DE102020129005A1

DE102020129005A1 - Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020129005A1
Application number: DE102020129005.5A
Authority: DE
Inventors: Florian Moldring; Christian Neufeldt; Arjan Strating
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2022-05-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterieanordnung (10) mindestens eine erste Batteriezelle (14) mit einem Zellgehäuse (16) aufweist und einen Träger (20), auf welchem die erste Batteriezelle (14) angeordnet ist, wobei zumindest die erste Batteriezelle (14) bei einer Beaufschlagung mit einer vorbestimmten Mindestkraft gegenüber dem Träger (20) verschiebbar ist. Dabei weist die Batterieanordnung (10) mindestens eine Strukturvorrichtung (36) auf, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass ein Anteil einer auf die Strukturvorrichtung (36) in Richtung der ersten Batteriezelle (14) wirkenden Kraft, zumindest wenn die Kraft einen Schwellwert überschreitet auf die Batteriezelle (14) übertragbar und dabei auf einen bestimmten Bereich des Zellgehäuses (16) verteilbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterieanordnung mindestens eine erste Batteriezelle mit einem Zellgehäuse aufweist und einen Träger, auf welchen die erste Batteriezelle angeordnet ist. Dabei ist zumindest die erste Batteriezelle bei einer Beaufschlagung mit einer vorbestimmten Mindestkraft gegenüber dem Träger verschiebbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterieanordnung.
Die Erfindung ist dabei insbesondere auf dem Gebiet der Hochvolt-Batterien, zum Beispiel für Elektro- und/oder Hybridfahrzeuge, angesiedelt. Eine solche Hochvolt-Batterie umfasst in der Regel vielzählige Batteriezellen, die gegebenenfalls zu Batteriemodulen zusammengefasst sein können. Die Batteriezellen und/oder Batteriemodule sind dabei oftmals mit einer Bodenplatte des Batteriegehäuses verbunden, zum Beispiel verklebt und verschraubt. Um den Bauraum maximal auszunutzen, sind üblicherweise auch die Zellzwischenräume in der Regel mit Strukturen gefüllt, wie zum Beispiel mit Kühlkanälen, Verklebungen, Rasterplatten zur Zellfixierung und so weiter.
Weiterhin ist auch ein Sicherheitskonzept zum Schutz einer solchen Hochvolt-Batterie, zum Beispiel im Falle eines Unfalls, erforderlich. Ein solches Sicherheitskonzept sieht vor, dass die Struktur von Batteriegehäuse und Hochvoltmodulen mechanischen Schutz für die Batteriezellen bei Crashbelastungen in Form einer Deformationsbegrenzung bietet. Mit anderen Worten sollen sich Deformationen im Falle eines Unfalls vorzugsweise nicht bis zu den Batteriezellen ausbreiten. Erreicht die mechanische Deformation dennoch das Modul und/oder die Batteriezelle, wird auch diese verformt und das Risiko auf ein thermisches Event, welches in der Regel Feuer und Brand zur Folge hat, einer oder mehrerer Zellen nimmt stark zu. Zudem besteht eine große Empfindlichkeit der Batteriesysteme hinsichtlich mechanischer Deformationen und Intrusionen.
Weiterhin sind auch Batteriekonzepte aus dem Stand der Technik bekannt, bei welchen Batteriemodule oder Zellen gegeneinander verschiebbar sind. Beispielsweise beschreiben die DE 10 2018 205 233 A1 und die DE 10 2011 106 090 A1 jeweils eine Batterie mit zueinander verschiebbar angeordneten Batteriemodulen. Diese lassen sich jedoch lediglich in einer Richtung zueinander verschieben. Aufprallenergie lässt sich damit nur in eine Richtung abbauen. Weiterhin beschreibt die WO 2015/049215 A1 ein Batteriemodul mit Ausweichbereich, in welchen einzelne Batteriezellen im Falle einer äußeren Krafteinwirkung ausweichen können.
Weiterhin beschreibt die DE 10 2014 001 289 B3 ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl von Batterieelementen, welche in Modulen einer ersten Art und einer zweiten Art mit jeweils mehreren Batterieelementen vorliegen, wobei in einem Modul erster Art die Batterieelemente in einem Verbund abhängig von einer Krafteinwirkung verbundformend relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind und in einem Modul zweiter Art die Anordnung der Batterieelemente abhängig von einer Krafteinwirkung zerstörungsfrei nur formbar gehalten verschiebbar ist. Dabei sind die Module erster Art in einem ersten Bereich des Kraftfahrzeugs eingebaut, welcher im Vergleich zu einem zweiten Bereich des Kraftfahrzeugs eine geringere Steifigkeit aufweist. Die Module zweiter Art sollen in einem Kraftfahrzeugbereich mit höherer Steifigkeit angeordnet sein.
Durch die Möglichkeit, dass sich Batteriemodule beziehungsweise -zellen verschieben lassen, kann zwar Aufprallenergie abgebaut werden, nichtsdestoweniger bleibt die Gefahr, dass Batteriezellen selbst verformt und beschädigt werden, dennoch bestehen. Mit anderen Worten bleibt das Bestreben bestehen, den Abbau von Aufprallenergie im Falle eines Unfalls zum Schutz der Hochvolt-Batterie weiter zu verbessern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterieanordnung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche möglichst viel Sicherheit im Falle eines Unfalls ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieanordnung 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.
Bei einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug weist die Batterieanordnung mindestens eine erste Batteriezelle mit einem Zellgehäuse auf und einen Träger, auf welchem die erste Batteriezelle angeordnet ist, wobei zumindest die erste Batteriezelle bei einer Beaufschlagung mit einer vorbestimmten Mindestkraft gegenüber dem Träger verschiebbar ist. Dabei weist die Batterieanordnung weiterhin mindestens eine Strukturvorrichtung auf, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass ein Anteil einer auf die Strukturvorrichtung in Richtung der ersten Batteriezelle wirkenden Kraft, zumindest wenn die Kraft einen Schwellwert überschreitet, auf die Batteriezelle übertragbar und dabei auf einen bestimmten Bereich des Zellgehäuses verteilbar ist.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass einer Beschädigung von Batteriezellen im Falle eines Unfalls nicht nur dadurch entgegengewirkt werden kann, dass Aufprallenergie durch eine Verschiebung der Batteriezellen abgebaut wird, sondern vor allem dadurch, dass der auf eine Batteriezelle wirkende Kraftanteil möglichst gleichmäßig auf die Batteriezelle, insbesondere auf ihr Zellgehäuse, verteilt wird. Punktuelle Kraftbeaufschlagungen dagegen, die zum Beispiel auftreten können, wenn auf den Batteriezellen zugewandten Seiten von Karosserieteilen oder Batteriegehäuseteilen hervorstehende Schraubenköpfe angeordnet sind, oder andere Bauteile, wie zum Beispiel Kabel oder Schläuche, zwischen den Batteriezellen beziehungsweise zwischen einer Batteriezelle und einem Gehäusebauteil oder Karosseriebauteil angeordnet ist, führen zu einem lokal sehr hohen Druck auf das Zellgehäuse, wodurch eine solche Batteriezelle sehr leicht beschädigt wird. Mit anderen Worten sind inhomogene Belastungszustände der Zellgehäuse von Batteriezellen die Hauptursache von Beschädigungen von Batteriezellen bei einem Unfall, selbst bei sehr leichten Kraftbeaufschlagungen. Wird also dagegen durch eine Strukturvorrichtung, wie diese erfindungsgemäß vorgesehen ist, der Anteil der Kraft, der auf die Batteriezelle wirkt, verteilt, insbesondere auf einen möglichst großflächigen Bereich des Zellgehäuses, so kann dadurch die Wahrscheinlichkeit für eine Beschädigung dieser Batteriezelle enorm reduziert werden. Dadurch lässt sich also vorteilhafterweise die Sicherheit einer Batterieanordnung weiter steigern.
