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Die Erfindung betrifft eine Spanneinrichtung zum Verspannen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen, wobei die Spanneinrichtung mindestens ein Befestigungselement zum Befestigen der Spanneinrichtung, insbesondere mit dem darin aufgenommenen Zellstapel, an einem Batteriegehäuse aufweist, wobei die Spanneinrichtung weiterhin eine erste Endplatteneinheit und eine zweite Endplatteneinheit zur beidseitigen Begrenzung des Zellstapels in Stapelrichtung aufweist. Dabei umfasst zumindest die erste Endplatteneinheit eine erste Endplatte und eine erste Deformationsplatte, wobei die erste Endplatte mit dem mindestens einen Befestigungselement fest verbunden ist. Zur Erfindung gehört auch ein Batteriemodul mit einer solchen Spanneinrichtung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchem Batteriemodul.
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Batteriemodule mit prismatischen Zellen beziehungsweise mit Pouch-Zellen werden üblicherweise bei der Montage vorgespannt, das heißt es wird eine Vorspannkraft auf den Zellstapel aufgebracht und dieser dann über ein Gehäuse beziehungsweise eine mechanische Bandage fixiert. Dieses Verspannen des Zellstapels dient als Maßnahme gegen zu schnelles Altern der Zelten und ermöglicht damit lange Lebensdauern und Garantiezeiträume von acht Jahren beziehungsweise Lebensdauerzeiträume von bis zu 15 Jahren. Eine solche Spanneinrichtung kann zum Beispiel durch beidseitig den Zellstapel begrenzende Endplatten oder Endplatteneinheiten bereitgestellt sein, die zum Beispiel über seitlich in Stapelrichtung verlaufende Spannbänder oder ähnliches miteinander verspannt werden können. Über die Lebensdauer eines solchen Batteriemoduls dehnen sich die Zellen üblicherweise aus, das heißt der Druck innerhalb des Moduls steigt. Um diesen Druck nicht überkritisch anwachsen zu lassen, wird also ein Teil der Spannungen als Deformation in den Spannplatten beziehungsweise Endplatten abgebaut beziehungsweise kompensiert. Dabei entstehen Kräfte, die sich sowohl auf die Zellen als auch auf das Gehäuse auswirken und zu elastischer oder plastischer Verformung führen, unter anderem auch nicht beabsichtigten Verformungen von Komponenten. Heutige Spannplatten sind üblicherweise rein mechanisch ausgeführt und verformen sich beziehungsweise werden entsprechend komprimiert. Dabei treten ungewollte Deformationen beziehungsweise Bauraumprobleme auf und führen zu einem Längenwachstum der Batteriemodule. Mit solchen Endplatten beziehungsweise Endplatteneinheiten können auch Befestigungselemente zum Befestigen der Spanneinrichtung beziehungsweise des gesamten Batteriemoduls zum Beispiel in einem Batteriegehäuse oder an einem entsprechenden Rahmen vorgesehen sein. Durch die beschriebene Ausdehnungs- und Deformationsproblematik können sich damit auch die Befestigungspunkte des Batteriemoduls entsprechend verschieben, was sich dann entsprechend nachteilig auf die Befestigung des Batteriemoduls innerhalb der Gesamtbatterie beziehungsweise des Batteriegehäuses auswirkt.
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In diesem Zusammenhang beschreibt beispielsweise die
US 2011/0262797 A1 ein Batteriemodul mit einer Spanneinrichtung, welche ebenfalls zwei einen Zellstapel in Stapelrichtung beidseitig begrenzende Endplatteneinheiten aufweist, wobei eine solche Endplatteneinheit beispielsweise eine Endplatte und eine zusätzliche zwischen der Endplatte und dem Zellstapel direkt an der Endplatte angeordnete elastische Platte aufweisen kann. Diese elastische Platte fungiert dabei als Feder, um beim Anschwellen der Batteriezellen diesen, wie beschrieben, eine Ausweichmöglichkeit bereitzustellen und dennoch eine Gegenkraft auf diese aufzubringen. Da auch hier diese federnde Platte direkt an der Endplatte angeordnet ist, kommt es unweigerlich zum Kraftübertrag von dieser federnden Platte zur Endplatte, was wiederum zu den oben beschriebenen unerwünschten Deformationen dieser Endplatten führen kann.
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Weiterhin beschreibt auch die
US 2017/0352850 A1 ein Batteriemodul mit einer Spanneinrichtung, welche wiederum einen Zellstapel beidseitig begrenzende Endplatteneinheiten umfasst. Diese Endplatteneinheiten setzen sich wiederum aus mehreren Einzelplatten und Elementen zusammen. Beispielsweise kann eine solche Einheit zunächst eine isolierende Platte zwischen den Zellstapeln und den äußeren Platten aufweisen, wobei die beiden äußersten Platten unterschiedliche Materialeigenschaften besitzen sollen, um Gewicht und Steifigkeit dieser Anordnung zu optimieren. Auch bei dieser Anordnung lässt es sich im Falle eines Anschwellens von Batteriezellen nicht vermeiden, dass ein solches Anschwellen zu einer unerwünschten Verformung der entsprechenden Endplatten führen kann. Eine solche Verformung lässt sich insbesondere nur dann vermeiden, wenn die äußerste Endplatte beispielsweise entsprechend steif ausgebildet wird, was jedoch Kosten und Gewicht eines solchen Batteriemoduls in die Höhe treibt.
