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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung umfassend ein Gehäuse und eine Mehrzahl an Batterieelementen, welche in einem von dem Gehäuse gebildeten Volumen nebeneinander angeordnet sind. Zudem weist die Batterieanordnung auch wenigstens eine Trenneinheit für die Batterieelemente auf, wobei in dem Volumen zwischen zwei benachbarten Batterieelementen jeweils eine Trenneinheit angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Batterieanordnung.
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Eine solche Batterieanordnung kann beispielsweise als Antriebsbatterie für ein Kraftfahrzeug oder ein Luftfahrzeug ausgestaltet sein. Somit kann die Batterieanordnung beispielsweise als Hochvoltbatterie oder als Batteriemodul der Hochvoltbatterie ausgebildet sein. Mit „Hochvolt“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Betriebsspannung von etwa 30 V bis etwa 1 kV bei Wechselspannungen oder von 60 V bis etwa 1,5 kV bei Gleichspannungen gemeint. Zum Bereitstellen von elektrischer Energie, also zum Beispiel zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, weist die Batterieanordnung dabei in der Regel eine Mehrzahl, also zwei oder mehr, Batterieelemente auf. Die Batterieelemente können dementsprechend beispielsweise als einzelne Batteriemodule, umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen, oder als einzelne Batteriezellen ausgebildet sein. Zum Bilden der Batterieanordnung sind die Batterieelemente in bekannter Weise in dem Gehäuse angeordnet und zum Beispiel seriell oder parallel miteinander verschaltet. Wie zuvor beschrieben, sind die sind die Batterieelemente in dem Gehäusevolumen nebeneinander, also gestapelt angeordnet und bilden somit einen sogenannten Zellstapel.
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Zwischen den Batterieelementen sind in der Regel die genannten Trenneinheiten eingebaut oder angeordnet. Wie in der
DE 10 2018 204 420 A1 beschrieben, kann eine solche Trenneinheit beispielsweise als Scherwand ausgebildet sein. Eine solche Scherwand kann insbesondere zur Strukturverstärkung der Batterieanordnung oder beispielsweise als Schutzwand, zum Beispiel als Feuerschutzwand, dienen.
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Eine solche Trenneinheit kann jedoch auch dazu eingesetzt werden, eine Alterungsgeschwindigkeit der Batterieelemente oder der Batterieanordnung zu reduzieren oder zu verlangsamen. Die Batterieelemente sind nämlich in der Regel form instabil. Das heißt, jedes der Batterieelemente kann sich aufgrund von internen Kräften, die insbesondere bei Lade-oder Entladevorgängen auftreten, deformieren. Dadurch ergibt sich eine Volumenänderung des Batterieelements. Dieser Vorgang wird auch als sogenanntes „Swelling“ oder „Atmen“ bezeichnet. Um zu verhindern, dass die Batterieelemente beim Swelling gegeneinander gedrückt oder verschoben werden, können die Batterieelemente zum Beispiel im Gehäuse fixiert und mittels den genannten Trenneinheiten voneinander abgetrennt werden. Durch die Fixierung oder beim Nutzen starrer und unflexibler Trenneinheiten zwischen den Batterieelementen kann es jedoch zum Einquetschen oder Eindrücken des jeweiligen Batterieelements insbesondere beim Aufblähen oder Einatmen kommen. Dadurch wird die Alterungsgeschwindigkeit des jeweiligen Batterieelements beschleunigt werden. Um die Lebenszeit der Batterieanordnung zu verlängern, sind aus dem Stand der Technik Methoden zum Realisieren einer elastischen oder flexiblen Trenneinheit zwischen den Batterieelementen bekannt.
