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Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie mindestens eine Batteriezelle aufweist, die zwei erste gegenüberliegende Seiten aufweist, wobei die Batterie eine Spanneinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, eine Spannkraft auf zumindest eine der beiden ersten Seiten der Batteriezelle auszuüben. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie sowie ein Batteriemontageverfahren.
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Bekannte Batterien für Elektrofahrzeuge sind typischerweise aus einzelnen Batteriezellen aufgebaut. Diese Batteriezellen werden für gewöhnlich zu einzelnen Batteriemodulen beziehungsweise Zellstacks zusammengefasst, welche in das Batteriegehäuse aufgenommen werden. Im Zuge der maximalen Bauraumausnutzung werden Batteriekonzepte entwickelt, in welchen diese Zellen nicht in einzelnen Modulen zusammengefasst sind, das heißt nicht in einem separaten Gehäuse angeordnet sind, sondern direkt in das Gesamtbatteriegehäuse in Form einzelner Zellstacks eingebracht werden. Ein solches Konzept wird auch als modulloses Konzept oder Cell-to-Pack-Konzept bezeichnet. In Bezug auf die Batterielebensdauer ist zudem eine Vorspannung des Zellstacks von Vorteil. Diese Vorspannung sollte dabei idealerweise auf die Ansprüche des Zellstacks beziehungsweise die von diesem Zellstack umfassten einzelnen Batteriezellen angepasst sein. Würde man nun einen solchen Zellstack gegen einen Teil des Batteriegehäuses zur Bereitstellung einer solchen Vorspannung abstützen wollen, so bestehen dabei zahlreiche Probleme. Zum einen sind die geometrischen Abmessungen üblicher Batteriezellen in der Anwendung bei elektrischen Fahrzeugen nicht konstant. Mit steigender Alterung sowie mit steigendem Ladungszustand dehnt sich die Batteriezelle aus, was auch als Swelling bezeichnet wird. Bei modullosen Batteriekonzepten bedeutet das eine Beanspruchung des Batteriegehäuses, welche aufgrund des alterungsbedingten Swellings stetig ansteigt und aufgrund des ladungsbedingten Swellings zyklisch ist. Dabei kann die Beanspruchung des Batteriegehäuses unter Umständen durch das Swelling so groß sein, dass dieses über die Produktlebensdauer versagt. Zudem kann der Vorspannkraftanstieg auf die Zellen durch das Swelling unter Umständen so groß sein, dass diese beschädigt werden, was sich negativ auf die Batterielebensdauer auswirkt. Aufgrund der Dickentoleranz der einzelnen Zellen hat der gesamte Zellstack zudem eine relativ große Dickenstreuung. Mit anderen Worten sind verschiedene Zellstacks mit gleicher Anzahl an Batteriezellen unter Umständen unterschiedlich lang. Soll beispielsweise zwischen einem solchen Zellstack und dem Batteriegehäuse ein Spannelement eingebracht werden, so muss dies auf die unterschiedlichen Längen der Zellstacks angepasst sein oder es müssen auf die Zellstackdicke abgestimmte Distanzstücke verwendet werden oder die Zellen müssen beim Verbau in den Zellstacks bereits nach Dicke selektiert werden, was die Batteriemontage extrem aufwendig gestaltet.
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Die
US 2012/0183819 A2 beschreibt eine Batterie mit einem Batteriegehäuse, welches ein Formgedächtnismaterial aufweist. Weiterhin beschreibt die
JP 2002313348 A eine Batterie mit einer positiven Elektrodenschicht und einer negativen Elektrodenschicht, die von einem Separator voneinander getrennt sind. Dieser Schichtaufbau ist weiterhin zwischen äußeren Kollektoren gehalten, welche ein Formgedächtnismaterial umfasst. Durch Aktivierung des Formgedächtnismaterials soll eine Formänderung hervorgerufen werden, die einem swellingbedingten Ausdehnen der Batterie entgegenwirkt.
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Zwar wirkt sich das Aufbringen einer gewissen Spannkraft auf die Batteriezellen bezüglich deren Lebensdauer positiv aus, jedoch muss diese Vorspannung auch richtig bemessen sein. Wird diese zu groß gewählt, zum Beispiel so groß, dass Beschädigungen im Inneren der Zelle auftreten, so mindert dies jedoch die Lebensdauer der Batteriezelle.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterie, ein Kraftfahrzeug und ein Batteriemontageverfahren bereitzustellen, welche es auf möglichst einfache und effiziente Weise ermöglichen, eine Spannkraft auf mindestens eine Batteriezelle der Batterie auszuüben, insbesondere eine möglichst konstante Spannkraft, die dennoch ein swellingbedingtes Ausdehnen der mindestens einen Batteriezelle erlaubt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterie, durch ein Kraftfahrzeug und durch ein Batteriemontageverfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug weist mindestens eine Batteriezelle auf, die zwei erste gegenüberliegende Seiten aufweist, wobei die Batterie eine Spanneinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, eine Spannkraft auf zumindest eine der beiden ersten Seiten der Batteriezelle auszuüben. Weiterhin weist die Spanneinrichtung mindestens ein Federelement auf, welches ein Formgedächtnismaterial umfasst, das zumindest in einem vorbestimmten mechanischen Spannungsbereich eine superelastische Phase aufweist, wobei das mindestens eine Federelement derart unter mechanischer Spannung angeordnet ist, dass sich das Formgedächtnismaterial in der superelastischen Phase befindet.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die superelastischen Eigenschaften des Formgedächtnismaterials und damit auch des Federelements in der superelastischen Phase ab einer definierten Spannung eine überproportionale Änderung des Verformungsweges bewirken, welche bei üblichen linear-elastischen Werkstoffen nicht eintritt. Das Resultat ist eine starke Erhöhung der Nachgiebigkeit des Federelements. Die Kennlinie wird über einen weiten Bereich so flach, dass eine Wegänderung nur unwesentlich mit einer Kraftänderung einhergeht. Mit anderen Worten lässt es sich so vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass eine nahezu konstante Spannkraft auf die mindestens eine Batteriezelle ausgeübt werden kann, selbst wenn diese sich swellingbedingt ausdehnt, da diese Wegänderung keine weitere nennenswerte Zunahme der Spannkraft auch bei damit einhergehender Kompression des Federelements einhergeht. Durch das Vorsehen eines Federelements mit einem Formgedächtnismaterial, welches derart mechanisch gespannt angeordnet wird, dass sich das Formgedächtnismaterial in der superelastischen Phase befindet, kann eine nahezu konstante Vorspannkraft auf die Batteriezellen über mehrere Ladezyklen hinweg und sogar über die gesamte Lebensdauer der Batteriezellen und der Batterie bereitgestellt werden. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Überbeanspruchung und eine zu hohe zyklische Beanspruchung des Batteriegehäuses über die gesamte Lebensdauer vermieden werden. Auch Längenunterschiede von Zellstacks können hierdurch vom Federelement einfach ausgeglichen werden, ohne dass dies zu einer nennenswerten Veränderung der Spannkraft führt. Entsprechend sind auch keine Distanzstücke, Distanzplatten oder irgendeine Art von Sortierung der Batteriezellen mehr erforderlich. Insgesamt kann hierdurch auf besonders einfache und effiziente Weise eine Spannkraft für mindestens eine Batteriezelle einer Batterie bereitgestellt werden, die eine lange Lebensdauer der Batteriezellen sowie anderer Batteriekomponenten, wie zum Beispiel des Batteriegehäuses, ermöglicht, wodurch zugleich durch das Bereitstellen des Federelements mit einem Formgedächtnismaterial zugleich eine Vereinfachung bei der Batteriemontage bereitgestellt werden kann.
