DE102019004928A1

DE102019004928A1 - Batterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeugs mit zumindest einer flexiblen Spanneinrichtung, welche sich an einem Kraftfahrzeugbauteil abstützt, sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019004928A1
Application number: DE102019004928.4A
Authority: DE
Inventors: Rainer Kaufmann; Thomas Soczka-Guth; Ulrich Beck; Anselm Mülberger; Jens Meintschel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2019-07-15
Filing date: 2019-07-15
Publication date: 2021-01-21
Also published as: WO2021008952A1; CN114128026B; US20220271326A1; KR20220092815A; JP2022541382A; CN114128026A; EP4000120A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (12) für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug (10), mit einer Vielzahl von Batteriezellen (14), wobei jede der Batteriezellen (14) in einem entladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung (20) zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft (K) im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen (14), wobei die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft (K) auf die Vielzahl von Batteriezellen (14) die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) zumindest an einem Kraftfahrzeugbauteil (22, 24, 26) des Kraftfahrzeugs (10) abgestützt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug (10) mit einer Batterie (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Feststoffbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl von Batteriezellen, wobei jede der Batteriezellen in einem entladenen Zustand der Batteriezelle ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie, insbesondere einer Feststoffbatterie.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Feststoffbatterien, welche auch als Festkörperbatterien bezeichnet werden können und beispielsweise eine Lithium-Metall-Anode und eine Silizium-Anode aufweisen, eine große Volumenänderung über den entsprechenden Ladezustand, dem sogenannten State of Charge (SOC), aufweisen. Des Weiteren können diese Feststoffbatterien ein Zelldickenwachstum über die Lebenszeit, dem sogenannten State of Health (SOH), aufweisen. Während des Betriebs der Feststoffbatterie, insbesondere beim Laden beziehungsweise Entladen der Feststoffbatterie, ist vorgesehen, dass auf die Batteriezellenfläche ein zumindest im Wesentlichen konstanter Druck aufgebracht werden muss. Durch die Zellvolumenänderung verschieben sich die Spannungsabgriffe der Batteriezellen relativ zum Batteriegehäuse.
Die DE 10 2009 035 482 A1 offenbart eine Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen. Diese sind in Flachbauweise ausgebildet und zwischen wenigstens zwei Endplatten zu einem Zellstapel verspannt. Es sind Mittel vorgesehen, um den Zellstapel in Stapelrichtung einer Druckbelastung auszusetzen.
Ferner offenbart die DE 10 2015 216 221 A1 ein Speichermodul für ein Fahrzeug. Das Speichermodul umfasst eine Vielzahl von plattenförmigen elektrischen Speicherzellen, die in einer Längsrichtung des Speichermoduls hochkant nebeneinander angeordnet sind. Des Weiteren umfasst das Speichermodul ein Gehäuse, das die Vielzahl von plattenförmigen Speicherzellen in Längsrichtung an zumindest zwei, einander gegenüberliegenden, Seiten umschließt, und das derart ausgebildet ist, dass es Zugkräfte in Längsrichtung aufnehmen kann und dass es das Speichermodul gegen Durchbiegen quer zu der Längsrichtung versteift. Das Gehäuse umfasst dabei zumindest teilweise einen Fahrzeugunterboden des Fahrzeugs, in das das Speichermodul eingebaut werden soll. Außerdem umfasst das Speichermodul zwei Druckplatten, die an, in Längsrichtung entgegengesetzten, Enden des Speichermoduls angeordnet sind und die eingerichtet sind, im Zusammenwirken mit dem Gehäuse die Vielzahl von plattenförmigen elektrischen Speicherzellen zusammenzudrücken.
Ferner ist aus der WO 2013/188094 A1 der Betrieb einer Batterieanordnung bekannt, die eine oder mehrere wiederaufladbare Batteriezellen beinhaltet. Es findet eine Überwachung eines oder mehrerer Betriebsparameter der Batteriezellen statt. Es erfolgt das dynamische Steuern des auf die eine oder mehreren Batteriezellen ausgeübten Drucks basierend zumindest teilweise auf einem oder mehreren der überwachten Betriebsparameter.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie, insbesondere eine Feststoffbatterie sowie ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mittels welchen ein verbesserter Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Batterie sowie durch ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft Batterie, insbesondere eine Feststoffbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl von Batteriezellen, wobei jede der Batteriezellen in einem entladenen Zustand der Batteriezelle ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen.
Es ist vorgesehen, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft auf die Vielzahl von Batteriezellen die zumindest erste flexible Spanneinrichtung zumindest an einem Kraftfahrzeugbauteil des Kraftfahrzeugs abgestützt ist.