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Zum Beispiel offenbart die
DE 10 2016 201 604 A1 , dass zwischen zwei fixierten oder starren Trennwänden eines Batteriemoduls jeweils eine Batteriezelle angeordnet ist, wobei zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zu der ersten Batteriezelle benachbarten Trennwand ein erstes flexibel verformbares Ausgleichselement angeordnet ist und zwischen einer zweiten Batteriezelle und einer zu der zweiten Batteriezelle benachbarten Trennwand ein zweites flexibel verformbares Ausgleichselement angeordnet ist. Das erste und zweite Ausgleichselement weisen dabei einen unterschiedlichen Wert einer Verformungskonstante auf.
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Hierbei muss jedoch die jeweilige Verformungskante des jeweiligen Ausgleichselements im Voraus exakt bestimmt sein, damit der Alterungsprozess der Batterieelement oder der Batterieanordnung verlangsamt werden kann.
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Weiterhin offenbart die
WO 2017/055161 A1 ein Batteriemodul mit einem Gehäuse und elektrochemischen Batteriezellen, die in dem Gehäuse in gestapelter Weise nebeneinander angeordnet sind. Elastische Elemente sind dabei zwischen zwei benachbarten Zellen angeordnet. Diese elastischen Elemente stellen eine vorbestimmte Kompressionskraft für jede der Batteriezellen bereit, wenn die Zellen beispielsweise bei Lade- oder Entladevorgängen anschwellen.
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Hierbei kann es jedoch zu einem unkontrollierten Verschieben der Zellen oder der Trenneinheit kommen, so dass beispielsweise einzelne Batteriezellen in dem Gehäuse zusammengedrückt oder gequetscht werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterieanordnung bereitzustellen, ein Swelling oder Atmen einzelner Batterieelemente ermöglicht, und gleichzeitig ein Quetschen oder Zusammendrücken eines Batterieelements durch andere Batterieelemente vermeidet.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass dies mittels einer dynamischen Zellanordnungshilfe, also einer Trenneinheit, welche relativ zu dem Gehäuse bewegbar ausgestaltet ist, realisiert werden kann.
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Dementsprechend betrifft die Erfindung die genannte Batterieanordnung mit dem Gehäuse und einer Mehrzahl an Batterieelementen, also zwei oder mehr Batterieelemente. Die Batterieelemente sind dabei in dem von dem Gehäuse gebildeten Volumen nebeneinander oder gestapelt angeordnet. Sie bilden in bekannter Weise den genannten Zellstapel. Zusätzlich weist die Batterieanordnung die wenigstens eine Trenneinheit für die Batterieelemente auf. Eine Trenneinheit ist dabei in dem Volumen immer zwischen zwei benachbarten Batterieelementen angeordnet. Somit sind die Batterieelemente und die Trenneinheiten in dem Gehäuse abwechselnd nebeneinander angeordnet. Somit umfasst der Zellstapel auch die Trenneinheiten. Um das Swelling zu ermöglichen ohne die Lebensdauer der Batterieanordnung oder einzelner Batterieelemente zu beeinträchtigen, ist die jeweilige Trenneinheit dabei relativ in Bezug auf das Gehäuse in eine vorbestimmte Bewegungsrichtung innerhalb eines vorbestimmten Distanzbereichs bewegbar gelagert. Wie der Distanzbereich und die Bewegungsrichtung festgelegt sein können, ist im späteren Verlauf noch einmal näher beschrieben.
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Anders ausgedrückt kann die Trenneinheit somit beim Atmen der Batterieelemente relativ zu dem Gehäuse verschoben werden. Das Verschieben oder Bewegen erfolgt dabei nur entlang der Bewegungsrichtung und ist durch den vorbestimmten oder vorgegebenen Distanzbereich beschränkt. Der Distanzbereich ergibt somit einen maximalen Verschiebeabstand oder eine maximale Verschiebedistanz der jeweiligen Trenneinheit relativ zu dem Gehäuse.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Trenneinheit ein Maximalabstand zwischen den Batterieelementen, insbesondere beim Zusammenziehen oder Ausatmen der Batterieelemente, vorgegeben ist. Beim Aufblähen oder Einatmen der Batterieelemente kann aber gleichzeitig auch das unkontrollierte Verschieben und somit ein Quetschen oder Zusammendrücken eines Batterieelements durch andere Batterieelemente vermieden werden. Somit können über die Lebenszeit der Batterieanordnung Kräfte und Toleranzen zwischen den Batterieelementen ausgeglichen werden und dadurch eine homogene Alterung der Batterieelemente ermöglicht werden.
