DE102021125190A1

DE102021125190A1 - Batteriegehäuseanordnung, Batterie und Verfahren zum Tauschen von Batteriezellen

Info

Publication number: DE102021125190A1
Application number: DE102021125190.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Klinger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2023-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriegehäuseanordnung (12) für ein Kraftfahrzeug, die mindestens ein Aufnahmeelement (14) aufweist, das zur Aufnahme mehrerer Batteriezellen (18) ausgebildet ist. Dabei umfasst das Aufnahmeelement (14) ein erstes Ende (14b) und ein dem ersten Ende (14b) bezüglich einer Längsrichtung (L) gegenüberliegendes zweites Ende (14c), und einen sich vom ersten Ende (14b) bis zum zweiten Ende (14c) durchgehend erstreckenden, Aufnahmebereich (14a) zur Aufnahme der Batteriezellen (18) in Form einer in Längsrichtung (L) verlaufenden Zellreihe (20). Dabei umfasst die Batteriegehäuseanordnung (12) eine mit dem ersten Ende (14b) des mindestens einen Aufnahmeelements (14) gekoppelte Zuführöffnung (42), durch welche dem Aufnahmebereich (14a) eine der Batteriezellen (18) zuführbar ist, und eine mit dem zweiten Ende (14c) des mindestens einen Aufnahmeelements (14) gekoppelte Ausführöffnung (44), aus welcher eine der Batteriezellen (18), die im Aufnahmebereich (14a) angeordnet ist, dem Aufnahmebereich (14a) entnehmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriegehäuseanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batteriegehäuseanordnung mindestens ein Aufnahmeelement aufweist, das zur Aufnahme mehrerer bestimmter Batteriezellen ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie mit einer solchen Batteriegehäuseanordnung sowie ein Verfahren zum Zuführen zumindest einer Batteriezelle an einem Aufnahmebereich zumindest eines Aufnahmeelements einer Batterie und/oder zum Entfernen zumindest einer Batteriezelle aus dem Aufnahmebereich.
Heutige Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen, die oftmals als Hochvoltbatterien ausgebildet sind, sind in der Regel so ausgestaltet, dass sich die Batteriezellen nicht oder nur mit erheblichem Aufwand wechseln lassen. Grundsätzlich ist dabei von außen kein Zugriff auf die Batteriezellen vorgesehen. Ein Austausch der Batteriezellen oder auch nur einzelner Zellen ist damit nur in einer Werkstatt möglich und geht in der Regel mit der Demontage der kompletten Batterie einher. Derartige Maßnahmen werden entsprechend nur dann durchgeführt, wenn zum Beispiel ein Defekt vorliegt. Könnten die Batteriezellen beispielsweise einfacher getauscht werden, so könnte ein solcher Zelltausch auch genutzt werden, um zum Beispiel entladene Batteriezellen gegen vollgeladene Batteriezellen zu tauschen oder ältere gegen neuere Zellen, zum Beispiel auch mit einer anderen Zellchemie, besserer Leistungsfähigkeit oder ähnliches, zu tauschen.
Die DE 10 2017 212 488 A1 beschreibt ein Elektrofahrzeug mit einem Fahrzeugtank, welcher mit elektrischen Energiespeichern reversibel befüllbar ist. Die Energiespeicher sind dabei kugelförmig und magnetisch ausgebildet. Weiterhin kann eine Schlauchverbindung zur Verbindung eines stationären Energiespeichertanks mit einem Fahrzeug bereitgestellt sein, über welche die Energiespeicher dem Fahrzeugtank zugeführt werden können. Die Batteriezellen werden dabei sozusagen als Schüttgut bereitgestellt, die sich durch ihre magnetische Ausbildung automatisch richtig zueinander ausbilden sollen.
Die DE 10 2010 018 698 A1 beschreibt ein Energieversorgungssystem für Elektrofahrzeuge mit einem Behälter, in welchen elektrische Energiezellen einbringbar und fixierbar sind, und elektrischen Kontakten, mittels welchen die Energiezellen elektrisch kontaktierbar sind. Weiterhin umfasst das Energieversorgungssystem mindestens eine betätigbare Vorrichtung, mittels welcher die Energiezellen derart freigebbar sind, dass sie als lose Menge vorliegen und in dem Behälter in mindestens eine Raumrichtung beweglich sind. Dadurch können die Zellen, die zum Beispiel als Rundzellen ausgebildet sein können, beim Wechseln als Menge verschoben werden. Dabei berühren sich die Zellen gegenseitig an ihren Zylinderflächen und schieben sich gegenseitig in eine durch die Begrenzungsflächen der Austauschvorrichtung vorbestimmte Richtung.
