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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckvorrichtung für ein Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem.
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Festkörperbatterien gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie sich durch eine besonders hohe Energiedichte sowie Betriebssicherheit aufweisen. Zudem fällt im Betrieb weniger Verlustwärme an, sodass keine aufwendigen Kühlvorrichtungen wie bei Lithium-Ion Batterien erforderlich sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass in Festkörperbatterien weniger unkontrollierte Nebenreaktionen ablaufen, sodass Festkörperbatterien auch nach mehreren hundert Ladezyklen eine nahezu unveränderte Kapazität aufweisen.
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Die Batteriezellen einer Festkörperbatterie weisen ein Zellvolumen auf, welches vom Ladezustand der Batteriezelle abhängt. Der Ladezustand wird üblicherweise auch als „State of Charge“ bzw. SoC bezeichnet. Ein SoC wird beispielsweise in Prozent angegeben, wobei ein SoC von 0 % einer absoluten - technisch nicht sinnvollen - Entladung und ein SoC von 100 % einer maximalen gespeicherten Ladung entspricht. Je größer die gespeicherte Ladung bzw. der SoC der Batteriezelle, desto größer ist auch das Zellvolumen der Batteriezelle. Mit anderen Worten weisen gattungsgemäße Batteriezellen bei maximalem Ladezustand, also einem SoC von 100 % ein maximales Zellvolumen und bei einem SoC von 0 % ein minimales Zellvolumen auf. Üblicherweise ist eine maximale Entladung von Batteriezellen elektronisch auf einen Wert oberhalb von 0 % begrenzt, um eine Beschädigung der Batteriezelle durch Tiefentladung zu vermeiden.
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Die Festkörperbatteriezellen einer Festkörperbatterie sind beispielsweise in Zellstapeln, sogenannten „Stacks“ angeordnet, wobei Oberseiten der Batteriezellen Unterseiten ihrer benachbarten Batteriezellen kontaktieren. Die ladungsabhängige Veränderung des Zellvolumens beträgt bei Festkörperbatteriezellen herkömmlicher Festkörperbatterien zwischen den extremen Ladezuständen etwa 20 % einer Dicke bzw. eines Abstands zwischen Oberseite und Unterseite der Festkörperbatteriezelle. Somit ist die Veränderung des Zellvolumens und somit die Veränderung des SoC der Festkörperbatteriezellen als Längenänderung des Zellstapels deutlich erkennbar.
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Zur Erhöhung einer Gesamtkapazität von Feststoffbatterien kann der Zellstapel von außen mit einem Druck beaufschlagt werden, welcher der Längenänderung des Zellstapels beim Laden der Festkörperbatteriezellen entgegenwirkt. Hierfür weisen Batteriesysteme beispielsweise eine Druckvorrichtung, insbesondere eine passive Druckfeder, auf, mittels welcher der Zellstapel gegen eine Gehäusewandung eines Systemgehäuses des Batteriesystems drückbar ist.
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Aus der
DE 10 2014 225 367 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, bei welchem die Druckvorrichtung eine Gummiblase aufweist, die mit einem Druckfluid beaufschlagbar ist, um über einen Druckstempel gegen den Zellstapel zu drücken. Der Druckstempel ist über eine Führungsvorrichtung linear geführt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist die Druckvorrichtung einen mit dem Druckfluid beaufschlagbaren Hubzylinder mit einem Hubkolben auf.
