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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriezellenpaket, insbesondere mit Festkörperbatteriezellen, sowie eine Batterie, insbesondere für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares bzw. fortbewegbares Kraftfahrzeug.
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Ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares bzw. fortbewegbares Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Hybrid-Kraftfahrzeug, ein Elektro-Kraftfahrzeug etc., weist eine Batterie, insbesondere Sekundärbatterie, zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs mittels eines elektromechanischen Energiewandlers auf. Hierzu weist die Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die beispielsweise als jeweilige Pouch-Zellen ausgebildet sind. Die Batteriezellen werden während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs wiederholt geladen und entladen, wobei die jeweilige Batteriezelle im entladenen Zustand und im geladenen Zustand unterschiedliche Außenabmessungen, das heißt unterschiedliche dimensionale Ausdehnungen, aufweist. Aufgrund dieser im Betrieb der jeweiligen Batteriezelle auftretenden Ausdehnungsänderung sind konstruktive Maßnahmen zu ergreifen, um die räumliche Ausdehnungsänderung in Einbaulage der Batteriezellen aufzufangen bzw. auszugleichen. Die räumliche Ausdehnungsänderung äußert sich in bis zu 10 % Volumenunterschied je Batteriezelle zwischen dem geladenen und dem entladenen Zustand.
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Die
DE 10 2017 008 390 A1 schlägt eine Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle und einem elektrischen Leiter vor. Dabei ist der elektrische Leiter mäanderförmig angeordnet, wodurch der elektrische Leiter eine dimensionale Änderung der Batteriezelle schadfrei mitausführen kann. Die
DE 11 2012 002 517 T5 und die
DE 11 2012 002 518 T5 schlagen jeweils eine Batteriebaugruppe vor, die zwei zueinander benachbarte Zelleinheiten aufweist, wobei die Zelleinheiten über ein Abstandselement aneinander angrenzen. Dabei ist durch das Abstandselement ein Kühlkanal gebildet. Um zu vermeiden, dass der durch das Abstandselement gebildete Kühlkanal in nachteiliger Weise zusammengedrückt wird, indem die benachbarten Zelleinheiten sich ausdehnen, weist das Abstandselement Mittel auf, die die Dehnung der Zelleinheiten verhindern.
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Diese herkömmlichen Batterievorrichtungen sind jedoch besonders aufwendig hinsichtlich deren Konstruktion und lassen eine Cell-to-Pack-Integration mit Sandwichaufbau nicht zu. Stattdessen ist bei diesen herkömmlichen Batterievorrichtungen zumindest eine Cell-to-Module-Anordnung erforderlich, und erst dann ist eine Module-to-Pack-Integration möglich.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, Batteriezellen, die sich zwischen einem elektrisch geladenen Zustand und einem elektrisch entladenen Zustand hinsichtlich ihrer räumlichen Ausdehnung verändern, besonders vorteilhaft einzusetzen bzw. anzuordnen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriezellenpaket für eine Batterie, insbesondere Kraftfahrzeugbatterie, vorgeschlagen. In bestimmungsgemäßer Einbaulage des Batteriezellenpakets weist die Batterie bzw. Kraftfahrzeugbatterie das Batteriezellenpaket auf. Das Batteriezellenpaket weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Batteriezellen, insbesondere Sekundärbatteriezellen, auf. In einer Weiterbildung des Batteriezellenpakets ist vorgesehen, dass die jeweilige Batteriezelle als eine Festkörperbatteriezelle ausgebildet ist. Die jeweilige Batteriezelle weist also in diesem Fall ein Festkörperelektrolyt auf. Insbesondere ist die jeweilige Batteriezelle zudem frei von jeglicher Flüssigkeit. Derart ausgeführte Batteriezellen werden als ASSB-Zellen bezeichnet (ASSB: All-Solid-State-Battery - Festkörperbatterie). Festkörperbatteriezellen haben Vorteile hinsichtlich einer besonders hohen spezifischen Energiedichte und hinsichtlich verbesserter Betriebssicherheit.
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Jedenfalls weist das Batteriezellenpaket weiter eine Vielzahl von mit den Batteriezellen geometrisch korrespondierenden Rahmenelementen auf, wobei mittels zweier direkt zueinander benachbarter der Rahmenelemente eine Batteriezelle positionell fixiert ist. Hierzu sind die direkt zueinander benachbarten Rahmenelemente derart aneinander angeordnet, dass durch diese Rahmenelemente bzw. zwischen diesen Rahmenelementen ein Batteriezellraum gebildet ist. In diesem Batteriezellraum ist die Batteriezelle eingesetzt und dadurch positionell in/an den direkt zueinander benachbarten Rahmenelementen befestigt bzw. fixiert.