Weiterhin beschreibt die CN 212676372 U eine Lithium-Ionen-Zellgruppe, insbesondere für eine Batterie eines E-Bikes. Diese soll möglichst versteckt und damit unsichtbar im Rahmen des Fahrrads anordenbar sein. Die Zellanordnung kann dabei in einem langgestreckten Gehäuse angeordnet sein, welches sich wiederum in ein Rahmenteil integrieren lässt. Die Integration in einen solchen Rahmen erschwert jedoch die Austauschbarkeit der einzelnen Batteriezellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batteriegehäuseanordnung, eine Batterie und ein Verfahren bereitzustellen, die einen möglichst einfachen Tausch von in einer solchen Batteriegehäuseanordnung aufgenommenen Batteriezellen erlauben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriegehäuseanordnung, eine Batterie und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Batteriegehäuseanordnung für ein Kraftfahrzeug weist mindestens ein Aufnahmeelement auf, das zur Aufnahme mehrerer bestimmter Batteriezellen ausgebildet ist. Dabei weist das mindestens eine Aufnahmeelement ein erstes Ende und ein dem ersten Ende bezüglich einer Längsrichtung gegenüberliegendes zweites Ende auf, und einen sich vom ersten bis zum zweiten Ende durchgehend erstreckenden Aufnahmebereich, der dazu ausgebildet ist, die mehreren bestimmten Batteriezellen derart aufzunehmen, dass die im Aufnahmebereich angeordneten Batteriezellen in Form einer in Längsrichtung verlaufenden Zellreihe nebeneinander und mit ihren Stirnseiten einander zugewandt angeordnet sind. Weiterhin weist die Batteriegehäuseanordnung eine mit dem ersten Ende des mindestens einen Aufnahmeelements gekoppelte Zuführöffnung auf, durch welche dem Aufnahmebereich eine der bestimmten Batteriezellen zuführbar ist, und eine mit dem zweiten Ende des mindestens einen Aufnahmeelements gekoppelte Ausführöffnung, aus welcher eine der bestimmten Batteriezellen, die im Aufnahmebereich angeordnet ist, dem Aufnahmebereich entnehmbar ist.
Das mindestens eine Aufnahmeelement kann also ähnlich einem Rohr ausgebildet sein. Durch den Aufnahmebereich ist also vorteilhafterweise die Möglichkeit bereitgestellt, Batteriezellen in den Aufnahmebereich aufzunehmen, indem diese an einem Ende des Aufnahmebereichs diesem durch eine Zuführöffnung zugeführt werden, während gleichzeitig am anderen Ende Batteriezellen aus der Ausführöffnung entnommen werden können. Dabei kann die im Aufnahmebereich aufgenommene Zellreihe in Längsrichtung verschoben werden. Dies ermöglicht einen sehr einfachen und schnellen Zellwechsel, insbesondere durch Nachschieben. Alte Zellen fallen dann zum Beispiel automatisch am zweiten Ende aus der Ausführöffnung heraus, wenn Neue nachgeschoben werden. Es können natürlich auch alte Zellen aus der Ausführöffnung herausgesaugt werden, zum Beispiel durch Unterdruck oder durch eine andere Maßnahme, und erst anschließend können am ersten Ende weitere Zellen eingefüllt werden. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass bei vielen Batteriezellen die Möglichkeit bereitgestellt ist, deren Polabgriffe bzw. Polkontakte an gegenüberliegenden Zellseiten bereitzustellen. Die Seiten, an denen diese Polkontakte bereitgestellt sind, werden vorliegend als Stirnseiten der Zellen bezeichnet. Dies gilt insbesondere vor allem für zylindrische Zellen, die auch als Rundzellen bezeichnet werden, aber auch für Zellen beliebig anderer Geometrie, zum Beispiel für prismatische Zellen mit rechteckiger Grundfläche und damit rechteckigen Stirnseiten, oder auch für prismatische Zellen mit beliebiger Grundfläche und damit beliebiger Stirnseitengeometrie, zum Beispiel dreieckig, sechseckig, oder auch nicht eckiger Geometrie, zum Beispiel elliptisch, usw. Gerade bei solchen Zellen, bei denen also die Polkontakte an gegenüberliegenden Stirnseiten bereitgestellt sind, ist eine besonders einfache Verschaltungsmöglichkeit