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Weiterhin beschreibt auch die
EP 2 958 165 A1 ein Batteriemodul mit Endplatten, die einen Zellstapel aus mehreren Batteriezellen beidseitig begrenzen. Zwischen den jeweiligen Endplatten und dem Zellstapel sind dabei elastische Platten angeordnet. Auch diese elastischen Platten sind auf der einen Seite durch die Endplatten abgestützt, wodurch sich auf diese elastischen Platten wirkenden Kräfte unmittelbar auch auf die Endplatten auswirken und entsprechend wieder zu den oben genannten unerwünschten Deformationen führen können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Spanneinrichtung zum Verspannen eines Zellstapels, ein Batteriemodul und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die es ermöglichen, unerwünschte Deformationen von Endplatten beim Ausdehnen von Batteriezellen eines in der Spanneinrichtung aufgenommenen Zellstapels auf möglichst effiziente Weise zu vermeiden oder zumindest in ihrem Ausmaß zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Spanneinrichtung, durch ein Batteriemodul und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Spanneinrichtung zum Verspannen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen weist mindestens ein Befestigungselement zum Befestigen der Spanneinrichtung, insbesondere mit dem darin aufgenommenen Zellstapel, an einem Batteriegehäuse auf, wobei die Spanneinrichtung eine erste Endplatteneinheit und eine zweite Endplatteneinheit zur beidseitigen Begrenzung des Zellstapels in Stapelrichtung aufweist, wobei zumindest die erste Endplatteneinheit eine erste Endplatte und eine erste Deformationsplatte umfasst, und wobei die erste Endplatte mit dem mindestens einen Befestigungselement fest verbunden, zum Beispiel stoffschlüssig verbunden, ist. Dabei ist die erste Deformationsplatte weiterhin derart ausgebildet, dass die erste Deformationsplatte durch eine im Falle eines in der Spanneinrichtung aufgenommenen Zellstapels durch ein Anschwellen zumindest einer Batteriezelle des Zellstapels auf die erste Deformationsplatte ausgeübte Deformationskraft deformierbar ist, wobei die erste Endplatte und die erste Deformationsplatte voneinander, insbesondere wiederum in Stapelrichtung, beabstandet und sich nicht berührend angeordnet sind und derart über zumindest ein Kopplungselement miteinander verbunden sind, dass die Deformationskraft zumindest zum Großteil nicht auf die erste Endplatte übertragbar ist.
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Dadurch, dass die Deformationsplatte deformierbar ausgebildet ist, insbesondere unter den typischerweise beim Ausdehnen beziehungsweise Anschwellen von Batteriezellen auf die Deformationsplatte ausgeübten Deformationskräfte, kann durch Deformation dieser ersten Deformationsplatte zumindest ein Großteil dieser von den Batteriezellen ausgeübten Deformationskraft aufgenommen beziehungsweise durch Deformation abgebaut werden, wobei zusätzlich dadurch, dass die Deformationsplatte von der Endplatte auch räumlich beabstandet ist und diese nicht berührt, von der verbleibenden Restkraft kaum noch etwas auf diese äußere Endplatte übertragbar ist. Zudem kann durch geeignete Ausbildung des genannten Kopplungselements und dessen Anordnung bezüglich der Endplatte eine Kraftverteilung beziehungsweise Krafteinleitung einer eventuell verbleibenden Restkraft in die Endplatte, wenn überhaupt, so erfolgen, dass dies nicht zur Deformation dieser äußeren Endplatte führen kann und eine solche Restkraft ohne Weiteres beispielsweise durch das mindestens eine Befestigungselement aufgenommen werden kann. Insbesondere ist dieses Befestigungselement zur Befestigung an einem Gesamtbatteriegehäuse beziehungsweise dessen Rahmen vorgesehen. Damit ist dieses Befestigungselement mit einer extrem großen trägen Masse gekoppelt. Eventuell verbleibende Restkräfte werden dann ohne Weiteres über dieses mindestens eine Befestigungselement aufgenommen. Damit kann die äußere Endplatte vorteilhafterweise vollkommen kräftefrei bleiben.