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Die Batterie kann dabei beispielsweise eine Hochvoltbatterie darstellen. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Batterie mehrere Batteriezellen aufweist. Die Batteriezellen können dabei in Gruppen zusammengefasst sein und beispielsweise Zellstacks beziehungsweise Zellstapel bilden. Die Batterie kann also auch mehrere solcher Zellstapel mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweisen. Die Zellstapel können wiederum ein Batteriemodul bilden, das heißt die dem Zellstapel zugeordneten Batteriezellen können in einem separaten Modulgehäuse untergebracht sein. Dies ist aber nicht notwendigerweise der Fall. Die Batteriezellen der jeweiligen Zellstapel können auch ohne Unterbringung in einem separaten Modulgehäuse in ein Gesamtbatteriegehäuse eingesetzt sein. Weiterhin kann die Spanneinrichtung auch mehrere der genannten Federelemente aufweisen. Ein solches Federelement ist vorzugsweise als Tellerfeder und/oder Spiralfeder ausgebildet. Andere Varianten sind ebenso denkbar. Weiterhin kann das mindestens eine Federelement auch vollständig aus dem Formgedächtnismaterial ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Spanneinrichtung durch ein oder mehrere Federelemente aus dem Formgedächtnismaterial bereitgestellt beziehungsweise gebildet sein. Das Formgedächtnismaterial stellt vorzugsweise eine Formgedächtnislegierung dar. Eine für die vorliegenden Zwecke geeignete Formgedächtnislegierung ist zum Beispiel Nitinol (Nickel-Titan-Legierung). Aber auch hier sind zahlreiche andere Formgedächtnislegierungen zur Verwendung im Federelement möglich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die beiden ersten Seiten der mindestens einen Batteriezelle in einer ersten Richtung einen Abstand zueinander auf, wobei die Batterie derart ausgebildet ist, dass der Abstand im Betrieb der Batterie und/oder bei Alterung der Batterie innerhalb eines bestimmten Abstandsbereichs zeitlich variiert, wobei die Spanneinrichtung derart angeordnet ist, dass eine mechanische Spannung des mindestens einen Federelements innerhalb des bestimmten mechanischen Spannungsbereichs und/oder eine Dehnung des mindestens einen Federelements in einem bestimmten Dehnungsbereich variiert, wenn der Abstand der ersten Seiten der mindestens einen Batteriezelle innerhalb des bestimmten Abstandsbereichs variiert. Mit anderen Worten befindet sich das Federelement beziehungsweise dessen Formgedächtnismaterial immer in der superelastischen Phase, selbst wenn die zyklisch variierende und über die Lebensdauer der Batteriezelle zunehmende Ausdehnung zu einer korrespondierenden zeitlichen Variation der Dehnung und damit auch der mechanischen Spannung des Federelements führt. Unter einer Dehnung soll dabei insbesondere auch eine Kompression bzw. ein Stauchen verstanden werden können. Dadurch kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass die vom Federelement auf die mindestens eine Batteriezelle ausgeübte Vorspannkraft auch bei ladungsbedingtem Swelling sowie bei Anwachsen der Batteriezelle über die Lebensdauer hinweg nahezu konstant bleibt. Dadurch wird die Lebensdauer der Batteriezelle sowie der gesamten Batterie optimiert. Am Beispiel von Nitinol als Formgedächtnislegierung sollte die Verformung des Federelements im Bereich bis etwa maximal 8 Prozent Dehnung in Bezug auf die Abmessung des Federelements in der ersten Richtung in Bezug auf seine Grundform, welche später näher definiert wird, liegen. Sind beispielsweise große Längenänderungen in der ersten Richtung zu erwarten, zum Beispiel weil sich der Abstand der ersten Seiten der mindestens einen Batteriezelle im Betrieb beziehungsweise über die Lebensdauer hinweg sehr stark ändert und/oder ein Zellstapel sehr viele Batteriezellen umfasst, deren Abstandsänderungen sich entsprechend aufsummieren, so kann, damit die korrespondierende Wegänderung des Federelements unterhalb dieses Schwellwerts, in diesem Beispiel (Nitinol) etwa 8 Prozent, liegt, das Federelement mit einer Grundform ausgebildet werden, die ausreichend lang ist, insbesondere in dieser definierten ersten Richtung der Abstandsänderung. Weiterhin kann eine Spanneinrichtung mit mindestens einem solchen Federelement entweder einseitig in Bezug auf die mindestens eine Batteriezelle oder auch beidseitig vorgesehen sein, sodass hierdurch ebenfalls zusätzlich Anpassungsmöglichkeiten hinsichtlich der optimalen Einstellung der Vorspannkraft sowie auch der Dehnung des Federelements im Betrieb der Batterie beziehungsweise über Lebensdauer der Batteriezellen bereitgestellt sind. Ebenso kann eine Spanneinrichtung vorgesehen sein, die zumindest zwei solche Federelemente aufweist, die beidseitig in Bezug auf die mindestens eine Batteriezelle angeordnet sind.
