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Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs.
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Eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs verfügt typischerweise über mehrere Batteriemodule. Jedes Batteriemodul der Traktionsbatterie verfügt über mehrere Batteriezellen, die unter Ausbildung eines Batteriezellenstapels nebeneinander angeordnet oder hintereinander angeordnet sind.
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Aus
US 2011/0003185 A1 sind als Pouch-Zellen ausgebildete Batteriezellen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs bekannt.
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Aus der Praxis ist es bekannt, dass die Batteriezellen der Batteriemodule einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs im Betrieb einer geometrischen Größenänderung unterliegen. So können sich bei einem Ladezyklus und Entladezyklus die geometrischen Abmessungen der Batteriezellen ändern. Aufgeladene Batteriezellen verfügen typischerweise über größere geometrische Abmessungen als entladene Batteriezellen.
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Die geometrischen Abmessungen von Batteriezellen unterliegen auch alterungsbedingten Änderungen. So zeigt die Praxis, dass mit einer zunehmenden Alterung von Batteriezellen sich deren geometrische Abmessungen vergrößern.
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Dann, wenn sich die geometrischen Abmessungen von Batteriezellen ändern, ändern sich auch auf die Batteriezellen einwirkende Kräfte. Bislang bereitet es Schwierigkeiten, durch geometrische Größenänderungen bedingte Veränderungen an Batteriezellen eines Batteriemoduls einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs so auszugleichen, dass eine auf die Batteriezellen einwirkende Kraft sich nicht zu stark ändert, insbesondere nicht zu stark ansteigt und hierdurch Beschädigungen der Traktionsbatterie, nämlich der Batteriezellen derselben, verursacht werden.
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Es besteht daher Bedarf an einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, bei welcher geometrische Größenänderungen der Batteriezellen nicht zu einer unzulässigen Veränderung von auf die Batteriezellen wirkenden Kräften führen. Eine auf eine Batteriezelle wirkende Kraft soll groß genug sein, um dieselbe ausreichend vorzuspannen, jedoch klein genug sein, um eine Beschädigung der jeweiligen Batteriezelle zu vermeiden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Traktionsbatterie weist mindestens ein Batteriemodul auf. Das mindestens eine Batteriemodul weist jeweils mehrere nebeneinander angeordnete oder hintereinander angeordnete Batteriezellen auf. Das mindestens eine Batteriemodul weist weiterhin jeweils mehrere Ausgleichselemente auf, die zwischen benachbarten Batteriezellen des jeweiligen Batteriemoduls angeordnet sind und bei einer geometrischen Vergrößerung der Batteriezellen komprimierbar sind. Die Ausgleichselemente des jeweiligen Batteriemoduls sind fluidgefüllt und an einen gemeinsamen Fluidbehälter gekoppelt. Der Fluidbehälter weist ein Druckbegrenzungselement auf, welches den Druck im Fluidbehälter begrenzt.
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Bei der erfindungsgemäßen Traktionsbatterie weist das jeweilige Batteriemodul zusätzlich zu den mehreren Batteriezellen auch mehrere fluidgefüllte Ausgleichselemente auf, die an einen gemeinsamen Fluidbehälter gekoppelt sind. Der Druck im Fluidbehälter ist über das Druckbegrenzungselement begrenzt. Nimmt eine zum Beispiel alterungsbedingte Vergrößerung der geometrischen Abmessungen der Batteriezellen zu stark zu, so kann über das Druckbegrenzungselement der Druck im Fluidbehälter so begrenzt werden, dass auf die Batteriezellen wirkende Kräfte nicht zu stark ansteigen. Beschädigungen der Batteriezellen und damit der Traktionsbatterie können so sicher vermieden werden.
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Vorzugsweise öffnet das Druckbegrenzungselement dann, wenn der Druck im Fluidbehälter einen oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Das Druckbegrenzungselement schließt dann, wenn der Druck im Fluidbehälter einen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet. So ist stets gewährleistet, dass auf die Batteriezellen wirkende Kräfte groß genug sind, um eine ausreichende Vorspannung für die Batteriezellen zu gewährleisten, jedoch gering genug sind, um eine Beschädigung der Batteriezellen zu vermeiden.
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Die Batteriezellen unterliegen einer ladezyklusbedingten geometrischen Vergrößerung und einer alterungsbedingten geometrischen Vergrößerung, wobei die Ausgleichselemente in Folge dieser geometrischen Vergrößerung komprimierbar sind. Das Druckbegrenzungselement öffnet nicht in Folge einer ladezyklusbedingten geometrischen Vergrößerung der Batteriezellen sondern ausschließlich in Folge einer alterungsbedingten geometrischen Vergrößerung der Batteriezellen. Eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert ist vorzugsweise so bemessen, dass durch ladezyklusbedingte geometrische Vergrößerungen und durch entladezyklusbedingte geometrische Verkleinerungen der Batteriezellen verursachte Druckänderungen im Fluidbehälter zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert liegen. Ladezyklusbedingte und entladezyklusbedingte geometrische Größenveränderungen der Batteriezellen bewirken demnach kein Öffnen des Druckbegrenzungselements. Lediglich dann, wenn alterungsbedingte geometrische Vergrößerungen der Batteriezellen zu stark zunehmen, öffnet das Druckbegrenzungselement, um den Druck im Fluidbehälter zu begrenzen.