Dabei kann die mindestens eine erste Batteriezelle derart angeordnet sein und die Strukturvorrichtung insbesondere derart ausgebildet sein, dass die Mindestkraft, die zur Verschiebung der mindestens einen ersten Batteriezelle erforderlich ist, nicht zu einer Beschädigung der Zelle beziehungsweise des Zellgehäuses führt, wenn sie im Wesentlichen gleich verteilt auf den bestimmten Bereich des Zellgehäuses wirkt. Mit anderen Worten kann eine Batteriezelle deutlich höheren Kräften standhalten, wenn diese Kräfte möglichst gleichmäßig auf das Zellgehäuse beziehungsweise die Zellgehäusefläche verteilt werden. Zusätzlich kann auch noch der Vorteil genutzt werden, dass die Batteriezelle ab einer vorbestimmten Mindestkraft gegenüber dem Träger, auf welchem sie angeordnet ist, verschiebbar ist. Hierdurch kann entsprechend zusätzlich Energie abgebaut werden. Gerade durch die Kombination aus dieser Verschiebbarkeit der Batteriezelle, sowie der möglichst homogenen Kraftverteilung auf das Zellgehäuse der Batteriezelle, kann insgesamt die Wahrscheinlichkeit für eine Beschädigung der Batteriezelle enorm reduziert werden. Eine weitere Erkenntnis der Erfindung besteht zudem darin, dass der Schutz der Batterieanordnung, die vorzugsweise eine Hochvolt-Batterie bereitstellt, gerade nicht dadurch erzielt wird, indem versucht wird, eine auf das Kraftfahrzeug wirkende unfallbedingte Kraft von den Batteriezellen fernzuhalten und durch andere Strukturkomponenten aufzunehmen und/oder abzubauen, sondern gerade dadurch, indem eine solche Kraft zumindest zum Teil auf alle von der Batterie umfassten Batteriezellen eingeleitet wird, um dabei möglichst gleichmäßig und homogen auf diese Zellen verteilt zu werden. Denn die Batteriezellen beziehungsweise Zellgehäuse können einer gewissen Kraftbeaufschlagung standhalten. Sofern diese zulässige Maximalkraft nicht überschritten wird, ist keine Beschädigung der Batteriezellen zu befürchten. Entsprechend können die Batteriezellen dazu genutzt werden, ebenfalls Aufprallenergie aufzunehmen, wodurch gerade dadurch, dass diese Aufprallenergie mittels der Strukturvorrichtung möglichst homogen auf die Batteriezellen verteilbar ist, die jeweilige auf die Zellen wirkende Kraft unterhalb eines entsprechenden Grenzwerts der jeweiligen Batteriezellen gehalten werden kann, selbst bei insgesamt großen unfallbedingten Kraftbeaufschlagungen.
Bei der mindestens einen ersten Batteriezelle kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Zelle handeln. Diese mindestens eine erste Batteriezelle kann zudem als Rundzelle ausgebildet sein oder als Pouchzelle oder als prismatische Zelle. Mit anderen Worten lässt sich die Erfindung für alle Arten an Batteriezellen in gleicher Weise vorteilhaft umsetzen. Vorzugsweise umfasst die Batterieanordnung vielzählige solcher Batteriezellen. Dabei können die Batteriezellen zu Batteriemodulen zusammengefasst sein. Die Batterieanordnung kann also beispielsweise mehrere Batteriemodule aufweisen, wobei jedes Batteriemodul wiederum mehrere Batteriezellen umfasst, von denen zumindest eine die mindestens eine erste Batteriezelle darstellt. Weiterhin können die Batteriezellen und/oder Batteriemodule gleichartig ausgebildet sein. Wie ebenfalls bereits erwähnt, stellt die Batterieanordnung vorzugsweise eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug bereit. Die Batterieanordnung kann auch ein Batteriegehäuse aufweisen, in welchem die mindestens eine erste Batteriezelle, vorzugsweise alle Batteriezellen der Batterieanordnung, angeordnet sind. Der Träger, auf welchem die Batteriezelle angeordnet ist, stellt dann vorzugsweise einen Boden des Batteriegehäuses dar. Dieser Träger kann weiterhin als Kühlboden, zum Beispiel als Kühlplatte oder als mit einem Kühlmittel durchströmbarer Boden ausgebildet sein. Die Batteriezelle kann weiterhin mit einer dem Träger zugewandten Unterseite über ein Haftmittel angebunden sein, welches vorzugsweise ein Wärmeleitmittel, insbesondere ein sogenannter Gapfiller, ist. Durch die Anbindung der ersten Batteriezelle beziehungsweise im Allgemeinen aller Batteriezellen der Batterieanordnung an den Träger über einen solchen Gapfiller kann einerseits eine gute thermische Anbindung an die Kühlung, welche durch den Träger bereitgestellt ist, erzielt werden, gleichzeitig aber auch eine Haftung der mindestens einen ersten Batteriezelle am Träger. Mit anderen Worten ist die Batteriezelle am Träger über den Gapfiller klebend befestigt. Diese durch den Gapfiller bereitgestellte Haftwirkung hält aber nur einer gewissen Beanspruchung stand, sodass entsprechend bei einer Beaufschlagung der mindestens einen ersten Batteriezelle mit der vorbestimmten Mindestkraft die durch den Gapfiller bereitgestellte Haftkraft überwunden und dadurch die Batteriezelle gegenüber dem Träger verschoben werden kann. Zudem ist der Träger bevorzugt eben ausgebildet, sodass die Batteriezellen mit ihren dem Träger zugewandten Unterseiten ebenfalls eben auf dem Träger angeordnet sind und nicht in irgendeiner Art Vertiefung oder Halterung, da dies die Verschiebbarkeit der Batteriezellen beeinträchtigen würde. Optional können die Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule auch noch anderweitig am Batteriegehäuse befestigt sein, zum Beispiel mittels Verschraubungen oder mittels Klipsen oder ähnlichem, wobei in diesem Fall solche Befestigungsmittel derart ausgebildet sind, dass sie bei der genannten Beaufschlagung der Batteriezelle mit der vorbestimmten Mindestkraft nachgeben beziehungsweise sich lösen, zum Beispiel reißen oder brechen, um die Verschiebbarkeit der Batteriezelle gegenüber dem Träger bereitzustellen. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, dass die Batteriezellen im normalen Betrieb nicht so einfach gegenüber dem Träger verschoben werden können.
