DE102018205653A1 - Battery device, protective device and method for producing a battery device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung (10) für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit wenigstens einer Batteriezelle (20) und wenigstens einer Schutzvorrichtung (30). Die Schutzvorrichtung (30) ist zum Schutz der wenigstens einen Batteriezelle (20) vor einer mechanischen Belastung an wenigstens einem Schutzabschnitt (32) der wenigstens einen Batteriezelle (20) angeordnet. Die Schutzvorrichtung (30) weist ein Gehäuse (34) auf, in dem eine aus deformierbaren Partikeln (42) gebildete Partikelschüttung (40) angeordnet ist, wobei ein Deformationsschwellenwert (DSW) der Partikelschüttung (40) kleiner ist als ein Deformationsschwellenwert (DSW) der wenigstens einen Batteriezelle (20). Die Erfindung betrifft ferner eine Schutzvorrichtung (30) für eine Batterievorrichtung (10) sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Batterievorrichtung (10). The invention relates to a battery device (10) for an at least partially electrically driven vehicle, comprising at least one battery cell (20) and at least one protective device (30). The protective device (30) is arranged to protect the at least one battery cell (20) against mechanical stress on at least one protective section (32) of the at least one battery cell (20). The protective device (30) has a housing (34) in which a particle bed (40) formed from deformable particles (42) is arranged, wherein a deformation threshold value (DSW) of the particle bed (40) is smaller than a deformation threshold value (DSW) at least one battery cell (20). The invention further relates to a protective device (30) for a battery device (10) and to a method for producing a battery device (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung eine Schutzvorrichtung für eine Batterievorrichtung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Batterievorrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug.The invention relates to a battery device for an at least partially electrically powered vehicle. Furthermore, the invention relates to a protective device for a battery device. In addition, the invention relates to a method for producing a battery device for an at least partially electrically powered vehicle.
Im Rahmen der Anmeldung kann die Batterievorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, ein Wasser- und/oder Unterwasserfahrzeug, insbesondere ein Boot, oder ein Flugzeug verwendet werden. Weiterhin ist es denkbar, dass die Batterievorrichtung in einem Anhänger verwendet werden kann. Die Batterievorrichtung kann beispielsweise als Antriebsbatterie oder Versorgungsbatterie verwendet werden.In the context of the application, the battery device for a vehicle, in particular an at least partially electrically powered vehicle, a water and / or underwater vehicle, in particular a boat, or an aircraft can be used. Furthermore, it is conceivable that the battery device can be used in a trailer. The battery device may be used, for example, as a drive battery or supply battery.
Elektrische Energiespeicher, wie beispielsweise Batterien, werden in der modernen Technik weitläufig eingesetzt, insbesondere in Elektrofahrzeugen. Mögliche Ausgestaltungsformen derartiger Energiespeicher sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien. Um eine Leistungsfähigkeit derartiger Batterien zu steigern ist es zum Beispiel bekannt, mehrere einzelne Batteriezellen in einer Batterieebene elektrisch parallel zu verschalten. Um eine weitere Steigerung zu erzielen, können zwei oder mehrere dieser Batterieebenen zu einem Batteriestapel seriell verschaltet werden. Dazu können insbesondere die einzelnen Batterieebenen aufeinander angeordnet und elektrisch leitend verbunden werden.Electrical energy storage, such as batteries, are widely used in modern technology, especially in electric vehicles. Possible embodiments of such energy storage are, for example, lithium-ion batteries. In order to increase the performance of such batteries, it is known, for example, to interconnect a plurality of individual battery cells in a battery plane electrically in parallel. To achieve a further increase, two or more of these battery levels can be connected in series to form a battery stack. For this purpose, in particular, the individual battery levels can be arranged one on top of another and electrically conductively connected.
Im Falle eines Aufpralls auf ein Hindernis oder eines Unfalls bzw. Crash des Elektrofahrzeuges kann es passieren, dass sich die Batteriezelle oder die mehreren Batteriezellen derart verformen, dass sie teilweise irreversibel beschädigt werden. In the event of an impact on an obstacle or an accident or crash of the electric vehicle, it can happen that the battery cell or the multiple battery cells deform such that they are partially irreversibly damaged.