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Die erste Endplatteneinheit wird also in zwei Bereiche aufgeteilt, einen Bereich, der sich deformiert und der durch die erste Deformationsplatte bereitgestellt ist, sowie einen festen Teil, der keiner Deformation unterliegt und welcher einerseits durch die erste Endplatte bereitgestellt ist und andererseits zudem auch die Befestigungspunkte zum Befestigen des Batteriemoduls an einem Batteriegehäuse aufnehmen kann. Damit werden die hohen Kräfte, die beim Anschwellen von Batteriezellen entstehen können, gleichmäßig in dem begrenzten Bauraum der inneren Spannplatte, das heißt der Deformationsplatte, verteilt, abgefangen und/oder umgewandelt und die äußere Spannplatte, das heißt die erste Endplatte, bleibt unbelastet. Dadurch sind beispielsweise die Befestigungspunkte, die durch die mindestens eine Befestigungseinrichtung definiert sein können, unabhängig von den Toleranzen und Kräften der Batteriezellen. Durch die Aufteilung der Endplatteneinheit in die genannten zwei Bereiche, nämlich einen Bereich, der sich deformiert und einen festen Teil, der keiner Deformation unterliegen kann, ist es vorteilhafterweise möglich, die Vorspannung der Batteriezellen und die Aufnahme der Toleranzen unabhängig von der Befestigung zu gestalten, die in der äußeren Spannplatte, das heißt der ersten Endplatte, sitzt. Damit kann das Batteriemodul zu seinen Befestigungspunkten wesentlich genauer gefertigt werden und verliert diese genaue Befestigung auch nicht über die Alterung der Batteriezellen hinweg. Besonders hervorzuheben ist dabei zudem, dass durch die Entkopplung der Deformationsplatte von der Endplatte, insbesondere durch die beschriebene Kraftentkopplung sowie auch durch die räumliche Entkopplung bzw. Beabstandung, eine Längenausdehnung des Batteriemoduls vorteilhafterweise keinen Einfluss mehr auf die an der ersten Endplatte angeordneten beziehungsweise durch das mindestens eine Befestigungselement bereitgestellten Befestigungspunkte hat. Dadurch, dass also die erste Endplatte und die erste Deformationsplatte voneinander beabstandet angeordnet sind, kann durch diesen Abstand folglich auch ein Toleranzausgleich bereitgestellt werden, der die Position der ersten Endplatte vollkommen unberührt lässt. Dehnen sich die Batteriezellen also aus, so kann sich die erste Deformationsplatte in diesen Toleranzbereich zwischen der erste Deformationsplatte und der erste Endplatte hinein wölben, ausdehnen oder anderweitig hinein deformieren, während die Position der ersten Endplatte, die gleichzeitig auch ein Ende einer Länge des den Zellstapel umfassenden Batteriemoduls definiert, davon unberührt bleibt. Weiterhin kann dadurch, dass die äußere unbelastete Endplatte nicht deformiert werden kann, diese äußere unbelastete Endplatte vorteilhafterweise auch noch zusätzliche Funktionen übernehmen, wie dies später näher beschrieben wird, für welche eine Deformation nicht zulässig wäre. Somit lassen sich vorteilhafterweise durch die Erfindung unerwünschte Deformationen der Endplatten, sowie eine Positionsänderung dieser auf besonders effiziente Weise vermeiden.
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Die zweite Endplatteneinheit kann im Übrigen genauso wie die erste Endplatteneinheit ausgebildet sein. Das heißt, auch die zweite Endplatteneinheit kann beispielsweise eine zweite Endplatte und eine zweite Deformationsplatte aufweisen, die voneinander beabstandet und sich nicht berührend angeordnet sind und über ein entsprechendes Kopplungselement wie für die erste Endplatteneinheit beschrieben gekoppelt sind. In der bestimmungsgemäßen Anordnung der Spanneinrichtung bezüglich eines in der Spanneinrichtung aufgenommenen Zellstapels stellt die Deformationsplatte, insbesondere die erste sowie auch die zweite, jeweils die den Zellstapel nähergelegene Platte dar, das heißt die Deformationsplatten befinden sich näher am Zellstapel als die jeweiligen Endplatten. Mit anderen Worten sind die Deformationsplatten jeweils zwischen dem Zellstapel und der betreffenden Endplatte der Endplatteneinheit angeordnet. Auch das genannte Kopplungselement kann weiterhin Teil einer solchen Endplatteneinheit sein.
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Weiterhin ist es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das mindestens eine Befestigungselement als Hülse, insbesondere mit einem Innengewinde, zur Kopplung mit einem korrespondierenden Befestigungsmittel, insbesondere einer Schraube, ausgebildet ist. Somit kann das Batteriemodul, welches zum Beispiel durch eine Kombination der Spanneinrichtung mit einem in der Spanneinrichtung aufgenommenen Zellstapel bereitgestellt ist, durch eine Schraubverbindung an einem Rahmen oder Batteriegehäuse befestigt werden. Vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn eine jeweilige Endplatte mit zwei solchen Befestigungselementen gekoppelt beziehungsweise fest mit diesen verbunden ist. Diese Befestigungselemente können sich dann entsprechend in einem Randbereich, welcher den jeweiligen Seitenplatten der Spanneinrichtung zugeordnet beziehungsweise zugewandt ist, angeordnet sein. Die Befestigung eines solchen Batteriemoduls am Batteriegehäuse muss aber nicht notwendigerweise über eine Schraubverbindung erfolgen, sondern kann auch durch irgendeine andere Befestigungsmöglichkeit bereitgestellt sein, zum Beispiel durch eine Steckverbindung. Entsprechend