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Zudem weist das Batteriezellenpaket generell je Batteriezelle wenigstens eine Zwischenschicht auf, die direkt zwischen der jeweiligen Batteriezelle und wenigstens einem der Rahmenelemente, mittels derer die entsprechende Batteriezelle positionell fixiert ist, angeordnet ist. Hierdurch ist die jeweilige Batteriezelle mittels der Zwischenschicht in dem Batteriezellraum gehalten. Anders ausgedrückt berührt die Batteriezelle mittels der Zwischenschicht eines der Rahmenelemente oder beide Rahmenelemente, die miteinander den Batteriezellraum bilden, in welchem die Batteriezelle bestimmungsgemäß eingesetzt ist.
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Die Zwischenschicht ist bestimmungsgemäß zerstörungsfrei elastisch komprimierbar ausgebildet. Dementsprechend ist die Zwischenschicht bestimmungsgemäß durch die Batteriezelle zerstörungsfrei elastisch komprimierbar, indem die Batteriezelle, die in den Batteriezellraum eingesetzt ist und dadurch an die Zwischenschicht oder an die Zwischenschichten angrenzt, auf ein Schwellungsmaß anschwillt. Hierbei ist das Schwellungsmaß der entsprechenden Batteriezelle größer als ein Grundmaß der entsprechenden Batteriezelle. Das Anschwellen der Batteriezelle von dessen Grundmaß auf das Schwellungsmaß hängt beispielsweise mit einem aktuellen Ladezustand (SOC: state of charge) zusammen. So weist die Batteriezelle in einem entladenen Zustand (SOC = 0) das Grundmaß auf, wohingegen die Batteriezelle in geladenem Zustand (SOC > 0) das Schwellungsmaß aufweist. Weist die Batteriezelle das Schwellungsmaß auf, ist sie in wenigstens einer Raumrichtung größer, als wenn die Batteriezelle das Grundmaß aufweist. Vereinfacht ausgedrückt ist die Batteriezelle, wenn diese das Schwellungsmaß aufweist, breiter und/oder länger und/oder tiefer, als wenn die Batteriezelle das Grundmaß aufweist.
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Bei dem Batteriezellenpaket bleiben also trotz des Anschwellens der entsprechenden Batteriezelle eine Größe des Batteriezellraums - insbesondere in den drei Raumrichtungen - und infolgedessen Außenabmessungen des Batteriezellenpakets konstant. Denn beim Anschwellen der entsprechenden Batteriezelle wird dessen Größenänderung innerhalb des Batteriezellraums durch die Zwischenschicht oder die Zwischenschichten aufgefangen bzw. ausgeglichen, indem die jeweilige Zwischenschicht durch das Anschwellen der entsprechenden Batteriezelle innerhalb des Batteriezellraums komprimiert wird. Das bedeutet, dass zum Beispiel eine Dicke der jeweiligen Zwischenschicht geändert wird, indem die anschwellende oder angeschwollene Batteriezelle eine Kompressionskraft auf die jeweilige Zwischenschicht ausübt. Durch diese Kompressionskraft wird die Zwischenschicht verformt, beispielsweise zusammengepresst. Dabei verbleiben die Rahmenelemente, die miteinander den Batteriezellraum bilden, relativ zueinander unbewegt, sodass das Anschwellen der Batteriezelle außenseitig des Batteriezellraums sich nicht in einer Größenänderung niederschlägt. Geometrie und Außenabmessungen der Rahmenelemente bleiben also außenseitig konstant, unabhängig davon, ob die Batteriezelle das Grundmaß oder das Schwellungsmaß aufweist. Abmessungen der Rahmenelemente, insbesondere Abmessungen des Batteriezellraums, ändern sich somit während einer Zyklisierung der Batteriezelle nicht.
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Somit kann in vorteilhafter Weise ein Cell-to-Pack-Aufbau auf Systemebene dargestellt werden. Insbesondere ist es ermöglicht, das Batteriezellenpaket, das die Vielzahl der Batteriezellen aufweist, in Sandwichbauweise anzuordnen und insbesondere mit einem Gehäuse- und/oder Trägerelement stoffschlüssig zu verbinden, beispielsweise zu verkleben. Beispielsweise ist es so ermöglicht, das Batteriezellenpaket mit einer Gehäuseoberseite und mit einer Gehäuseunterseite eines Batteriegehäuses zu verkleben. Durch diese Sandwichbauweise kann das Batteriezellenpaket als ein tragendes Element für die Batterie und/oder für das die Batterie aufweisende Kraftfahrzeug fungieren. Beispielsweise wird eine Karosseriestruktur aufgrund der Sandwichbauweise des Batteriezellenpakets versteift. Kommt ein derartiges Batteriezellenpaket oder eine dieses Batteriezellenpaket aufweisende Batterie in dem Kraftfahrzeug zum Einsatz, führt dies zu einer besonders vorteilhaften NVH-Qualität (NVH: noise, vibrations, harshness), da das Batteriezellenpaket bzw. die Batterie besonders wenige, insbesondere keine, Bauelemente aufweist, die Störgeräusche erzeugen können. Durch die beschriebene Struktur des Batteriezellenpakets ist es des Weiteren möglich, das Batteriezellenpaket selbst als ein Trägerelement einzusetzen. Des Weiteren ist das Batteriezellenpaket in vorteilhafter Weise bei der Herstellung von Batterien bzw. Kraftfahrzeugen in bestehende Integrationsprozesse einbindbar, ohne dass diese Integrationsprozesse in großem Maße an das Batteriezellenpaket angepasst werden müssen.