Der Reparaturaufwand für die beschädigten Batterien ist dementsprechend teuer und aufwändig. Bei der weiteren Verwendung von beschädigten Batterien kann die Sicherheit der Fahrzeuginsassen gefährdet sein.The repair effort for the damaged batteries is therefore expensive and expensive. The continued use of damaged batteries may endanger the safety of the vehicle occupants.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Batterievorrichtung, eine Schutzvorrichtung für eine Batterievorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Batterievorrichtung bereitzustellen, durch die ein Schutz vor mechanischer Belastung und Beschädigung der Batteriezelle ermöglicht werden kann.It is an object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages described above. In particular, it is an object of the present invention to provide in a cost effective and simple manner a battery device, a protective device for a battery device and a method for producing a battery device, by the protection against mechanical stress and damage to the battery cell can be made possible.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Batterievorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Schutzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Batterievorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The above object is achieved by a battery device with the features of claim 1, by a protective device having the features of claim 14, and by a method for producing a battery device having the features of claim 15. Further features and details of the invention will become apparent from the dependent claims , the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the battery device according to the invention apply, of course, in connection with the protective device according to the invention and the inventive method and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention is always reciprocal reference or can be ,
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Batterievorrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit wenigstens einer Batteriezelle und wenigstens einer Schutzvorrichtung. Die Schutzvorrichtung ist zum Schutz der wenigstens einen Batteriezelle vor einer mechanischen Belastung an wenigstens einem Schutzabschnitt der wenigstens einen Batteriezelle angeordnet. Die Schutzvorrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem eine aus deformierbaren Partikeln gebildete Partikelschüttung angeordnet ist, wobei ein Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung kleiner ist als ein Deformationsschwellenwert der wenigstens einen Batteriezelle.According to a first aspect of the invention, the object is achieved by a battery device for an at least partially electrically driven vehicle, with at least one battery cell and at least one protective device. The protective device is arranged to protect the at least one battery cell from mechanical stress on at least one protective section of the at least one battery cell. The protective device has a housing in which a particle bed formed of deformable particles is arranged, wherein a deformation threshold value of the particle bed is smaller than a deformation threshold value of the at least one battery cell.
Die wenigstens eine Batteriezelle kann als Batterie ausgebildet sein, welche in einem elektrischen Fahrzeug elektrische Energie für einen Elektroantrieb zur Verfügung stellt, der beispielsweise einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs zur Leistungssteigerung unterstützt oder als alleiniger Antrieb für das Fahrzeug wirkt. Insbesondere können mehrere Batteriezellen vorgesehen sein.The at least one battery cell can be designed as a battery which provides electrical energy for an electric drive in an electric vehicle which, for example, assists an internal combustion engine of a motor vehicle to increase power or acts as the sole drive for the vehicle. In particular, a plurality of battery cells can be provided.
Der Schutzabschnitt der Batteriezelle ist beispielhaft durch eine Seite der Batteriezelle gebildet, auf welche bevorzugt eine äußere Kraft einwirken kann. Insbesondere im Falle eines seitlichen Crash oder Aufprall des Fahrzeuges kann die äußere Seite der Batteriezelle bzw. die Seite der Batteriezelle, welche nicht ins Fahrzeuginnere ausgerichtet ist, einer hohen mechanischen Belastung unterliegen. Im Falle von mehreren Batteriezellen in einer Batterieebene kann der Schutzabschnitt durch die Außenseite jener Batteriezelle gebildet sein, welche außen in der Batterieebene angeordnet ist. Der Schutzabschnitt kann vorzugsweise als Außenfläche einer Batteriezelle bzw. insgesamt flächig als Außenfläche eines Batteriemoduls mit mehrere Batteriezellen ausgebildet sein.The protective portion of the battery cell is exemplified by one side of the battery cell, to which preferably an external force can act. In particular, in the case of a side crash or impact of the vehicle, the outer side of the battery cell or the side of the battery cell, which is not aligned with the vehicle interior, subject to high mechanical stress. In the case of a plurality of battery cells in a battery level, the protection portion may be formed by the outside of that battery cell, which is arranged outside in the battery level. The protective section may preferably be formed as the outer surface of a battery cell or as a whole flat as the outer surface of a battery module with a plurality of battery cells.
Im Rahmen der Anmeldung ist eine Partikelschüttung aus wenigstens zwei Partikeln gebildet. Unter der Partikelschüttung ist insbesondere eine lose Partikelschüttung zu verstehen, wobei sich die Partikel der Partikelschüttung in dem Gehäuse frei bewegen können und nicht anderweitig in ihrer Position gesichert sind. Die Partikelschüttung liegt anders gesagt in einer schüttfähigen bzw. rieselfähigen Form vor. Dabei kann die Schüttung als eine Art gestapelte, bzw. übereinandergelagerte Anordnung von Partikeln angesehen werden, wobei die Partikel frei von einem Materialschluss aneinander angeordnet sind. In the context of the application, a particle bed of at least two particles is formed. The particle bed is to be understood in particular as meaning a loose bed of particles, wherein the particles of the bed of particles in the housing can move freely and are not otherwise secured in their position. The particle bed is in other words in a pourable or free-flowing form. In this case, the bed can be regarded as a kind of stacked or stacked arrangement of particles, wherein the particles are arranged free of a material closure to each other.