muss die genannte Hülse auch nicht notwendigerweise ein Innengewinde aufweisen, sondern kann auch ohne Innengewinde, zum Beispiel zur Aufnahme eines entsprechenden Stiftes, einer Spannhülse oder ähnlichem ausgebildet sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste Endplatteneinheit und die zweite Endplatteneinheit durch zwei sich gegenüberliegende Seitenplatten miteinander verbunden, wobei die erste und zweite Endplatteneinheit und die zweite Seitenplatten derart zueinander angeordnet sind, dass durch diese ein quaderförmiger Aufnahmebereich zur Aufnahme eines Zellstapels bereitgestellt ist. Ist mit anderen Worten ein solcher Zellstapel bestimmungsgemäß in die Spanneinrichtung aufgenommen, so ist der Zellstapel in Stapelrichtung, wie bereits beschrieben, von den beiden Endplatteneinheiten begrenzt und in einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung von diesen beiden Seitenplatten, die entsprechend sich in Stapelrichtung erstrecken und die beiden Endplatteneinheiten in Stapelrichtung miteinander verbinden. Diese Seitenplatten sind dabei zumindest in Stapelrichtung steif beziehungsweise nicht dehnbar oder ähnliches ausgebildet, sodass zum Beispiel durch diese Seitenplatten die jeweiligen Endplatteneinheiten, insbesondere die beiden äußeren Endplatten der jeweiligen Endplatteneinheiten, in einem definierten Abstand gehalten werden können. Durch diesen Abstand wird dann vorteilhafterweise eine Toleranzausgleichsmöglichkeit bereitgestellt, wenn die Batteriezellen anschwellen. Die durch Anschwellen der Batteriezellen im Laufe ihrer Lebensdauer entstehenden und in Stapelrichtung wirkenden Kräfte können wie beschrieben durch die Deformationsplatten aufgenommen und abgebaut werden, ohne dabei die durch die beiden Endplatten sowie auch die jeweiligen Seitenplatten bereitgestellte äußere Geometrie der Spanneinrichtung zu verändern, sodass sich vorteilhafterweise, wie beschrieben, auch der Bauraumbedarf für ein solches Batteriemodul im Laufe der Lebensdauer nicht ändert. Durch die jeweiligen Seitenplatten kann zum Beispiel auch das genannte Kopplungselement, welches die Deformationsplatte und die Endplatte miteinander koppelt, bereitgestellt sein. Dadurch kann eine Kopplung zwischen der Deformationsplatte und der der gleichen Endplatteneinheit zugeordneten Endplatte bereitgestellt werden, die auf den Randbereich der jeweiligen Platten begrenzt ist, sodass sich hierdurch keinerlei Deformationskräfte auf die äußere Endplatte übertragen lassen. Dies hat mehrere Gründe. Zum einen entstehen solche Deformationskräfte lediglich in einem zentralen Bereich der Batteriezellen, da diese lediglich in einem zentralen Bereich ausbauchen beziehungsweise anschwellen, während die Abmessungen der jeweiligen Batteriezellen in Stapelrichtung im Bereich der jeweiligen Seitenplatten sich kaum oder überhaupt nicht verändern. Entsprechend entstehen in diesen Seitenbereichen auch keinerlei auf die Deformationsplatte wirkenden Deformationskräfte. Die zentral wirkenden Deformationskräfte können dagegen durch entsprechende Deformation der Deformationsplatte abgebaut werden und wirken sich dann entsprechend auch nicht auf die Endplatten aus. Ein Eintrag einer möglicherweise verbleibenden Restkraft über das Kopplungselement beziehungsweise die Seitenplatten auf die Endplatten können dabei dann allerhöchstens noch in einem Randbereich erfolgen, was entsprechend jedoch nicht zu einer Deformation der Endplatten führen kann, insbesondere aufgrund des symmetrischen Aufbaus.
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Eine solche Entkopplung lässt sich aber nicht nur bereitstellen, wenn das mindestens eine Kopplungselement durch einen Teil einer solchen Seitenplatte bereitgestellt ist, sondern auch wenn das Kopplungselement als separates Bauteil bereitgestellt ist, wie dies nachfolgend näher beschrieben ist.
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Dabei stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Kopplungselement, insbesondere als separates Bauteil, fest mit zumindest einer der beiden Seitenplatten und mit dem mindestens einen Befestigungselement verbunden ist, insbesondere wobei das mindestens eine Befestigungselement in einem Eckbereich angeordnet ist, der durch einen einer der Seitenplatten zugewandten Endbereich der Endplatte und durch einen der Endplatte zugewandten Endbereich des Kopplungselements gebildet ist. Eine feste Verbindung kann beispielsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung, zum Beispiel eine Schweißverbindung, bereitgestellt sein, aber auch durch irgendeine andere nicht-stoffschlüssige Verbindung, wie zum Beispiel eine Schraubverbindung oder ähnliches. Bevorzugt ist ein solches Kopplungselement einerseits am mindestens einen Befestigungselement angeschweißt, welches wiederum an der Endplatte angeschweißt ist, und andererseits kann auch zumindest eine der beiden Seitenplatten, zum Beispiel außenseitig, an diesem Kopplungselement angeschweißt sein. Gerade durch dieses Kopplungselement und die entsprechenden festen Verbindungen zwischen dem Befestigungselement, der Endplatte sowie der Seitenplatten und diesem Kopplungselement kann eine besonders hohe Steifigkeit in diesem Eckbereich, das heißt also im Bereich des Befestigungselements, bereitgestellt werden. Dadurch lässt sich die Stabilität dieser Anordnung gerade im Befestigungsbereich zusätzlich erhöhen.