Insbesondere ist somit vorgesehen, dass im verbauten Zustand der Batterie sich die flexible Spanneinrichtung an dem zumindest einen Kraftfahrzeugbauteil abstützt. Dadurch ist es ermöglicht, dass die Batterie bauteilreduziert bereitgestellt werden kann, da zum Abstützen der Spanneinrichtung ein bereits im Kraftfahrzeug verbautes Bauteil genutzt werden kann. Beispielsweise kann als Kraftfahrzeugbauteil ein Kraftfahrzeugboden beziehungsweise eine Bodenplatte des Kraftfahrzeugs genutzt werden.
Unter der vorgegebenen Kraft ist insbesondere eine im Wesentlichen konstante Kraft zu verstehen. Mit anderen Worten wird mittels der flexiblen Spanneinrichtung eine konstante Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt. Insbesondere durch die Volumenänderung während des Ladezustands der Batteriezellen bleibt die konstante Kraft dennoch aufrecht erhalten. Insbesondere ist vorgesehen, dass im geladenen Zustand der Batteriezelle die Batteriezelle ein größeres Volumen aufweist als im entladenen Zustand.
Insbesondere kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die vorgegebene Kraft derart eingestellt wird, dass ein konstanter Druck von 0,1 bis 0,5 Millipascal auf eine Zellfläche der Batteriezellen ausgeübt ist.
Insbesondere ist es dadurch erfindungsgemäß ermöglicht, dass die Batterie modularisierbar sein kann, um einem Nutzer des Kraftfahrzeugs es zu ermöglichen, die Feststoffbatterie auf seinen Fahrzyklus einzustellen. Insbesondere kann als Fahrzyklus eine benötigte Reichweite eingestellt werden. Des Weiteren kann die Modularisierbarkeit zwischen verschiedenen Fahrzeugklassen realisiert werden.
Insbesondere handelt es sich somit erfindungsgemäß um eine stufenlos modularisierbare Batterie für zumindest teilweise elektrische Kraftfahrzeuge. Die Batteriezellen, beziehungsweise Batteriemodule, welche wiederum aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Batteriezellen bestehen können, werden insbesondere stehend in Kraftfahrzeuglängsrichtung aneinander gereiht. Es können hierzu lediglich so viele Batteriezellen verbaut werden, wie vom Nutzer gewünscht sind. Die Anzahl der Batteriezellen kann jederzeit erweitert werden, sofern beispielsweise die maximale Kapazität noch nicht erreicht ist. Am Ende der Batteriezellenreihe beziehungsweise der Batteriemodulreihe kann in gewissen Abständen die flexible Spanneinrichtung eingesetzt werden. Diese kann ohne großen Aufwand wieder entnommen werden, um beispielsweise neue Batteriezellen oder neue Batteriemodule einzusetzen und so die Batteriekapazität der Batterie erweitern zu können oder beispielsweise beschädigte Elemente auszutauschen. Durch die Spanneinrichtung kann somit durchgehend ein im Wesentlichen konstanter Druck beziehungsweise eine konstante Kraft auf die Zelle oder auf das Batteriemodul ausgeübt werden.
Insbesondere ist die Batterie derart im Kraftfahrzeug integriert und beispielsweise auf dem Fahrzeughauptboden stehend oder unter dem Fahrzeughauptboden hängend, sodass die Batterie an sich keinen extra Boden aufweist, sondern als Boden der Kraftfahrzeugboden bereitgestellt ist. Insbesondere ist die komplette strukturelle Einbindung, insbesondere die Steifigkeit der Feststoffbatterie, durch das Kraftfahrzeug bereitgestellt.
Die Batteriezellen werden insbesondere in der Fahrzeuglängsrichtung zum Kraftfahrzeug stehend nebeneinander aufgereiht. Aufgereiht werden die Batteriezellen oder die Batteriemodule von mindestens zwei Batteriezellen. Die Batteriezellen oder Batteriemodule stehen zwischen der Kraftfahrzeuglängsbegrenzung und der Kraftfahrzeugquerbegrenzung der Batterie der Spanneinrichtung, die in dem Batteriegehäuse stufenlos verankerbar ist oder auf andere Weise seine Position halten kann. Beispielsweise kann eine Verankerung durch Schraub- beziehungsweise Steckverbindung realisiert werden. Die flexible Spanneinrichtung ist derart ausgebildet, dass zum Zwecke der Batteriekapazitätsänderung in Fahrzeuglängsrichtung diese verschoben werden kann. Diese flexible Spanneinrichtung ist derart ausgebildet, dass diese auch ausgebaut werden kann und beispielsweise an anderer Stelle innerhalb der Batterie wieder eingebaut werden kann. Dadurch ist eine Erhöhung der Batteriekapazität oder ein Austausch von beschädigten Batteriezellen ermöglicht.