Dass die Strukturvorrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass ein Anteil einer auf die Strukturvorrichtung in Richtung der ersten Batteriezelle wirkenden Kraft, zumindest wenn die Kraft einen Schwellwert überschreitet, auf die Batteriezelle übertragbar ist, ist insbesondere so zu verstehen, dass nicht notwendigerweise jede Kraft von der Strukturvorrichtung auf die Batteriezelle übertragbar sein muss. Insbesondere muss die Strukturvorrichtung nicht notwendigerweise in direktem Kontakt mit der Batteriezelle stehen. Ist die Strukturvorrichtung also beispielsweise von der Batteriezelle beabstandet, so kann die Strukturvorrichtung kleine Kräfte auffangen, ohne dass diese auf die Batteriezelle übertragen werden. Erst bei hohen Kraftbeaufschlagungen der Strukturvorrichtung kann diese beispielsweise gegen die Batteriezelle gedrückt werden, wodurch dann entsprechend ein Teil dieser auf die Strukturvorrichtung wirkenden Kraft auf die Batteriezelle übertragen wird. Durch die Ausbildung der Strukturvorrichtung bedingt, insbesondere durch deren Geometrie bedingt, erfolgt die Kraftübertragung dabei dergestalt, dass diese auf den bestimmten Bereich des Zellgehäuses verteilt wird, insbesondere gleichmäßig beziehungsweise homogen verteilt wird.
Dies lässt sich beispielsweise dadurch bewerkstelligen, dass, wie dies gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, zumindest ein der mindestens einen ersten Batteriezelle zugewandter Teil der Strukturvorrichtung flächig am bestimmten Bereich des Zellgehäuses anliegt oder durch äußere Krafteinwirkung in Richtung der mindestens einen erste Batteriezelle flächig zur Anlage bringbar ist, insbesondere wobei der bestimmte Bereich des Zellgehäuses sich über eine gesamte Höhe des Zellgehäuses in einer bestimmten ersten Richtung erstreckt. Durch die potentiell flächige Anlage der Strukturvorrichtung am Zellgehäuse lässt sich die einwirkende Kraft auch möglichst gleichmäßig auf eine möglichst große Fläche der Batteriezelle beziehungsweise des Zellgehäuses verteilen. Besonders vorteilhaft ist dabei vor allem, wenn sich der bestimmte Bereich, über welchen die Kraft mittels der Strukturvorrichtung auf das Zellgehäuse verteilt wird, über die gesamte Höhe des Zellgehäuses erstreckt. Damit lässt sich vorteilhafterweise die lokal auf einen Punkt des Zellgehäuses der Batteriezelle wirkende Kraft minimieren.
Die einfachste Möglichkeit, eine möglichst flächige Auflage oder Anlage an der mindestens einen Batteriezelle beziehungsweise deren Zellgehäuse durch die Strukturvorrichtung bereitzustellen, ist es, die Strukturvorrichtung mit einer der mindestens einen ersten Batteriezelle zugewandten ebenen Fläche auszubilden. Durch eine ebene Anlagefläche, bzw. zumindest potentielle Anlagefläche, kann auf besonders einfache Weise gewährleistet werden, dass sich keine lokalen Erhebungen, wie zum Beispiel Schraubenköpfe oder ähnliches, bei einem Aufprall in die Zellgehäusewände bohren. Vor allem bei Pouchzellen und prismatischen Zellen ist eine ebene Anlagefläche besonders vorteilhaft, da diese Anlagefläche dann zur Geometrie der Zellgehäuse korrespondiert. Diese sind dann vorzugsweise derart zur Strukturvorrichtung ausgerichtet, dass eine ebene Seite des Zellgehäuses einer solchen Batteriezelle der Strukturvorrichtung zugewandt ist. Aber auch bei Rundzellen kann eine Strukturvorrichtung mit einer ebenen Anlagefläche vorteilhaft sein. Denn dies ermöglicht zumindest eine homogene Kraftverteilung in Richtung der Höhe des Zellgehäuses, welche in Richtung der Zylinderachse der zylindrischen Zellgehäuse der Rundzellen gerichtet ist, wenngleich auch die Anlagefläche tangential zu den Rundzellen relativ klein ist. Gerade in Kombination mit Rundzellen kann es aber auch vorgesehen sein, dass die Geometrie der Anlagefläche der Strukturvorrichtung an die Geometrie der Zellgehäuse der Zellen angepasst ist. Beispielsweise kann die Geometrie der Anlagefläche der Strukturvorrichtung komplementär zur Geometrie der der Strukturvorrichtung zugewandten Seite des Zellgehäuses der Rundzelle ausgebildet sein. Dadurch kann eine noch homogenere Kraftverteilung erreicht werden, gerade bei Rundzellen. Weiterhin ist es auch bevorzugt, sofern die mindestens eine erste Batteriezelle von der Strukturvorrichtung beabstandet ist, dass der Zwischenraum zwischen der Strukturvorrichtung und der mindestens einen ersten Batteriezelle leer ist oder homogen ausgefüllt ist. Mit anderen Worten sollen in einem solchen Zwischenraum keine Kabel oder Schläuche oder andere Bauteile inhomogen verteilt angeordnet sein, da diese wiederum, wenn die Strukturvorrichtung unfallbedingt gegen die Batteriezellen gedrückt wird, sich inhomogen in die Zellgehäuse der Batteriezellen eindrücken würden.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Teil der mindestens einen Strukturvorrichtung über eine vorbestimmte Länge, die der Höhe des Zellgehäuses der ersten Batteriezelle in der ersten Richtung entspricht, mit einer konstanten Steifigkeit ausgebildet. Mit anderen Worten kann die Strukturvorrichtung in ihren mechanischen Eigenschaften ebenfalls homogen ausgebildet sein, insbesondere in der ersten Richtung, die zur Höhe des Zellgehäuses korrespondiert. Die erste Richtung kann dabei parallel zu einer Fahrzeughochachse ausgerichtet sein, wenn die Batterieanordnung bestimmungsgemäß in einem Kraftfahrzeug verbaut ist. Durch diese homogene Ausbildung der Strukturvorrichtung in ihren mechanischen Eigenschaften über ihre Höhe hinweg, beziehungsweise zumindest über eine Länge in der ersten Richtung, die zur Höhe der Batteriezellen korrespondiert, kann es vorteilhafterweise erreicht werden, dass eine über die Strukturvorrichtung auf die mindestens eine Batteriezelle eingeleitete Kraft gleichmäßig in Richtung ihrer Höhe auf die Batteriezelle verteilt wird. Dadurch lässt sich wiederum die Wahrscheinlichkeit für eine Beschädigung der Batteriezelle reduzieren. Der mit konstanter Steifigkeit ausgebildete Teil der Strukturvorrichtung ist also vorzugsweise mit dem Zellgehäuse der mindestens einen ersten Batteriezelle in Bezug auf die erste Richtung auf gleicher Höhe angeordnet. Dies ermöglicht eine homogene Kraftverteilung über die Höhe der Batteriezelle hinweg im Falle einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung. Zudem kann in diesem Fall die Strukturvorrichtung alle Bauteile umfassen, die zwischen einer Außenseite des Kraftfahrzeugs und der Batteriezelle, die dann vorzugsweise eine Randzelle der Batterieanordnung darstellt, angeordnet ist. Eine solche Randzelle ist entsprechend an einem Rand einer Anordnung aus mehreren Batteriezellen angeordnet.