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Eine inhomogene Verteilung des auf die jeweilige Batteriezelle wirkenden Drucks begünstigt Dendritenwachstum im Inneren der Batteriezelle und letztlich eine Zerstörung der Batteriezelle. Mittels der Zwischenschicht, die insbesondere vollflächig auf/an der Batteriezelle angebracht ist, sodass eine gesamte Breitseite der Batteriezelle von der Zwischenschicht bedeckt ist, wird eine flächig möglichst gleichmäßige Druckverteilung auf die Zelle sichergestellt.
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In weiterer Ausgestaltung des Batteriezellenpakets weist die jeweilige Zwischenschicht ein Material auf, dessen Querkontraktionszahl bzw. Poissonzahl (µ) kleiner als 0,3 ist, das heißt µ < 0,3, insbesondere µ < 0,2, beispielsweise µ = 0,1. Insbesondere ist die jeweilige Zwischenschicht aus einem solchen, diese niedrige Querkontraktionszahl µ aufweisenden Material gebildet. Aufgrund dieser besonders kleinen Querkontraktionszahl µ erfährt die Zwischenschicht beim Komprimieren entlang einer Kompressionsachse keinen oder einen lediglich geringen Zuwachs eines Maßes quer zu der Kompressionsachse. Dadurch ist sichergestellt, dass die Zwischenschicht beim Anschwellen der Batteriezelle nicht in unerwünschter Weise quer zu einer Anschwellungsrichtung der Batteriezelle gegen das Rahmenelement bzw. gegen die Rahmenelemente drückt. Dadurch ist das Batteriezellenpaket besonders formstabil, unabhängig davon, ob die jeweilige Batteriezelle das Grundmaß oder das Schwellungsmaß aufweist.
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In einer Weiterbildung des Batteriezellenpakets ist vorgesehen, dass die jeweilige Zwischenschicht ein geschäumtes Material, insbesondere einen Polyurethanschaum, aufweist. Dabei kommt insbesondere ein offenzelliges geschäumtes Material, insbesondere ein offenzelliger Polyurethanschaum, zum Einsatz, sodass die Größenänderung durch das Anschwellen der Batteriezelle von deren Grundmaß auf deren Schwellungsmaß besonders effizient aufgenommen bzw. ausgeglichen werden kann.
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Um eine besonders lange Lebensdauer und einen besonders zuverlässigen Betrieb des Batteriezellenpakets zu gewährleisten, ist gemäß einer Weiterbildung des Batteriezellenpakets vorgesehen, dass die Zwischenschichten jeweils so konfiguriert, das heißt ausgebildet und angeordnet sind, dass auf die jeweilige Batteriezelle ein Initialdruck wirkt, selbst wenn diese nicht angeschwollen ist, das heißt das Grundmaß aufweist. Dieser Initialdruck beträgt bis zu 10 bar, vorzugsweise bis zu 5 bar, insbesondere bis zu 1 bar.
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Das Batteriezellenpaket weist gemäß einer weiteren Ausgestaltung zwei Druckplatten und zwei Spannelemente, insbesondere Spannbänder, auf. Dabei begrenzen die Druckplatten das Batteriezellenpaket entlang dessen Längserstreckungsrichtung und sind mittels der Spannelemente bzw. Spannbänder entlang der Längserstreckungsrichtung zueinander hingespannt. Hierzu sind die Spannelemente und die Druckplatten kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Beispielsweise sind die Spannelemente und die Druckplatten miteinander verschweißt, insbesondere laserverschweißt, geclincht, verschraubt, vernietet, verklebt etc. Dabei sind die Batteriezellen, die Rahmenelemente und die Zwischenschichten entlang der Längserstreckungsrichtung zwischen den Druckplatten angeordnet, sodass die Batteriezellen, die Rahmenelemente und die Zwischenschichten mittels der Druckplatten und mittels der Spannelemente aneinandergespannt sind. Hierzu sind die Spannelemente zwischen den Druckplatten auf Zug belastet, wenn die Batteriezellen, die Rahmenelemente und die Zwischenschichten bestimmungsgemäß zwischen den Druckplatten angeordnet sind.
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Generell gilt für das Batteriezellenpaket, dass die Batteriezellen, die Rahmenelemente und die Zwischenschichten gemäß folgender Reihenfolge angeordnet sein können: Druckplatte (sofern vorhanden) - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Rahmenelement - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Rahmenelement usw. Hinsichtlich der Anordnung der Batteriezellen, der Rahmenelemente und der Zwischenschichten ist das Batteriezellenpaket insbesondere spiegelsymmetrisch ausgebildet, sodass an einem entsprechenden Ende des Batteriezellenpakets auf eine „letzte“ Batteriezelle eine „letzte“ Zwischenschicht danach die entsprechende Druckplatte folgt.