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Die mindestens eine Batteriezelle ist weiterhin vorzugsweise als Pouchzelle oder prismatische Batteriezelle ausgebildet. In beiden Fällen stellen die ersten Seiten dieser Batteriezelle vorzugsweise die flächenmäßig größten Seiten der Batteriezelle dar. Der Abstand dieser beiden ersten Seiten definiert entsprechend eine Dicke der betreffenden Batteriezelle. Der Abstand dieser flächenmäßig größten Seiten der Batteriezelle ist am stärksten einer zeitlichen Variation bedingt durch das ladungsbedingte Swelling und das alterungsbedingte Swelling der Batteriezelle betroffen. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, die Spannkraft auf zumindest eine der beiden ersten Seiten der Batteriezelle auszuüben, wenn diese ersten Seiten die flächenmäßig größten Seiten der Batteriezelle darstellen. Die Pole der betreffenden Batteriezellen können beispielsweise an einer zweiten Seite der Batteriezelle, zum Beispiel einer Oberseite der Batteriezelle, angeordnet sein, welche von den beiden ersten Seiten der Batteriezelle verschieden ist. Beispielsweise können die beiden ersten Seiten der Batteriezelle an die Oberseite der Batteriezelle mit den Polen angrenzen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Federelement eine bestimmte Grundform auf, die dem Federelement gemäß dem Formgedächtniseffekt zugeordnet ist und die das Federelement oberhalb einer dem Formgedächtnismaterial zugeordneten Transformationstemperatur aufweist. Bekannterweise kann einem Element aus Formgedächtnismaterial, insbesondere aus einer Formgedächtnislegierung, eine Grundform zugeordnet werden. Eine solche Grundform kann zum Beispiel eingeprägt werden, zum Beispiel durch Erwärmung. Unterhalb der Transformationstemperatur kann dann das entsprechende Element, wie hier das Federelement, verformt werden und hierdurch eine von der Grundform verschiedene geometrische Form annehmen. Wird das Formgedächtnismaterial, in diesem Beispiel das Federelement, dann erhitzt beziehungsweise überschreitet im Allgemeinen die Temperatur des Formgedächtnismaterials die Transformationstemperatur, so nimmt das Federelement wieder automatisch seine Grundform ein, zumindest sofern es nicht durch äußere Krafteinwirkung davon abgehalten wird. Ist das Federelement, so wie dies vorliegend vorgesehen ist, in einem räumlich begrenzten Bereich angeordnet, so führt der Versuch des Federelements, bei Überschreiten der Transformationstemperatur seine Grundform einzunehmen, dazu, dass gegen diese räumlichen Grenzen eine Spannkraft aufgebaut werden kann. Mit anderen Worten kann das Element, das heißt das Federelement, im Ausgangszustand, das heißt unterhalb der Transformationstemperatur, plastisch verformt werden. Nach einer Temperaturerhöhung auf eine definierte Temperatur oberhalb der Transformationstemperatur erfolgt eine Gefügeänderung, wodurch das Federelement wieder die ursprüngliche Grundform, die es vor der plastischen Verformung hatte, einnimmt oder zumindest versucht einzunehmen. Es wird dabei also mechanische Arbeit verrichtet. Für den Fall einer Feder kann somit eine Federkraft erzeugt werden. Dadurch lässt sich also durch das Federelement mit dem Formgedächtnismaterial auf besonders einfache und vorteilhafter Weise eine bestimmte Spannkraft erzeugen, die auf die mindestens eine Batteriezelle ausgeübt wird. Zudem ermöglicht diese Eigenschaft des Federelements mit dem Formgedächtnismaterial auch wiederum eine besonders einfache Batteriemontage. Beispielsweise kann so das Federelement unterhalb der Transformationstemperatur geeignet verformt werden, sodass sich dieses besonders einfach zusammen mit der mindestens einen Batteriezelle in dem Batteriegehäuse einsetzen lässt, ohne dass hierbei schon eine Kraft durch das Federelement auf die mindestens eine Batteriezelle ausgeübt wird. Erst nach dem Einsetzen in das Batteriegehäuse kann das Federelement entsprechend über die Transformationstemperatur erhitzt werden, sodass durch die Formänderung des Federelements bedingt die Spannkraft auf die mindestens eine Batteriezelle ausgeübt wird. Dies ermöglicht also eine kraftfreie Einbringung eines Zellstacks in ein Batteriegehäuse zusammen mit der Spanneinrichtung, wobei die Vorspannung erst nach Aktivierung der mitverspannten Federelemente erzeugt wird. Auch dies führt folglich wiederum zu einer deutlichen Vereinfachung der Batteriemontage.
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Die Transformationstemperatur einer Formgedächtnislegierung, wie beispielsweise Nitinol oder auch Nickel-Titan-Kupfer, lässt sich durch das Mengenverhältnis der Legierungskomponenten geeignet einstellen. Um das mindestens eine Federelement zu aktivieren, das heißt über seine Transformationstemperatur zu erwärmen, kann das mindestens eine Federelement beispielsweise nach Einsetzen in seine bestimmungsgemäße Position innerhalb des Batteriegehäuses aktiv erhitzt werden, zum Beispiel durch eine Heizvorrichtung. Eine solche Heizvorrichtung kann auch mit in der Batterie verbaut sein und dafür sorgen, dass die Temperatur des mindestens einen Federelements permanent oberhalb der Transformationstemperatur gehalten wird. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch zur Ausbildung des mindestens einen Federelements eine Formgedächtnislegierung verwendet werden, die einen sogenannten Einweg-Memory-Effekt zeigt. Das heißt, dass nur eine einmalige Formänderung beim Aufheizen des Federelements über die Transformationstemperatur möglich ist. Durch ein Abkühlen unterhalb der Transformationstemperatur wird keine erneute Formänderung induziert. Mit anderen Worten behält das Federelement dann seine aufgeprägte Grundform bei. Dies ist besonders vorteilhaft, da in einem solchen Fall keine zusätzliche Heizvorrichtung vorgesehen werden muss, um das Federelement im Betrieb permanent oberhalb der Transformationstemperatur zu halten.