Die Partikel sind bevorzugt deformierbar, insbesondere brechbar, ausgebildet und können sich plastisch verformen. Dabei weisen die Partikel der Partikelschüttung einen charakterisierenden Deformationsschwellenwert auf. Im Rahmen der Anmeldung bezeichnet der Deformationsschwellenwert jenen Grenzwert, ab dem sich die Partikel plastisch deformieren bzw. verformen. Unterhalb des Grenzwertes kann beispielsweise keine Verformung oder eine elastische Verformung auftreten. The particles are preferably deformable, in particular breakable, formed and can deform plastically. In this case, the particles of the particle bed have a characterizing deformation threshold. In the context of the application, the deformation threshold denotes that limit value beyond which the particles plastically deform or deform. Below the limit value, for example, no deformation or elastic deformation can occur.
Beispielsweise kann der Deformationsschwellenwert jene Kraft in der Einheit Newton angeben, bei der die plastische Verformung der Partikel auftritt. Als Alternative könnte der Deformationsschwellenwert auch in der Einheit Newton/mm2 oder anderer Flächenangaben angegeben werden und stellt eine Art Spannung auf die Partikel dar. Wenn dabei die auf die Partikel einwirkende Kraft teilweise oder ganz von den Partikeln selbst absorbiert wird, werden die Partikel sozusagen unter Spannung gestellt. Dies bewirkt die Verformung der Partikel.For example, the deformation threshold may indicate that force in the unit Newton at which the plastic deformation of the particles occurs. Alternatively, the deformation threshold could also be expressed in units of Newtons / mm 2 or other surface area and is a type of stress on the particles. If the force on the particles is partially or totally absorbed by the particles themselves, the particles become so to speak put under tension. This causes the deformation of the particles.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung kleiner ist als der Deformationsschwellenwert der Batteriezelle. Das bedeutet, dass bereits bei einem geringeren Wert bzw. einer geringeren von außen einwirkenden Kraft eine plastische Verformung der Partikel der Partikelschüttung im Vergleich zur Batteriezelle stattfindet. Die Partikel beginnen sich unter äußerer Krafteinwirkung eher zu verformen als die Batteriezelle, da diese einen höheren Deformationsschwellenwert aufweist. Dies hat den Vorteil, dass durch die früher stattfindende Deformation der Partikel die äußere Kraft aufgrund eines Crash oder Aufpralls bereits von den Partikeln zumindest teilweise absorbiert werden kann, bevor die Batterie beschädigt bzw. verformt wird. Mit anderen Worten dienen die Partikel der Partikelschüttung aufgrund ihrer Deformation als Crash- bzw. Energieabsorber. Bei einem Unfall bzw. Aufprall des Fahrzeuges können die Partikel der Partikelschüttung in der Schutzvorrichtung deformiert werden, wobei bevorzugt die gesamte Aufprallenergie oder ein Großteil der Aufprallenergie für die Deformierung der Partikel benötigt und daher absorbiert wird. Die Partikel können sich dabei insbesondere derart stark verformen, dass sie brechen und irreversibel deformiert werden und somit nahezu vollständig die Aufprallenergie aufnehmen. Die Partikelschüttung ist daher bevorzugt zwischen der Batteriezelle und der direkten Krafteinwirkung von außen in dem Schutzabschnitt angeordnet.The invention has the advantage that the deformation threshold value of the particle bed is smaller than the deformation threshold value of the battery cell. This means that plastic deformation of the particles of the particle bed in comparison with the battery cell already takes place at a lower value or a lower external force. The particles begin to deform under external force rather than the battery cell, since this has a higher deformation threshold. This has the advantage that due to the earlier deformation of the particles, the external force due to a crash or impact can already be at least partially absorbed by the particles before the battery is damaged or deformed. In other words, the particles of the particle bed serve as a crash or energy absorber due to their deformation. In the event of an accident or impact of the vehicle, the particles of the particle bed in the protective device can be deformed, wherein preferably all the impact energy or a large part of the impact energy is required for the deformation of the particles and therefore absorbed. In particular, the particles can deform so strongly that they break and are irreversibly deformed and thus almost completely absorb the impact energy. The particle bed is therefore preferably arranged between the battery cell and the direct force from the outside in the protective section.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung vorgesehen sein, dass der Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung einen Wert zwischen mindestens 10% und höchstens 90% des Deformationsschwellenwerts der wenigstens einen Batteriezelle aufweist. Vorzugsweise kann dadurch der Zeitpunkt der Verformung der Partikel vor der Verformung der Batteriezelle maßgebend eingestellt werden, bzw. die Energiemenge, welche durch die Partikel absorbiert werden kann. Wenn das Verhältnis der Deformationsschwellenwerte zwischen der Partikelschüttung und der Batteriezelle zu klein, insbesondere unter 10%, gewählt wird, können beispielsweise die Partikel der Partikelschüttung während eines Crash oder Aufpralls zu früh irreversiblen Schaden nehmen und nicht genug Aufprallenergie aufnehmen. Folglich kann die Batteriezelle ebenso beschädigt werden. Wenn der Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung und der Batteriezelle annähernd gleich sind, kann möglicherweise nicht ausreichend Aufprallenergie von der Partikelschüttung absorbiert werden, wodurch die Batteriezelle beschädigt werden kann. Es ist daher von besonderem Vorteil den Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung an den Deformationsschwellenwert der Batteriezelle spezifisch anzupassen und auf ein bestimmtes Verhältnis einzustellen.Furthermore, it can be provided in the case of the battery device according to the invention that the deformation threshold value of the particle bed has a value between at least 10% and at most 90% of the deformation threshold value of the at least one battery cell. Preferably, this allows the time of deformation of the particles before the deformation of the battery cell are set decisively, or the amount of energy that can be absorbed by the particles. If the ratio of the deformation thresholds between the particle bed and the battery cell is chosen to be too small, in particular below 10%, for example, the particles of the particle bed can undergo irreversible damage too early during a crash or impact and can not absorb enough impact energy. Consequently, the battery cell can be damaged as well. When the deformation threshold of the particle bed and the battery cell are approximately equal, insufficient impact energy may be absorbed by the particulate bed, which may damage the battery cell. It is therefore of particular advantage to specifically adapt the deformation threshold value of the particle bed to the deformation threshold value of the battery cell and to set it to a specific ratio.