Dadurch ist es insgesamt ermöglicht, dass die Feststoffbatterie in einer Vielzahl von unterschiedlichen Kraftfahrzeugen eingebaut werden kann. Es kann eine Kosteneinsparung realisiert werden und ein Nutzer des Kraftfahrzeugs kann stufenlos die Kapazität der Batterie wählen. Insbesondere ermöglicht dies eine Einsparung an Gewicht im Kraftfahrzeug.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Batterie ein erstes Batteriemodul mit einer ersten Anzahl von Batteriezellen und ein separates zweites Batteriemodul mit einer zweiten Anzahl von Batteriezellen auf, wobei das erste Batteriemodul eine erste flexible Spanneinrichtung und das zweite Batteriemodul eine zweite flexible Spanneinrichtung aufweisen und wobei sich die erste flexible Spanneinrichtung und die zweite flexible Spanneinrichtung im verbauten Zustand im Kraftfahrzeug an dem Kraftfahrzeugbauteil abstützen. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Batterie zumindest zwei Batteriemodule aufweist, welche wiederum aus einer Vielzahl von Batteriezellen ausgebildet sind. Dadurch ist es ermöglicht, dass innerhalb der Batterie die Batteriekapazität erhöht werden kann. Dadurch, dass jedes der Batteriemodule eine separate flexible Spanneinrichtung aufweist, kann jeweilig die vorgegebene Kraft auf das jeweilige Batteriemodul ausgeübt werden. Insbesondere durch die Volumenänderung vom geladenen Zustand des jeweiligen Batteriemoduls zum entladenen Zustand des jeweiligen Batteriemoduls kann diese Volumenänderung zuverlässig ausgeglichen werden. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass sich die erste flexible Spanneinrichtung sowie die zweite flexible Spanneinrichtung an dem gleichen Kraftfahrzeugbauteil abstützen. Beispielsweise kann dies eine Querverstrebung innerhalb des Kraftfahrzeugs, insbesondere eine Querverstrebung am Kraftfahrzeugboden, sein. Dadurch ist es ermöglicht, dass bauteilreduziert die konstante Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt wird.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn im verbauten Zustand der Batterie im Kraftfahrzeug zumindest zwei Gehäusewände der Batterie als Kraftfahrzeugbauteile ausgebildet sind. Mit anderen Worten kann die Batterie derart im Kraftfahrzeug verbaut sein, dass die Batterie feststoffbatteriegehäuselos ist. Das Gehäuse wird insbesondere durch unterschiedliche Kraftfahrzeugbauteile gestellt. Mit anderen Worten stützen sich die Bauteile der Batterie jeweilig an den Kraftfahrzeugbauteilen ab. Dadurch kann gewichtsreduziert die Feststoffbatterie bereitgestellt werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn die zumindest erste flexible Spanneinrichtung derart ausgebildet ist, dass die vorgegebene Kraft regelbar ist. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die vorgegebene Kraft eingestellt werden kann. Insbesondere hat dies den Vorteil, dass beispielsweise im Laufe der Lebenszeit der Batterie eine unterschiedliche vorgegebene Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt werden muss. Durch die Regelbarkeit der vorgegebenen Kraft kann somit ein verbesserter Betrieb der Batterie, auch über ihre Lebenszeit hin, realisiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Batterie eine elektronische Recheneinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Entscheidungskriteriums die vorgegebene Kraft zu regeln. Die elektronische Recheneinrichtung weist insbesondere entsprechende Schaltungen und Leitungen auf, um Steuersignale erzeugen zu können. Insbesondere kann die elektronische Recheneinrichtung somit automatisch und auf den aktuellen Ladezustand hin die vorgegebene Kraft regeln. Dadurch ist ein verbesserter Betrieb der Batterie ermöglicht.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die elektronische Recheneinrichtung die vorgegebene Kraft in Abhängigkeit eines erfassten aktuellen Ladezustands der Vielzahl von Batteriezellen und/oder in Abhängigkeit eines erfassten Druckwerts innerhalb der Batterie als Entscheidungskriterium regelt. Insbesondere kann hierzu vorgesehen sein, dass die Batterie beispielsweise entsprechende Spannungssensoren aufweist, mittels welchen der Ladezustand der Vielzahl von Batteriezellen oder einer jeweiligen Batteriezelle ermittelt werden kann, wodurch in Abhängigkeit des erfassten Ladezustands die Kraft entsprechend eingestellt werden kann. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass ein Drucksensor innerhalb der Batterie verbaut ist, welcher den internen Druck innerhalb der Batterie misst und entsprechend dieses erfassten Druckwerts die Einstellung beziehungsweise Regelung der mindestens einen flexiblen Spanneinrichtung vornimmt. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass durch entsprechende Sensoren oder Ableitungen des Ladezustands der Batteriezellen der benötigte aufzubringende Druck, insbesondere der vorgegebene Kraftwert, bestimmt und permanent so eingestellt wird, dass die Batteriezellen über deren jeweiliger Fläche einen konstanten Druck erfahren und die Volumenänderung stattfinden kann, beziehungsweise dass auch bei der Volumenänderung ein konstanter Druck auf die Zelle einwirkt. Der Druck beziehungsweise die Verspannung wird derart eingestellt, dass an einer Seite der Zellenaneinanderreihung von einer jeweiligen Gehäusewand oder der dahinterliegenden Fahrzeugstruktur getragen wird. Somit ist ein verbesserter Betrieb der Batterie innerhalb des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Batterie, insbesondere die Feststoffbatterie zumindest eine Stromschiene auf, an welcher die Vielzahl von Batteriezellen beweglich angeordnet ist. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Batteriezellen entweder als Hardcasezellen ausgeführt sind oder als Pouchzellen ausgeführt sind. Der Spannungsabgriff erfolgt über entsprechende Terminals, die über die Stromführungsschiene, mit anderen Worten die Stromschiene, gleiten und somit auch bei der Zellverschiebung durch die Volumenänderung mitgehen können. Dadurch kommt es nicht zu entsprechenden mechanischen Belastungen der Ableiter bei Verschiebungen der Batteriezellen durch deren Volumenänderung. Die Stromschiene ist beispielsweise durch Federn an die Zellableiter gedrückt, um den Kontakt sicherstellen zu können. Die Anordnung der Zellableiter und Stromschiene kann entweder seitlich oder auf einer Oberseite oder Unterseite der Batteriezellen erfolgen. Dadurch ist ein verbesserter Betrieb der Batterie ermöglicht.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als hydraulische Spanneinrichtung ausgebildet ist. Insbesondere wird hierbei der Druck durch eine Flüssigkeit aufgebracht. In der flexiblen Spanneinrichtung kann dann durch die Flüssigkeit die Ausdehnung der Batteriezellen insbesondere in Längsrichtung kompensiert werden. Beispielsweise kann hierzu durch ein Kissen oder durch einen Zylinder als Hydraulikelement die Volumenänderung und die vorgegebene Kraft realisiert werden.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als pneumatische Spanneinrichtung ausgebildet ist. Insbesondere wird bei der Pneumatik die entsprechende vorgegebene Kraft beziehungsweise der Druck durch ein Gas aufgebracht und beispielsweise in der flexiblen Spanneinrichtung durch ein Kissen oder durch einen Zylinder wird für die Veränderung der Ausdehnung in der Fahrzeuglängsrichtung kompensiert. Dies ist insbesondere eine bevorzugte Variante der flexiblen Spanneinrichtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als federbasierte Spanneinrichtung ausgebildet. Mit anderen Worten wird mittels einer Federkraft die vorgegebene Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt. Insbesondere stützt sich dann ein jeweiliges Federelement der flexiblen Spanneinrichtung an dem zumindest einen Kraftfahrzeugbauteil ab, um die vorgegebene Kraft auf die Batteriezellen ausüben zu können. Dadurch ist mit wenig Aufwand ein verbesserter Betrieb der Batterie ermöglicht.
Alternativ kann beispielsweise mittels Spannmatten, die zwischen den Batteriezellen und der flexiblen Spanneinrichtung angeordnet sind, die vorgegebene Kraft realisiert werden. Nochmals alternativ kann beispielsweise über elastische Kunstsoffbauteile oder Gummibauteile, insbesondere über superelastische Gummis, der Druck aufgebracht werden, wobei die elastischen Gummibauteile insbesondere entsprechend verformbar sind. Nochmals alternativ oder ergänzend kann durch entsprechende Schäume innerhalb der flexiblen Spanneinrichtung die vorgegebene Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als elektrische Spanneinrichtung ausgebildet. Insbesondere kann dadurch eine elektrische Verschiebung durch beispielsweise einen Steuerungsmotor angetrieben werden, wodurch dann wiederum die flexible Spanneinrichtung im Ganzen verschoben wird, und insbesondere ist der Steuerungsmotor dann an dem Kraftfahrzeugbauteil, beispielsweise durch eine Gewindestange abgestützt. Alternativ oder ergänzend kann im Inneren durch einen Zylinder oder das Verschieben einer Wand der flexiblen Spanneinrichtung die konstante Kraft aufgebaut werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die elektrische Spanneinrichtung selbsthemmend, insbesondere eine Gewindespindel der elektrischen Spanneinrichtung selbsthemmend, ausgebildet. Dadurch ist es ermöglicht, dass die vorgegebe Kraft zuverlässig auf die Batteriezellen ausgeübt werden kann, wobei durch die selbsthemmende Ausgestaltungsform energiereduziert die Kraft gehalten werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als kunststoff- oder gummibasierte Spanneinrichtung ausgebildet. Dies kann beispielsweise über elastische Kunststoffbauteile oder Gummibauteile, insbesondere über superelastische Gummis, realisiert werden, wobei die elastischen Gummibauteile insbesondere entsprechend verformbar sind. Dadurch kann einfach und dennoch zuverlässig die vorgegebene Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, sollte die Batterie über zumindest zwei flexible Spanneinrichtungen, insbesondere über eine Vielzahl von flexiblen Spanneinrichtungen, verfügen, dass die flexiblen Spanneinrichtungen bevorzugt gleich ausgebildet sind, jedoch ist es auch möglich, dass die jeweiligen Spanneinrichtungen unterschiedlich zueinander ausgebildet sind. Beispielsweise kann die erste flexible Spanneinrichtung als elektrische Spanneinrichtung ausgebildet sein, wobei eine zweite flexible Spanneinrichtung als pneumatische Spanneinrichtung ausgebildet sein kann. Diese Aufzählung ist rein beispielhaft und keinesfalls abschließend zu betrachten und dient lediglich der Veranschaulichung dieser Ausführungsform.
Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach dem vorhergehenden Aspekt, und mit zumindest einem Kraftfahrzeugbauteil, wobei sich eine zumindest erste flexible Spanneinrichtung der Batterie an dem Kraftfahrzeugbauteil abstützt. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs mit einer Batterie;
2 eine weitere schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform des Kraftfahrzeugs mit einer weiteren Ausführungsform einer Batterie;
3 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Batterie; und
4 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Batterie.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Ausführungsform einer Batterie 12. Die Batterie 12, die insbesondere eine Feststoffbatterie sein kann, ist insbesondere für das zumindest teilweise elektrisch betreibbare Kraftfahrzeug 10 ausgebildet. Die Batterie 12 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 14 auf. Jede der Batteriezellen 14 weist in einem entladenen Zustand der Batteriezelle 14 ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle 14 ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen auf. Diese Volumenveränderung ist insbesondere durch die Pfeile 16 und 18 in der 1 dargestellt. Durch den ersten Pfeil 16 ist insbesondere eine Volumenvergrößerung dargestellt und durch den zweiten Pfeil 18 ist eine Volumenverkleinerung dargestellt. Insbesondere ist im geladenen Zustand eine jeweilige Batteriezelle 14 größer, weist also ein größeres Volumen auf, als im entladenen Zustand.
Die Batterie 12 weist ferner eine flexible Spanneinrichtung 20 zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft K im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen 14 auf.
Es ist vorgesehen, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung 20 derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft K auf die Vielzahl von Batteriezellen 14 die zumindest erste flexible Spanneinrichtung 20 zumindest an einem Kraftfahrzeugbauteil 22 des Kraftfahrzeugs 10 abgestützt ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Kraftfahrzeugbauteil 22 um ein strukturgebendes Element. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das strukturgebende Element beispielsweise eine Querstrebe oder Achse des Kraftfahrzeugs 10 sein. Insbesondere zeigt die 1, dass im verbauten Zustand der Batterie 12 im Kraftfahrzeug 10 zumindest zwei Gehäusewände der Batterie 12 als Kraftfahrzeugbauteile 22, 24 ausgebildet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stützt sich als Gehäusewand beispielsweise die Batterie 12, beziehungsweise die Batteriezellen 14, sich am zweiten Kraftfahrzeugbauteil 24 ab, welches vorliegend ebenfalls als Achse, beispielsweise als Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10, ausgebildet sein kann. Ferner kann durch Schweller 26 des Kraftfahrzeugs 10 eine entsprechende Gehäusewand für die Batterie 12 ausgebildet sein.
1 zeigt insbesondere das Kraftfahrzeug 10, welches sich in einer Hauptfahrrichtung des Kraftfahrzeugs 10 befindet. Der Pfeil X zeigt dabei insbesondere die Kraftfahrzeuglängsrichtung des Kraftfahrzeugs 10 und insbesondere die Hauptfahrrichtung des Kraftfahrzeugs 10 an. Der Pfeil Y zeigt insbesondere eine Kraftfahrzeugquerrichtung des Kraftfahrzeugs 10 an.