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Nichtsdestoweniger ist auch die Verwendung eines Formgedächtnismaterials mit einem Zweiweg-Memory-Effekt denkbar sowie das Vorsehen einer zusätzlichen Heizvorrichtung.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterie ein Batteriegehäuse auf, in welchem die mindestens eine Batteriezelle angeordnet ist, wobei die Batterie ein Abstützelement aufweist, wobei das Federelement zwischen dem Abstützelement und der zumindest einen der beiden ersten Seiten der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist, und wobei das Abstützelement einen Teil des Batteriegehäuses darstellt oder mit dem Batteriegehäuse mechanisch in Verbindung steht, insbesondere so, dass eine Kraft vom Abstützelement auf das Batteriegehäuse übertragbar ist. Die mechanische Verbindung kann zum Beispiel durch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung bereitgestellt sein. Beispielsweise kann das Abstützelement fest an einem Teil des Batteriegehäuses angeordnet sein, zum Beispiel verschraubt und/oder angeschweißt. Dies ermöglicht es zum Beispiel, dass das Federelement zwischen dem Abstützelement und der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist, wobei also das mindestens eine Federelement zwischen der mindestens einen Batteriezelle und dem Abstützelement eingespannt ist und so die Spannkraft auf die zumindest eine erste Seite der Batteriezelle ausübt. Diese Anordnung ist vor allem besonders vorteilhaft, wenn die Batterie mehrere Batteriezellen aufweist. Die Batteriezellen können dabei insbesondere in Form eines Zellstapels ohne separate Tragstruktur oder Modulgehäuse direkt in das Batteriegehäuse eingebracht sein, insbesondere gemäß dem eingangs beschriebenen Cell-to-Pack-Konzept.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, dass die mindestens eine Batteriezelle Teil eines Zellstapels mit mehreren Batteriezellen ist, die in einer ersten Richtung mit ihren jeweiligen ersten Seiten zueinander zugewandt angeordnet sind. Beispielsweise kann dann das mindestens eine Federelement zwischen dem genannten Abstützelement und einer äußeren Batteriezelle eines solchen Zellstapels angeordnet sein. Das Federelement oder optional auch mehrere Federelemente können dabei eine Außenseite, die gleichzeitig eine der ersten Seiten der Batteriezelle darstellt, direkt kontaktieren oder auch nur mittelbar mit dieser Seite in Verbindung stehen. Beispielsweise kann zwischen einem oder mehreren Federelementen und der betreffenden ersten Seite dieser außenseitig angeordneten Batteriezelle auch eine Druckplatte angeordnet sein, die eine möglichst gleichmäßige Druckeinleitung beziehungsweise Kraftverteilung auf der ersten Seite der Batteriezelle erlaubt. Weiterhin sind die Batteriezellen des Zellstapels derart zueinander angeordnet, dass auch eine Kraftübertragung zwischen diesen Batteriezellen möglich ist. Die Batteriezellen können zum Beispiel zumindest mittelbar in direktem Kontakt zueinander stehen, zum Beispiel durch Trennplatten oder Trennelemente, die eine elektrische Isolation bereitstellen, voneinander separiert sein. Im Allgemeinen kann der Zellstapel derart ausgebildet sein, dass das Ausüben einer Spannkraft auf eine erste Seite einer außenliegenden Batteriezelle gleichzeitig auch eine Spannkraft auf alle übrigen Batteriezellen des Zellstapels zur Folge hat. Um einen Zellstapel zu verspannen, ist damit also nur eine Spanneinrichtung, beispielsweise auf nur einer Seite des Zellstapels, erforderlich, wodurch Bauraum eingespart werden kann. Denkbar wäre auch eine Anordnung einer solchen Spanneinrichtung auf beiden Seiten des Zellstapels in Bezug auf die erste Richtung. Dies erlaubt eine möglichst homogene Kraftverteilung. Zudem sind diese Ausgestaltungen besonders vorteilhaft, wenn die Batteriezellen ohne separate Modulgehäuse in das Batteriegehäuse eingesetzt werden. Nichtsdestoweniger lässt sich die Erfindung aber ebenso vorteilhaft für Batteriemodule mit separaten Modulgehäusen verwenden.
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Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Batterie ein Batteriegehäuse aufweist, in welchem die mindestens eine Batteriezelle angeordnet ist, wobei die Batterie ein Batteriemodul mit einem Modulgehäuse aufweist, in welchem der Zellstapel angeordnet ist, wobei die Batterie ein Abstützelement aufweist, wobei das Federelement zwischen dem Abstützelement und der zumindest einen der beiden ersten Seiten der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist, und wobei das Abstützelement einen Teil des Modulgehäuses darstellt oder mit dem Modulgehäuse mechanisch in Verbindung steht. Mit anderen Worten wird der verspannte Zellstapel in diesem Beispiel nicht direkt gegen das Batteriegehäuse abgestützt, sondern eben gegen das Modulgehäuse. Das mindestens eine Federelement der Spanneinrichtung kann beispielsweise wiederum zwischen dem Zellstapel und einem Teil des Modulgehäuses angeordnet sein und damit die Batteriezellen des Zellstapels verspannen. Die Spannkraft wird dann entsprechend auf das Modulgehäuse eingeleitet und nicht auf das Batteriegehäuse. Dies ermöglicht eine weniger robuste Ausbildung des Batteriegehäuses selbst.