Besonders bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Batterievorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass die Partikel der Partikelschüttung zumindest teilweise aus einem porösen Material gebildet und/oder hohl ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass das Material der Partikel einen kleineren Deformationsschwellenwert als das Material der Batterie aufweisen kann, wodurch die Aufprallenergie von den Partikeln zumindest teilweise absorbiert und eine Beschädigung der Batteriezelle verhindert werden kann. Da sich poröse oder hohle Partikel leicht deformieren lassen können, und daher generell einen geringeren Deformationsschwellenwert aufweisen, können sie bei einem Crash oder Aufprall eine große Menge an Aufprallenergie aufnehmen und eignen sich daher besonders gut als Crashabsorber. Poröse oder hohle Partikel können sich bevorzugt derart stark verformen, dass sie brechen und irreversibel deformiert werden und somit nahezu vollständig die Aufprallenergie aufnehmen.Particularly preferably, a battery device according to the invention may be designed such that the particles of the particle bed are at least partially formed of a porous material and / or hollow. This has the advantage that the material of the particles can have a smaller deformation threshold than the material of the battery, whereby the impact energy from the particles at least partially absorbed and damage to the battery cell can be prevented. Since porous or hollow particles can be easily deformed, and therefore generally have a lower deformation threshold, they can absorb a large amount of impact energy in a crash or impact and are therefore particularly suitable as a crash absorber. Porous or hollow particles can preferably deform so strongly that they break and irreversibly deformed and thus almost completely absorb the impact energy.
Vorzugsweise weisen die Partikel der Partikelschüttung jeweils zumindest teilweise eine Reibungsoberfläche zur Erhöhung des Reibwertes zwischen den Partikeln auf. Da die Partikel der Partikelschüttung frei beweglich im Gehäuse der Schutzvorrichtung angeordnet sind, können sie sich im Falle einer mechanischen äußeren Belastung gegeneinander verschieben. Bei der relativen Bewegung der Partikel gegeneinander, tritt daher an den jeweiligen Reibungsoberflächen der Partikel ein Reibungswiderstand auf, wodurch die Bewegung der Partikel erschwert wird. Um die entgegengerichtete relative Bewegung der Partikel zu erzeugen, ist demnach Energie notwendig, welche insbesondere in Form der Aufprallenergie aufgrund eines Crash oder Aufprall des Fahrzeugs vorhanden ist und z.B. in Reibungswärme oder Abrieb umgewandelt werden kann. Somit begünstigt und unterstützt die Reibungsoberfläche der Partikel zusätzlich die Absorption der Aufprallenergie, wodurch eine Beschädigung der Batterie noch effizienter verhindert werden kann.Preferably, the particles of the particle bed each have at least partially a friction surface to increase the coefficient of friction between the particles. Because the particles of the Particle bed are arranged freely movable in the housing of the protection device, they can move in the case of a mechanical external load against each other. As the particles move relative to each other, frictional resistance therefore occurs at the respective friction surfaces of the particles, thereby making it difficult to move the particles. In order to generate the opposite relative movement of the particles, therefore, energy is necessary, which is present in particular in the form of the impact energy due to a crash or impact of the vehicle and can be converted eg into frictional heat or abrasion. Thus, the friction surface of the particles additionally promotes and supports the absorption of the impact energy, whereby damage to the battery can be more effectively prevented.