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Batteriesysteme mit Druckfedern haben den Nachteil, dass die Druckkraft wegabhängig ist und somit bei sinkendem SoC abnimmt bzw. bei steigendem SoC zunimmt. Batteriesysteme mit fluidbasierten Druckvorrichtungen haben den Nachteil, dass die Druckvorrichtungen einen verhältnismäßig großen Platzbedarf aufweisen, da Druckleitungen, Fluidspeicher sowie Druckgeneratoren verbaut werden müssen. Überdies weisen bekannte Lösungen oftmals eine besonders hohe Stick-Slip-Neigung auf, sodass es im Betrieb zu ungewollten ruckartigen Bewegungen des Druckstempels kommen kann. Ferner weisen fluidbasierte Druckvorrichtungen keine Selbsthemmung auf und müssen daher in regelmäßigen Abständen nachjustiert werden, um den vorgegebenen Druck auf den Zellstapel bereitzustellen. Dies ist insbesondere bei längeren Standbyzeiten des Batteriesystems von Nachteil, da dieses Nachjustieren auch während des Standbys weiterhin erfolgen muss, um eine uneingeschränkte Funktionalität des Batteriesystems bei Wiederinbetriebnahme zu gewährleisten. Somit wird auch während des Standbys des Batteriesystems Energie verbraucht. Des Weiteren weisen fluidbasierte Drucksysteme aufgrund ihres Aufbaus eine erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit, beispielsweise durch Leckagen oder dergleichen, auf. Schließlich benötigen Batteriesysteme mit fluidbasierten Druckvorrichtungen zum Betreiben der Druckvorrichtungen aufwendige Druckerfassungsmittel, wodurch die Kosten sowie Ausfallwahrscheinlichkeit des Batteriesystems weiter erhöht sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Druckvorrichtung für ein Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, einem Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie einem Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Druckvorrichtung, ein Batteriesystem und ein Kraftahrzeug zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise einen verbesserten Betrieb des Batteriesystems sicherstellen.
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Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch eine Druckvorrichtung für ein Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 durch ein Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 9 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Druckvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem sowie dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Druckvorrichtung für ein Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gelöst. Die Druckvorrichtung weist eine erste Kraftübertragungsvorrichtung zum Übertragen einer Kraft von der Druckvorrichtung an ein Systemgehäuse des Batteriesystems, eine relativ zur ersten Kraftübertragungsvorrichtung bewegbar gehaltene zweite Kraftübertragungsvorrichtung zum Übertragen der Kraft von der Druckvorrichtung auf einen mehrere Batteriezellen aufweisenden Batteriezellenstapel sowie eine Krafterzeugungsvorrichtung zum Bewegen der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung relativ zur ersten Kraftübertragungsvorrichtung auf. Erfindungsgemäß weist die Krafterzeugungsvorrichtung ein Antriebssystem mit einem Elektromotor und einem Getriebe auf, wobei das Antriebssystem zum Bewegen der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung relativ zur ersten Kraftübertragungsvorrichtung ausgebildet ist. Druckvorrichtung für ein Batteriesystem
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Die erste Kraftübertragungsvorrichtung ist zum Übertragen der Kraft von der Druckvorrichtung auf das Systemgehäuse des Batteriesystems ausgebildet. Die erste Kraftübertragungsvorrichtung weist vorzugsweise eine Kraftverteilvorrichtung zum, vorzugsweise gleichmäßigen, Verteilen der Kraft auf eine Fläche, insbesondere einer Gehäusewandung des Systemgehäuses, auf. Alternativ kann die erste Kraftübertragungsvorrichtung als Teil der Gehäusewandung des Systemgehäuses ausgebildet sein. Die erste Kraftübertragungsvorrichtung ist vorzugsweise aus einem derart steifen Material hergestellt, dass die erste Kraftübertragungsvorrichtung über den Betriebsbereich der Druckerzeugungsvorrichtung formstabil bleibt. Zur Gewährleistung der Formstabilität weist die erste Kraftübertragungsvorrichtung vorzugsweise eine oder mehrere Querstreben auf.