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Außerdem kann mittels der Trenneinheit auch eine geometrische Ausrichtung der Batterieelemente in dem Volumen des Gehäuses vereinfacht werden.
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Bei der vorbestimmten Bewegungsrichtung handelt es sich bevorzugt um eine Richtung in Stapelrichtung oder Anordnungsrichtung, also parallel zur Stapelrichtung der Batterieelemente. Das heißt, die jeweilige Trenneinheit kann mit einer jeweiligen Breitseite, also mit einer einer jeweiligen Batterieelement zugewandten Kontaktfläche auf eine jeweilige Breitseite oder Kontaktfläche des jeweiligen Batterieelements zu- oder von dem jeweiligen Batterieelement wegbewegt werden. Somit beschreibt die Bewegungsrichtung bevorzugt ein Verschieben oder Bewegen der Trenneinheit zwischen zwei benachbarten Batterieelementen. Mit Breitseite ist dabei diejenige Fläche einer geometrischen Form gemeint, welche die größte Oberfläche aufweist. Im Gegensatz dazu stellt beispielsweise eine jeweilige Schmalseite eine im Vergleich zur Breitseite schmälere Seitenfläche einer geometrischen Form dar. Die Schmalseite ist dabei insbesondere senkrecht an die jeweilige Breitseite angebracht und verbindet somit zwei gegenüberliegende Breitseiten miteinander. Ein rechteckförmiger oder quaderförmiger Gegenstand weist dementsprechend beispielsweise zwei gegenüberliegende, parallel zueinander ausgerichtete Breitseiten auf und vier senkrecht dazu ausgebildete Schmalseiten auf, welche die beiden Breitseiten miteinander verbinden.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Im Folgenden sind nun zunächst vorteilhafte Ausgestaltungen der Trenneinheit zum Verschieben der Trenneinheit relativ in Bezug auf das Gehäuse realisierst.
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Gemäß einer Ausführungsform weist zum bewegbaren Lagern der jeweiligen Trenneinheit relativ zu dem Gehäuse die jeweilige Trenneinheit an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten jeweils wenigstens ein Führungselement auf. Gleichzeitig weist auch das Gehäuse an einer jeweiligen der jeweiligen Schmalseite zugewandten Wandungsfläche wenigstens eine Aussparung zum Aufnehmen und Führen des Führungselements entlang der vorbestimmten Bewegungsrichtung innerhalb des vorbestimmten Distanzbereichs auf.
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Anders ausgedrückt, kann somit das jeweilige Führungselement in die dem Führungselement zugeordnete Aussparung der Wandungsfläche des Gehäuses eingebracht oder eingesteckt, bevorzugt hindurchgestreckt, werden. Eine Form der Aussparung, insbesondere die Ränder der Aussparung geben dabei den Distanzbereich und die Bewegungsrichtung vor. Somit ist durch die Form der Aussparung auch der Maximalabstand zwischen zwei benachbarten Batterieelementen vorgegeben.
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Das genannten Führungselement kann beispielsweise als Erhebung oder Ausbuchtung oder Stift an der jeweiligen Schmalseite der Trenneinheit angebracht sein. Die Aussparung kann entsprechend als eine Öffnung, also ein Ausschnitt, oder eine Vertiefung in der entsprechenden Wandungsfläche des Gehäuses ausgebildet sein.