bereitgestellt, wenn diese mit ihren Stirnseiten einander zugewandt in Form einer Zellreihe angeordnet werden. Eine Rundzelle beziehungsweise zylindrische Batteriezelle beispielsweise hat dabei üblicherweise eine im Wesentlichen zylindrische Geometrie. Eine solche Zelle weist also zum Beispiel zwei bezüglich einer Längsrichtung einer solchen Rundzelle gegenüberliegende Stirnseiten auf, und eine diese Stirnseiten miteinander verbindende Mantelfläche. An den Stirnseiten können zudem die Zellpole beziehungsweise entsprechende Zellpolabgriffe angeordnet sein. Dies gilt wie oben beschrieben auch für andere Zellgeometrien. Die bestimmten Batteriezellen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Befüllung der Batteriegehäuseanordnung verwendet werden sollen, weisen vorzugsweise einen Pluspol an einer ersten Stirnseite und einen Minuspol auf der anderen, gegenüberliegenden zweiten Stirnseite auf. Werden solche Batteriezellen in Form einer Zellreihe mit einander zugewandten Stirnseiten angeordnet, so lässt sich hierdurch automatisch eine Serienschaltung dieser Batteriezellen ermöglichen, sodass ein jeweiliger Pluspol einer Zelle mit einem Minuspol der gemäß der Zellreihe unmittelbar benachbart angeordneten Batteriezelle kontaktiert ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Verkabelung. Insbesondere kann eine separate Verkabelung zwischen den einzelnen im Aufnahmebereich aufgenommenen Zellen komplett entfallen, da die Kontaktierung der Zellen untereinander bereits durch eine entsprechende Ausbildung der Zellen selbst realisiert werden kann. Die Zellen können somit einfach in den Aufnahmebereich in Form einer Zellreihe eingebracht werden und sind damit auch automatisch untereinander verschaltet, insbesondere in einer Serienschaltung.
Vorzugsweise werden zum Befüllen des mindestens einen Aufnahmeelements gleichartig ausgebildete Zellen verwendet, insbesondere hinsichtlich ihrer Geometrie gleichartig ausgebildete Zellen, insbesondere mit gleichem Zelldurchmesser und/oder gleicher Zelllänge. Spannungsabgriffe lassen sich zudem besonders einfach, wie dies später näher erläutert wird, in den jeweiligen Endbereichen des Aufnahmebereichs realisieren. Durch den Aufnahmebereich sind die Zellen auch während der Fahrt stabil gehalten und können vor allem in radialer Richtung nicht verrutschen. Dazu ist der Aufnahmebereich vorzugsweise hinsichtlich seiner Innengeometrie an die Zellgeometrie der bestimmten Zellen angepasst. Bei der Verwendung von Rundzellen als die bestimmten Batteriezellen ist der Aufnahmebereich vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Auch eine stabile Kontaktierung der Zellen untereinander kann somit gewährleistet werden. Insgesamt führt dies zu einem sehr einfachen Aufbau einer Batterie mit entsprechend einfachen Fertigungsmöglichkeiten. Zudem eröffnet die Möglichkeit eines solch einfachen Zellwechsels mehrere vorteilhafte Szenarien, wie zum Beispiel ein Zellwechsel auf Langstrecken und eröffnet wieder Spielräume für die Zellentwicklung, weil das schnelle Beladen kein primäres Kriterium für die Zellchemie mehr wäre. Durch die einfache serielle Verschaltungsmöglichkeit der Zellen können zudem Gewichts-, Bauraum- und Kostenvorteile erzielt werden.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die bestimmtem Batteriezellen als zylindrische Batteriezellen bzw. Rundzelle ausgebildet und der Aufnahmebereich weist eine zylindrische Geometrie. Wenngleich zur besseren Veranschaulichung manche der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele auf Rundzellen und den zylindrischen Aufnahmebereich Bezug nehmen, so lassen sich diese Ausführungsbeispiele dennoch für andere beliebige Zellgeometrien analog umsetzen. Der Begriff Durchmesser kann dann beispielsweise als ein minimaler und/oder maximaler Durchmesser bei nicht rotationssymmetrischen Geometrien verstanden werden.