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Vorzugsweise ist eine Anzahl der Ausgleichselemente des jeweiligen Batteriemoduls kleiner als eine Anzahl der Batteriezellen des jeweiligen Batteriemoduls, wobei zwischen jeweils zwei Ausgleichselementen jeweils mehrere Batteriezellen angeordnet sind. Dies ist besonders bevorzugt, um einerseits immer eine ausreichende Vorspannkraft für die Batteriezellen zu gewährleisten und andererseits eine Beschädigung derselben zu vermeiden.
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Die Batteriezellen sind insbesondere als prismatische Zellen oder Flach-Zellen, die ein festes Gehäuse in kubischer Form aufweisen, oder als Pouch-Zellen, die ein flexibles, von einer Folie gebildetes Gehäuse aufweisen, ausgebildet. Die Erfindung kommt insbesondere dann besonders vorteilhaft zum Einsatz, wenn die Batteriezellen als prismatische Zellen oder Pouch-Zellen ausgebildet sind.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine schematisierte Ansicht eines Batteriemoduls einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs.
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Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs verfügt über mindestens ein Batteriemodul, vorzugsweise über mehrere Batteriemodule. Das jeweilige Batteriemodul verfügt über mehrere Batteriezellen, die unter Ausbildung eines Batteriezellenstapels nebeneinander oder hintereinander angeordnet sind.
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1 zeigt stark schematisiert ein Batteriemodul 10 einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, wobei das Batteriemodul 10 mehrere Batteriezellen 11 umfasst. In 1 sind insgesamt zwölf Batteriezellen 11 gezeigt, die hintereinander oder nebeneinander positioniert sind. Die Anzahl der Batteriezellen 11 ist rein exemplarischer Natur.
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Das Batteriemodul 10 verfügt zusätzlich zu den mehreren Batteriezellen 11 über mehrere Ausgleichselemente 12. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Anzahl der Batteriezellen 11 größer ist als die Anzahl der Ausgleichselemente 12. Zwischen jeweils zwei Ausgleichselementen 12 sind mehrere Batteriezellen 11 angeordnet. In 1 sind zwischen jeweils zwei Ausgleichselementen 12 jeweils vier Batteriezellen 11 angeordnet. Auch diese Anzahl ist rein exemplarischer Natur.
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Die Ausgleichselemente 12 sind bei einer geometrischen Vergrößerung der Batteriezellen 11 komprimierbar und bei einer geometrischen Verkleinerung der Batteriezellen 11 dekomprimierbar. Über die Ausgleichselemente 12 kann demnach eine geometrische Größenänderung der Batteriezellen 11 derart kompensiert werden, dass infolge einer geometrischen Größenänderung der Batteriezellen 11 auf dieselben einwirkenden Kräfte einer nicht zu starken Änderung unterliegen.
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Bei der erfindungsgemäßen Traktionsbatterie sind die Ausgleichselemente 12 fluidgefüllt und an einen gemeinsamen Fluidbehälter 13 gekoppelt, und zwar über Fluidleitungen 14. Von jedem Ausgleichselemente 12 führt dabei eine Fluidleitung 14 zu einer Sammelleitung 15, über welche letztendlich die Ausgleichselemente 12 an den gemeinsamen Fluidbehälter 13 gekoppelt sind.
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Der Fluidbehälter 13 verfügt über ein Druckbegrenzungselement 16. Über das Druckbegrenzungselement 16 ist der im Fluidbehälter 13 herrschende Druck begrenzbar.
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Nimmt der Druck im Fluidbehälter 13 zu stark zu, was letztendlich einer zu starken Zunahme von auf die Batteriezellen 11 einwirkenden Kräften entsprechen würde, so öffnet das Druckbegrenzungselement 16, um den Fluidbehälter 13 zu entlasten, und so den Druck im Fluidbehälter 13 sowie auf die Batteriemodule 11 einwirkenden Kräfte zu begrenzen.
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Die Batteriezellen 11 eines Batteriemoduls 10 einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs unterliegen einerseits einer ladezyklusbedingten geometrischen Größenänderung als auch einer alterungsbedingten geometrischen Größenänderung. So nimmt beim Laden der Batteriezellen 11 deren geometrische Abmessung zu, während beim Entladen derselben die geometrische Abmessung der Batteriezellen abnimmt. Maximal aufgeladene Batteriezellen weisen dabei größere Abmessungen auf als tiefentladene Batteriezellen 11.