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Bei den beiden Wandungsflächen, welche die jeweilige Aussparung umfassen, handelt es sich bevorzugt um zwei gegenüberliegende Seitenflächen oder Seitenwandungen des Gehäuses. Mit Seitenfläche ist dabei eine Wandung des Gehäuses gemeint, welche in einer vorbestimmten Einbaulage der Batterieanordnung senkrecht zu einer Bodenfläche und/oder Deckenfläche ausgerichtet ist. Die Bodenfläche und die Deckenfläche sind also über die jeweilige Seitenfläche miteinander verbunden. Bei der genannten Einbaulage handelt es sich dabei um eine Position der Batterieanordnung zum bestimmungsgemäßen Gebrauch als elektrischer Energiespeicher zum Beispiel als Antriebsbatterie eines Kraftfahrzeugs. In der Eibaulage sind die Bodenfläche und die Deckenfläche dabei bevorzugt parallel zu einem vorbestimmten Untergrund, wie Beispielsweise einem Fahrbahnuntergrund ausgerichtet. Demensprechend können die Schmalseiten der Trenneinheit, welche das jeweilige Führungselement umfassen auch als seitliche Schmalseiten bezeichnet werden.
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Um nun ein gleichmäßiges Verschieben der jeweiligen Trenneinheit gewährleisten zu können und ein Verkanten der Trenneinheit in dem Gehäuse zu vermeiden, weist die jeweilige Trenneinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform auf jeder Schmalseite bevorzugt zwei oder mehrere Führungselemente auf. Das heißt, die jeweilige Trenneinheit umfasst an den zwei gegenüberliegenden Schmalseiten jeweils zwei oder mehrere Führungselemente. Die Führungselemente je Schmalseite sind dabei senkrecht zur vorbestimmten Bewegungsrichtung entlang der jeweiligen Schmalseite versetzt zueinander angeordnet. Die Führungselemente weisen somit einen vorgegebenen Abstand zueinander auf. Entsprechend weist auch das Gehäuse an der jeweiligen der jeweiligen Schmalseite zugewandten Wandungsfläche zwei oder mehrere Aussparungen zum Aufnehmen und Führen des jeweiligen Führungselements entlang der vorbestimmten Bewegungsrichtung innerhalb des vorbestimmten Distanzbereichs auf. Die Anzahl der Aussparungen pro Wandungsfläche entspricht dabei bevorzugt der Anzahl an Führungselementen. Jedem Führungselement ist somit eine Aussparung zugeordnet.
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Zum Vorgeben der vorbestimmten Bewegungsrichtung ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass das jeweilige Führungselement senkrecht zur vorbestimmten Bewegungsrichtung an einem ersten Rand und einem gegenüberliegenden zweiten Rand der Aussparung anliegt. Die gegenüberliegenden Ränder der Aussparung begrenzen somit den Bewegungsspielraum des jeweiligen Führungselements senkrecht zur vorbestimmten Bewegungsrichtung.
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Anders ausgedrückt ist eine Form des jeweiligen Führungselements senkrecht zur vorbestimmten Bewegungsrichtung an eine Form der jeweils zugehörigen Aussparung angepasst. In Richtung der vorbestimmten Bewegungsrichtung weist die Form der Aussparung jedoch größere Abmessungen auf als die Form des jeweiligen Führungselements.
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Damit die Stabilität des Gehäuses trotz Einbringen der Aussparungen in die jeweiligen Wandungsflächen gewährleistet oder sichergestellt ist, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Führungselemente und entsprechend auch die Aussparungen von oder für zwei benachbarte Trenneinheiten versetzt zueinander angeordnet sind. Anders ausgedrückt sind die einer jeweiligen Schmalseite zugeordneten Führungselemente von zwei benachbarten Trenneinheiten und die dazugehörigen Aussparungen der jeweiligen Wandungsfläche senkrecht zur vorbestimmten Bewegungsrichtung versetzt zueinander angeordnet.