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In Weiterbildung des Batteriezellenpakets ergeben sich weitere/andere Reihenfolgen für die Anordnung der Druckplatten, der Batteriezellen, der Rahmenelemente und der Zwischenschichten. Beispielsweise: Druckplatte (sofern vorhanden) - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Rahmenelement - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Rahmenelement usw. oder Druckplatte (sofern vorhanden) - Batteriezelle - Zwischenschicht - Batteriezelle - Rahmenelement - Batteriezelle - Zwischenschicht - Batteriezelle - Rahmenelement usw.
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Durch die Ausgestaltung des Batteriezellenpakets mit den Druckplatten und den Spannelementen ergibt sich eine besonders starke bzw. stabile Struktur des Batteriezellenpakets, sodass dieses, beispielsweise im Kraftfahrzeugbau, besonders ressourcen- und/oder bauraumeffizient als ein Tragelement des Kraftfahrzeugs oder für das Kraftfahrzeug dienen kann.
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In weiterer Ausgestaltung des Batteriezellenpakets - beispielsweise, um die in vorteilhafterweise besonders stabile Struktur des Batteriezellenpakets noch weiter zu unterstützten - ist vorgesehen, dass die Rahmenelemente mittels eines Verbindungselements aneinander befestigt sind. Bei dem Verbindungselement handelt es sich um ein Kraft-, Form- und/oder Stoffschlusselement, insbesondere um ein Klebeelement. Das bedeutet, dass die Rahmenelemente zum Beispiel miteinander verklebt sind. Generell kann das jeweilige Rahmenelement des Batteriezellenpakets aus einem Kunststoff hergestellt sein. In diesem Fall ist es dann denkbar, dass die Rahmenelemente mittels eines Kunststoffschweißens stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Des Weiteren gilt generell für das jeweilige Rahmenelement, dass dieses eine Grundplatte und ein entlang einer Außenkante der Grundplatte angebrachtes Band aufweist. Dabei überragt das Band die Grundplatte beidseitig, sodass durch die Grundplatte und das Band zwei entgegengesetzte Schalen gebildet sind. Demnach weist das jeweilige Rahmenelement in Schnittansicht eine Doppel-T-Form auf. Das bedeutet, dass das jeweilige Rahmenelement einen Obergurt und einen Untergurt sowie einen den Obergurt und den Untergurt verbindenden Steg aufweist, wobei die Gurte durch das Band und der Steg durch die Grundplatte gebildet sind. Sind dann - wie bereits dargelegt - zwei der Rahmenelemente (ein links angeordnetes und ein rechts angeordnetes Rahmenelement) direkt zueinander benachbart, ist der Batteriezellraum innenseitig durch die beiden Stege und die jeweiligen Gurte begrenzt, wobei eine linksseitige Schale des rechten Rahmenelements und eine rechtsseitige Schale des linken Rahmenelements miteinander den Batteriezellraum bilden. Im Fall der kraft-, form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung der Rahmenelemente miteinander kann vorgesehen sein, dass die Rahmenelemente am jeweiligen Obergurt und am jeweiligen Untergurt - das heißt über das jeweilige Band - miteinander verbunden sind.
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In Weiterbildung des Batteriezellenpakets weist dieses ein weiteres Verbindungselement auf, mittels dessen die Rahmenelemente an den Spannelementen befestigt sind. Das weitere Verbindungselement kann gleich oder ähnlich zu dem zuvor dargelegten (ersten) Verbindungselement ausgebildet sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass das erste Verbindungselement und/oder das weitere bzw. zweite Verbindungselement eine Doppelfunktionalität aufweist, nämlich - erstens - zum gegenseitigen Verbinden der Rahmenelemente eingesetzt wird und - zweitens - zum Verbinden der Rahmenelemente mit den Spannelementen eingesetzt wird. Insoweit kann vorgesehen sein, dass das Batteriezellenpaket lediglich ein einziges Verbindungselement aufweist, nämlich entweder das erste Verbindungselement oder das zweite Verbindungselement.
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Indem die Rahmenelemente mittels des ersten und/oder des zweiten Verbindungselements an den Spannelementen befestigt sind, ist die in vorteilhafter Weise besonders starke bzw. stabile Struktur des Batteriezellenpakets nochmals unterstützt.
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Zudem betrifft die Erfindung eine Batterie, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, die ein gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildetes Batteriezellenpaket aufweist. Die Batterie, insbesondere Sekundärbatterie, kann als Hochvoltspeicher bezeichnet werden. Beispielsweise kann die Batterie, die das Batteriezellenpaket oder mehrere Batteriezellenpakete aufweist, als eine Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug dienen, wobei dann das Kraftfahrzeug zumindest teilweise elektrisch antreibbar bzw. fortbewegbar ausgebildet ist. Insoweit handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug zum Beispiel um ein Hybrid-Kraftfahrzeug, um ein Elektro-Kraftfahrzeug etc. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen und/oder Lastkraftwagen ausgebildet. Hierdurch ist ein Einsatz der Batterie bzw. des Batteriezellenpakets für andere Anwendungen (Marinebereich, Luftfahrtbereich etc.) jedoch nicht ausgeschlossen.