Auch kann bei einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung vorgesehen sein, dass die Partikel der Partikelschüttung durch gleichartige, insbesondere gleich große, vorzugsweise kugelförmige oder im Wesentlichen kugelförmige Partikel gebildet sind. Die Ausbildung der Partikel als Kugeln stellt eine sehr einfache Schüttung dar. Wenn alle Partikel der Partikelschüttung als gleichartige Partikel ausgebildet sind, ist der Herstellungsaufwand der Partikelschüttung sehr gering. Unter gleichartigen Partikeln kann beispielhaft eine gleiche geometrische Form der einzelnen Partikeln, insbesondere kugelförmig, verstanden werden. Die Partikel können daher auch als Kugeln unterschiedlicher oder gleicher Größe ausgebildet sein. Generell sind weitere geometrische Formen der Partikel, wie beispielsweise eckige, regelmäßige oder unregelmäßige geometrische Formen denkbar. Es kann weiterhin eine körnige oder stückige Form der Partikelschüttung vorgesehen sein.It can also be provided in a battery device according to the invention that the particles of the particle bed are formed by similar, in particular equal, preferably spherical or substantially spherical particles. The formation of the particles as spheres represents a very simple bed. If all particles of the particle bed are formed as similar particles, the production cost of the particle bed is very low. Under similar particles can be understood by way of example a same geometric shape of the individual particles, in particular spherical. The particles can therefore also be designed as spheres of different or the same size. In general, further geometric shapes of the particles, such as, for example, angular, regular or irregular geometric shapes are conceivable. It may also be provided a granular or particulate form of the particle bed.
Besonders bevorzugt können die Partikel der Partikelschüttung unterschiedlich, insbesondere unterschiedlich groß, ausgebildet sein und einen unterschiedlichen Deformationsschwellenwert aufweisen. Unter einer unterschiedlichen Ausbildung der Partikel kann dabei ein Unterschied hinsichtlich geometrischer Form und/oder Partikelgröße verstanden werden. Aufgrund der unterschiedlichen Ausbildung der Partikel kann vorteilhafterweise eine unterschiedliche Absorptionsstärke der Aufprallenergie bei einem Crash oder Aufprall realisiert werden. Dies kann anwendungsspezifisch je nach Anzahl der Batteriezellen oder deren räumlichen Lage innerhalb des Fahrzeuges erfolgen. Durch die Variation der Ausbildung der Partikel lässt sich die Schutzvorrichtung variabel und flexibel an unterschiedliche Anforderungen und Belastungen anpassen. Beispielhaft kann bei unterschiedlich ausgebildeten Partikeln ein mittlerer Deformationsschwellenwert der Partikel ermittelt werden, wobei der mittlere Deformationsschwellenwert der unterschiedlich ausgebildeten Partikelschüttung vorzugsweise kleiner ist als der Deformationsschwellenwert der Batteriezelle. Insbesondere weisen alle Partikel der Partikelschüttung einen kleineren Deformationsschwellenwert als jenen der Batteriezelle auf.Particularly preferably, the particles of the particle bed can be designed differently, in particular of different sizes, and have a different deformation threshold value. A different design of the particles may be understood to mean a difference in terms of geometric shape and / or particle size. Due to the different formation of the particles, it is advantageously possible to realize a different absorption strength of the impact energy in the event of a crash or impact. Depending on the number of battery cells or their spatial location within the vehicle, this can be done in an application-specific manner. By varying the formation of the particles, the protection device can be variably and flexibly adapted to different requirements and loads. By way of example, in the case of differently formed particles, a mean deformation threshold value of the particles can be determined, wherein the mean deformation threshold value of the differently configured particle bed is preferably smaller than the deformation threshold value of the battery cell. In particular, all particles of the particle bed have a smaller deformation threshold than those of the battery cell.