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Die Aussparungen der jeweiligen Wandungsfläche weisen somit in Bewegungsrichtung einen vorgegebenen Abstand zueinander auf. Jede zweite Aussparung ist dabei parallel zur Bewegungsrichtung, also in Bewegungsrichtung, auf einer Höhe ausgebildet, und zwei benachbarte Aussparungen sind immer senkrecht zur Bewegungsrichtung zueinander versetzt ausgebildet. Analog gilt dies natürlich auch für das jeweilige Führungselement. Der vorgegebene Abstand ist dabei vorzugsweise durch die Abmessungen des jeweiligen Batterieelements und das Swelling-Verhalten, also die Ausdehnung beim Atmen des jeweiligen Batterieelements, vorgegeben.
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Eine Abmessung des genannten Distanzbereichs ist in der folgenden Ausführungsform vorteilhaft realisiert. Demnach beträgt der Distanzbereich 10 Prozent, insbesondere 5 Prozent, einer Breite oder Dicke des jeweiligen Batterieelements. Gemeint ist dabei eine Breite oder Dicke des Batterieelements im Normalzustand, das heißt, zum Beispiel direkt nach der Fertigung, bevor es zu einem Atmen oder zum Swelling kommt. Der Distanzbereich beschreibt somit, wie weit sich das Führungselement in der Aussparung, also zwischen zwei Anschlagrändern, also dem vorgenannten ersten Rand und dem zweiten Rand der Aussparung, in die Bewegungsrichtung hin und her bewegen kann.
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Zum Halten, also zum Fixieren oder Positionieren, gegen ein Verrutschen der Batterieelemente aus dem Volumen heraus, weist die jeweilige Trenneinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform wenigstens ein Rückhalteelement auf. Bevorzugt ist das Rückhalteelement an einer Schmalseite der jeweiligen Trenneinheit angeordnet oder befestigt sein, die die beiden gegenüberliegenden oder seitlichen Schmalseiten, welche die Führungselemente umfassen, verbindet. Diese Schmalseite kann bevorzugt einer Deckenfläche des Gehäuses in der vorgenannten Einbaulage zugewandt sein. Somit kann die Schmalseite auch als obere Schmalseite bezeichnet werden.
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Das Rückhalteelement kann insbesondere als Federelement oder Federklipp ausgebildet sein. Bevorzugt hält jedes Rückhalteelement dabei zwei benachbarte Batterieelemente. Das heißt, das Rückhalteelement erstreckt sich in die Bewegungsrichtung über die obere Schmalseite hinaus.
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Um eine Stabilität der Trenneinheit zu gewährleisten, weist die jeweilige Trenneinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform einen eigensteifen oder formstabilen Rahmen auf. In dem Rahmen ist ein elastisches Element der Trenneinheit gehalten. Somit hält der Rahmen das elastische Element in Form. Durch einen Ausdehnvorgang beim Atmen des jeweiligen Batterieelements kann also eine Ausdehnung oder Verformung des jeweiligen elastischen Elements bewirkt werden.
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Durch diese Ausgestaltung der Trenneinheit ergibt sich der Vorteil, dass die jeweilige Trenneinheit durch den Rahmen einerseits stabil ist, andererseits durch das elastische Element aber noch weiteren Spielraum zum Atmen für das jeweilige Batterieelement bereitstellt.
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Das jeweilige Führungselement ist dabei bevorzugt einstückig mit dem Rahmen ausgebildet. Das heißt, das jeweilige Führungselement ist integraler Bestandteil des Rahmens. Analog gilt dies bevorzugt auch für das jeweilige Rückhalteelement.
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In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass der Rahmen zumindest abschnittsweise, das heißt teilweise oder vollständig, überlappend mit einer der Trenneinheit zugewandten Seitenfläche des Batterieelements ausgebildet ist. Anders ausgedrückt, kann der Rahmen teilweise im angeordneten Zustand in dem Volumen des Gehäuses teilweise über eine jeweilige Seitenfläche oder Breitseite des jeweiligen Batterieelements hinausragen. Bevorzugt schließt der Rahmen jedoch flächig mit einer jeweiligen Seitenfläche des jeweiligen Batterieelements ab.