Die Strukturvorrichtung kann beispielsweise zumindest einen Teil einer Karosserie des Kraftfahrzeugs und/oder einen Teil eines Batteriegehäuses der Batterieanordnung und/oder einen Teil eines Modulgehäuses eines Batteriemoduls der Batterieanordnung, in welchem die mindestens eine Batteriezelle aufgenommen ist, umfassen. Die Strukturvorrichtung muss dabei nicht notwendigerweise einseitig ausgeführt sein, sondern kann mehrere voneinander separate, ja sogar voneinander beabstandete, Teile umfassen. Beispielsweise kann die Strukturvorrichtung, wie beschrieben, alles darstellen, was zwischen einer Außenseite des Kraftfahrzeugs und einer Randzelle der Batterieanordnung angeordnet ist, also zum Beispiel die Gesamtheit aus einem Karosseriebauteil, wie zum Beispiel einem Längsträger oder Querträger, einem an diesem Karosseriebauteil angeordneten Teil eines Batteriegehäuses und gegebenenfalls noch einen Teil eines Modulgehäuses, in welchem die mindestens eine erste Batteriezelle angeordnet ist. Diese Gesamtheit dieser Bauteile beziehungsweise Bauteilanordnung soll also in ihrer Gesamtheit in Fahrzeughochrichtung homogen bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich ihrer Steifigkeit, ausgebildet sein, um dadurch eine möglichst homogene Kraftverteilung auf die Batteriezellen bereitzustellen, insbesondere wiederum in Fahrzeughochrichtung. Aber auch in anderen Richtungen, insbesondere senkrecht zur einwirkenden Kraft, kann durch die Strukturvorrichtung eine Kraftverteilung bereitgestellt werden. Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die mindestens eine Strukturvorrichtung derart biegesteif ausgebildet ist, dass eine auf die mindestens eine Strukturvorrichtung in Richtung der mindestens einen ersten Batteriezelle lokal einwirkende Kraft in zumindest einer Richtung senkrecht zur Kraft verteilbar ist. Beispielsweise kann die Strukturvorrichtung in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs ausgedehnt in einem seitlichen Bereich des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, sodass bei einem Seitenaufprall auf die Strukturvorrichtung wirkende Kraft durch die Biegesteifigkeit der Strukturvorrichtung in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs verteilt wird. Gleiches gilt auch bei einem Frontaufprall. Entsprechend kann die Strukturvorrichtung auch in Richtung einer Querachse des Kraftfahrzeugs im Bereich einer Fahrzeugfront oder im Bereich des Hecks angeordnet sein und so bei einem Frontalcrash oder Heckaufprall die in Fahrzeuglängsrichtung auf die Strukturvorrichtung wirkende Kraft in Fahrzeugquerrichtung zu verteilen, insbesondere wieder auf die einzelnen Batteriezellen. Hierdurch kann also vorteilhafterweise erreicht werden, dass nicht nur die auf eine einzelne Batteriezelle wirkende Kraft homogen auf eine möglichst große Fläche des Zellgehäuses verteilt wird, sondern dass die einwirkende Gesamtkraft möglichst homogen auf alle Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule verteilt wird. Durch diese Homogenisierung kann die maximale Kraft pro Zelle, insbesondere Zellfläche, weiter reduziert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterieanordnung mindestens eine zweite Batteriezelle auf, wobei zumindest ein Teil der Strukturvorrichtung zwischen der mindestens einen ersten Batteriezelle und der mindestens einen zweiten Batteriezelle angeordnet ist. Mit anderen Worten muss die Strukturvorrichtung nicht notwendigerweise beziehungsweise nicht nur in einem Randbereich der Batterieanordnung zur Abgrenzung der Batterieanordnung nach außen angeordnet sein, wie zum Beispiel wenn diese als Teil einer Karosserie oder Batteriegehäuses ausgebildet ist, sondern sie kann sich auch zwischen einzelnen Batteriezellen befinden. Dies ermöglicht eine möglichst homogene Kraftweiterleitung zwischen den Batteriezellen, was besonders vorteilhaft ist, da diese verschieblich ausgebildet sind, zumindest im Falle einer gewissen Mindestkraftbeaufschlagung. Mit anderen Worten, kommt es zu einer unfallbedingten starken Kraftbeaufschlagung der Batteriezellen, so werden diese gegeneinander verschoben und gegebenenfalls damit einhergehend auch aufeinander gedrückt. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn dann zwischen den Batteriezellen eine solche Strukturvorrichtung angeordnet ist, die dann die von Batteriezelle zu Batteriezelle übertragene Kraft räumlich homogenisiert. Gerade am Beispiel von Rundzellen, aber auch im Falle von Pouchzellen oder prismatischen Zellen, kann die Strukturvorrichtung hierbei wiederum an die Außengeometrie der Zellgehäuse angepasst sein, um hierdurch eine möglichst große Anlagefläche zu schaffen. Weiterhin ist diese Strukturvorrichtung, die zwischen Batteriezellen angeordnet ist, weiterhin vorzugsweise so ausgebildet, dass sie einer Relativverschiebung der einzelnen Batteriezellen zueinander nicht im Wege steht beziehungsweise diese zumindest nicht nennenswert beeinträchtigt. Dies ist also vorzugsweise kein durchgängiges, starr mit dem Träger verbundenes Bauteil, sondern die Strukturvorrichtung kann zum Beispiel aus mehreren gegeneinander verschiebbaren Einzelteilen, die sich zwischen je zwei Batteriezellen befinden, aufgebaut sein. Diese können dann beispielsweise nur leicht am Träger oder auch gar nicht befestigt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Strukturvorrichtung auch leicht elastisch oder deformierbar ausgebildet sein oder zum Beispiel aus einem porösen Material gebildet sein, welches bei Kraftbeaufschlagung fein zerbröselt oder ähnliches, um einen Weg für die Verschiebung der Batteriezellen freizugeben. Durch solche zwischen den Batteriezellen befindlichen Strukturelemente der Strukturvorrichtung kann also eine zusätzliche Homogenisierung der eingeleiteten Kraft unter den Batteriezellen selbst bereitgestellt werden und damit eine zusätzliche Homogenisierung. Durch alle beschriebenen Homogenisierungsmaßnahmen lässt sich die auf das Batteriesystem im Falle eines Unfalls wirkende Kraft umso gleichmäßiger aufteilen, wodurch die Gefahr der Beschädigung einzelner Batteriezellen reduziert wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterieanordnung mindestens eine Batteriezelle auf, wobei die erste und zweite Batteriezelle derart angeordnet sind, dass die erste Batteriezelle bei einer bestimmten Kraftbeaufschlagung relativ zur zweiten Batteriezelle in mindestens zwei, insbesondere drei, voneinander unabhängige Raumrichtungen bewegbar ist. Dies erlaubt es vorteilhafterweise, bei jeder Art von Unfall die auf das Kraftfahrzeug und die Batterieanordnung wirkende Kraft durch eine Verschiebung der Batteriezellen abzubauen. Die Batteriezellen können also beispielsweise in Fahrzeughochrichtung, in Fahrzeugquerrichtung sowie auch in Fahrzeuglängsrichtung gegeneinander verschiebbar sein. Kräfte können dabei sowohl im Falle eines Seitenaufpralls, als auch im Falle eines Frontaufpralls oder Heckaufpralls, sowie auch im Falle von oben oder unten auf das Kraftfahrzeug wirkenden Kräften abgebaut werden. In jeder Situation kann damit ein Höchstmaß an Sicherheit bereitgestellt werden. Um eine solche Bewegung der Batteriezellen zu ermöglichen, muss dabei insbesondere kein sonderlich großer extra Bauraum vorgesehen sein. Insbesondere reichen dabei die ohnehin in Batteriesystemen vorhandenen Zwischenräume zwischen den Batteriezellen und/oder Modulen vollkommen aus. In Summe ergeben sich hierbei pro Richtung in der Regel große Toleranzspielräume, die eine Relativbewegung einzelner Batteriezellen zueinander und/oder auch Batteriemodule zueinander ermöglichen. Auch in Fahrzeughochrichtung ist es möglich, dass einzelne Batteriezellen zum Beispiel aus dem Zellverbund durch Kraftbeaufschlagung von unten bewegt werden können.