2 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine weitere Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 10 mit einer Ausführungsform der Batterie 12. Im folgenden Ausführungsbeispiel weist die Batterie 12 ein erstes Batteriemodul 28 mit einer ersten Anzahl von Batteriezellen 14 und ein separates zweites Batteriemodul 30 mit einer zweiten Anzahl von Batteriezellen 14 auf. Das erste Batteriemodul 28 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch drei Batteriesubmodule 32 ausgebildet, wobei jedes der Batteriesubmodule 32 die Batteriezellen 14 aufweist. Das zweite Batteriemodul 30 ist im vorliegenden Beispiel lediglich durch die Batteriezellen 14 gebildet. Insbesondere zeigt dies, dass die Batterie 12 modular aufgebaut ist und insbesondere an einen Nutzerwunsch, insbesondere bezüglich der Batteriekapazität, angepasst werden kann. Des Weiteren zeigt 2, dass das erste Batteriemodul 28 die erste flexible Spanneinrichtung 20 aufweist und das zweite Batteriemodul 30 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zweite flexible Spanneinrichtung 34 auf. Es ist vorgesehen, dass sich die erste flexible Spanneinrichtung 20 und die zweite flexible Spanneinrichtung 34 im verbauten Zustand im Kraftfahrzeug 10 an dem Kraftfahrzeugbauteil 22 abstützen.
Des Weiteren zeigt die 2, dass die Batterie 12 zumindest eine Stromschiene 36 aufweist, an welcher die Vielzahl von Batteriezellen 14, im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Batteriesubmodule 32, beweglich angeordnet sind.
3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform der Batterie 12. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere gezeigt, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung 20 derart ausgebildet ist, dass die vorgegebe Kraft K regelbar ist. Beispielsweise kann hierzu vorgesehen sein, dass die Batterie 12 eine elektronische Recheneinrichtung 38 aufweist, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Entscheidungskriteriums die vorgegebene Kraft K zu regeln. Die elektronische Recheneinrichtung 38 kann wiederum die vorgegebene Kraft K in Abhängigkeit eines erfassten aktuellen Ladezustands der Vielzahl von Batteriezellen 14 und/oder in Abhängigkeit eines erfassten Druckwerts innerhalb der Batterie 12 als Entscheidungskriterium regeln. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine entsprechende Erfassungseinrichtung 40 zum Erfassen des Drucks beziehungsweise des Ladezustands innerhalb der Batterie 12 angeordnet ist.
Insbesondere zeigt die 3, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als elektrische Spanneinrichtung ausgebildet ist. Hierzu weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die elektrische Spanneinrichtung einen elektrischen Motor 42 auf, über welchen eine Spindel 44 angetrieben werden kann. Insbesondere ist ein Gewinde 46 an dem Kraftfahrzeugbauteil 22 angeordnet, sodass durch Drehen der Spindel 44 die Kraft K auf eine Druckplatte 48 ausgeübt werden kann, welche wiederum die Kraft K konstant auf die Batteriezellen 14 verteilt.
Alternativ zu der elektrischen Spanneinrichtung kann die flexible Spanneinrichtung 20, 34 auch als federbasierte Spanneinrichtung oder als kunststoff- oder gummibasierte Spanneinrichtung bereitgestellt werden.
Insbesondere ist es durch die Spanneinrichtungen 20, 34 ermöglicht, dass sich die Dicke der Batteriezellen 14 durch Auf- beziehungsweise Entladung oder Alterung ändern kann. Hierzu kann beispielsweise die flächige Druckplatte 48 entsprechend der Dickenänderung aktiv vor- beziehungsweise zurückbewegt werden, sodass sich eine konstante axiale Verpressung ergibt. Insbesondere weist die zumindest erste flexible Spanneinrichtung 20 zur Kompensation der Dickenänderung ein aktiv gesteuertes Konstantkraftsystem mit vorzugsweise horizontaler Kraft-Weg-Kennlinie auf.
Mit anderen Worten wird die Kraft K im vorliegenden Ausführungsbeispiel elektromechanisch ausgeführt. Die Bewegungsenergie wird dabei vorzugsweise durch den Elektromotor 42 erzeugt und beispielsweise über den Zahnstrang beziehungsweise über die Spindel 44 direkt über Rampen- beziehungsweise Hebelsysteme mit einer Übersetzung in die Druckplatte 48 eingeleitet. Um keine Halteenergie aufbringen zu müssen, wird bei Varianten mit Spindel 44 diese selbsthemmend ausgeführt. Bei Varianten mit Zahnstange wird eine stromlos aktive Verriegelung oder Bremse vorgesehen. Um ein ständiges Nachstellen des Scheibensystems zu verhindern, kann es wiederum sinnvoll sein, zusätzlich ein elastisches Element wie zum Beispiel eine dünne Spannmatte zwischen den Batteriemodulen 28, 30 und der Druckplatte 48 anzuordnen.