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Beispielsweise kann das Kopplungselement einen plattenartigen, zentralen Teil aufweisen, an welchem die Deformationsplatte angeordnet ist, sowie zwei Randteile, die sich gegenüberliegend an dem zentralen Teil in Richtung der jeweiligen Seitenplatten anschließen, wobei die jeweiligen Randteile gewinkelt ausgeführt sind, sodass diese jeweils mit ihren jeweiligen in Richtung der ersten Endplatte weisenden Endbereichen parallel zur jeweiligen Seitenplatte verlaufen. Dies hat den großen Vorteil, dass hierdurch pro Endplatteneinheit nur ein solches Kopplungselement vorgesehen sein kann und nicht mehrere solcher Kopplungselemente gefertigt und entsprechend angeordnet werden müssen, um zum Beispiel eine beidseitige und symmetrische Kopplung zwischen der Deformationsplatte und der Endplatte sowie auch eine Anbindung an die jeweiligen Seitenplatten bereitzustellen. Der besonders große Vorteil dieser Ausbildung besteht jedoch gerade darin, dass durch dieses Kopplungselement gleichzeitig eine versteifende Deformationsplatte erreicht werden kann. Mit anderen Worten kann der plattenartige zentrale Teil zusammen mit der Deformationsplatte sozusagen eine Deformationseinheit bilden, die gewissermaßen ebenfalls zweiteilig ausgeführt ist, sodass durch diese zweiteilige Ausführung einerseits eine zusätzliche Versteifung bereitgestellt werden kann sowie mehr Gestaltungsfreiheitsgrade, um die Deformationseigenschaften dieser Deformationseinheit in geeigneter Weise auf die Art der Batteriezellen, deren Anzahl und Größe und der typischerweise im Laufe der Alterung eines solchen Zellstapels entstehenden Deformationskraft anpassen zu können.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erste Deformationsplatte zumindest zum Teil gewellt ist. Durch eine solche Wellenstruktur kann die Deformationsplatte besonders gut Deformationskräfte aufnehmen. Diese gewellte Deformationsplatte kann zum Beispiel direkt auf dem zentralen Teil des Kopplungselements angeordnet sein. Zwischenräume zwischen den durch die Deformationsplatte bereitgestellten Wellen und dem zentralen Teil des Kopplungselements können beispielsweise mit einem weiteren Deformationsmedium, zum Beispiel einem Kunststoff, einem Schaum, einem Fluid oder ähnlichem, befüllt sein. Dadurch lassen sich Kräfte noch effizienter verteilen, aufnehmen und abbauen.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Endplatte einen metallischen Plattenkern und zumindest ein Kunststoffteil auf, das direkt am Plattenkern angeordnet ist. Dieses Kunststoffteil kann beispielsweise auch als zumindest bereichsweise Ummantelung des metallischen Plattenkerns ausgebildet sein und entsprechend auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des metallischen Plattenkerns angeordnet sein. Eine solche hybride Ausbildung der Endplatte ist besonders vorteilhaft, da durch den genannten metallischen Plattenkern einerseits ein hohes Maß an Stabilität für die Endplatte bereitgestellt werden kann, andererseits durch den zumindest einen Kunststoffteil die Integration weiterer Funktionskomponenten erleichtert wird.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die erste Deformationsplatte mindestens eine Funktionskomponente aufweist, insbesondere eine als Zell-Management-Controller ausgebildete Steuereinheit und/oder eine Greiferaufnahme zum Koppeln mit einem Greifer eines Handlings-Geräts zum Bewegen und Positionieren eines die Spanneinrichtung aufweisenden Batteriemoduls. Auch können noch zahlreiche weitere solcher Funktionskomponenten in die äußeren Endplatten der Spanneinrichtung integriert werden. Dies wird erst dadurch ermöglicht, dass durch die beschriebene Ausbildung der Spanneinrichtung eine Deformation der äußeren Endplatten auf besonders effiziente Weise auch beim Anschwellen von Batteriezellen des Stellstapels im Laufe deren Alterung vermieden werden kann. Somit können nun auch vorteilhafterweise weitere Komponenten in die äußeren Endplatten integriert werden, die keiner solchen Deformation standhalten würden, wie zum Beispiel der genannte Zell-Management-Controller. Dies ermöglicht einen besonders effizienten und kompakten Aufbau eines Batteriemoduls. Auch Greiferaufnahmen für ein Handlings-Gerät oder ähnliches lassen sich so auf besonders einfache Weise in die Spanneinrichtung, insbesondere direkt in die jeweiligen Endplatten, integrieren. Mit einem solchen Handling-Gerät werden üblicherweise Batteriemodule positioniert, zum Beispiel gehoben, und in ihre jeweiligen Aufnahmepositionen in ein Batteriegehäuse eingesetzt oder ähnliches.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul mit einer erfindungsgemäßen Spanneinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Batteriemodul beziehungsweise eine seiner Ausgestaltungen einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen, zum Beispiel prismatischen Zellen oder Pouch-Zellen, aufweisen, wobei der Zellstapel beidseitig in Stapelrichtung von der ersten und der zweiten Endplatteneinheit begrenzt ist. Im Übrigen kann auch der Aufbau des Batteriemoduls mit dem bestimmungsgemäß in der Spanneinrichtung angeordneten Zellstapel, wie zuvor im Zusammenhang mit der Spanneinrichtung bereits beschreiben, ausgestaltet sein.
