
Dieser Betrag der Druckkraft liegt innerhalb des optimalen Bereichs für die beispielhaften Batteriezellen 64. Aufgrund der Druckeigenschaften des offenzelligen Schaumstoffs 100 würde diese optimale Kraft für eine Formveränderung des Druckhaltepuffers 82 von bis zu 60 % aufrechterhalten.
Die geschätzte axiale Breite der Batteriezellen 64 an deren Lebensende kann durch Testen geschätzt werden. Wenn eine geschätzte axiale Breite der Batteriezellen 64 an deren Lebensende bekannt ist, kann eine axiale Dicke von offenzelligem Schaumstoff 100 in dem Druckhaltepuffer 82 ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass die Formveränderung von 60 % am Lebensende nicht überschritten wird.
Beispielhafte Merkmale einiger der offenbarten Ausführungsformen beinhalten Arrayplattenbaugruppen, die einen Druckhaltepuffer beinhalten, um eine Wahrscheinlichkeit des zu starken oder zu schwachen Zusammendrückens von Batteriezellen in einem Array zu verringern.
Wenn Batteriezellen in einem Array zu schwach zusammengedrückt werden, kann der thermische Kontakt zwischen den Batteriezellen und Wärmeträgern, wie einer Wärmetauschplatte, beeinträchtigt sein. Ferner kann die Schwingungsfestigkeit beeinträchtigt sein.
Wenn Batteriezellen in einem Array zu stark zusammengedrückt werden, können die Batteriezellen beschädigt werden, eine beschleunigte Verschlechterung der Nutzungsdauer erfahren. Ein zu starkes Zusammendrücken kann ferner Bereiche des Arrays verziehen oder den thermischen Kontakt zwischen den Batteriezellen und Wärmeträgern beeinträchtigen. Zusätzlich könnte ein zu starkes Zusammendrücken dazu führen, dass das Array umgebende Strukturen berührt, was Isolierungsfehler zur Folge haben kann. Insbesondere erlaubt der Druckhaltepuffer, dass sich die Batteriezelle während des Betriebs ausdehnt, wobei die Gesamtabmessungen des Arrays (z. B. Klemmstangen) jedoch aufrechterhalten werden.
Die vorstehende Beschreibung ist eher beispielhafter als einschränkender Natur. Für einen Fachmann können Variationen und Modifikationen der offenbarten Beispiele ersichtlich sein, die nicht zwangsläufig vom Kern dieser Offenbarung abweichen. Demnach kann der Schutzumfang dieser Offenbarung lediglich durch die Analyse der folgenden Patentansprüche bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Baugruppe bereitgestellt, die eine Gruppe von Batteriezellen und eine Arrayplattenbaugruppe aufweist, die einen Druckhaltepuffer aufweist, der ausgelegt ist, sich als Reaktion darauf, dass sich die Gruppe von Batteriezellen ausdehnt, plastisch zu verformen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet der Druckhaltepuffer einen offenzelligen Schaumstoff.
Gemäß einer Ausführungsform besteht der Druckhaltepuffer aus einem Kohlenstoff oder einem Material auf Kohlenstoffbasis.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet der Druckhaltepuffer ferner eine erste und zweite Unterplatte, wobei der offenzellige Schaumstoff zwischen der ersten und zweiten Unterplatte angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform verfügen die erste und zweite Unterplatte über eine Materialzusammensetzung, die die gleiche ist wie eine Materialzusammensetzung des offenzelligen Schaumstoffs.
Gemäß einer Ausführungsform bestehen die erste Unterplatte, die zweite Unterplatte und der offenzellige Schaumstoff jeweils aus einem Kohlenstoff oder einem Material auf Kohlenstoffbasis.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Arrayplattenbaugruppe an einem Längsende der Gruppe von Batteriezellen positioniert.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Arrayplattenbaugruppe eine erste Arrayplattenbaugruppe an einem ersten Längsende der Gruppe von Batteriezellen und ferner umfassend eine zweite Arrayplattenbaugruppe, die über einen Druckhaltepuffer an einem gegenüberliegenden zweiten Längsende der Gruppe von Batteriezellen verfügt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Druckhaltepuffer ausgelegt, sich als Reaktion auf einen Druck auf den Druckhaltepuffer, der gleich oder größer als fünf Pfund pro Quadratzoll ist, plastisch zu verformen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Druckhaltepuffer derart ausgelegt, dass ein auf die Gruppe von Batteriezellen ausgeübter Druck nominal der gleiche bleibt, wenn sich der Druckhaltepuffer plastisch verformt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Gruppe von Batteriezellen entlang einer Längsachse angeordnet und die plastische Verformung des Druckhaltepuffers verringert eine axiale Breite des Druckhaltepuffers.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren bereitgestellt, das Folgendes aufweist: das Zusammendrücken einer Gruppe von Batteriezellen mit einer Arrayplattenbaugruppe, die einen Druckhaltepuffer aufweist, wobei sich der Druckhaltepuffer als Reaktion darauf, dass sich die Gruppe von Batteriezellen ausdehnt, plastisch verformt.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet der Druckhaltepuffer einen offenzelligen Schaumstoff.