Die beiden Batteriezellen, nämlich erste und zweite Batteriezelle, die in diesem Beispiel gegeneinander bewegbar sein können, können dabei einerseits Teil eines gleichen Batteriemoduls sein oder auch in unterschiedlichen Batteriemodulen verbaut sein. Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Batterieanordnung mindestens ein Batteriemodul aufweist, welches die mindestens eine erste und mindestens eine zweite Batteriezelle aufweist, wobei die mindestens eine erste Batteriezelle bei einer Beaufschlagung mit einer vorbestimmten Mindestkraft gegenüber der zweiten Batteriezelle in zumindest eine Raumrichtung, insbesondere in zwei voneinander unabhängige Raumrichtungen, vorzugsweise in drei voneinander unabhängige Raumrichtungen, verschiebbar angeordnet ist. Diese Raumrichtungen können dabei wiederum zu den oben genannten Richtungen korrespondieren. In diesem vorteilhaften Beispiel ist es also vorgesehen, dass auch Batteriezellen innerhalb eines gleichen Moduls gegeneinander bewegt werden können. Dadurch wird die Effizienz des Kraftabbaus durch Bewegung der einzelnen Batteriezellen zusätzlich gesteigert. Handelt es sich bei den Batteriezellen um prismatische Batteriezellen, so sind diese vorzugsweise zumindest in zwei Richtungen senkrecht zur Verbundrichtung zueinander bewegbar. Die Verbundrichtung stellt dabei diejenige Richtung dar, in welcher die jeweiligen Batteriezellen eines Batteriemoduls nebeneinander angeordnet sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Batterieanordnung weist die Batterieanordnung mehrere Batteriemodule auf, die jeweils mindestens eine Batteriezelle aufweisen, von welcher zumindest eine die mindestens eine Batteriezelle darstellt, und wobei mindestens ein Batteriemodul, insbesondere jedes der Batteriemodule, bei einer Beaufschlagung mit einer vorbestimmten zweiten Mindestkraft gegenüber mindestens einem anderen der Batteriemodule und/oder dem Träger verschiebbar angeordnet ist. Mit anderen Worten können auch die Batteriemodule an sich gegeneinander verschiebbar beziehungsweise auch gegenüber dem Träger verschiebbar angeordnet sein. Dabei können die Batteriezellen innerhalb eines solchen Batteriemoduls entweder insgesamt gleichförmig verschoben werden oder alternativ auch wiederum gegeneinander verschiebbar sein. Besonders vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn die Batteriemodule zumindest in eine Richtung verschiebbar zueinander angeordnet sind, die zu einer Verbundrichtung der Batteriezellen innerhalb eines jeweiligen Batteriemoduls korrespondiert. Denn dann lässt es sich zum Beispiel bewerkstelligen, dass die Batteriemodule zueinander in Verbundrichtung verschiebbar sind, während die einzelnen Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls in die beiden anderen senkrecht zur Verbundrichtung stehenden Richtungen verschiebbar sind.
Insgesamt können dadurch Batteriezellen, zumindest solche unterschiedlichen Batteriemodule, gegeneinander wiederum in drei voneinander unabhängige Raumrichtungen verschoben werden, die wiederum vorzugsweise zur Fahrzeughochrichtung, Fahrzeuglängsrichtung und Fahrzeugquerrichtung korrespondieren. Ein Energieabbau im Falle einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung kann damit wiederum in jeder erdenklichen Unfallsituation auf besonders effiziente Weise erfolgen. Dies gilt im Übrigen auch für Rundzellen und ist hierbei noch deutlich einfacher zu realisieren. Diese müssen aber nicht notwendigerweise in Modulen angeordnet sein, was nichtsdestotrotz dennoch möglich ist.
Da sich die Verschiebbarkeit der Rundzellen deutlich einfacher realisieren lässt, ist dadurch bedingt, dass diese rotationssymmetrisch um eine Achse ausgebildet sind, nämlich ihre Hochachse. Diese lassen sich entsprechend zudem auch bedingt durch ihre homogene Befestigung am Träger in jede Richtung gleich leicht verschieben. Dies kommt wiederum einer Homogenisierung der Kraftverteilung zugute.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Batterieanordnung und ihre Ausgestaltung genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Strukturvorrichtung zur homogenen Kraftverteilung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Draufsicht auf eine Batterieanordnung mit mehreren Batteriemodulen und einer Strukturvorrichtung zur homogenen Kraftverteilung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 eine schematische Draufsicht auf ein Batteriemodul einer Batterieanordnung mit mehreren gegeneinander verschiebbar angeordneten Batteriezellen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 10 für ein Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterieanordnung 10 weist in diesem Beispiel mehrere Batteriemodule 12 auf, von welchen in 1 exemplarisch nur eines dargestellt ist. Ein solches Batteriemodul 12 ist schematisch in einer Draufsicht in 3 dargestellt und kann beispielsweise mehrere Batteriezellen 14 umfassen. Die Batteriezellen 14 weisen dabei jeweilige Zellgehäuse 16 (vergleiche ebenfalls 3) auf. In diesem, insbesondere in 3, dargestellten Beispiel sind die Batteriezellen als prismatische Batteriezellen 14 ausgebildet, können aber ebenso als Pouchzellen oder Rundzellen ausgebildet sein. Weiterhin können die Batteriezellen 14 in einem optionalen Modulgehäuse 18 angeordnet sein. Ein solches Modulgehäuse 18 muss dabei die Batteriezellen 14 nicht notwendigerweise vollständig umschließen, sondern kann beispielsweise den das Modul 12 bildenden Zellverbund in der hier dargestellten y-Richtung beidseitig, zum Beispiel mittels Druckplatten, begrenzen, die über eine in y-Richtung verlaufende Verbindung auf beiden Seiten des Moduls 12 miteinander verbunden sein können.