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Im Allgemeinen können solche Federelemente mit Formgedächtnismaterialien aber auch an beliebiger Stelle innerhalb der Batterie, zum Beispiel auch zwischen Batteriezellen und/oder zwischen Batteriemodulen beziehungsweise deren Modulgehäusen und/oder auch zwischen Zellstapeln ohne Modulgehäuse angeordnet sein. Damit ist ein hohes Maß an Flexibilität bereitgestellt, welches eine situations- und bauraumangepasste Ausbildung einer Batterie erlaubt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Batterie derart ausgebildet, dass eine Länge des Zellstapels in der ersten Richtung im Betrieb der Batterie und/oder bei Alterung der Batterie innerhalb eines bestimmten Längenbereichs zeitlich variiert, wobei die Spanneinrichtung derart angeordnet ist, dass eine mechanische Spannung des mindestens einen Federelements innerhalb des bestimmten mechanischen Spannungsbereichs variiert und/oder eine Dehnung des mindestens einen Federelements in einem bestimmten Dehnungsbereich variiert, wenn die Länge des Zellstapels innerhalb des bestimmten Längenbereichs variiert. Mit anderen Worten ist das mindestens eine Federelement derart dimensioniert und angeordnet, insbesondere in Anpassung an die während des Betriebs und über die Lebensdauer der Batterie zu erwartenden Längenvariation eines Zellstapels, dass sich das mindestens eine Federelement immer in der superelastischen Phase befindet. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise, wie dies eingangs beschrieben wurde, immer eine nahezu konstante Spannkraft auf den Zellstapel und die einzelnen Batteriezellen des Zellstapels bereitstellen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Batterie und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Batteriemontageverfahren zum Bereitstellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei mindestens eine Batteriezelle, die zwei gegenüberliegenden Seiten aufweist, bereitgestellt wird, sowie eine Spanneinrichtung, wobei die Spanneinrichtung derart in Bezug auf die mindestens eine Batteriezelle angeordnet wird, dass die Spanneinrichtung eine Spannkraft auf zumindest eine der beiden ersten Seiten der Batteriezelle ausübt, insbesondere zumindest oberhalb einer bestimmten Transformationstemperatur. Weiterhin weist die Spanneinrichtung mindestens ein Federelement auf, welches ein Formgedächtnismaterial umfasst, das zumindest in einem vorbestimmten mechanischen Spannungsbereich eine superelastische Phase aufweist, und wobei das mindestens eine Federelement zumindest oberhalb einer dem Formgedächtnismaterial zugeordneten Transformationstemperatur, insbesondere der oben genannten Transformationstemperatur, derart unter mechanischer Spannung angeordnet ist, dass sich das Formgedächtnismaterial in der superelastischen Phase befindet.
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Auch hier gelten die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie und ihren Ausführungsformen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Batteriemontageverfahren. Zudem ermöglichen die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie und ihren Ausgestaltungen genannten gegenständlichen Merkmale die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriemontageverfahrens durch weitere korrespondierende Verfahrensschritte.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Batteriemontageverfahrens ist vorgesehen, dass das Federelement bei Übersteigen der Transformationstemperatur eine Grundform annimmt, wobei das Federelement mit einer Temperatur unterhalb der Transformationstemperatur mit einer gegenüber der Grundform derart veränderten Form bereitgestellt wird, dass eine Abmessung des Federelements in zumindest einer ersten Richtung kleiner ist als wenn das Federelement die Grundform aufweist, wobei das Federelement unterhalb der Transformationstemperatur in Bezug auf die mindestens eine Batteriezelle derart angeordnet wird, dass durch die Spanneinrichtung keine Kraft auf die zumindest eine der ersten Seiten der mindestens einen Batteriezelle ausgeübt wird und erst nach dem Anordnen das Federelement durch Überschreiten der Transformationstemperatur in die Grundform überführt wird, sodass durch die Vergrößerung der Abmessung in der ersten Richtung des Federelements die Spannkraft durch die Spanneinrichtung auf die zumindest eine der beiden Seiten der mindestens einen Batteriezelle ausgeübt wird.
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Mit anderen Worten wird das Federelement erst nach Einbau zusammen mit der mindestens einen Batteriezelle im Batteriegehäuse aktiviert, sodass dieses beim Versuch, seine aufgeprägte Grundform einzunehmen, die beschriebene Spannkraft auf die mindestens eine Batteriezelle ausübt und damit als Feder fungiert. Gleichzeitig ist die mechanische Spannung des Federelements dabei derart bemessen, dass diese sich in der superelastischen Phase befindet, sodass eine Dickenänderung der mindestens einen Batteriezelle und/oder eine Längenänderung eines gesamten Zellstapels kaum eine Änderung dieser auf die mindestens eine Batteriezelle beziehungsweise den Zellstapel ausgeübte Spannkraft nach sich zieht. Auch in dieser Situation verbleibt das Federelement in der superelastischen Phase.
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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.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterie mit mehreren Batteriezellen gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel;
- 2 eine schematische Darstellung der auf die Batteriezellen gemäß 1 einwirkenden Kraft;
- 3 eine schematische Darstellung einer Batterie mit mehreren in einem Zellstapel angeordneten Batteriezellen und einer Spanneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung der auf die Batteriezellen gemäß 3 einwirkenden Kraft; und
- 5 eine grafische Veranschaulichung der superelastischen Eigenschaften der Spanneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 10 mit mehreren Batteriezellen 12, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Darstellung zeigt insbesondere eine Batterie 10 gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel zur Veranschaulichung der Problematik, die beim Einbringen eines solchen Zellstapels mit mehreren Batteriezellen 12 in ein Batteriegehäuse 14 auftritt. Die Batteriezellen 12 sollen zur Verlängerung ihrer Lebensdauer vorgespannt in ein solches Batteriegehäuse 14 eingebracht werden. In diesem Beispiel ist der Zellstapel mit den mehreren Batteriezellen 12 zwischen zwei Abstützeinrichtungen 16 eingespannt. Die Steifigkeiten der Zellgehäuse sowie des Batteriegehäuses 14 sowie der mit diesem Gehäuse 14 verbundenen Abstützeinrichtungen 16 stellen dabei in Summe eine Gesamtsteifigkeit bereit, die zu einer Kraft-Weg-Kennlinie führt, wie diese in 2 veranschaulicht ist. Diese Kraft-Weg-Kennlinie 18 zeigt insbesondere den Zusammenhang zwischen der auf die Batteriezellen 12 einwirkenden Kraft K in Abhängigkeit von Weg S. Im Betrieb der Batteriezellen 12, insbesondere beim Laden und Entladen dieser, schwellen diese entsprechend an und verschmälern sich wieder beim Entladen. Darüber hinaus ist diesem ladungsbedingten Swelling als weiterer Effekt das alterungsbedingte Swelling überlagert. Dieses alterungsbedingte Swelling verursacht ein Anschwellen der Batteriezellen 12 im Laufe ihrer Lebensdauer. Dies führt dazu, dass sich die Länge eines solchen Zellstapels in seiner Gesamtheit einerseits zyklisch sowie andererseits auch über die Lebensdauer der Batterie 10 hinweg zeitlich verändert und insbesondere zyklisch zu- und abnimmt. Dies führt zu einer korrespondierenden Wegänderung ΔS, wie dies in 2 veranschaulicht ist und welche den Swellingweg darstellt. Die Ausdehnung des Zellstapels um diesen Swellingweg ΔS hat entsprechend eine korrespondierende Kraftänderung ΔK zur Folge, wie dies ebenfalls in 2 veranschaulicht ist.