Gemäß einer Ausführungsform ist der offenzellige Schaumstoff zwischen einer ersten und zweiten Unterplatte der Arrayplattenbaugruppe angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Materialzusammensetzung der ersten und zweiten Unterplatte die gleiche wie eine Materialzusammensetzung des offenzelligen Schaumstoffs.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Gruppe von Batteriezellen entlang einer Längsachse verteilt und das Zusammendrücken ist ein axiales Zusammendrücken.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Arrayplattenbaugruppe eine erste Endplattenbaugruppe an einem ersten Längsende der Gruppe von Batteriezellen und das Zusammendrücken umfasst das Zusammendrücken der Gruppe von Batteriezellen zwischen der ersten Endplattenbaugruppe und einer zweiten Endplattenbaugruppe an einem gegenüberliegenden zweiten Längsende der Gruppe von Batteriezellen.
Gemäß einer Ausführungsform verformt sich der Druckhaltepuffer als Reaktion auf einen Druck auf den Druckhaltepuffer, der gleich oder größer als fünf Pfund pro Quadratzoll ist, plastisch.
Gemäß einer Ausführungsform bleibt ein auf die Gruppe von Batteriezellen ausgeübter Druck nominal der gleiche, wenn sich der Druckhaltepuffer plastisch verformt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Gruppe von Batteriezellen entlang einer Längsachse angeordnet und das plastische Verformen des Druckhaltepuffers verringert eine axiale Breite des Druckhaltepuffers.

Claims

Baugruppe, umfassend: eine Gruppe von Batteriezellen; und eine Arrayplattenbaugruppe, die einen Druckhaltepuffer aufweist, der ausgelegt ist, sich als Reaktion darauf, dass sich die Gruppe von Batteriezellen ausdehnt, plastisch zu verformen.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Druckhaltepuffer einen offenzelligen Schaumstoff beinhaltet.
Baugruppe nach Anspruch 2, wobei der Druckhaltepuffer aus einem Kohlenstoff oder einem Material auf Kohlenstoffbasis besteht.
Baugruppe nach Anspruch 2, wobei der Druckhaltepuffer ferner eine erste und zweite Unterplatte beinhaltet, wobei der offenzellige Schaumstoff zwischen der ersten und zweiten Unterplatte angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 4, wobei die erste und zweite Unterplatte über eine Materialzusammensetzung verfügen, die die gleiche ist wie eine Materialzusammensetzung des offenzelligen Schaumstoffs und wobei optional die erste Unterplatte, die zweite Unterplatte und der offenzellige Schaumstoff aus einem Kohlenstoff oder einem Material auf Kohlenstoffbasis bestehen.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Arrayplattenbaugruppe an einem Längsende der Gruppe von Batteriezellen positioniert ist und wobei optional die Arrayplattenbaugruppe eine erste Arrayplattenbaugruppe an einem ersten Längsende der Gruppe von Batteriezellen ist und ferner umfassend eine zweite Arrayplattenbaugruppe, die über einen Druckhaltepuffer an einem gegenüberliegenden zweiten Längsende der Gruppe von Batteriezellen verfügt.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Druckhaltepuffer ausgelegt ist, sich als Reaktion auf einen Druck auf den Druckhaltepuffer, der gleich oder größer als zwanzig Pfund pro Quadratzoll ist, plastisch zu verformen.
Verfahren, umfassend: das Zusammendrücken einer Gruppe von Batteriezellen mit einer Arrayplattenbaugruppe, die einen Druckhaltepuffer aufweist, wobei sich der Druckhaltepuffer als Reaktion darauf, dass sich die Gruppe von Batteriezellen ausdehnt, plastisch verformt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Druckhaltepuffer einen offenzelligen Schaumstoff beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der offenzellige Schaumstoff zwischen einer ersten und zweiten Unterplatte der Arrayplattenbaugruppe angeordnet ist und wobei optional eine Materialzusammensetzung der ersten und zweiten Unterplatte die gleiche ist wie eine Materialzusammensetzung des offenzelligen Schaumstoffs.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Gruppe von Batteriezellen entlang einer Längsachse verteilt ist und das Zusammendrücken ist ein axiales Zusammendrücken ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Arrayplattenbaugruppe eine erste Endplattenbaugruppe an einem ersten Längsende der Gruppe von Batteriezellen ist und das Zusammendrücken das Zusammendrücken der Gruppe von Batteriezellen zwischen der ersten Endplattenbaugruppe und einer zweiten Endplattenbaugruppe an einem gegenüberliegenden zweiten Längsende der Gruppe von Batteriezellen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Druckhaltepuffer sich als Reaktion auf einen Druck auf den Druckhaltepuffer, der gleich oder größer als zwanzig Pfund pro Quadratzoll ist, plastisch verformt.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein auf die Gruppe von Batteriezellen ausgeübter Druck nominal der gleiche bleibt, wenn sich der Druckhaltepuffer plastisch verformt.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Gruppe von Batteriezellen entlang einer Längsachse angeordnet ist und das plastische Verformen des Druckhaltepuffers eine axiale Breite des Druckhaltepuffers verringert.