Vorteilhafterweise sind die Partikel der Partikelschüttung derart in dem Gehäuse angeordnet, dass eine schichtartige Partikelverteilung gebildet ist, wobei die Partikel mit einem hohen Deformationsschwellenwert batteriezellennah und die Partikel mit einem geringen Deformationsschwellenwert batteriezellenfern angeordnet sind. Der Begriff batteriezellennah beschreibt hierbei die räumliche Lage der Partikel innerhalb des Gehäuses der Schutzvorrichtung. Die batteriezellennahen Partikel innerhalb des Gehäuses haben einen geringeren Abstand zur Batteriezelle als die batteriezellenfernen Partikel. Im einfachsten Fall kann die schichtartige Partikelverteilung in dem Gehäuse der Schutzvorrichtung beispielhaft zwei Schichten aus Partikeln umfassen. Dabei ist eine erste Schicht an der der Batteriezelle zugewandten Seite des Gehäuses, also batteriezellennah angeordnet. Eine zweite Schicht ist batteriezellenfern, also an der der Batteriezelle abgewandten Seite des Gehäuses angeordnet. Die beiden Schichten der Partikelschüttung stehen vorzugsweise in Kontakt zueinander. Besonders bevorzugt weisen hierbei die Partikel der ersten Schicht einen höheren Deformationsschwellenwert als die Partikel der zweiten Schicht auf. Da die batteriezellenferne Schicht Partikel mit einem niedrigeren Deformationsschwellenwert aufweist, können sich diese Partikel leicht deformieren und sehr schnell und effektiv eine auftretende Aufprallenergie bei einem Crash oder Aufprall absorbieren. In der batteriezellennahen Schicht mit den Partikeln mit einem höheren Deformationsschwellenwert kann anschließend bzw. zeitlich versetzt eine Absorption der restlichen Aufprallenergie erfolgen. Es lässt sich daher eine Progression der Kraft realisieren, wodurch die Absorption der Aufprallenergie präzise eingestellt werden kann, damit eine Beschädigung der Batteriezelle effizient verhindert wird.Advantageously, the particles of the particle bed are arranged in the housing in such a way that a layer-like particle distribution is formed, wherein the particles are arranged close to the battery cell with a high deformation threshold and the particles are arranged remote from the battery cell with a low deformation threshold value. The term batteriezellennah describes here the spatial position of the particles within the housing of the protective device. The battery cell near particles within the housing have a smaller distance to the battery cell than the battery cell remote particles. In the simplest case, the layered particle distribution in the housing of the protective device can comprise, by way of example, two layers of particles. In this case, a first layer on the side facing the battery cell side of the housing, that is arranged battery cell close. A second layer is battery cell remote, that is arranged on the side facing away from the battery cell of the housing. The two layers of the particle bed are preferably in contact with each other. In this case, the particles of the first layer particularly preferably have a higher deformation threshold than the particles of the second layer. Since the battery cell-remote layer has particles with a lower deformation threshold, these particles can easily deform and very quickly and effectively absorb an impact energy occurring in a crash or impact. In the battery cell-near layer with the particles having a higher deformation threshold value, an absorption of the remaining impact energy can take place subsequently or with a time delay. It is therefore possible to realize a progression of the force, whereby the absorption of the impact energy can be adjusted precisely, so that damage to the battery cell is efficiently prevented.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse in wenigstens zwei Kammern mittels einer Trennwand unterteilt, wodurch in dem Gehäuse wenigstens zwei Schüttungsbereiche ausgebildet sind. Dabei kann die Trennwand integral im Gehäuse ausgeformt sein oder in das Gehäuse eingesetzt werden. Mittels der Trennwand kann insbesondere ein Ausweichen der Partikel bei einem Crash oder einem Aufprall des Fahrzeuges vermieden werden.In a preferred embodiment, the housing is divided into at least two chambers by means of a partition wall, whereby at least two filling areas are formed in the housing. In this case, the partition may be formed integrally in the housing or inserted into the housing. By means of the partition, in particular a deflection of the particles in a crash or impact of the vehicle can be avoided.
Bei einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass das Gehäuse wenigstens zwei einsetzbare Kammermodule aufweist, wobei die Partikelschüttung jeweils in dem Kammermodul angeordnet ist. Die Verwendung von Kammermodulen hat den Vorteil, dass sie eine leichte Montage sowie ein leichtes Austauschen bei Bedarf ermöglichen. Die Module können dabei in das Gehäuse eingesetzt werden. Die Partikelschüttung kann vorzugsweise über eine entsprechende Ausnehmung in das jeweilige Kammermodul eingebracht werden.In the case of a battery device according to the invention, provision can furthermore be made for the housing to have at least two insertable chamber modules, the particle bed being arranged in each case in the chamber module. The use of chamber modules has the advantage that they allow for easy installation and replacement as needed. The modules can do this in the Housing be used. The particle bed can preferably be introduced via a corresponding recess in the respective chamber module.
Weiter vorzugsweise können in dem Gehäuse wenigstens zwei verschiedene Schüttungsbereiche mit unterschiedlicher Partikeldichte und/oder Partikelgröße ausgebildet sein. Die Schüttungsbereiche können beispielhaft gleichartige oder unterschiedliche Partikelschüttungen hinsichtlich der geometrischen Form und/oder Partikelgröße aufweisen. Ferner kann sich die Schüttungsdichte der Schüttungsbereiche unterschieden oder gleich sein. Die Schüttungsbereiche sind vorzugsweise mittels der Trennwand voneinander separiert.Further preferably, at least two different filling regions with different particle density and / or particle size can be formed in the housing. By way of example, the filling areas can have identical or different particle beds with regard to the geometric shape and / or particle size. Furthermore, the bulk density of the bed areas may be different or equal. The filling areas are preferably separated from one another by means of the dividing wall.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bildet das Gehäuse zumindest abschnittsweise einen Kühlkanal zur Kühlung der Batteriezelle aus. Dies hat den Vorteil, dass sowohl eine Kühlung der Batteriezelle als auch gleichzeitig ein Schutz der Batteriezelle vor einer mechanischen Belastung innerhalb eines einzigen Bauteils realisiert werden kann. Es kann daher auf weitere Bauteile verzichtet werden. Beispielhaft kann der Kühlkanal durch die Zwischenräume zwischen den Partikeln der Partikelschüttung ausgebildet sein. Es ist weiterhin denkbar, dass der Kühlkanal als separates Bauteil innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Somit lässt sich insgesamt eine platzsparende Anordnung der Batteriekühlung innerhalb der Schutzvorrichtung realisieren.In a particularly preferred embodiment, the housing forms, at least in sections, a cooling channel for cooling the battery cell. This has the advantage that both a cooling of the battery cell and at the same time a protection of the battery cell can be realized before a mechanical load within a single component. It can therefore be dispensed with other components. By way of example, the cooling channel can be formed by the spaces between the particles of the particle bed. It is also conceivable that the cooling channel is arranged as a separate component within the housing. Thus, a space-saving arrangement of the battery cooling can be realized overall within the protection device.