Weiterhin sind das Batteriemodul 12 und insbesondere die einzelnen Batteriezellen 14 auf einem Träger 20 angeordnet. Dieser kann beispielsweise eine Kühlplatte 21, die zum Beispiel von einem Kühlmittel durchströmbar ist, aufweisen, an welche das Batteriemodul 12 über eine ausgehärtete Wärmeleitpaste 22, oder im Allgemeinen ein Haftmittel, angeordnet ist. Dieser Träger 20 kann dabei insbesondere einen Teil eines Batteriegehäuses 24 darstellen. Das Batteriegehäuse kann dabei insbesondere einen äußeren Rahmen 26 sowie optionale Zwischenstreben 28, die zwischen den Batteriemodulen 12 oder Batteriemodulreihen angeordnet sein können. Der Rahmen 26 des Batteriegehäuses 24 sowie die im Batteriegehäuse angeordneten Batteriemodule 12 sind nochmal in 2 schematisch in einer Draufsicht dargestellt. Die hier dargestellte x-Richtung kann dabei zum Beispiel zu einer Fahrzeuglängsrichtung, aber auch zu einer Fahrzeugquerrichtung des Fahrzeugs korrespondieren, in welcher die Batterieanordnung 10 bestimmungsgemäß angeordnet ist. Die dargestellte z-Richtung korrespondiert dann insbesondere zur Richtung einer Fahrzeughochachse. An den Rahmen 26 des Batteriegehäuses kann darüber hinaus auf einer der den Batteriemodulen 12 abgewandten Seite des Rahmens 26 eine Karosseriestruktur 30 angeordnet sein, wie dies ebenfalls in 2 dargestellt ist. Diese Karosseriestruktur 30 kann zum Beispiel einen Längsträger auf einer jeweiligen Seite des Kraftfahrzeugs darstellen.
Die Batterieanordnung 10 ist nun so ausgebildet, dass die einzelnen Batteriemodule 12 und/oder die einzelnen Batteriezellen 14 innerhalb eines solchen Moduls 12 zueinander und insbesondere gegenüber dem Träger 20 verschiebbar sind. Diese Positionsänderung beziehungsweise räumliche Verschiebung ist in 1, 2 und 3 durch die Pfeile 32 veranschaulicht. Die Länge der jeweiligen Pfeile 32 kann dabei zudem das Ausmaß der Verschiebung symbolisieren. Insbesondere sollen die Module 12 beziehungsweise die Zellen 14 dabei ab einer bestimmten Mindestkraftbeaufschlagung, die gegebenenfalls von der Richtung der Krafteinwirkung abhängen kann, verschiebbar sind. Bei Krafteinwirkungen auf die Module 12 beziehungsweise die Zellen 14 unterhalb eines solchen Kraftschwellwerts soll keine Verschiebung der Module 12 beziehungsweise Zellen 14 gegeneinander sowie gegenüber dem Träger 20 stattfinden können. Die Module 12 beziehungsweise deren Zellen 14 sind insbesondere, wie bereits beschrieben, über den Gapfiller 22 an einer Bodenplatte 21 des Gehäuses 24 befestigt, insbesondere verklebt. Zusätzlich können die Module 12 beziehungsweise die Zellen 14 auch mittels anderer Befestigungen, zum Beispiel mittels Schrauben oder Klipse oder ähnlichem, am Gehäuse 24, zum Beispiel am Rahmen 26 oder den Trennstegen bzw. Zwischenstreben 28, befestigt sein. Beispielsweise kann eine solche Befestigung zwischen einem Modulgehäuse 18 und dem Rahmen 26 realisiert sein. Auch solche Verbindungsmittel sollen so ausgebildet sein, dass diese die Verbindung bei Überschreiten eines vorbestimmten Kraftschwellwerts eine Kraft auf das Modul 12 lösen, zum Beispiel brechen, abreißen oder anderweitig nachgeben. So lässt sich im normalen Betrieb eine Fixierung der Batteriemodule 12 innerhalb des Gehäuses 24 realisieren, sowie auch eine Fixierung der Batteriezellen 14 innerhalb des Moduls 12, insbesondere im Modulgehäuse 18, während bei größeren Kraftbeaufschlagungen das Modul 12 beziehungsweise die Zellen 14 bewegt werden können. Dabei können nicht nur einerseits die Module im Verbund bewegt werden, sondern die Module 12 können sich auch gegeneinander bewegen, wie dies beispielsweise in 2 veranschaulicht ist. Durch die Bewegbarkeit der Module 12 an sich kann erreicht werden, dass ein Teil der Aufprallenergie in Bewegungsenergie umgesetzt wird. Dadurch, dass die Module 12 zusätzlich gegeneinander bewegbar sind, kann gezielt dort mehr Energie abgebaut werden, wo höhere Kräfte auf die Module 12 wirken. Gleiches gilt auch für die Bewegung der Batteriezellen 14 innerhalb eines Batteriemoduls 12, wie dies in 3 veranschaulicht ist. Auch diese können gegeneinander bewegt werden. Die Bewegung 32 muss dabei in ihrem Ausmaß nicht sonderlich groß sein. Bereits wenige Zentimeter oder auch Millimeter reichen bereits aus, um in Summe über alle Batteriezellen 14 und Module 12 hinweg einen enormen Teil der Aufprallenergie abzubauen. Eine Bewegung beziehungsweise Verschiebung 32 kann zusätzlich in alle drei Raumrichtungen x, y und z möglich sein. Beispielsweise lässt sich innerhalb der Batteriemodule 12 eine Bewegung der Zellen 14 sehr einfach senkrecht zu ihrer Verbundrichtung, die in diesem Beispiel die y-Richtung darstellt, umsetzen. Mit anderen Worten können die einzelnen Batteriezellen 14 sehr einfach in die dargestellte x-Richtung sowie auch in z-Richtung bewegt werden. Die Batteriemodule 12 können zusätzlich in y-Richtung gegeneinander bewegt werden, wie dies zum Beispiel in 2 veranschaulicht ist. Insgesamt lässt sich so Aufprallenergie durch Bewegung in x-, y- und z-Richtung abbauen.