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Die zweite Kraftübertragungsvorrichtung ist zum Übertragen der Kraft von der Druckvorrichtung auf den Batteriezellenstapel ausgebildet. Die zweite Kraftübertragungsvorrichtung weist vorzugsweise eine Kraftverteilvorrichtung zum, vorzugsweise gleichmäßigen, Verteilen der Kraft auf den Batteriezellenstapel auf. Eine dem Batteriezellenstapel zugewandte Seite der zweiten Kraftverteilvorrichtung ist vorzugsweise derart, insbesondere plattenförmig, ausgebildet, die Kraft auf die äußere Batteriezelle des Batteriezellenstapels gleichmäßig zu verteilen und eine Beschädigung der Batteriezelle somit zu vermeiden. Die zweite Kraftübertragungsvorrichtung ist vorzugsweise aus einem derart steifen Material hergestellt, dass die zweite Kraftübertragungsvorrichtung über den Betriebsbereich der Druckerzeugungsvorrichtung formstabil bleibt. Zur Gewährleistung der Formstabilität weist die zweite Kraftübertragungsvorrichtung vorzugsweise eine oder mehrere Querstreben auf. Vorzugsweise sind die erste Kraftübertragungsvorrichtung und die zweite Kraftübertragungsvorrichtung an entgegengesetzten Enden der Druckvorrichtung angeordnet.
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Die Krafterzeugungsvorrichtung ist zum Erzeugen einer derartigen Kraft zwischen der ersten Kraftübertragungsvorrichtung und der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung ausgebildet, dass mittels dieser Kraft die erste Kraftübertragungsvorrichtung und die zweite Kraftübertragungsvorrichtung relativ zueinander bewegbar sind. Die Krafterzeugungsvorrichtung ist ausgebildet, die erste Kraftübertragungsvorrichtung und zweite Kraftübertragungsvorrichtung relativ voneinander wegzubewegen, sodass mittels der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung eine Kraft auf den Batteriezellenstapel ausübbar ist. Vorzugsweise ist die Krafterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer Zugkraft zwischen der ersten Kraftübertragungsvorrichtung und der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung ausgebildet, um die erste Kraftübertragungsvorrichtung und zweite Kraftübertragungsvorrichtung relativ aufeinander zuzubewegen. Weiter bevorzugt weist die Krafterzeugungsvorrichtung eine derartige Selbsthemmung auf, dass selbst bei einem Ausfall des Elektromotors mittels einer äußeren Kraft von 30 kN ein relatives Bewegen zwischen der ersten Kraftübertragungsvorrichtung und der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung nicht bewirkbar ist.
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Erfindungsgemäß weist die Krafterzeugungsvorrichtung das Antriebssystem mit dem Elektromotor und dem Getriebe auf. Das Antriebssystem ist ausgebildet, die Kraft zum Bewegen der ersten Kraftübertragungsvorrichtung und zweiten Kraftübertragungsvorrichtung relativ zueinander bereitzustellen. Der Elektromotor ist mittels einer Steuerungsvorrichtung steuerbar. Die Steuerungsvorrichtung kann erfindungsgemäß als Teilkomponente der Druckvorrichtung ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich weist die Druckvorrichtung eine Schnittstelle zum elektrischen Koppeln mit einer externen Steuerungsvorrichtung, vorzugsweise einer Steuerungsvorrichtung zum Steuern einer Elektromaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, auf.
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Weiter bevorzugt weist die Druckvorrichtung einen oder mehrere Kraftsensoren oder dergleichen auf, um eine Kraft zwischen der Druckvorrichtung und dem Batteriezellenstapel zu ermitteln. Weiter bevorzugt ist die Druckvorrichtung ausgebildet und eingerichtet, die mittels der Krafterzeugungsvorrichtung erzeugte Kraft in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Batteriesystems, wie beispielsweise Temperatur, insbesondere Batteriezelltemperatur, Spannung, insbesondere Batteriezellspannung, Gaskonzentration, insbesondere innerhalb einer Batteriezelle, oder dergleichen zu bestimmen. Zur Erfassung dieser Betriebsparameter weist die Druckvorrichtung vorzugsweise entsprechende Sensoren auf und/oder ist mit bereits vorhandenen Sensoren des Batteriesystems zum Auswerten der erfassten Parameter der Sensoren elektrisch koppelbar.