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Neben diesen ladezyklusbedingten und entladezyklusbedingten geometrischen Größenänderungen unterliegen die Batteriezellen 11 einer alterungsbedingten geometrischen Größenänderung, wobei mit zunehmender Alterung der Batteriezellen 11 dieselben einer geometrischen Vergrößerung unterliegen. Infolge der ladezyklusbedingten geometrischen Vergrößerungen sowie infolge der alterungsbedingten geometrischen Vergrößerungen sind, wie bereits ausgeführt, die Ausgleichselemente 12 komprimierbar.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Druckbegrenzungselement 16 in Folge einer ladezyklusbedingten geometrischen Vergrößerung der Batteriezellen 11 nicht öffnet, sondern ausschließlich in Folge einer alterungsbedingten geometrischen Vergrößerung der Batteriezellen 11 bzw. einer hierdurch gedingten Druckänderung im Fluidbehälter 13. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass das Druckbegrenzungselement 16 dann öffnet, wenn der Druck im Fluidbehälter 13 einen oberen Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wohingegen das Druckbegrenzungselement 16 dann schließt, wenn der Druck im Fluidbehälter 13 einen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet.
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Die Differenz zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert ist dabei so bemessen, dass durch ladezyklusbedingte geometrische Vergrößerungen und entladezyklusbedingte geometrische Verkleinerungen der Batteriezellen 11 verursachte Druckänderungen im Fluidbehälter 13 zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert liegen, sodass also insbesondere ladezyklusbedingte geometrische Vergrößerungen der Batteriezellen 11 und der hierdurch bedingte Druckanstieg im Fluidbehälter 13 nicht zu einem Öffnen des Druckbegrenzungselements 16 führt. Nur dann, wenn bedingt durch Alterungsprozesse der Batteriezellen 11 die Druckerhöhung im Fluidbehälter 13 größer wird als eine durch einen Ladezyklus bedingte Druckerhöhung, so öffnet das Druckbegrenzungselement 16.
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Der untere Grenzwert gewährleistet immer eine ausreichend große Vorspannkraft für die Batteriezellen 11 des Batteriemoduls 10. Der obere Grenzwert begrenzt die auf die Batteriezellen 11 einwirkwende Kräfte und verhindert eine diesbezügliche Beschädigung derselben.
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Bei den Batteriezellen 11 kann es sich um sogenannte Pouch-Zellen handeln, die ein flexibles, von einer Folie gebildetes Gehäuse aufweisen. Ferner kann es sich bei den Batteriezellen 11 um prismatische Zellen handeln, die auch als Flach-Zellen bezeichnet werden, und die ein festes Gehäuse in kubischer Form aufweisen. Sowohl Pouch-Zellen als auch prismatische Zellen unterliegen der oben beschriebenen geometrischen Größenveränderung der Batteriezellen 11. Ein Einsatz bei Batteriemodulen 10 mit Pouch-Zellen ist dabei besonders bevorzugt.
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Wie oben bereits ausgeführt, sind die Ausgleichselemente 12 mit einem Fluid gefüllt. Bei dem Fluid kann es sich zum Beispiel um ein Gas oder auch um eine Flüssigkeit handeln. Insbesondere ist es möglich, die Ausgleichselemente 12 mit Wasser oder Öl zu befüllen, wobei dann über die Ausgleichselemente 12 zusätzlich eine Kühlwirkung für die Batteriezellen 11 bereitgestellt werden kann.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Ausgleichselemente 12 des jeweiligen Batteriemoduls 10 kleiner als die Anzahl der Batteriezellen 11 desselben, sodass demnach zwischen jeweils zwei Ausgleichselementen 12 jeweils mehrere Batteriezellen 11 angeordnet sind. Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass zwischen jeweils zwei Ausgleichselementen 12 immer nur eine einzige Batteriezelle 11 angeordnet ist.
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Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass ein Batteriemodul 10 einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs zusätzlich zu den Batteriezellen 11 fluidbefüllte Ausgleichselemente 12 aufweist, wobei die fluidbefüllten Ausgleichselemente 12 des jeweiligen Batteriemoduls 10 an einen gemeinsamen Fluidbehälter 13 angeschlossen sind. Der Druck im Fluidbehälter 13 ist über das Druckbegrenzungselement 16 begrenzt.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das Druckbegrenzungselement 16 nur dann öffnet und den Druck im Fluidbehälter 13 reduziert, wenn die Druckerhöhung im Fluidbehälter 13 größer ist als eine durch einen Ladezyklus bedingte Druckerhöhung, wenn also eine alterungsbedingte Druckerhöhung vorliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0003185 A1 [0003]