Für die Sicherheit des Kraftfahrzeugs ist es dabei sehr wichtig, bei einem Aufprall beziehungsweise Unfall nach Möglichkeit eine Beschädigung einzelner Batteriezellen 14 zu verhindern, da dies sonst das Risiko für ein thermisches Event enorm erhöht. Durch den Abbau der Aufprallenergie durch Umsetzung in Bewegungsenergie kann die Wahrscheinlichkeit für eine Beschädigung der Batteriezellen 14 reduziert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Wahrscheinlichkeit für eine Beschädigung noch deutlich stärker reduziert werden kann, wenn unter sonst gleichen Bedingungen die auf die Batterieanordnung 10 wirkende Kraft möglichst homogen auf die einzelnen Module 12 und insbesondere innerhalb der Module 12 auf die einzelnen Batteriezellen 14 verteilt wird. Eine solche äußere Krafteinwirkung ist insbesondere in 2 durch den Kreis und den Pfeil 34 veranschaulicht. Um nun eine solche äußere Kraft 34 möglichst homogen auf die Batterieanordnung 10 zu verteilen, weist nun die Batterieanordnung 10 vorteilhafterweise eine Strukturvorrichtung 36 auf, die dazu ausgelegt ist, dass diese äußere einwirkende Kraft 34 möglichst gleichmäßig auf zumindest einen Teil beziehungsweise Bereich der jeweiligen Zellgehäuse 16 der Batteriezellen 14 verteilt wird. Diese Strukturvorrichtung 36 kann dabei sowohl Teile eines jeweiligen Modulgehäuses 18, des Batteriegehäuses 24 sowie auch der Karosserie 30 umfassen. Insbesondere kann diese Strukturvorrichtung 36 zum Beispiel als all diejenigen Komponenten umfassend aufgefasst werden, die sich zwischen der äußeren auf die Batterieanordnung 10 einwirkenden Kraft 34 und den einzelnen Batteriezellen 14, zumindest bezogen auf eine Randzelle, befinden. Denn all diese Komponenten werden potentiell bei einer äußeren Kraftbeaufschlagung 34 gegen die betreffenden Batteriezellen 14, insbesondere gegen ihre Zellgehäuse 16, gedrückt. Dabei ist die Strukturvorrichtung 36 derart ausgestaltet, dass diese vorzugsweise keine strukturell inhomogene Anlagefläche aufweist. Mit anderen Worten ist diese so ausgestaltet, dass diese möglichst flächig mit den Zellgehäusen 16 der betreffenden Batteriezellen 14 im Falle einer äußeren Kraftbeaufschlagung 34 zur Anlage kommt. Dadurch lässt sich die äußere Kraft 34 möglichst gleichmäßig auf eine möglichst große Fläche verteilen, wodurch die lokal auf einen Flächenbereich des Zellgehäuses 16 einwirkende Kraft minimiert werden kann. Neben einer möglichst glatten Anlagefläche lässt sich eine homogene Kraftverteilung zudem auch noch dadurch bereitstellen beziehungsweise unterstützend bereitstellen, indem die Strukturvorrichtung 36 so ausgebildet ist, dass sie in jeweilige Richtungen möglichst konstante mechanische Eigenschaften, zum Beispiel eine gleiche Biegesteifigkeit, aufweist. 1 zeigt ein Beispiel, in welchem durch die Strukturvorrichtung 36 die äußere einwirkende Kraft 34 gleichmäßig in z-Richtung verteilt wird. Die Kraftverteilung ist hierbei mit 38 bezeichnet. Durch die Strukturvorrichtung kann also vorteilhafterweise eine homogene Verteilung 38 der Kraft 34 über die gesamte Höhe des Batteriemoduls 12 und damit über die gesamte Höhe der einzelnen Batteriezellen 14 erreicht werden. Das Risiko für eine Beschädigung der einzelnen Batteriezellen 14 lässt sich dadurch minimieren. Die in diesem Beispiel also gleichmäßig auf das Batteriemodul 12 wirkende Kraftverteilung 38 wird zudem zum Teil in eine Bewegung 32 des Moduls 12 umgesetzt, wodurch weiterhin Energie abgebaut werden kann. Die Strukturvorrichtung 36 ist also als Lastverteiler ausgebildet. Eine solche Lastverteilung kann dabei nicht nur in z-Richtung bereitgestellt werden, wie dies in 1 veranschaulicht ist, sondern auch in y-Richtung und/oder x-Richtung, wie dies exemplarisch in 2 veranschaulicht ist. Die Strukturvorrichtung 36 umfasst hierbei zumindest einen Teil der Karosserie 30. Diese ist so ausgebildet, dass eine lokal einwirkende Kraft 34 auf eine deutlich größere Fläche verteilt wird, insbesondere in x-Richtung. Auch hierbei ist die Kraftverteilung wieder mit 38 bezeichnet. Eine weitere Verteilung insbesondere in x- und z-Richtung kann zudem auch von Teilen des Batteriegehäuses 24 sowie von Komponenten des Modulgehäuses 18 übernommen werden, die ebenfalls Teil der Strukturvorrichtung 36 sein können. Neben dieser in 2 dargestellten Homogenisierung der einwirkenden Kraft 34 in x-Richtung, findet gleichzeitig in diesem Beispiel auch eine Homogenisierung der Kraftverteilung in z-Richtung statt, wie dies in 1 illustriert ist. Dadurch, dass den Batteriemodulen 12 zugewandt durch die Strukturvorrichtung 36 ausschließlich ebene Anlageflächen bereitgestellt sind, sodass diese im Falle eines Kontakts zu den Zellgehäusen 16, die diesen Flächen der Strukturvorrichtung 36 zugewandt sind, flächig anliegen, wird die pro Flächeneinheit auf die Zellgehäuse 16 der Batteriezellen 14 wirkende Kraft minimiert, da die auf die maximal mögliche Fläche verteilt wird. Ein Teil der so auf die einzelnen Batteriemodule 12 einwirkenden Kräfte kann wiederum in Bewegungsenergie umgesetzt werden, was durch die Verschiebung 32 der einzelnen Module 12 bewerkstelligt werden kann.
Auch 3 illustriert nochmal eine Kraftverteilung 38, die durch eine Strukturvorrichtung 36, wie zum Beispiel die zuvor beschriebene, bereitgestellt werden kann. Eine zusätzliche Verteilung dieser Verteilung 38 kann optional nochmal durch Komponenten des Modulgehäuses 18 als Teil der Strukturvorrichtung 36 bereitgestellt sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass keinerlei Komponenten zwischen den Batteriezellen 14 des Batteriemoduls 12 und dieser Kraftverteilung 38 angeordnet sind, sodass diese Kraftverteilung 38 letztendlich, zum Beispiel über einen Teil des Batteriegehäuses 24, auf die einzelnen Seitenwände der Batteriezellen 14 einwirkt. Zusätzlich ist diese in 3 dargestellte Kraftverteilung 38 wiederum auch in z-Richtung homogenisiert, so wie dies in 1 illustriert ist. Dadurch wird wiederum erreicht, dass die auf die jeweiligen Seitenflächen der Batteriezellen 14 und damit auf die Seitenflächen deren Zellgehäuse 16 wirkenden Kräfte möglichst homogen verteilt sind, wodurch der lokale Druck auf die Zellgehäuse 16 minimiert wird. Ein Teil dieser einwirkenden Kraft wird wiederum in Bewegungsenergie durch die Verschiebung 32 der Batteriezellen 14 umgesetzt, sodass die letztendlich verbleibende, auf die Batteriezellen 14 beziehungsweise deren Zellgehäuse 16, wirkende Kraft minimiert wird.
Zwischenräume zwischen den Batteriezellen 14 beziehungsweise den Batteriemodulen 12 und der Strukturvorrichtung 36 sind vorzugsweise leer. Dadurch kann es auf besonders einfache Weise gewährleistet werden, dass es im Falle einer externen Kraftbeaufschlagung 34 nicht zur lokal erhöhten Druckeinwirkung auf die Zellgehäuse 16 kommt, wie dies beispielsweise der Fall wäre, wenn sich zwischen der Strukturvorrichtung 36, zum Beispiel einer Gehäusewand 26 des Batteriegehäuses 24 und einem Batteriemodul 12, einzelne Kabel, wie zum Beispiel HV-Leitungen, Schläuche, elektronische Bauteile, inhomogen verteilte Kühlkanäle oder ähnliches befinden würden. Ebensowenig sollen sich vorzugsweise zwischen den Batteriemodulen 12 und/oder den einzelnen Batteriezellen 14 Bauteile befinden, die eine Bewegung 32 der Batteriezellen und/oder Module 12 beeinträchtigen würde. Nichtsdestoweniger ist es dennoch denkbar, Elemente als Teil der Strukturvorrichtung 36 auch zwischen den Batteriezellen 14 und/oder zwischen den Batteriemodulen 12 vorzusehen, die für eine weitere Homogenisierung der Kraftverteilung förderlich sind, um zum Beispiel eine gezielte mechanische Blockbildung im Falle einer externen Kraftbeaufschlagung 34 zu forcieren.