Weiter vorteilhafterweise sind die Partikel der Partikelschüttung in dem Kühlkanal angeordnet. Beispielhaft sind die Partikel als poröse Kugeln ausgebildet, wobei eine Kühlflüssigkeit durch die Kugeln strömen kann. Alternativ kann die Kühlflüssigkeit durch die Zwischenräume zwischen den Partikeln strömen.Further advantageously, the particles of the particle bed are arranged in the cooling channel. By way of example, the particles are designed as porous balls, with a cooling fluid being able to flow through the balls. Alternatively, the cooling fluid may flow through the interstices between the particles.
Bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Batterievorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass die Schutzvorrichtungen zur Verhinderung einer mechanischen Belastung an mehreren Seiten, insbesondere an gegenüberliegenden Seiten, der Batteriezelle angeordnet sind. Aufgrund der Anordnung an mehreren Seiten erweitert sich vorteilhafterweise der Schutzabschnitt der Batteriezelle. Insbesondere sind die Schutzvorrichtungen an jenen Seiten der Batteriezelle angeordnet, welche nicht bereits durch andere Fahrzeugkomponenten ausreichend vor einer mechanischen Belastung geschützt sind, beispielsweise an den Außenseiten der Batteriezelle. Es kann daher ein Schutz gegen eine vielseitig auftretende Krafteinwirkung von außen erzielt werden. Bevorzugt können dabei die Schutzvorrichtungen an jeder Seite der Batteriezelle angeordnet sein, wodurch ein vollständiger Schutz ermöglicht wird.Preferably, a battery device according to the invention may be designed such that the protective devices for preventing mechanical stress are arranged on several sides, in particular on opposite sides, of the battery cell. Due to the arrangement on several sides, the protective section of the battery cell expands advantageously. In particular, the protective devices are arranged on those sides of the battery cell which are not already adequately protected against mechanical stress by other vehicle components, for example on the outer sides of the battery cell. It can therefore be achieved protection against a versatile force from the outside. Preferably, the protective devices can be arranged on each side of the battery cell, whereby a complete protection is possible.
Gemäß einem zweiten Aspekt Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Schutzvorrichtung für eine Batterievorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Schutzvorrichtung zum Schutz einer wenigstens einen Batteriezelle vor einer mechanischen Belastung an wenigstens einem Schutzabschnitt der wenigstens einen Batteriezelle anordenbar ist. Die Schutzvorrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem eine aus deformierbaren Partikeln gebildete Partikelschüttung angeordnet ist, wobei ein Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung kleiner ist als ein Deformationsschwellenwert der wenigstens einen Batteriezelle. Die deformierbaren Partikel können sich unter äußerer Krafteinwirkung eher verformen als die Batteriezelle, da diese einen höheren Deformationsschwellenwert aufweist. Dies hat den Vorteil, dass durch die früher stattfindende Deformation der Partikel eine äußere Kraft aufgrund eines Crash oder Aufpralls bereits von den Partikeln zumindest teilweise absorbiert werden kann, bevor die Batteriezelle beschädigt bzw. verformt wird.According to a second aspect of the invention, the object is achieved by a protective device for a battery device according to one of the preceding embodiments, wherein the protective device can be arranged to protect at least one battery cell against mechanical stress on at least one protective section of the at least one battery cell. The protective device has a housing in which a particle bed formed of deformable particles is arranged, wherein a deformation threshold value of the particle bed is smaller than a deformation threshold value of the at least one battery cell. The deformable particles can deform under external force rather than the battery cell, since this has a higher deformation threshold. This has the advantage that due to the earlier deformation of the particles, an external force due to a crash or impact can already be at least partially absorbed by the particles before the battery cell is damaged or deformed.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Batterievorrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen, umfassend die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen wenigstens einer Batteriezelle und wenigstens einer Schutzvorrichtung mit einem Gehäuse;
- - Einbringen einer Partikelschüttung aus deformierbaren Partikeln in das Gehäuse der Schutzvorrichtung;
- - Anordnen der Schutzvorrichtung an wenigstens einem Schutzabschnitt der wenigstens einen Batteriezelle.