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Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriezellenpakets sind als Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie anzusehen und umgekehrt.
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Einer Weiterbildung der Batterie zufolge weist diese ein Batteriegehäuse auf, das durch ein Gehäuseunterteil und zumindest ein Gehäuseoberteil gebildet ist. Dabei sind das Batteriezellenpaket oder die Batteriezellenpakete und das Gehäuseunterteil mittels einer ersten Klebeeinrichtung miteinander verklebt, wobei das Batteriezellenpaket und das Gehäuseoberteil mittels einer zweiten Klebeeinrichtung miteinander verklebt sind. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass das Batteriezellenpaket das Gehäuseunterteil bzw. das Gehäuseoberteil mittels der Spannelemente bzw. Spannbänder miteinander verklebt sind.
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Das bedeutet, dass die Klebeeinrichtung einerseits direkt das Gehäuseunterteil bzw. Gehäuseoberteil und andererseits das entsprechende Spannband berührt. Mit wieder anderen Worten sind das Gehäuseunterteil und das Batteriezellenpaket sowie das Gehäuseoberteil und das Batteriezellenpaket stoffschlüssig miteinander verbunden, indem zwischen einem oberen der Spannelemente und dem Gehäuseoberteil und zwischen einem unteren der Spannelemente und dem Gehäuseunterteil die Klebeeinrichtung angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildete Batterie aufweist. Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie sind als Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Batteriezellenpakets;
- 2 eine entlang einer Schnittebene II-II (siehe 1) geschnittene Explosionsdarstellung des Batteriezellenpakets;
- 3 eine entlang der Schnittebene II-II geschnittene Ansicht des Batteriezellenpakets in zusammengesetztem Zustand; und
- 4 eine Draufsicht auf eine zwei Batteriezellenpakete aufweisende Batterie.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Folgenden werden ein Batteriezellenpaket 1, eine das Batteriezellenpaket 1 aufweisende Batterie 2 sowie ein Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) in gemeinsamer Beschreibung dargelegt. Hierzu zeigt 1 eine perspektivische Ansicht des Batteriezellenpakets 1, das eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Batteriezellen 3 aufweist. Von den Batteriezellen 3 sind in der 1 lediglich einige wenige mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen. Im vorliegenden Bespiel ist die jeweilige Batteriezelle 3 als eine jeweilige Festkörperbatteriezelle ausgebildet. Hierunter fällt die jeweilige Batteriezelle 3, wenn sie lediglich ein Festkörperelektrolyt und keinen flüssigen Bestandteil aufweist - die Erfindung ist aber nicht auf von Flüssigkeiten freie Batteriezellen beschränkt. Vielmehr sind durch den Begriff „Batteriezelle“ hierin alle Formen von Pouchzellen umfasst, die sich im Betrieb ausdehnen. Demnach handelt es sich bei der jeweiligen Batteriezelle 3 bzw. Festkörperbatteriezelle um eine sogenannte ASSB-Zelle.
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Es ist in 1 des Weiteren zu erkennen, dass das Batteriezellenpaket 1 im vorliegenden Beispiel zwei Druckplatten 4, 5 und zwei Spannelemente 6, 7 aufweist. Durch die Druckplatten 4, 5 ist das Batteriezellenpaket 1 entlang einer Längserstreckungsrichtung 8 jeweils seitlich begrenzt. Dabei erstrecken sich die Spannelemente 6, 7, die vorliegend als ein jeweiliges Spannband ausgebildet sind, vollständig entlang der Längserstreckungsrichtung 8 des Batteriezellenpakets 1 und sind kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit den Druckplatten 4, 5 verbunden. Im vorliegenden Beispiel sind die Spannelemente 6, 7 bzw. Spannbänder und die Druckplatten 4, 5 miteinander vernietet. In 1 sind entsprechende Nietstellen 9 erkennbar, von denen aus Übersichtlichkeitsgründen nur einige wenige mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen sind.