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Des Weiteren soll auch eine Hochvoltbatterie mit mehreren solchen Batteriemodulen als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Eine solche Hochvoltbatterie kann dabei ein Batteriegehäuse aufweisen, welches zum Beispiel einen Rahmen umfasst, wobei dann das Batteriemodul beziehungsweise die mehreren jeweiligen Batteriemodule am Rahmen mittels des mindestens einen Befestigungselements der Spanneinrichtung befestigt ist.
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Die Erfindung betrifft zudem auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie oder eines seiner beziehungsweise ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Spanneinrichtung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Batteriemodul, die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie sowie das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Teils eines Batteriemoduls mit einer Spanneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei sich die Batteriezellen des Batteriemoduls im nicht ausgedehnten Zustand befinden;
- 2 eine schematische Darstellung des Teils des Batteriemoduls aus 1, wobei sich nun die Batteriezellen des Batteriemoduls in einem ausgedehnten Zustand befinden;
- 3 eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines Batteriemoduls mit einer Spanneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Seiten- beziehungsweise Schnittansicht durch ein Batteriemodul mit einer Spanneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 5 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls mit einer Spanneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines Batteriemoduls 10 mit einer Spanneinrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Weiterhin umfasst das Batteriemodul 10 einen Zellstapel 14 mit mehreren in einer Stapelrichtung, der hier dargestellten x-Richtung des dargestellten Koordinatensystems, angeordneten Batteriezellen 16. Dieser Zellstapel 14 ist in Stapelrichtung x beidseitig von jeweils einer Endplatteneinheit 18 begrenzt, von welcher hier nur eine dargestellt ist. Diese Endplatteneinheit 18 umfasst dabei wiederum eine Deformationsplatte 20 sowie eine äußere Endplatte 22. An der äußeren Endplatte 22 sind weiterhin Befestigungselemente 24 angeordnet. Diese sind dabei fest mit der äußeren Endplatte 22 verbunden, zum Beispiel stoffschlüssig verbunden, zum Beispiel mittels Schweißen. Diese Befestigungselemente 24 können beispielsweise in Form von Hülsen mit einem Innengewinde ausgebildet sein, um so das Batteriemodul 10 mit einem hier nicht dargestellten Batteriegehäuse beziehungsweise Rahmen zum Aufnehmen mehrerer solcher Batteriemodule 10 zur Bereitstellung einer Hochvoltbatterie zu befestigen. Diese Befestigung erfolgt vorzugsweise über eine Schraubverbindung, kann aber auch auf jede beliebig andere Weise erfolgen. Weiterhin sind die beiden Endplatteneinheiten 18 durch zwei gegenüberliegende und sich ebenfalls in Stapelrichtung x erstreckende Seitenplatten 26 miteinander verbunden. Auch diese Seitenplatten 26 können direkt oder zumindest mittelbar mit den Befestigungselementen 24 verbunden sein, zum Beispiel über ein später näher beschriebenes Koppelelement.
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Besonders vorteilhaft ist es nun, dass die äußere Endplatte 22 und die Deformationsplatte 20 der gleichen Endplatteneinheit 18 derart zueinander angeordnet sind, dass diese sich nicht direkt berühren, sondern zueinander beabstandet angeordnet sind, insbesondere in einem Abstand d, der damit vorteilhafterweise einen Swelling- und Toleranzausgleichsbereich 28 bereitstellt. Im Laufe der Alterung von Batteriezellen 16 kommt es nämlich typischerweise zu einem Anschwellen dieser Batteriezellen 16, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Dieses Anschwellen kann dabei mehr oder weniger stark erfolgen und führt dazu, dass die jeweiligen Batteriezellen 16 in einem zentralen Bereich bezüglich ihrer Erstreckung in der hier dargestellten y-Richtung sowie auch in der hier dargestellten z-Richtung ausbauchen. In den jeweiligen Randbereichen der Batteriezellen 16 bezogen auf die z- und y-Richtung fällt dieses Ausbauchen weniger stark aus beziehungsweise äußert sich gar nicht. Die dabei entstehenden Kräfte können nun vorteilhafterweise durch die Deformationsplatte 20 abgefangen werden. Diese Deformationskraft F kann zum Beispiel in der Größenordnung von 30 Kilonewton liegen, aber auch durchaus mehr oder weniger betragen, je nach Ausbildung der Batteriezellen 16, deren Größe, deren Anzahl, deren verwendeter Zellchemie und deren Alter. Wie in 2 dargestellt, ermöglicht es die erfindungsgemäße Konstruktion der Spanneinrichtung 12 vorteilhafterweise, dass eine solche Deformationskraft F lediglich auf die Deformationsplatte 20 wirkt und zu einer Deformation dieser führt, während die äußere Endplatte 22 nicht deformiert wird und insbesondere auch in keinster Weise von dieser Deformationskraft F beeinflusst