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Vorzugsweise ist die Druckvorrichtung ausgebildet, gegen mehrere nebeneinander angeordnete Batteriezellenstapel zu drücken. Hierfür weist insbesondere die zweite Kraftübertragungsvorrichtung eine Druckfläche auf, mittels welcher die Batteriezellenstapel, vorzugsweise gleichzeitig, kontaktierbar sind. Alternativ kann die Druckvorrichtung ausgebildet sein, jeden Batteriezellenstapel mit einem individuell einstellbaren Druck zu beaufschlagen. Die zweite Kraftübertragungsvorrichtung ist hierfür vorzugsweise in mehrere Segmente unterteilt. Vorzugsweise ist jedem Batteriezellenstapel oder einem Teil der Batteriezellenstapel jeweils ein solches Segment zugeordnet. Vorzugsweise weist das Antriebssystem für jedes dieser Segmente ein Getriebe und jeweils einen separat ansteuerbaren Elektromotor auf.
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Eine erfindungsgemäße Druckvorrichtung für ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug hat gegenüber herkömmlichen Druckvorrichtungen den Vorteil, dass der Batteriezellenstapel mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise zusammendrückbar ist. Zudem ist die Kraft zum Zusammendrücken des Batteriezellenstapels genau einstellbar und nicht von einer Federkonstanten einer Federvorrichtung sowie einer Ausdehnung des Batteriezellenstapels abhängig. Mittels des Antriebssystems sind hohe Kräfte schnell, präzise und zuverlässig einstellbar. Ferner hat die Druckvorrichtung den Vorteil, dass die Krafterzeugungsvorrichtung vollständig in das Systemgehäuse des Batteriesystems integrierbar ist. Es sind keine externen Drucktanks, Pumpen oder dergleichen erforderlich. Somit ist die erfindungsgemäße Druckvorrichtung besonders platzsparend ausführbar und weist bei reduziertem Verschleiß eine verbesserte Betriebssicherheit auf.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Druckvorrichtung vorgesehen sein, dass das Getriebe als Wolfrom-Planetengetriebe ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise sowie bei geringem Bauraum ein besonders hohes Drehmoment zum Erzeugen der Kraft bereitstellbar ist.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Krafterzeugungsvorrichtung einen Spindeltrieb aufweist, wobei mindestens ein Planetenrad des Getriebes eine Gewindemutter aufweist oder als Gewindemutter ausgebildet ist. Eine Spindel des Spindeltriebs ist vorzugsweise mit der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung derart gekoppelt, dass die von der Druckvorrichtung auf den Batteriezellenstapel ausübbare Kraft über den Spindeltrieb bereitstellbar ist. Vorzugsweise ist jedes Planetenrad des Getriebes mit einer Gewindemutter mechanisch gekoppelt, sodass die Druckvorrichtung für jedes Planetenrad einen Spindeltrieb aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Kraft zum Zusammendrücken des Batteriezellenstapels mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise bereitstellbar ist. Überdies hat die Verwendung mehrerer parallel sowie synchron operierender Spindeltriebe den Vorteil, dass das Risiko des Verkantens der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung erheblich reduziert ist.
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Weiter bevorzugt weist das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von zwischen 350 und 550 auf. Weiter bevorzugt weist das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von zwischen 380 und 450 auf. Besonders bevorzugt weist das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von 400 auf. Unter einem derartigen Übersetzungsverhältnis wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass über das Getriebe eine Übersetzung einer schnellen Motordrehzahl des Elektromotors auf eine im Verhältnis hierzu um den Faktor des Übersetzungsverhältnisses langsame Ausgangsdrehzahl des Getriebes, wie beispielsweise eine Drehzahl der Gewindemutter des Spindeltriebs, erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass die Kraft zum Zusammendrücken des Batteriezellenstapels mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise bereitstellbar ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor als Hohlwellenmotor ausgebildet. Demnach ist der Elektromotor vorzugsweise als sogenannter Frameless Servomotor, „RoboDrive“ Motor oder dergleichen ausgebildet. Ein derartiger Elektromotor hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein besonders hohes Drehmoment bei kompakter Bauweise sowie reduziertem Gewicht bereitstellbar ist. Ein Kupferfüllfaktor ist gegenüber herkömmlichen Elektromotoren vergrößert und eine Drehmomentdichte somit erhöht. Überdies weisen Hohlwellenmotoren eine verbesserte Wärmeableitung sowie einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad und eine reduzierte Verlustleistung auf.