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Durch den Rahmen kann somit eine gewisse Stabilität zwischen den Batterieelementen gewährleistet werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung wie sie zuvor beschrieben wurde. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet. Insbesondere ist das Kraftfahrzeug als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgestaltet. In diesem Fall kann die Batterieanordnung als Antriebsbatterie des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein.
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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. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung einer Batterieanordnung, bei welcher Trenneinheiten als Anordnungshilfe zwischen den Batterieelementen angeordnet werden;
- 2 eine schematische Darstellung einer vergrößerten Ansicht der Batterieanordnung; und
- 3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der Trenneinheit.
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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 dreidimensionale Darstellung einer Batterieanordnung 10 aus einer Perspektivansicht. Die Batterieanordnung 10 ist vorliegend als Batteriemodul ausgebildet. Zum Bereitstellen von elektrischer Energie umfasst die Batterieanordnung 10 demensprechend eine Vielzahl an Batterieelemente 30, die in einem von einem Gehäuse 20 der Batterieanordnung 10 gebildeten Volumen V nebeneinander gestapelt angeordnet und in bekannter Weise miteinander elektrisch verschaltet sind. Die Batterieelemente 30, die vorliegend als Batteriezellen ausgebildet sind, bilden somit in bekannter Weise einen Zellstapel. Zur besseren Übersicht sind in 1 nur zwei solcher Batterieelemente 30 in dem Gehäuse 20 dargestellt.
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1 zeigt die Batterieanordnung 10 in einer Einbaulage, wie sie zuvor beschrieben wurde. Das Gehäuse 20 umfasst vorliegend vier Seitenflächen oder Wandungsflächen 21, welche das Volumen V in einer x-Richtung und y-Richtung begrenzen. Eine Bodenfläche des Gehäuses 20 ist vorliegen durch einen Flansch oder Fortsatz von zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 21 des Gehäuses 20 gebildet. Diese beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 21, im Folgenden auch als Seitenplatten 23 bezeichnet, sind in x-Richtung ausgerichtet und somit parallel zu einer Stapelrichtung R der Batterieelemente 30 als Zellstapel angeordnet. Die Stapelrichtung entspricht somit der x-Richtung. Die anderen beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 21, welche die Seitenplatten 23 miteinander verbinden, sind entsprechend senkrecht zur Stapelrichtung R ausgerichtet. Dieses Seitenflächen werden im Folgenenden auch als Abschlussplatten 22 bezeichnet. Eine Deckenfläche des Gehäuses 20 ist zur besseren Übersicht in 1 nicht dargestellt. Bodenfläche und Deckenfläche begrenzen das Volumen V dabei in einer z-Richtung.
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Um ein Atmen oder Swelling der Batterieelemente 30 in dem Gehäuse 20 zu ermöglichen und gleichzeitig ein daraus resultierendes Einquetschen oder Zusammendrücken der Batterieelemente 30 untereinander zu vermeiden, ist jeweils zwischen zwei benachbarten Batterieelementen 30 eine Trenneinheit 40 vorgesehen. Der Zellstapel umfasst somit immer abwechselnd ein Batterieelement 30 und eine Trenneinheit 40. Vorliegend sind die jeweiligen Batterieelemente 30 dabei immer mit ihrer jeweiligen Breitseite 31 zu einer jeweiligen Breitseite 46 der Trenneinheit 40 ausgerichtet.