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Aufgrund der in der Regel hohen Steifigkeit des Batteriegehäuses 14 resultiert damit beim Swelling, insbesondere über Lebensdauer der Batteriezellen 12, entsprechend ein sehr hoher Kraftanstieg ΔK, was zur Beschädigung des Gehäuses sowie auch der Batteriezellen führen kann. Weitere Probleme, die sich zum Beispiel durch den direkten Einbau von Batteriezellen 12 in ein Batteriegehäuse 14 ergeben, bestehen zudem darin, dass die einzelnen Batteriezellen 12 typischerweise eine leicht unterschiedliche Zelldicke aufweisen, sodass resultierende Zellstapel ohne entsprechende Sortierung der Batteriezellen 12 auch unterschiedlich lang sind. Um eine gezielte Vorspannkraft einzustellen, die für alle Zellstapel gleich sind, können beispielsweise auch nicht die gleichen Abstützeinrichtungen 16 verwendet werden. Diese müssten in ihrer Länge modifiziert werden oder es müssten auf die Zellstackdicke abgestimmte Distanzstücke vorgesehen werden. Auch das Einbringen eines vorgespannten Zellstapels in das Batteriegehäuse 14 gestaltet sich unter Umständen schwierig.
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Die Erfindung ermöglicht es nun vorteilhafterweise, die Batteriemontage deutlich zu vereinfachen, sowie auch eine Spanneinrichtung bereitzustellen, die über die gesamte Lebensdauer der Batterie eine konstante für die Lebensdauer der Batteriezellen möglichst optimale Vorspannung ermöglicht. Dies wird nun nachfolgend genauer beschrieben.
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3 zeigt dabei eine schematische Darstellung einer Batterie 20 mit einem Zellstapel 22, der wiederum mehrere Batteriezellen 24 aufweist, von denen hierbei wiederum lediglich eine mit einem Bezugszeichen aus Gründen der Übersichtlichkeit versehen ist. Eine jeweilige Batteriezelle 24 weist dabei zudem zwei in einer ersten Richtung, der hier dargestellten x-Richtung, gegenüberliegende, voneinander beabstandete erste Seiten 26 auf. Vorzugsweise stellen diese jeweiligen ersten Seiten 26 der Batteriezellen 24 die flächenmäßig größten Seiten der jeweiligen Batteriezellen 24 dar. Die Batteriezellen 24 sind weiterhin entlang der ersten Richtung, das heißt der hier dargestellten x-Richtung, mit ihren ersten Seiten 26 einander zugewandt angeordnet. Weiterhin weist die Batterie 20 ein Batteriegehäuse 28 auf, in welchem der Zellstapel 22 angeordnet ist. Weiterhin weist die Batterie 20 nunmehr vorteilhafterweise eine Spanneinrichtung 30 auf, die im Allgemeinen mindestens ein Federelement 32 umfasst. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Spanneinrichtung 30 zwei solcher Federelemente 32, welche zum Beispiel als Spiralfeder, Tellerfeder, Wellfeder oder sonstige Art von Feder ausgebildet sein können. Ein erstes dieser Federelemente 32 ist dabei in der ersten Richtung, das heißt in x-Richtung, auf einer ersten Seite des Zellstapels 22 zwischen diesem Zellstapel 22 und einem Abstützelement 34 angeordnet, das andere Federelement 32 auf der gegenüberliegenden Seite des Zellstapels 22 und einem weiteren Abstützelement 34. Diese Abstützelemente 34 können dabei Teil des Batteriegehäuses 28 sein oder zumindest fest mit diesem verbunden sein. Diese Abstützelemente 34 weisen in Kombination mit dem Batteriegehäuse 28 eine hohe Steifigkeit auf, die insbesondere höher ist als die Steifigkeit der Spanneinrichtung 30.