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Vorzugsweise weist die Druckvorrichtung eine Kraftermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer Druckkraft zwischen der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung und dem Batteriezellenstapel auf. Die Kraftermittlungsvorrichtung weist vorzugsweise ein Piezoelement, insbesondere ein piezoelektrisches Piezoelement, auf. Die Kraftermittlungsvorrichtung ist vorzugsweise mit der Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Elektromotors elektrisch gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Krafterzeugungsvorrichtung, insbesondere der Elektromotor, in Abhängigkeit der ermittelten Druckkraft betreibbar ist. Somit sind einzustellende Soll-Werte der Druckkraft leicht einstellbar bzw. regelbar. Ferner kann die Druckvorrichtung auf Schwankungen der Ausdehnung des Zellstapels, beispielsweise durch Verändern des Ladezustands, Austreten von Zellgas, Temperaturveränderungen oder dergleichen, besser reagieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann bei einer Druckvorrichtung vorgesehen sein, dass die Druckvorrichtung eine Positionsermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer relativen Position der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung zum Systemgehäuse aufweist. Die Positionsermittlungsvorrichtung ist somit ausgebildet, eine Ausdehnung des Batteriezellenstapels zu ermitteln. Vorzugsweise ist die Positionsermittlungsvorrichtung mit der Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Elektromotors elektrisch gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass die Krafterzeugungsvorrichtung, insbesondere der Elektromotor mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise in Abhängigkeit der ermittelten Position der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung bzw. der Ausdehnung des Batteriezellenstapels ansteuerbar ist. Somit ist beispielsweise eine vorgegebene SOLL-Position der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung, insbesondere in Abhängigkeit weiterer Betriebsparameter, wie beispielsweise des Ladezustands der Batteriezellen, einstellbar bzw. regelbar. Ferner kann die Druckvorrichtung auf Schwankungen der Ausdehnung des Zellstapels, beispielsweise durch Verändern des Ladezustands, Austreten von Zellgas, Temperaturveränderungen oder dergleichen, besser reagieren.
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Besonders bevorzugt weist die Druckvorrichtung eine Gleitvorrichtung zur Herabsetzung einer Reibung der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung auf, wobei die Gleitvorrichtung eine Gleitbeschichtung aufweist. Die Gleitvorrichtung weist vorzugsweise eine Gleitfläche auf, welche eine Gegengleitfläche der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung kontaktiert. Die Gegengleitfläche weist vorzugsweise ebenfalls eine Gleitbeschichtung auf. Unter einer Gleitbeschichtung wird im Rahmen der Erfindung eine Schicht verstanden, welche gegenüber herkömmlichen Oberflächen einen reduzierten Reibkoeffizienten aufweist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Bewegen der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung verbessert ist. Insbesondere „Stick-Slip“ ist auf diese Weise vermeidbar oder zumindest erheblich reduzierbar.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gelöst. Das Batteriesystem weist ein Systemgehäuse mit einer Gehäusewandung und einem Gehäuseinnenraum, einen im Gehäuseinnenraum angeordneten, mehrere Batteriezellen aufweisenden Batteriezellenstapel sowie eine Druckvorrichtung zum Zusammendrücken des Batteriezellenstapels auf. Erfindungsgemäß ist die Druckvorrichtung als erfindungsgemäße Druckvorrichtung ausgebildet.
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Der Gehäuseinnenraum ist von der Gehäusewandung des Systemgehäuses umgeben und vorzugsweise nach außen, insbesondere wasserdicht und weiter bevorzugt gasdicht, abgedichtet. Die Gehäusewandung kann auch als mehrschichtige Gehäusewandung ausgebildet sein und/oder zusätzliche Verstärkungswände, Rippen, Abkantungen, Umformungen oder dergleichen, insbesondere zur Verstärkung des Systemgehäuses, aufweisen. Die Gehäusewandung kann erfindungsgemäß als Verbundbauteil ausgebildet sein.