Wenngleich auch die obigen Beispiele anhand von prismatischen Batteriezellen 14 erläutert wurden, so gelten diese ganz analog auch für prismatische Batteriezellen und/oder Rundzellen. Im Allgemeinen lässt es sich durch die Erfindung also bewerkstelligen, HV-Module und/oder einzelne Batteriezellen in einem Batteriegehäuse mechanisch zu fixieren, zum Beispiel durch Verkleben auf einem Kühlboden und/oder Verschrauben an einem Rahmen des Gehäuses, diese jedoch mit einer entsprechend hohen Kraftbeaufschlagung der Batteriemodule und/oder einzelne Zellen lösen kann, wobei die Kraftbeaufschlagung dabei unter einem Schwellwert liegt, der zu einer Beschädigung der Batteriemodule und/oder Zellen führt, sofern die beaufschlagende Kraft ausreichend gleichmäßig auf die Module und/oder Zellen verteilt wird, so wie sich dies durch eine erfindungsgemäße Strukturvorrichtung oder eine ihrer Ausführungsformen bereitstellen lässt. Bewerkstelligen lässt sich eine solch homogen verteilte Belastung vorteilhafterweise durch Lastverteiler aus Karosserie und/oder Batteriegehäuse und/oder Modulgehäuse.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie sich durch die Erfindung eine Zell- und/oder Modulverschiebung bei mechanischer Deformation in einer HV-Batterie bereitstellen lässt, wobei es gleichzeitig die durch die Strukturvorrichtung bereitgestellte homogene Lastverteilung ermöglicht, ein deutlich erhöhtes Sicherheitsniveau bei mechanischer Deformation, zum Beispiel im Fahrzeugcrash oder bei Aufsetzen des Fahrzeugs, zu erreichen, und damit thermische Events im Zusammenhang mit mechanischer Deformation des Fahrzeugs zu vermeiden. Zusätzlich wird durch die Erfindung ein Leichtbaupotential bereitgestellt, da größere Deformationen im Hochvoltsystem ertragbar und damit tolerierbar sind. Ebenso lassen sich demzufolge Hochvolt-Batterien mit mehr Energieinhalt bereitstellen, da eine Verbreiterung eines Hochvoltsystems durch die Deformationsfähigkeit kompensiert werden kann. Mit anderen Worten kann dadurch, dass durch die homogene Lastverteilung und Verschiebbarkeit der Module und/oder Batteriezellen deutlich mehr Last aufgenommen werden kann, andere Schutzsysteme wie zum Beispiel verstärkte Seitenschweller in ihrer Ausbildung und in ihrem Ausmaß verringern, wodurch mehr Bauraum für die Batterie und für weitere Batteriezellen und/oder -module zur Verfügung steht. Durch die gesteigerte Homogenität und die größeren Sicherheitsreserven besteht auch eine deutlich geringere Abhängigkeit der Sicherheit von spezifischen Trefferpositionen. Mit anderen Worten kann unabhängig vom Ort des Aufpralls am Kraftfahrzeug ein ausreichend hoher Schutz durch homogene Lastverteilung und Verschiebbarkeit der Zellen beziehungsweise Module in verschiedene Richtungen bereitgestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018205233 A1 [0004]
DE 102011106090 A1 [0004]
WO 2015/049215 A1 [0004]
DE 102014001289 B3 [0005]

Claims

Batterieanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterieanordnung (10) mindestens eine erste Batteriezelle (14) mit einem Zellgehäuse (16) aufweist und einen Träger (20), auf welchem die erste Batteriezelle (14) angeordnet ist, wobei zumindest die erste Batteriezelle (14) bei einer Beaufschlagung mit einer vorbestimmten Mindestkraft gegenüber dem Träger (20) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung (10) mindestens eine Strukturvorrichtung (36) aufweist, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass ein Anteil einer auf die Strukturvorrichtung (36) in Richtung der ersten Batteriezelle (14) wirkenden Kraft, zumindest wenn die Kraft einen Schwellwert überschreitet auf die Batteriezelle (14) übertragbar und dabei auf einen bestimmten Bereich des Zellgehäuses (16) verteilbar ist.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein der mindestens einen ersten Batteriezelle (14) zugewandter Teil der Strukturvorrichtung (36) flächig am bestimmten Bereich des Zellgehäuses (16) anliegt oder durch äußere Krafteinwirkung in Richtung der mindestens einen ersten Batteriezelle (14) flächig zur Anlage bringbar ist, insbesondere wobei der bestimmte Bereich des Zellgehäuses (16) sich über eine gesamte Höhe des Zellgehäuses (16) in einer bestimmten ersten Richtung (z) erstreckt.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der mindestens einen Strukturvorrichtung (36), über eine vorbestimmte Länge, die der Höhe des Zellgehäuses (16) der ersten Batteriezelle (14) in der ersten Richtung (z) entspricht, mit einer konstanten Steifigkeit ausgebildet ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strukturvorrichtung (36) derart biegesteif ausgebildet ist, dass eine auf die mindestens eine Strukturvorrichtung (36) in Richtung der mindestens einen ersten Batteriezelle (14) lokal einwirkende Kraft in zumindest einer Richtung (x, y, z) senkrecht zur Kraft verteilbar ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturvorrichtung (36) zumindest einen Teil einer Karosserie (30) des Fahrzeugs und/oder einen Teil eines Batteriegehäuses (24) und/oder Modulgehäuses (18), in welchem die mindestens eine erste Batteriezelle (14) aufgenommen ist, umfasst.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung (10) mindestens eine zweite Batteriezelle (14) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Strukturvorrichtung (36) zwischen der mindestens einen erste Batteriezelle (14) und der mindestens einen zweiten Batteriezelle (14) angeordnet ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung (10) mindestens eine zweite Batteriezelle (14) aufweist, wobei die erste und zweite Batteriezelle (14) derart angeordnet sind, dass die erste Batteriezelle (14) bei einer bestimmten Kraftbeaufschlagung relativ zur zweiten Batteriezelle (14) in mindestens zwei, insbesondere drei, voneinander unabhängige Raumrichtungen (x, y, z) bewegbar ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung (10) mindestens ein Batteriemodul (12) aufweist, welches die mindestens eine erste und mindestens eine zweite Batteriezelle (14) aufweist, wobei die mindestens eine erste Batteriezelle (14) bei einer Beaufschlagung mit einer vorbestimmten Mindestkraft gegenüber der zweiten Batteriezelle (14) in zumindest eine Raumrichtung (x, y, z), insbesondere in zwei voneinander unabhängige Raumrichtungen (x, y, z), vorzugsweise in drei voneinander unabhängige Raumrichtungen (x, y, z) verschiebbar angeordnet ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung (10) mehrere Batteriemodule (12) aufweist, die jeweils mindestens eine Batteriezelle (14) aufweisen, von welchen zumindest eine die mindestens eine erste Batteriezelle (14) darstellt, wobei mindestens ein Batteriemodul (12), insbesondere jedes der Batteriemodule (12), bei einer Beaufschlagung mit einer vorbestimmten zweiten Mindestkraft gegenüber mindestens einem anderen der Batteriemodule (12) und/oder dem Träger (20) verschiebbar angeordnet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.