Durch insbesondere die horizontale Kraft-Weg-Kennlinie der flexiblen Spanneinrichtung 20, 34 wird immer nur die nötige Mindestvorspannkraft angelegt, sodass die Batteriezelle 14 beziehungsweise die Batteriemodule 28, 30 beziehungsweise die Batteriesubmodule 32 leichter sowie kosten- und bauraumgünstiger ausgeführt werden können. Da der Elektrodenstapel stets mit der vorgegebenen Kraft K verpresst wird, kommt es nicht zur negativen Beeinflussung von Zellperformance und -lebensdauer. Die Aktivregelung der vorgegebenen Kraft K ermöglicht es weiterhin, diese in Abhängigkeit vom Betriebszustand gezielt zu variieren. So könnte man zum Beispiel beim Transport, bei ruhendem Betrieb oder im Gefahrfall, beispielsweise bei einem Fahrzeugcrash, die Kraft K auf 0 zurückfahren. Die flexible Spanneinrichtung 20, 34 kann einmalig in die Batteriezelle 14 oder in das Batteriemodul 28, 30 verbaut werden oder mehrmalig. Wird im Batteriemodul 28, 30 nach jeder Batteriezelle 14 eine entsprechende flexible Spanneinrichtung 20, 34 angeordnet, dann bleiben die Batteriezellen 14 trotz Dickenänderung in ihrer axialen Position gleich.
Alternativ zu dem in 3 Gezeigten kann die elektrisch betriebene flexible Spanneinrichtung 20 beispielsweise mittels des Elektromotors 42, einer Spindel 44 sowie einem Rampensystem bereitgestellt werden. Alternativ kann ferner vorgesehen sein, dass die elektrisch betriebene flexible Spanneinrichtung 20 mittels eines Elektromotors 42, der Spindel 44 sowie eines Hebelsystems ausgeführt wird.
4 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine weitere Ausführungsform der Batterie 12. Insbesondere zeigt die 4 beispielsweise die Ausführungsform des zweiten Batteriemoduls 30 gemäß 2. Im folgenden Ausführungsbeispiel ist die zweite flexible Spanneinrichtung 34 als pneumatische Spanneinrichtung ausgebildet. Alternativ können die flexiblen Spanneinrichtungen 20, 34 auch als hydraulische Spanneinrichtungen ausgebildet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die zweite flexible Spanneinrichtung 34 gezeigt. Analoges Ausführungsbeispiel gilt für die erste flexible Spanneinrichtung 20. Bei der Ausführungsform der flexiblen Spanneinrichtung 20, 34 als pneumatische flexible Spanneinrichtung handelt es sich um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Das zweite Batteriemodul 30 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 14 auf, welche beispielsweise mittels Festkörperchemie ausgebildet sein können. Der pneumatische Steller ist nach dem Faltenbalgprinzip mit im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei verbundenen, in Reihe geschalteten Luftkammern ausgeführt. Zur Sicherstellung der rechteckigen Form sind die Kammerwände beispielsweise aus Kunststoff oder Gummi stirnseitig auf metallische Trägerplatten geklebt beziehungsweise vulkanisiert. Durch die flächige Ausbildung der Stirnseiten des pneumatischen Stellers muss zwischen Steller und Elektrodenstapel keine kraftverteilende Druckplatte angeordnet werden. Pneumatiksteller und Elektrodenstapel werden in ein allseitig geschlossenes Metallgehäuse 50 eingesetzt, dessen stirnseitige Wand in Richtung der Vorspannkraft insbesondere mit der vorgegebenen Kraft K aufgedickt ist und sich beispielsweise direkt an dem Kraftfahrzeugbauteil 20 abstützt. Die Druckluftversorgung 52 der Faltenbalge erfolgt durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor und über Regelventile. Um den benötigten Druck über längere Zeit auch ohne Betrieb des Kompressors aufrecht zu erhalten, kann im pneumatischen System ein Speicherkessel angeordnet werden. Der zusätzlich für entsprechend ausgeführte Batteriezellen 14 oder Batteriemodule 28, 30 nötige Aufwand reduziert sich deutlich, wenn das Kraftfahrzeug 10 bereits mit einem Luftfederungssystem ausgerüstet ist, welches über einen eigenen Kompressor verfügt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft (K) auf die Vielzahl von Batteriezellen (14) die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) zumindest an einer Innenseite des Batteriegehäuses oder an einem Zellgehäuse abgestützt ist.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Spanneinrichtung nicht nur in einer Batterie bzw. einem Zellblock, sondern auch innerhalb einer einzelnen Batteriezelle verbaut werden. Der Druck wird in diesem Fall im Zellblock auf Zellen mit elastischem Gehäuse oder in der Zelle direkt auf die Elektroden ausgeübt.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Feststoffbatterie
14: Batteriezelle
16: Pfeil
18: Pfeil
20: erste flexible Spanneinrichtung
22: erstes Kraftfahrzeugbauteil
24: zweites Kraftfahrzeugbauteil
26: Schweller
28: erstes Batteriemodul
30: zweites Batteriemodul
32: Batteriesubmodul
34: zweite flexible Spanneinrichtung
36: Stromschiene
38: elektronische Recheneinrichtung
40: Erfassungseinrichtung
42: elektrischer Motor
44: Spindel
46: Gewinde
48: Druckplatte
50: Gehäuse
52: Druckluftversorgung
K: vorgegebene Kraft
X: Kraftfahrzeuglängsrichtung
Y: Kraftfahrzeugquerrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009035482 A1 [0003]
DE 102015216221 A1 [0004]
WO 2013/188094 A1 [0005]

Claims

Batterie (12), insbesondere Feststoffbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug (10), mit einer Vielzahl von Batteriezellen (14), wobei jede der Batteriezellen (14) in einem entladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung (20) zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft (K) im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen (14), dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft (K) auf die Vielzahl von Batteriezellen (14) die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) zumindest an einem Kraftfahrzeugbauteil (22, 24, 26) des Kraftfahrzeugs (10) abgestützt ist.