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2 zeigt eine entlang einer Schnittebene II-II (siehe 1) geschnittene Explosionsdarstellung des Batteriezellenpakets 1. Das Batteriezellenpaket 1 weist eine Vielzahl von mit den Batteriezellen 3 geometrisch korrespondierenden Rahmenelementen 10 auf, wobei mittels zweier direkt zueinander benachbarter der Rahmenelemente 10 eine Batteriezelle 3 positionell fixiert ist, indem die entsprechende Batteriezelle 3 in eine durch die zwei direkt zueinander benachbarten Rahmenelemente 10 gebildeten Batteriezellraum 11 eingesetzt ist. Vorliegend weist das jeweilige Rahmenelement 10 eine Doppelschalenform mit zwei einander entgegengesetzten bzw. voneinander weg weisenden Schalen und infolgedessen in der Schnittansicht eine Querschnittsfigur in der Form eines Doppel-T-Trägers auf. Des Weiteren ist vorliegend die jeweilige Batteriezelle 3 gemäß einem flachen Quader ausgebildet, wobei jeweilige Schmalseiten 12 der Batteriezelle 3 parallel zu der Längserstreckungsrichtung 8 angeordnet sind, und jeweilige Breitseiten 13 der Batteriezelle 3 senkrecht zur Längserstreckungsrichtung 8 angeordnet sind. Ein jeweiliger Obergurt 14 und ein jeweiliger Untergurt 15 des jeweiligen Rahmenelements 10 grenzen in zusammengesetztem Zustand (siehe 3) direkt aneinander an, wobei die jeweilige Batteriezelle 3 parallel zu einem jeweiligen Steg 16 des jeweiligen Rahmenelements 10 angeordnet ist. Dabei ist die jeweilige Batteriezelle 3 zwischen den Stegen 16 der Rahmenelemente 10 angeordnet.
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Je Batteriezelle 3 weist das Batteriezellenpaket 1 wenigstens eine Zwischenschicht 17, vorliegend zwei Zwischenschichten 17, auf, die direkt zwischen der jeweiligen Batteriezelle 3 und den Rahmenelementen 10 angeordnet sind, sodass die jeweilige Batteriezelle 3 mittels der Zwischenschichten 17 in dem Batteriezellraum 11 gehalten ist. Bei dem Batteriezellenpaket 1 kann vorgesehen sein, dass dieses durch ein Rahmenelement 10, durch eine Zwischenschicht 17 oder durch eine Batteriezelle 3 endet. Wie bereits dargelegt ist, endet das Batteriezellenpaket 1 im vorliegenden Beispiel seitlich mittels der Druckplatten 4, 5, sodass das Batteriezellenpaket 1 im vorliegenden Beispiel zwei Batteriezellen 3 aufweist, die lediglich auf einer Seite über eine Zwischenschicht 17 an eines der Rahmenelemente 10 angrenzen. In diesem Fall grenzen diese „letzten“ Batteriezellen 3 auf der entsprechend anderen Seite an die jeweilige Druckplatte 4, 5 an. Das bedeutet, dass im vorliegenden Beispiel zwei Batteriezellräume 11 geschaffen sind, die zum einen durch ein Rahmenelement 10 und zum anderen durch die entsprechende Druckplatte 4, 5 gebildet sind. Insoweit kann vorgesehen sein, dass die jeweilige „letzte“ Batteriezelle 3 zumindest teilweise durch die jeweilige Druckplatte 4, 5 umfasst ist.
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Die jeweilige Batteriezelle 3 weist ein Grundmaß, das heißt eine Grundbreite, eine Grundlänge und eine Grundtiefe auf, wobei die Batteriezelle 3 zum einen über ihre Lebensdauer und zum anderen unter einem elektrischen Laden auf ein Schwellungsmaß anschwillt. Für eine neue bzw. frische Batteriezelle 3 gilt also, dass diese in ungeladenem Zustand (SOC = 0) das Grundmaß, das heißt dem Grundmaß entsprechende Außenabmessungen, aufweist. Wird die Batteriezelle 3 elektrisch geladen, schwillt die Batteriezelle 3 hinsichtlich Breite und/oder Länge und/oder Tiefe an. Des Weiteren vergrößert sich die Breite und/oder die Länge und/oder die Tiefe der Batteriezelle während eines Alterns der Batteriezelle 3. Um aber unabhängig vom Ladezustand der Batteriezellen 3 des Batteriezellenpakets 1 sowie unabhängig von einem jeweiligen Alter der Batteriezellen 3 des Batteriezellenpakets 1 eine konstante bzw. gleichbleibende Länge 18 des Batteriezellenpakets 1 zu gewährleisten, ist die jeweilige Zwischenschicht 17 bestimmungsgemäß zerstörungsfrei elastisch komprimierbar ausgebildet. Hierbei weist die jeweilige Zwischenschicht 17 ein Material auf, dessen Querkontraktionszahl µ kleiner als 0,3 ist, das heißt µ < 0,3, insbesondere µ < 0,2, beispielsweise µ = 0,1. Mit anderen Worten ist die jeweilige Zwischenschicht 17 durch das Material, das die besonders niedrige Querkontraktionszahl µ aufweist, zumindest teilweise gebildet. Vorliegend weist die jeweilige Zwischenschicht ein geschäumtes Material, insbesondere einen Polyurethanschaum, auf. Das bedeutet, dass die jeweilige Zwischenschicht 17 zumindest teilweise aus dem geschäumten Material, zum Beispiel dem Polyurethanschaum, gebildet ist.