wird. Durch den Swelling- und Toleranzausgleichsbereich 28, der dadurch bereitgestellt ist, dass die Endplatte 22 und die erste Deformationsplatte 20 voneinander beabstandet angeordnet sind, können folglich durch dieses Anschwellen bedingte Toleranzen in der Länge des Zellstapels 14 abgefangen werden, ohne dabei Einfluss auf die Position der Endplatte 22 zu nehmen. Dies wird vor allem durch Vergleich von 1 und 2 deutlich, bei welchem die Änderung des Abstands zwischen der Deformationsplatte 20 und der Endplatte 22 deutlich zu erkennen ist. 1 zeigt dabei die Situation mit maximalen Toleranzen, gemäß welcher sich die Zellen 16 im nicht ausgedehnten Zustand befinden und folglich der Abstand zwischen der Endplatte 22 und der Deformationsplatte 20 am größten ist, und 2 die Situation mit minimalen Toleranzen, gemäß welcher sich die Zellen 16 im ausgedehnten Zustand, insbesondere im maximal ausgedehnten Zustand befinden und folglich der Abstand zwischen der Endplatte 22 und der Deformationsplatte 20 am kleinsten ist, aber dennoch die Deformationsplatte 20 die Endplatte 22 nicht berührt, so dass auch in diesem maximal ausgedehnten Zustand der Batteriezellen 16 die Position und Geometrie der Endplatten 22 vollkommend unberührt bleibt. Dehnen sich die Batteriezellen 16 also aus, so kann sich die Deformationsplatte 20 in diesen Toleranzbereich 28 zwischen der Deformationsplatte 20 und der Endplatte 22 hinein wölben, ausdehnen oder anderweitig hinein deformieren, während die Position der Endplatte 22 selbst davon unabhängig ist. Entsprechend bleiben auch die Befestigungspunkte, die durch die Befestigungselemente 24 bereitgestellt sind, vollkommen unbeeinflusst. Durch die Aufteilung der Spannplatte, d.h. der Endplatteneinheit 18, in zwei Bereiche, nämlich die Deformationsplatte 20 und die davon räumlich separierte Endplatte 22, ist es möglich, die Aufnahme der Toleranzen unabhängig von der Befestigung 24 zu gestalten, die in der äußeren Spannplatte, d.h. der Endplatte 22, sitzt. Damit ist das Modul 10 relativ zu seinen Befestigungspunkten 24 unabhängig von den Toleranzen der Zellen 16. Mit anderen Worten sind auch die Befestigungspunkte vollkommen unabhängig von den Toleranzen und Kräften der Batteriezellen 16. Damit kann das Batteriemodul 10 bezüglich seiner Befestigungspunkte 24 wesentlich genauer gefertigt werden, wobei sich auch an der Dimensionierung und Positionierung dieser Befestigungspunkte relativ zum Beispiel zu den äußeren Endplatten 22 auch im Laufe der Alterung der Batteriezellen 16 und bei deren Ausdehnung nichts ändert.
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3 zeigt nochmal eine schematische Detailansicht, insbesondere wiederum in einer Draufsicht, auf einen Teil des Batteriemoduls 10 mit einer Spanneinrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Spanneinrichtung 12, sowie auch das übrige Batteriemodul 10, kann dabei wie bereits zu 1 und 2 beschrieben ausgebildet sein. In 3 ist nunmehr auch eine detaillierter Ansicht eines Befestigungselements 24, welches als Schraubenhülse ausgebildet ist, zu erkennen, sowie die Anbindung der äußeren Endplatte 22 und der Deformationsplatte 20, insbesondere über ein entsprechendes Kopplungselement 30, an dieses Befestigungselement 24. Dieses Kopplungselement 30, welches als geeignet geformte Metallplatte ausgebildet sein kann, kann zum Beispiel einen zentralen plattenförmigen Teil 30a aufweisen, an welchem beispielsweise die Deformationsplatte 20 direkt angeordnet sein kann, sowie sich direkt an diesen zentralen Teil 30a insbesondere beidseitig, das heißt in der dargestellten y-Richtung, in Richtung der jeweiligen Seitenplatten 26 anschließende Randteile 30b, die insbesondere gewinkelt geformt sind, sodass zumindest ein Teil dieser Randteile 30b parallel zu den jeweiligen Seitenplatten 26 verläuft. Insbesondere können die jeweiligen Seitenplatten 26, von denen nur eine in 3 dargestellt ist, an dieses Kopplungselement beziehungsweise an dessen Randteil 30b angeschweißt sein. Dieses Kopplungselement 30 selbst kann wiederum über diesen Randteil 30b an das Befestigungselement 24, insbesondere wiederum außenseitig, angeschweißt sein. Auch die äußere Endplatte 22 kann an das Befestigungselement 24 außenseitig angeschweißt sein. Somit befindet sich das Befestigungselement 24, wie in 3 deutlich zu erkennen, in einem Eckbereich, der zum einen durch einen Endbereich der Endplatte 22, welcher in Richtung der Seitenplatte 26 weist, sowie durch einen Endbereich dieses Kopplungselements 30, welcher in Richtung der Endplatte 22 weist, gebildet ist. Wie in 3 deutlich zu erkennen, besteht auch hier keine direkte Verbindung zwischen der äußeren Endplatte 22 und diesem mit der Deformationsplatte 20 verbundenen Kopplungselement 30. Diese sind lediglich über das Befestigungselement 24 miteinander gekoppelt. Dieses Befestigungselement 24 wird wiederum, wie bereits beschrieben, an einem Gesamtbatteriegehäuse beziehungsweise dessen Rahmen befestigt, zum Beispiel