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Die jeweilige Trenneinheit 40 ist dabei relativ in Bezug auf das Gehäuse 20 in eine vorbestimmte Bewegungsrichtung B innerhalb eines vorbestimmten Distanzbereichs D bewegbar in dem Gehäuse 20 gelagert. Das heißt, die jeweilige Trenneinheit 40 kann beim Atmen oder Swelling der Batterien relativ zu dem Gehäuse in die vorbestimmte Bewegungsrichtung B zwischen zwei benachbarten Batterieelementen 30 hin und her verschoben werden. Ein Betrag, um welchen die jeweilige Trenneinheit 40 verschoben werden kann, ist dabei durch den genannten Distanzbereich begrenzt. Somit kann ein durch die Trenneinheit vorgegebener Maximalabstand zwischen den Batterieelementen 30, insbesondere beim Zusammenziehen oder Ausatmen der Batterieelemente 30, eingehalten werden. Dadurch ergibt sich auch der Vorteil, dass die jeweilige Trenneinheit 40 auch ein geometrisches Anordnen der Batterieelemente 30 als Zellstapel in dem Volumen V vereinfacht. Dementsprechend kann die Trenneinheit 40 auch als Zellanordnungshilfe bezeichnet werden.
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Das bewegbare Lagern der jeweiligen Trenneinheit 40 relativ zu dem Gehäuse 20 ist dabei durch zwei verschiedene Maßnahmen realisiert. Die erste Maßnahme stellen dabei sogenannte Führungselemente 42 dar, die an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten 41 der Trenneinheit 40 angeordnet sind. Um ein Verkanten der Trenneinheit 40 zu vermeiden, weist die jeweilige Trenneinheit 40 auf jeder Schmalseite 41 vorliegend zwei solcher Führungselemente 42 auf. Diese sind entlang der Schmalseite 41 in z-Richtung, also senkrecht zur Bewegungsrichtung B, in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet. Wie in 1 gezeigt, sind mit der Schmalseite 41 dabei diejenigen Seitenflächen der jeweiligen Trenneinheit 40 gemeint, welche den Seitenplatten 23 des Gehäuses 20 zugewandt sind. Ein mögliche Dimensionierung und Ausgestaltung dieser Führungselemente 42 und der Trenneinheit ist im späteren Verlauf in Bezug auf 2 und 3 noch einmal näher beschrieben.
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Als zweite Maßnahme umfasst jede der Seitenplatten 23 korrespondierend zu den jeweiligen Führungselementen 42 Aussparungen 24. Jedem Führungselement ist dabei genau eine Aussparung 24 zugeordnet. Durch diese Aussparungen 24 kann das jeweilige Führungselement 42 hindurchgeführt oder eingesteckt werden. Das heißt, die jeweilige Aussparung 24 kann immer wenigstens ein Führungselement 42 aufnehmen und entlang der vorbestimmten Bewegungsrichtung B innerhalb des vorbestimmten Distanzbereichs D führen.
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Um dies zu verdeutlichen, zeigt 2 noch einmal eine vergrößerte Ansicht der Batterieanordnung 10 gemäß 1. Wie in 2 (und auch in 3) dargestellt, sind die Führungselemente 42 als Stifte ausgebildet. Die Führungselemente 42 sind dabei derart an der jeweiligen Schmalseite 41 angeordnet, dass sie in Bewegungsrichtung B eine größere Ausdehnung aufweisen, als die jeweilige Schalseite 41 selbst. Das heißt, die Führungselemente stehen in beide Richtungen über die zwei gegenüberliegenden Breitseiten 46 der Trenneinheit 40 hinaus.
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Die Aussparungen sind dementsprechend vorliegend als stiftartige oder längliche Schlitze ausgebildet. Zumindest senkrecht zur Bewegungsrichtung B sind die Dimensionen der Aussparungen 24 dabei an die Dimensionen der Führungselemente 42 angepasst. Das heißt, zum Festlegen der Bewegungsrichtung B liegt das jeweilige Führungselement an einem ersten Rand R1 und einem dem ersten Rand R1 gegenüberliegenden zweiten Rand R2 an. Dadurch kann das Bewegen der Trenneinheit 40 in die Bewegungsrichtung B ermöglicht und gleichzeitig ein Bewegen der Trenneinheit 40 senkrecht zur Bewegungsrichtung B, also in z-Richtung, verhindert werden. In Bewegungsrichtung B sind die Aussparungen hingegen größer dimensioniert als die jeweiligen Führungselemente 42. Der Unterschied in der Dimensionierung entlang der Bewegungsrichtung B zwischen dem jeweiligen Führungselement 41 und der zugehörigen Aussparung 24 gibt dabei den Distanzbereich D vor.