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Durch ein Anschwellen der jeweiligen Batteriezelle 3 auf deren Schwellungsmaß wird also die Zwischenschicht 17 bestimmungsgemäß und zerstörungsfrei elastisch komprimiert, sodass trotz des Anschwellens der entsprechenden Batteriezelle 3 eine Größe des Batteriezellraums 11 und infolgedessen Außenabmessungen, insbesondere die Länge 18, des Batteriezellenpakets 1 konstant bleibt.
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3 zeigt eine entlang der Schnittebene II-II geschnittene Ansicht des Batteriezellenpakets 1 in zusammengesetztem Zustand. Wie bereits in 2 durch das Auslassungszeichen 19 angedeutet ist, kann das Batteriezellenpaket 1 entlang dessen Längserstreckungsrichtung 8 mit beliebig vielen Einheiten 20 hergestellt werden, wobei die jeweilige Einheit 20 zumindest eine Batteriezelle 3 und eine Zwischenschicht 17 sowie insbesondere eine weitere Zwischenschicht 17 aufweist. Dabei berühren sich zwei entlang der Längserstreckungsrichtung 8 aufeinanderfolgende Einheiten 20 jeweils mittels eines Rahmenelements 10. Es ergibt sich also entlang der Längserstreckungsrichtung 8 bei dem Batteriezellenpaket 1 folgende Anordnung: Druckplatte 4 - Einheit 20 - Rahmenelement 10 - Einheit 20 - Rahmenelement 10 usw. Nach einem „letzten“ Rahmenelement 10 folgt eine „letzte“ Einheit 20 und hiernach die Druckplatte 5. Entlang der Längserstreckungsrichtung 8 sind zwischen den Druckplatten 4, 5 die Batteriezellen 3, die Rahmenelemente 10 und die Zwischenschichten 17 aneinandergespannt. Mit anderen Worten sind entlang der Längserstreckungsrichtung 8 zwischen den Druckplatten 4, 5 die Einheiten 20 aneinandergespannt. Hierzu sind die Spannelemente 6, 7 bzw. die Spannbänder und die Druckplatten 4, 5 an den Nietstellen 9 miteinander vernietet und/oder anderweitig kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Dabei sind die Spannelemente 6, 7 auf Zug belastet, sodass zumindest die Rahmenelemente 10 am jeweiligen Obergurt 14 und/oder am jeweiligen Untergurt 15 aneinandergespannt sind. Alternativ oder zusätzlich sind jeweils zwei entlang der Längserstreckungsrichtung 8 direkt zueinander benachbarte Rahmenelemente 10 mittels eines ersten Verbindungselements 21 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Da das jeweilige Rahmenelement 10 im vorliegenden Beispiel aus einem Kunststoff hergestellt ist, kann das erste Verbindungselement 21 als eine Kunststoffschweißung ausgebildet sein. Ferner kann das erste Verbindungselement 21 als eine Klebestelle ausgebildet sein. Insbesondere sind die beiden direkt zueinander benachbarten Rahmenelemente 10 über deren jeweiligen Obergurt 14 und/oder über deren jeweiligen Untergurt 15 aneinander befestigt bzw. fixiert.
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Wie in 2 und 3 zu erkennen ist, ist im vorliegenden Beispiel des Weiteren vorgesehen, dass die Rahmenelemente 10 mittels eines zweiten Verbindungselements 22 an den Spannelementen 6, 7 befestigt sind. Bei dem zweiten Verbindungselement 22 handelt es sich zum Beispiel um ein Klebeelement bzw. um eine Klebeschicht, die zwischen den Gurten 14, 15 und den Spannelementen bzw. -bändern 6, 7 angeordnet ist. Mittels des ersten Verbindungselements 21 oder mittels des zweiten Verbindungselements 22 können sowohl die jeweilige Verbindung zwischen den beiden direkt zueinander benachbarten Rahmenelementen 10 als auch die Verbindung zwischen den Rahmenelementen 10 und den Spannelementen 6, 7 realisiert sein. Das bedeutet, dass das Batteriezellenpaket 1 lediglich das erste Verbindungselement 21 oder lediglich das zweite Verbindungselement 22 aufweisen kann, wobei das entsprechende Verbindungselement 21, 22 dann eine Doppelfunktionalität innehat.
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Die jeweilige Zwischenschicht 17 ist so konfiguriert, dass auf die jeweilige Batteriezelle 3 ein Initialdruck von bis zu 10 bar, vorzugsweise bis zu 5 bar, insbesondere bis zu 1 bar, wirkt, wenn diese nicht angeschwollen ist. Hierdurch wird ein zuverlässiger Betrieb der Batteriezelle 3 gewährleistet.
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Schwillt also die jeweilige Batteriezelle 3 von deren Grundmaß auf deren Schwellungsmaß an, wird wenigstens eine der gemeinsam mit der Batteriezelle 3 in dem Batteriezellraum 11 angeordnete Zwischenschicht 17, insbesondere beide Zwischenschichten 17, durch die sich ausdehnende Batteriezelle 3 komprimiert, wobei eine Geometrie und Abmessungen des Batteriezellraums 11 nicht beeinflusst werden. Insbesondere wird die jeweilige Zwischenschicht 17 um ein Maß komprimiert, um das die Batteriezelle 3 beim Anschwellen vergrößert wird. So wird in vorteilhafter Weise das Anschwellen bzw. eine Maßzunahme der Batteriezelle 3 aufgefangen bzw. ausgeglichen.