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Vorteilhafterweise weisen die Federelemente 32 ein Formgedächtnismaterial auf. Insbesondere können diese Federelemente 32 aus einer Formgedächtnislegierung, wie beispielsweise Nitinol, gebildet sein. Die Erfindung beruht dabei auf der Idee, dass der Kraftanstieg durch das Swelling von der Summe aus elastischer Nachgiebigkeit des Zellstacks und der Nachgiebigkeit des Batteriegehäuses, in welches die Zellen vorgespannt eingebracht werden, abhängig ist. Mit steigender Nachgiebigkeit verringert sich der Kraftanstieg durch das Swelling und folglich auch die Kraft auf die Zellen und die Beanspruchung des Gehäuses. Die Erfindung nutzt nunmehr diese Idee, um den Zellstack, das heißt den Zellstapel 22, in ein steifes Batteriegehäuse 28 einzubringen und die im Hinblick auf die Gehäusebeanspruchung und Batterielebensdauer nötige Nachgiebigkeit durch mitverspannte Elemente, das heißt die Federelemente 32, aus einer Formgedächtnislegierung zu generieren. Diese mitverspannten Elemente, das heißt die Federelemente 32, können je nach Bauraum die Form einer Tellerfeder, Spiralfeder, Wellfeder oder sonstige Art von Feder haben. Die Verwendung einer Formgedächtnislegierung zur Bildung dieser Federelemente 32 hat dabei die folgenden wesentlichen Vorteile: Zum einen kann der Formgedächtniseffekt genutzt werden. Dies bedeutet, dass die Federelemente 32 im Ausgangszustand plastisch verformt werden können, das heißt wenn diese sich unterhalb der dem Formgedächtnismaterial zugeordneten Transformationstemperatur befinden. Nach einer Temperaturerhöhung auf eine definierte Temperatur, die zumindest dieser Transformationstemperatur entspricht, erfolgt entsprechend eine Gefügeänderung, wodurch die Federelemente 32 wieder ihre ursprüngliche Grundform vor der plastischen Verformung einnehmen beziehungsweise versuchen einzunehmen. Dabei wird mechanische Arbeit verrichtet, die für den Fall einer Feder somit eine Federkraft erzeugt. Dieser Formgedächtniseffekt der Federelemente 32 kann nun in zweifacher Hinsicht vorteilhaft genutzt werden. Zum einen ist es möglich, die Dickentoleranz eines Zellstapels 22 auszugleichen und trotzdem eine definierte Vorspannung zu erreichen. Die einzelnen Batteriezellen 24 weisen dabei in der ersten Richtung, das heißt der x-Richtung, eine Dicke d auf, wie dies in 3 veranschaulicht ist. Diese Dicke d definiert dabei den Abstand der jeweiligen ersten Seiten 26 der Batteriezelle 24 zueinander, zum Beispiel den maximalen Abstand. Wie beschrieben, variiert diese Dicke d zeitlich bedingt zum einen durch das ladungsbedingte Swelling, zum anderen durch das alterungsbedingte Swelling. Damit einhergehend variiert entsprechend auch die Länge L des gesamten Zellstapels 22 in der ersten Richtung, das heißt in x-Richtung. Die Längenänderung ΔL, welche beispielsweise in 4 veranschaulicht ist, stellt dabei die Summe der Änderungen der jeweiligen Batteriezellen 24 in ihrer Dicke d dar.
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Die Dicken d der jeweiligen Batteriezellen 24 ändern sich aber nicht nur in Abhängigkeit der beschriebenen Swellingeffekte, sondern unterliegen auch einer fertigungsbedingten Toleranz. Damit unterscheiden sich die Dicken d der einzelnen Batteriezellen 24 in der Regel mehr oder weniger stark. Dies wiederum führt dazu, dass die Zellstapel 22, die aus einer gleichen Anzahl an Batteriezellen 24 gebildet sind, nicht notwendigerweise auch die gleiche Länge L aufweisen, sondern auch hinsichtlich ihrer Länge L variieren können. Werden nunmehr mehrere solcher Zellstapel 22 im Gehäuse 28 verbaut, zum Beispiel in der dargestellten y-Richtung nebeneinander eingesetzt, so weisen die Enden dieser Zellstapel 22 in x-Richtung einen unterschiedlichen Abstand zur Gehäusewand 36 auf. Diese Abstandsvarianz kann vorteilhafterweise nunmehr durch die Spanneinrichtung 30 mit dem Federelement 32 mit der Formgedächtnislegierung vorteilhafterweise ausgeglichen werden, und trotzdem kann eine definierte Vorspannung der Batteriezellen 24 durch die Federelemente 32 bereitgestellt werden. Zudem erlaubt der Formgedächtniseffekt auch eine besonders einfache Montage eines solchen vorgespannten Zellstapels 22, da der Zellstapel kraftfrei montiert werden kann. Mit anderen Worten kann der Zellstapel 22 zusammen mit der noch nicht aktivierten Spanneinrichtung 30 in das Batteriegehäuse 28 eingesetzt werden. Dabei weisen die Federelemente 32 in der ersten Richtung, das heißt der x-Richtung, vor ihrer Aktivierung eine kleinere Abmessung auf, als nach ihrer Aktivierung, das heißt in ihrer zugeordneten Grundform. Entsprechend können diese Federelemente 32 beim Einsetzen zwischen den Abstützelementen 34 und dem Zellstapel 22 ein gewisses Spiel aufweisen. Erst wenn der Zellstapel 22 mit der Spanneinrichtung 30 in das Batteriegehäuse 28 eingesetzt ist, kann die Aktivierung der Federelemente 32 erfolgen. Dies kann insbesondere dadurch bewerkstelligt werden, indem die Spanneinrichtung 30 über die Transformationstemperatur hinaus erhitzt wird. Durch die Aktivierung der Federelemente wird dann entsprechend die Vorspannkraft erzeugt.
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Ein weiterer vorteilhafter Effekt der Verwendung einer solchen Formgedächtnislegierung besteht in der sogenannten Superelastizität. Dies ist dadurch bedingt, dass eine Gefügeänderung nicht nur thermisch aktiviert werden kann, wie dies im Zusammenhang mit dem Formgedächtniseffekt beschrieben wurde, sondern auch mechanisch aktiviert werden kann, was dann entsprechend als Superelastizität bezeichnet wird. Wird beispielsweise eine Feder, wie die hier beschriebenen Federelemente 32, aus der Formgedächtnislegierung Nitinol stetig belastet, so tritt ab einer definierte Spannung eine überproportionale Änderung des Verformungswegs ein, welche bei üblichen linear-elastischen Werkstoffen nicht eintritt. Dies ist in 5 veranschaulicht. Insbesondere zeigt dabei 5 eine grafische Veranschaulichung der Spannungs-Dehnungs-Kurve 38, welche den Zusammenhang zwischen einer Dehnung D in Prozent bezogen auf die Grundform und die Spannung T für ein Federelement 32 aus Nitinol veranschaulicht. Weiterhin ist mit 40 ein idealer Arbeitspunkt für ein solches Federelement 32 bezeichnet. Wie an dieser Kurve 38 zu erkennen ist, gibt es einen Bereich 42, den Superelastizitätsbereich 42, in welchem eine Änderung der Dehnung D kaum eine Änderung der Spannung T zur Folge hat. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Federkennlinie eines solchen Federelements 32 über einen sehr weiten Bereich, das heißt Dehnungsbereich, so flach ist, dass eine Wegänderung nur unwesentlich mit einer Kraftänderung einhergeht. Dies ist schematisch in 4 veranschaulicht. 4 zeigt dabei eine schematische Darstellung der Kraft-Weg-Kennlinie 44 für ein Federelement 32 mit einer Formgedächtnislegierung. Diese Kennlinie 44 veranschaulicht wiederum, wie sich die Kraft F, d.h. die Spannkraft F, auf die Batteriezellen 24 ändert, wenn sich der Weg S, insbesondere durch Dehnung, insbesondere Kompression der Federelemente 32, ändert. Aus einer Wegänderung, wie der hier veranschaulichten Swellingwegänderung ΔL für den Zellstapel 22 aus 3, resultiert entsprechend eine Kraftänderung ΔF, die, wie hier zu sehen ist, nur sehr klein ausfällt, da sich die Formgedächtnislegierung der Federelemente 32 im beschriebenen superelastischen Bereich befinden. Diese Superelastizität führt also zu einer sehr hohen Nachgiebigkeit der Kombination aus Zellstack 22 und den mitverspannten Elementen 32. Damit wird eine konstante Vorspannung auch bei Swelling über Lebensdauer erzielt. Die Batterielebensdauer wird dadurch positiv beeinflusst. Zudem kann das Batteriegehäuse 28 sehr steif gebaut werden, da durch dieses keine elastischen Eigenschaften bereitgestellt werden müssen. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich Festigkeit und Crashverhalten. Die nötige Vorspannkraft zum Vorspannen der Batteriezellen 24 lässt sich durch geeignete Verformung der Federelemente 32 gegenüber ihrer Grundform vor dem Einbau, sowie durch die Wahl der Grundform selbst gezielt einstellen. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Federelemente 32 hinsichtlich der erwarteten Verformung, das heißt Ausdehnung, des Zellstapels 22 durch das Swelling ausgebildet sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die im Betrieb der Batterie 20 insbesondere über die Lebensdauer hinweg zu erwartende Verformung des Zellstapels 22 und der damit einhergehenden Verformung der Federelemente 32 in einem definierten Bereich liegt, zum Beispiel bis etwa 8 Prozent Dehnung im Falle der Verwendung von Nitinol, da in diesem Bereich die Superelastizität auftritt und somit auch bei Swelling nur ein sehr geringer Kraftanstieg auftritt. Um hierdurch einen idealen Betriebspunkt 40 wie in 5 veranschaulicht bereitzustellen, kann einfach das Federelement 32 mit einer geeignet gewählten Länge in x-Richtung in seiner Grundform ausgebildet werden. Die zu erwartende Längenänderung ΔL bedingt durch das ladungsbedingte Swelling sowie durch das alterungsbedingte Swelling kann auf Basis vorangegangener Untersuchungen sehr zutreffend ermittelt werden, sodass eine Anpassung der Ausbildung der Federelemente 32 auf einfache Weise möglich ist.
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Weiterhin wird durch die Erfindung und ihre Ausführungsformen eine deutliche Vereinfachung bei der Batteriemontage erreicht. Hierbei wird vorzugsweise das mitverspannte Element, das heißt beispielsweise die Federelemente 32, gegenüber ihrer Grundform verformt. Diese Verformung erfolgt dabei im kalten Zustand, zum Beispiel bei Raumtemperatur und stellt zudem eine plastische Verformung dar. Im kalten Zustand bedeutet hierbei, dass die Verformung insbesondere unterhalb der Transformationstemperatur liegt, welche dem Formgedächtnismaterial, insbesondere der Formgedächtnislegierung wie beispielsweise Nitinol zugeordnet ist. Anschließend wird das mitverspannte Element, das heißt die Federelemente 32, in das Gehäuse 28 eingebracht. Dabei können die Federelemente 32 kraftfrei in Reihe zum Zellstack 22 eingelegt werden. Anschließend erfolgt der Vorspannkraftaufbau. Hierbei erfolgt eine thermische Aktivierung der mitverspannten Elemente 32, wodurch diese ihren Ausgangszustand, das heißt ihre geometrische Grundform, annehmen wollen und dadurch den Zellstack 22 vorspannen. Die sich ergebende Vorspannung ist relativ unabhängig von der Toleranzlage des Zellstacks 22. Die Vorspannung ist zudem vorzugsweise so gewählt, dass eine mechanisch induzierte Gefügeänderung eintritt, wodurch der Effekt der Superelastizität vorhanden ist. Dadurch lässt sich auch bei Änderung der Ausdehnung der Länge L des Zellstacks 22 immer eine nahezu konstante Spannkraft beibehalten, was sehr vorteilhaft für die Lebensdauer der Batteriezellen 24 ist.
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Wenngleich diese Beispiele hier anhand von direkt in das Batteriegehäuse eingebrachten Zellen veranschaulicht wurden, das heißt gemäß dem modullosen Konzept beziehungsweise dem eingangs definierten Cell-to-Pack-Konzept, gemäß welchem Zellen nicht in einzelnen Modulen zusammengefasst sind, sondern direkt in das Batteriegehäuse ohne entsprechende Modulgehäuse eingebracht werden, so lässt sich diese Idee in gleicher Weise auch bei herkömmlichen Zellstacks nutzen, welche eine eigene mechanische Tragstruktur, zum Beispiel in Form eines Modulgehäuses, besitzen. Auch in diesem Beispiel wird dann eine Überbeanspruchung dieser Tragstruktur vermieden und die konstante Vorspannung garantiert und eine maximale Batterielebensdauer erreicht. Durch die mitverspannten Elemente ist der Kraftanstieg durch Swelling wesentlich geringer wie ohne, was für die Batteriezellen und deren Gehäuse, insbesondere Modul oder Batteriegehäuse, deutlich schonender ist.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine optimierte Gestaltung eines Zellstacks einer Batterie für ein Elektrofahrzeug bereitgestellt werden kann, welche es durch die Verwendung einer Spanneinrichtung mit einer Formgedächtnislegierung ermöglicht, eine über Lebensdauer konstante Vorspannkraft auf die Zellen bereitzustellen, eine Überbeanspruchung und eine zu hohe zyklische Beanspruchung des Batteriegehäuses zu vermeiden, Produktionszeit einzusparen, da keine Zellenselektierung oder keine Distanzplatten nötig sind, und die eine kraftfreie Einbringung des Zellstacks in das Gehäuse ermöglicht, da die Vorspannung erst nach Aktivierung der mitverspannten Elemente erzeugt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0183819 A2 [0003]
- JP 2002313348 A [0003]