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Zum Halten oder Fixieren der Batterieelemente 30 in der Zellstapelanordnung umfasst die jeweilige Trenneinheit 40 zudem noch wenigstens ein Rückhalteelement 43. Wie in 1 gezeigt, sind vorliegend zwei solcher Rückhalteelemente 43 vorgesehen. Die Rückhalteelemente 43 sind an einer der Deckenfläche des Gehäuses 20 zugewandten Schmalseite 41 der Trenneinheit 40 angeordnet. Dabei weisen die Rückhalteelemente 43 entlang der Schmalseite 41, also in y-Richtung, einen vorbestimmten Abstand zueinander auf. Dadurch kann ein Verrutschen der Batterieelemente 30 senkrecht zur Bewegungsrichtung B, also in z-Richtung aus dem Volumen V heraus, vermieden werden. Jedes Rückhalteelement 43 hält dabei zwei benachbarte Batterieelemente 30. Somit steht das jeweilige Rückhalteelement 43 vorliegend ebenfalls in x-Richtung über die zwei gegenüberliegenden Breitseiten 46 der Trenneinheit 40 hinaus. Gemäß der Ausgestaltung in 1 oder 3 sind die Rückhalteelemente 43 dabei als Federelemente ausgestaltet, welche in z-Richtung, insbesondere in Richtung der Bodenfläche, eine Anpresskraft auf die Batterieelemente 30 ausüben.
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3 zeigt abschließend nun noch einmal eine beispielhafte Ausgestaltung der Trenneinheit. Wie in 3 gezeigt, umfasst die Trenneinheit 40 dabei einen Rahmen 44. Dieser Rahmen 44 ist dabei eigensteif oder formstabil ausgebildet. Die Führungselemente 42 sowie die Rückhalteelemente 43 sind vorzugsweise einstückig mit dem Rahmen 44 ausgebildet. Von dem Rahmen 44 ist ein elastisches Element 45 der Trenneinheit 40 gehalten. Das elastische Element 45 ist somit in den Rahmen 44 eingespannt. Durch den Rahmen 44 kann somit einerseits die Stabilität der Trenneinheit 40 gewährleistet werden. Durch das elastische Element kann hingegen das Atmen der Batterieelemente 30 noch besser ermöglicht werden. Das elastische Element ist somit forminstabil und kann sich beim Atmen der Batterieelemente reversibel verformen oder mitbewegen.
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Durch die Trenneinheit 40 und die Aussparungen 24 ist somit eine Zellanordnungshilfe realisiert. Das heißt, die Batterieelemente 30 oder Batteriezellen können räumlich im Gehäuse 20 ausgerichtet werden. Da die Zellanordnungshilfe dabei dynamisch ist, also innerhalb des Distanzbereichs D in die vorbestimmte Bewegungsrichtung B bewegbar ist, können somit über die Lebenszeit der Batterieanordnung 10 Kräfte, die beim Swelling entstehen, ausgeglichen und damit eine homogene Alterung der Batteriezellen oder Batterieelemente 30 ermöglicht werden. Zudem können außerdem die Zellen entlang der Bewegungsrichtung B selbständig ausgerichtet werden. Insgesamt zeigen die Beispiele also eine modulintegrierte Zellanordnungshilfe mit Kraft- und Toleranzausgleich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018204420 A1 [0003]
- DE 102016201604 A1 [0005]
- WO 2017/055161 A1 [0007]