- - Providing at least one battery cell and at least one protective device with a housing;
- - Introducing a particle bed of deformable particles in the housing of the protection device;
- Arranging the protective device on at least one protective section of the at least one battery cell.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird zur Herstellung einer Batterievorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durchgeführt. Sämtliche Vorteile, die ausführlich in Bezug auf die Batterievorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, können somit auch durch ein Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bereitgestellt werden. Dabei können die Verfahrensschritte in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden.A method according to the invention is carried out for producing a battery device according to the first aspect of the invention. All the advantages that have been described in detail with respect to the battery device according to the first aspect of the invention can thus also be provided by a method according to the third aspect of the invention. The process steps can be carried out in any order.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Die Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Darin zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel; -
2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel; -
3 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel; -
4 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel; -
5 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem fünften Ausführungsbeispiel; -
6 einen schematischen Kurvenverlauf jeweils einer Verformung der Partikel der Partikelschüttung und der Batteriezelle.
-
1 a schematic view of a battery device according to the invention according to a first embodiment; -
2 a schematic view of a battery device according to the invention according to a further embodiment; -
3 a schematic view of a battery device according to the invention according to a third embodiment; -
4 a schematic view of a battery device according to the invention according to a fourth embodiment; -
5 a schematic view of a battery device according to the invention according to a fifth embodiment; -
6 a schematic curve in each case a deformation of the particles of the particle bed and the battery cell.
Die Batterievorrichtung
Weiterhin ist ein Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung
Aufgrund der zeitlich früher stattfindenden Deformation der Partikel
Weiterhin weisen die Partikel
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung gemäß
An der ersten Batteriezelle
Der Schutzabschnitt
An der dritten Batteriezelle
Aufgrund der zeitlich früher stattfindenden Deformation der Partikel
Das jeweilige Gehäuse
Die Partikel
Die Partikel
Die Partikel
Die Partikel der dritten Schicht können sich leicht deformieren lassen und können daher sehr schnell und effektiv eine auftretende Aufprallenergie bei einem Crash oder Aufprall absorbieren. In der zweiten und ersten Schicht mit den Partikeln mit einem höheren Deformationsschwellenwert kann anschließend bzw. zeitlich versetzt eine Absorption der restlichen Aufprallenergie erfolgen. Es lässt sich daher eine Progression der von außen einwirkenden Kraft
Die Partikel
Aufgrund der progressiven Deformation der Partikel
Die Partikel
In dem Gehäuse
Insbesondere sind in der mittig angeordneten Kammer
Der Kurvenverlauf der Partikelschüttung und der Batteriezelle zeigt jeweils unterhalb des zugehörigen Deformationsschwellenwertes einen Bereich einer elastischen Verformung. Dabei ist die von außen einwirkende Kraft noch gering genug, dass sich das jeweilige Material nicht dauerhaft bzw. plastisch verformt. Mit steigendem Deformationsweg bzw. Dehnung erhöht sich auch der Kraftbetrag
Dabei sind die Belastungen und die aufgrund der von außen einwirkenden Kraft
Im Vergleich der beiden Kurvenverläufe lässt sich erkennen, dass sich die Partikel der Partikelschüttung bereits bei einer geringen Kraft stärker verformen bzw. eine größere Dehnung aufweisen, als die Batteriezelle. Des Weiteren lässt sich erkennen, dass die Partikel der Partikelschüttung bereits bei einer geringeren Kraft im Vergleich zur Batteriezelle plastisch verformen bzw. brechen. Dadurch kann vorteilhafterweise die Aufprallenergie bei einem Crash durch die Deformation der Partikelschüttung zumindest teilweise absorbiert werden, bevor eine plastische irreversible Verformung der Batteriezelle stattfindet.In the comparison of the two curves, it can be seen that the particles of the particle bed already deform more strongly at a low force or have a greater elongation than the battery cell. Furthermore, it can be seen that the particles of the particle bed already plastically deform or break at a lower force compared to the battery cell. As a result, the impact energy in a crash due to the deformation of the particle bed can advantageously be at least partially absorbed before a plastic irreversible deformation of the battery cell takes place.
Es sei darauf hingewiesen, dass
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Batterievorrichtungbattery device
- 2020
- Batteriezellebattery cell
- 2121
- erste Batteriezellefirst battery cell
- 2222
- zweite Batteriezellesecond battery cell
- 2323
- dritte Batteriezellethird battery cell
- 3030
- Schutzvorrichtungguard
- 3232
- Schutzabschnittprotection section
- 3434
- Gehäusecasing
- 3636
- Kammerchamber
- 3838
- Trennwandpartition wall
- 4040
- Partikelschüttungparticle bed
- 4141
- Schüttungsbereichbed area
- 4242
- Partikelparticle
- 4444
- Reibungsoberflächefriction surface
- FF
- Kraftforce
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Representative=s name: BALS & VOGEL PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
|
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R003 | Refusal decision now final |