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Der Batteriezellenstapel und die Druckvorrichtung sind derart im Gehäuseinnenraum angeordnet, dass die Batteriezellen des Batteriezellenstapels mittels der Druckvorrichtung zusammendrückbar sind. Die zweite Kraftübertragungsvorrichtung der Druckvorrichtung kontaktiert vorzugsweise eine Außenfläche einer äußeren Batteriezelle des Batteriezellenstapels direkt oder über ein Zwischenelement, eine Zwischenschicht oder dergleichen, vorzugsweise flächig.
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Ein erster Wandungsabschnitt der Gehäusewandung oder dergleichen ist vorzugsweise als Gegenlager für den Batteriezellenstapel ausgebildet und kontaktiert eine Außenfläche einer äußeren Batteriezelle des Batteriezellenstapels vorzugsweise direkt oder über ein Zwischenelement, eine Zwischenwandung, Zwischenschicht oder dergleichen. Somit ist der Batteriezellenstapel mittels der Druckvorrichtung gegen den ersten Wandungsabschnitt drückbar.
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Ein zweiter Wandungsabschnitt der Gehäusewandung ist vorzugsweise als Gegenlager für die erste Kraftübertragungsvorrichtung der Druckvorrichtung ausgebildet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der zweite Wandungsabschnitt durch die erste Kraftübertragungsvorrichtung gebildet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Druckvorrichtung für ein Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Batteriesystem gegenüber herkömmlichen Batteriesystemen den Vorteil, dass der Batteriezellenstapel mittels der Druckvorrichtung mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise zusammendrückbar ist. Zudem ist die Kraft zum Zusammendrücken des Batteriezellenstapels genau einstellbar und nicht von einer Federkonstanten einer Federvorrichtung sowie einer Ausdehnung des Batteriezellenstapels abhängig. Mittels des Antriebssystems sind hohe Kräfte schnell, präzise und zuverlässig einstellbar. Ferner hat das Batteriesystem den Vorteil, dass die Druckvorrichtung vollständig in das Systemgehäuse integrierbar ist. Es sind keine externen Drucktanks, Pumpen oder dergleichen erforderlich. Somit ist das erfindungsgemäße Batteriesystem besonders platzsparend ausführbar und weist bei reduziertem Verschleiß eine verbesserte Betriebssicherheit auf.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug gelöst. Das Kraftfahrzeug weist ein Antriebssystem mit einer Elektromaschine und einem Batteriesystem auf. Erfindungsgemäß ist das Batteriesystem als erfindungsgemäßes Batteriesystem ausgebildet.
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Die Elektromaschine des Antriebssystems ist vorzugsweise zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Antriebssystem mehrere Elektromaschinen und/oder eine Verbrennungskraftmaschine aufweist. Das Batteriesystem ist vorzugsweise mit einer Steuerungsvorrichtung zum Steuern der Elektromaschine elektrisch gekoppelt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Druckvorrichtung für ein Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie zu einem Batteriesystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass der Batteriezellenstapel mittels der Druckvorrichtung des Batteriesystems mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise zusammendrückbar ist. Zudem ist die Kraft zum Zusammendrücken des Batteriezellenstapels genau einstellbar und nicht von einer Federkonstanten einer Federvorrichtung sowie einer Ausdehnung des Batteriezellenstapels abhängig. Mittels des Antriebssystems sind hohe Kräfte schnell, präzise und zuverlässig einstellbar. Ferner hat das Kraftfahrzeug den Vorteil, dass die Druckvorrichtung des Batteriesystems vollständig in das Systemgehäuse integrierbar ist. Es sind keine zusätzlichen Drucktanks, Pumpen oder dergleichen erforderlich, welche außerhalb des Systemgehäuses angeordnet sind. Somit weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ein besonders platzsparendes Batteriesystem sowie bei reduziertem Verschleiß eine verbesserte Betriebssicherheit auf.