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4 zeigt eine Draufsicht auf die Batterie 2, die vorliegend zwei Batteriezellenpakete 1 aufweist. Die Batterie 2 ist insbesondere für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, das heißt für ein Hybrid-Kraftfahrzeug, für ein Elektro-Kraftfahrzeug etc., ausgebildet und kann als eine Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug fungieren. Die Batterie 2 kann als Hochvoltspeicher bezeichnet werden. Gemäß 4 weist die Batterie 2 ein Batteriegehäuse 23 auf, das aus einem Gehäuseunterteil 24 und zumindest einem Gehäuseoberteil 25 ausgebildet ist. Das jeweilige Batteriezellenpaket 1 ist dabei stoffschlüssig sowohl an dem Gehäuseunterteil 24 als auch an dem Gehäuseoberteil 25 gehalten. Das bedeutet, dass das jeweilige Batteriezellenpaket 1 stoffschlüssig sowohl mit dem Gehäuseunterteil 24 als auch mit dem Gehäuseoberteil 25 verbunden ist. Im vorliegenden Beispiel ist das jeweilige Batteriezellenpaket 1 mittels Klebeeinrichtungen 26, 27 mit den Gehäuseteilen 24, 25 verklebt. Die Gehäuseteile 24, 25 und die Klebeeinrichtungen 26, 27 sind in 2 und in 3 dargestellt. In 2 und in 3 ist des Weiteren zu erkennen, dass im vorliegenden Beispiel das Batteriezellenpaket 1 über dessen Spannbänder bzw. Spannelemente 6, 7 mit dem Gehäuseunterteil 24 bzw. dem Gehäuseoberteil 25 verklebt sind. Insoweit befindet sich die Klebeeinrichtung 26 zwischen dem Gehäuseoberteil 25 und dem Spannelement 6 des Batteriezellenpakets 1. Dahingegen befindet sich die Klebeeinrichtung 27 zwischen dem Spannelement 7 und dem Gehäuseunterteil 24.
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Es ist ferner denkbar, dass die Batterie 2 kein separat ausgebildetes Batteriegehäuse 23 aufweist. In diesem Fall fungieren die Druckplatten 4, 5 und die Spannelemente 6, 7 als Außenoberfläche der Batterie 2, sozusagen als Gehäuse für die Batterie 2. Durch die besonders stabile Struktur des Batteriezellenpakets 1 kann auf das separat ausgebildete Batteriegehäuse 23 verzichtet werden, wodurch ein Massevorteil erzielt wird.
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Insgesamt zeigt die Erfindung Möglichkeiten auf, die Batteriezellen 3, die sich zwischen einem elektrisch geladenen Zustand und einem elektrisch entladenen Zustand hinsichtlich ihrer räumlichen Ausdehnung verändern, besonders vorteilhaft einzusetzen bzw. anzuordnen. Der Einsatz bzw. die Anordnung der Batteriezellen 3 ist insbesondere hinsichtlich eines nunmehr möglichen Cell-to-Pack-Aufbaus auf Systemebene vorteilhaft. Auf herkömmliche Prozessschritte, mittels derer herkömmliche Batteriezellen zunächst gemäß Cell-to-Module angeordnet werden, um die so entstandenen Module dann gemäß Module-to-Pack zu einem Batteriemodulpaket anzuordnen, kann verzichtet werden, was ökonomisch und ökologisch günstig ist. Durch die Druckplatten 4, 5 und die Spannelemente 6, 7 ergibt sich des Weiteren für das Batteriezellenpaket 1, dass dieses eine besonders starke bzw. stabile Struktur aufweist, sodass das Batteriezellenpaket 1 sogar als eine Tragstruktur dienen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezellenpaket
- 2
- Batterie
- 3
- Batteriezelle
- 4
- Druckplatte
- 5
- Druckplatte
- 6
- Spannelement
- 7
- Spannelement
- 8
- Längserstreckungsrichtung
- 9
- Nietstelle
- 10
- Rahmenelement
- 11
- Batteriezellraum
- 12
- Schmalseite
- 13
- Breitseite
- 14
- Obergurt
- 15
- Untergurt
- 16
- Steg
- 17
- Zwischenschicht
- 18
- Länge
- 19
- Auslassungszeichen
- 20
- Einheit
- 21
- erstes Verbindungselement
- 22
- zweites Verbindungselement
- 23
- Batteriegehäuse
- 24
- Gehäuseunterteil
- 25
- Gehäuseoberteil
- 26
- Klebeeinrichtung
- 27
- Klebeeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017008390 A1 [0003]
- DE 112012002517 T5 [0003]
- DE 112012002518 T5 [0003]