angeschraubt. Damit ist dieses Befestigungselement 24 mit einer extrem großen trägen Masse gekoppelt. Eventuell verbleibende Restkräfte bedingt durch die zu 2 beschriebenen Deformationskraft F werden dann ohne weiteres über diese Befestigungselemente 24 aufgenommen. Damit bleibt die äußere Endplatte 22 vollkommen kräftefrei. Insbesondere ist keine Deformation dieser Endplatte 22 bedingt durch die zu 2 beschriebene Deformationskraft F, die durch das Aufblähen der Batteriezellen 16 hervorgerufen wird, möglich. Dadurch können vorteilhafterweise weitere Funktionskomponenten in diese äußere Endplatte 22 integriert werden, was eine besonders bauraumeffizienten und kompakte Ausgestaltung des Batteriemoduls 10 erlaubt. Solche Funktionskomponenten können zum Beispiel eine Steuereinheit darstellen, wie beispielsweise einen Zell-Management-Controller zur Steuerung des betreffenden Zellstapels 14 beziehungsweise des gesamten Batteriemoduls 10. In einer solchen Steuereinheit können zum Beispiel Sensordaten das Batteriemodul 10 betreffend gesammelt ausgewertet und an eine übergeordnete Steuereinheit übermittelt werden. Auch können Greiferaufnahmen oder ähnliches in diese Endplatte 22 integriert sein. Die Integration solcher Komponenten ist erst dadurch möglich, dass eine Deformation dieser Endplatte 22 bei Anschwellen der Batteriezellen 16 vollkommen ausgeschlossen ist. Um eine solche Integration zusätzlicher Komponenten zu erleichtern, kann diese äußere Endplatte 22 zudem in hybrider Form ausgebildet sein, zum Beispiel mit einem metallischen Plattenkern 22a und einem Kunststoffteil 22b, welcher diesen Plattenkern 22a zumindest teilweise ummanteln kann oder sich zumindest einseitig an diesen Plattenkern 22a unmittelbar anschließt.
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Dieses Batteriemodul 10 ist nun nochmal in einer entsprechenden Detailansicht in 4 von der Seite beziehungsweise in einer Schnittdarstellung dargestellt. Wie in dieser Darstellung deutlich zu erkennen ist, kann die Deformationsplatte 20, die, wie hier ebenfalls deutlich zu erkennen ist, am zentralen Teil 30a des Kopplungselements 30 angeordnet ist, zumindest bereichsweise wellenförmig ausgebildet sein. Diese Wellenstruktur ist in 4 mit 20a bezeichnet. Hierdurch sind Zwischenräume beziehungsweise Zwischenbereiche 32 gebildet, die sich also zwischen der Deformationsplatte 20 und dem zentralen Teil 30a des Kopplungselements 30 befinden und die ebenfalls mit einem Deformationsmittel 34 befüllt sein können. Ein solches Deformationsmittel kann zum Beispiel ein Schaum, ein Kunststoff, ein Fluid oder ähnliches darstellen. Durch diese Wellenstruktur 20a sowie durch diese zusätzlichen Deformationsmittel 34 sowie insbesondere durch diese doppelte Ausführung dieser Deformationseinheit, welche die Deformationsplatte 20 sowie den zentralen Teil 30a des Kopplungselements 30 umfasst, können die Deformationseigenschaften besonders gezielt und angepasst auf die jeweiligen Batteriezellen 16 und deren Ausdehnungseigenschaften im Laufe ihrer Alterung eingestellt werden und somit zellspezifisch besonders gute Deformationseigenschaften durch die beschriebenen Elemente bereitgestellt werden. Damit lassen sich Deformationskräfte F besonders effizient aufnehmen, umlenken und abbauen. Auch in dieser Darstellung ist wiederum der Toleranzbereich 28 zwischen der Deformationsplatte 20 und der Endplatte 22 deutlich zu erkennen, der durch die beabstandete Anordnung von Deformationsplatte 20 und Endplatte 22 bereitgestellt ist, so dass durch diesen Toleranzbereich 28 vorteilhafterweise Ausdehnungstoleranzen der Batteriezellen 16 kompensiert werden können, ohne dass dies Einfluss auf Lage und Position der Endplatten 22, und entsprechend der Befestigungspunkte 24 hat.
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5 zeigt nochmals eine schematische Darstellung des Batteriemoduls 10 mit einer Spanneinrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Gesamtdarstellung. Insbesondere kann dieses Batteriemodul 10 wiederum wie zu 1 bis 4 beschrieben ausgebildet sein.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Batteriemodul mit einer Spanneinrichtung und entkoppelten Endplatten bereitgestellt werden kann, durch welches einerseits vorteilhafterweise ermöglicht wird, Kräfte, die durch ein Ausdehnen der Batteriezellen im Laufe ihrer Lebensdauer bedingt sind, geeignet aufzunehmen und abzubauen sowie andererseits die äußere Geometrie sowie die außenseitigen Endplatten und die daran angeordneten Befestigungsplatten vollkommen unberührt zu lassen, sodass sich vorteilhafterweise im Laufe der Lebensdauer eines solchen Batteriemoduls auch kein geänderter Bauraumbedarf für ein solches Batteriemodul ergibt, die Befestigungspunkte deutlich genauer bezüglich des Batteriemoduls festgelegt werden können und zudem weitere Komponenten in die äußeren Endplatten integriert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0262797 A1 [0003]
- US 2017/0352850 A1 [0004]
- EP 2958165 A1 [0005]