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Eine erfindungsgemäße Druckvorrichtung, ein erfindungsgemäßes Batteriesystem sowie ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer Schnittdarstellung eine Druckvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt eines Batteriesystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 3 in einer perspektivischen Schnittdarstellung das Batteriesystem aus 2,
- 4 in einer Draufsicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems,
- 5 in einer Seitenansicht das Batteriesystem aus 2 in einem ersten Zustand,
- 6 in einer Seitenansicht das Batteriesystem aus 2 in einem zweiten Zustand,
- 7 in einer Draufsicht einen Ausschnitt eines Getriebes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
- 8 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 8 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Druckvorrichtung 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Die Druckvorrichtung 1 weist eine plattenförmig ausgebildete erste Kraftübertragungsvorrichtung 4 auf, die über eine Krafterzeugungsvorrichtung 9 der Druckvorrichtung 1 mit einer ebenfalls plattenförmig ausgebildeten zweiten Kraftübertragungsvorrichtung 6 mechanisch gekoppelt ist. Mittels der Krafterzeugungsvorrichtung 9 sind die erste Kraftübertragungsvorrichtung 4 und die zweite Kraftübertragungsvorrichtung 6 relativ zueinander bewegbar. Die erste Kraftübertragungsvorrichtung 4 weist auf einer der Krafterzeugungsvorrichtung 9 abgewandten Seite zur Erhöhung der Steifigkeit mehrere Querstreben 22 auf. Die erste Kraftübertragungsvorrichtung 4 ist als Wandungsabschnitt einer Gehäusewandung 18 eines Systemgehäuses 5 eines Batteriesystems 2 (vgl. 2) ausgebildet. Die zweite Kraftübertragungsvorrichtung 6 weist auf einer der Krafterzeugungsvorrichtung 9 abgewandten Seite eine plattenförmige Druckfläche zum Drücken gegen einen oder mehrere Batteriezellenstapel 8 auf. Ferner weist eine Innenseite der in dieser Ansicht unteren Teils der Gehäusewandung 18 eine Gleitvorrichtung 17 auf. Die Gleitvorrichtung 17 weist eine Gleitbeschichtung auf oder ist als Gleitbeschichtung ausgebildet. Auf diese Weise ist eine Stick-Slip Haftung zwischen der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung 6 und dem unteren Teil der Gehäusewandung 18 vermeidbar oder zumindest erheblich reduzierbar.
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Die Krafterzeugungsvorrichtung 9 weist ein Antriebssystem 10 mit einem Getriebe 12 und einem Elektromotor 11 zum Antreiben des Getriebes 12 auf. Das Getriebe 12 ist vorzugsweise als Wolfrom-Planetengetriebe ausgebildet. Planetenräder 14 des Getriebes 12 sind als Gewindespindel eines Spindeltriebs 13 ausgebildet. In den Planetenrädern 14 sind an der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung gehaltene Gewindestangen 23 geführt.
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An einer Innenseite der ersten Kraftübertragungsvorrichtung 4 ist eine optionale Positionsermittlungsvorrichtung 16 zum Ermitteln einer Position der Gewindestange 23 angeordnet. Alternativ kann die Positionsermittlungsvorrichtung 16 auch an einer anderen Stelle des Systemgehäuses 5, am Planetenträger oder dergleichen angeordnet sein. Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die Positionsermittlungsvorrichtung 16 zum Ermitteln einer Position der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung 6 ausgebildet und eingerichtet ist. Über die Position der Gewindestange 23 ist ein Abstand zwischen der ersten Kraftübertragungsvorrichtung 4 und der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung 6 bestimmbar. Zudem weist die Druckvorrichtung 1 eine optionale Kraftermittlungsvorrichtung 15 zum Ermitteln einer Kraft zwischen der ersten Kraftübertragungsvorrichtung 4 und der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung 6 auf. Die Kraftermittlungsvorrichtung 15 ist beispielsweise am Spindeltrieb angeordnet. Alternativ kann die Kraftermittlungsvorrichtung 15 beispielsweise an der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung 6 angeordnet sein.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines Batteriesystems 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer perspektivischen Ansicht. Das Batteriesystem 2 weist ein Systemgehäuse 5 mit einer Gehäusewandung 18 und einem von der Gehäusewandung 18 umgebenen Gehäuseinnenraum 19 auf. Im Gehäuseinnenraum sind ein Batteriezellenstapel 8 des Batteriesystems 2 und eine Druckvorrichtung 1 des Batteriesystems 2 zum Bereitstellen einer definierten Druckkraft gegen den Batteriezellenstapel 8 angeordnet. Der Batteriezellenstapel 8 weist mehrere nebeneinander angeordnete Batteriezellen 7 auf. Die erste Kraftübertragungsvorrichtung 4 der Druckvorrichtung 1 ist als Wandungsabschnitt der Gehäusewandung 18 des Systemgehäuses 5 ausgebildet. Die zweite Kraftübertragungsvorrichtung 6 kontaktiert den Batteriezellenstapel 8 flächig und gleitet auf einer an einem unteren Wandungsabschnitt der Gehäusewandung 18 angeordneten Gleitvorrichtung 17 ab.