Feststoffbatterie (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffbatterie (12) ein erstes Batteriemodul (28) mit einer ersten Anzahl von Batteriezellen (14) und ein separates zweites Batteriemodul (30) mit einer zweiten Anzahl von Batteriezellen (14) aufweist, wobei das erste Batteriemodul (28) eine erste flexible Spanneinrichtung (20) und das zweite Batteriemodul (30) eine zweite flexible Spanneinrichtung (34) aufweisen, und wobei sich die erste flexible Spanneinrichtung (20) und die zweite flexible Spanneinrichtung (34) im verbauten Zustand im Kraftfahrzeug (10) an dem Kraftfahrzeugbauteil (22, 24, 26) abstützen.
Feststoffbatterie (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im verbauten Zustand der Feststoffbatterie (12) im Kraftfahrzeug (10) zumindest zwei Gehäusewände der Feststoffbatterie (12) als Kraftfahrzeugbauteile (22, 24, 26) ausgebildet sind.
Batterie (12), insbesondere Feststoffbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug (10), mit einer Vielzahl von Batteriezellen (14), wobei jede der Batteriezellen (14) in einem entladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung (20) zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft (K) im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen (14), dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft (K) auf die Vielzahl von Batteriezellen (14) die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) zumindest an einer Innenseite des Batteriegehäuses oder an einem Zellgehäuse abgestützt ist.
Batterie (12), insbesondere Feststoffbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug (10), mit einer Vielzahl von Batteriezellen (14), wobei jede der Batteriezellen (14) in einem entladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste flexible Spanneinrichtung (20) innerhalb zumindest einer Batteriezelle verbaut ist, womit ein Druck im Zellblock auf Zellen mit elastischem Gehäuse oder in der Zelle direkt auf die Elektroden ausgeübt wird.
Feststoffbatterie (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass die vorgegebene Kraft (K) regelbar ist.
Feststoffbatterie (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffbatterie (12) eine elektronische Recheneinrichtung (38) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Entscheidungskriteriums die vorgegebene Kraft (K) zu regeln.
Feststoffbatterie (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Recheneinrichtung (38) die vorgegebene Kraft (K) in Abhängigkeit eines erfassten aktuellen Ladezustands der Vielzahl von Batteriezellen (14) und/oder in Abhängigkeit eines erfassten Druckwerts innerhalb der Feststoffbatterie (12) als Entscheidungskriterium regelt.
Feststoffbatterie (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffbatterie (12) zumindest eine Stromschiene (36) aufweist, an welcher die Vielzahl von Batteriezellen (14) beweglich angeordnet ist.
Feststoffbatterie (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) als hydraulische Spanneinrichtung ausgebildet ist.
Feststoffbatterie (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) als pneumatische Spanneinrichtung ausgebildet ist.
Feststoffbatterie (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) als federbasierte Spanneinrichtung ausgebildet ist.
Feststoffbatterie (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) als elektrische Spanneinrichtung ausgebildet ist.
Feststoffbatterie (12) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spanneinrichtung selbsthemmend, insbesondere eine Spindel (44) der elektrischen Spanneinrichtung selbsthemmend, ausgebildet ist.
Feststoffbatterie (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) als kunststoffbasierte oder gummibasierte Spanneinrichtung ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (10) mit einer Batterie (12), insbesondere einer Feststoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 15, und mit zumindest einem Kraftfahrzeugbauteil (22, 24, 26), wobei sich eine zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) der Feststoffbatterie 12 an dem Kraftfahrzeugbauteil (22, 24, 26) abstützt.