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In 3 ist das Batteriesystem 2 aus 2 schematisch in einer perspektivischen Schnittdarstellung dargestellt. In dieser Ansicht sind der Elektromotor 11 sowie das Getriebe 12 der Druckvorrichtung 1 besser erkennbar.
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4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 2 schematisch in einer Draufsicht. Das Batteriesystem 3 weist drei Batteriezellenstapel 8 auf, welche nebeneinander angeordnet und mittels der Druckvorrichtung 1 zusammengedrückt sind. Alternativ kann für jeden Batteriezellenstapel 8 jeweils eine Druckvorrichtung 1 vorgesehen sein.
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In 5 ist das Batteriesystem 2 aus 2 in einem ersten Zustand schematisch in einer Seitenansicht gezeigt. In dem ersten Zustand sind die Batteriezellen 7 des Batteriezellenstapels 8 vollgeladen und weisen somit eine maximale Ausdehnung auf. Die erste Kraftübertragungsvorrichtung 4 und die zweite Kraftübertragungsvorrichtung 6 weisen demnach einen minimalen Abstand zueinander auf.
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6 zeigt das Batteriesystem 2 aus 2 in einem zweiten Zustand schematisch in einer Seitenansicht. In dem zweiten Zustand sind die Batteriezellen 7 des Batteriezellenstapels 8 entladen und weisen somit eine minimale Ausdehnung auf. Die erste Kraftübertragungsvorrichtung 4 und die zweite Kraftübertragungsvorrichtung 6 weisen demnach einen maximalen Abstand zueinander auf.
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In 7 ist ein Ausschnitt eines Getriebes 12 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht abgebildet. In dieser Ansicht sind die drei Planetenräder 14 des als Wolfrom-Planetengetriebe ausgebildeten Getriebes 12 deutlich erkennbar.
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8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 3 schematisch in einer Seitenansicht. Das Kraftfahrzeug 3 weist ein Antriebssystem 20 mit einer Elektromaschine 21 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 3 und einem erfindungsgemäßen Batteriesystem 2 zum Bereitstellen elektrischer Energie zum Betreiben der Elektromaschine 21 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckvorrichtung
- 2
- Batteriesystem
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- erste Kraftübertragungsvorrichtung
- 5
- Systemgehäuse
- 6
- zweite Kraftübertragungsvorrichtung
- 7
- Batteriezelle
- 8
- Batteriezellenstapel
- 9
- Krafterzeugungsvorrichtung
- 10
- Antriebssystem
- 11
- Elektromotor
- 12
- Getriebe
- 13
- Spindeltrieb
- 14
- Planetenrad
- 15
- Kraftermittlungsvorrichtung
- 16
- Positionsermittlungsvorrichtung
- 17
- Gleitvorrichtung
- 18
- Gehäusewandung
- 19
- Gehäuseinnenraum
- 20
- Antriebssystem
- 21
- Elektromaschine
- 22
- Querstrebe
- 23
- Gewindestange
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014225367 A1 [0006]