Wie bereits erwähnt, kann das mindestens eine Aufnahmeelement beispielsweise als ein Rohr bereitgestellt sein. Die Außengeometrie eines solchen Aufnahmeelements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch weniger relevant. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Aufnahmeelement als quaderförmigen Klotz bereitzustellen, in welchem ein entsprechend in Längsrichtung verlaufender Aufnahmebereich eingebracht ist. Bevorzugt ist das mindestens eine Aufnahmeelement so ausgestaltet, dass dieses hinsichtlich seiner Geometrie steif und nicht flexible ist. Ist das Aufnahmeelement also beispielsweise als ein Rohr oder Schlauch bereitgestellt, so ist dieses vorzugsweise als steifes Rohr beziehungsweise nicht flexibler Schlauch ausgebildet. Dies erlaubt eine gute Stabilisierung der darin aufgenommenen Zellen, vor allem in radialer Richtung. Das Material des mindestens einen Aufnahmeelements kann grundsätzlich ein beliebiges Material sein, zum Beispiel ein metallischer Werkstoff und/oder ein Kunststoff oder ähnliches. Zudem sind zur Bereitstellung des mindestens einen Aufnahmeelements beliebige verschiedene Fertigungsverfahren möglich. Zum Beispiel kann das Aufnahmeelement einfach als Alurohr ausgebildet sein oder aus Kunststoff, oder mittels 3D-Druck hergestellt sein, um einen maximalen Leichtbau zu ermöglichen, oder als Strangpressprofil hergestellt sein, und so weiter. Die Zwischenräume, zum Beispiel zwischen verschiedenen Abschnitten des Aufnahmeelements oder auch, falls mehrere solcher Aufnahmeelemente vorgesehen sind, zwischen den Aufnahmeelemente, können zudem mit Isolatormaterialien gefüllt sein und/oder ausgeschäumt sein, insbesondere mit einem aushärtbaren Kunststoffschaum.
Dass der Aufnahmebereich z.B. zylindrisch ausgebildet ist, soll dabei so verstanden werden, dass dieser zumindest abschnittsweise die Form eines Zylinders aufweist, wobei der Aufnahmebereich nicht notwendigerweise mit einem über die Längsrichtung hinweg konstanten Innendurchmesser ausgebildet sein muss. Allerdings ist es bevorzugt, dass der Aufnahmebereich entlang der Längsrichtung an jeder Stelle einen runden, insbesondere kreisförmigen, Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung aufweist.
Weiterhin definiert die Längsrichtung dabei eine lokale Richtung des Aufnahmebereichs, in welche sich dieser vom ersten Ende bis zum zweiten Ende hin erstreckt. Dabei kann sich die Längsrichtung bezüglicher ihrer Ausrichtung im Raum auch verändern. Mit anderen Worten muss der Aufnahmebereich vom ersten bis zum zweiten Ende nicht notwendigerweise geradlinig verlaufen, sondern kann, wie dies zudem auch bevorzugt ist, bereichsweise gekrümmt sein und zum Beispiel schlangenförmig verlaufen.
Daher stellt es eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Aufnahmebereich des mindestens einen Aufnahmeelements in Längsrichtung zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist. Dies hat den großen Vorteil, dass sich so durch die Reihenschaltung der im Aufnahmebereich aufgenommenen und seriell zueinander verschalteten Batterie eine Gesamtspannung bereitstellen lässt, die der von typischen Hochvoltbatterien entspricht, also im Bereich von zum Beispiel mehreren 100 Volt liegt, und gleichzeitig kann so das Aufnahmeelement als Ganzes einfacher in den in einem Fahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraum integriert werden. Eine Gesamtspannung von zum Beispiel 400 Volt lässt sich durch zum Beispiel 96 Batterie in einer Serienschaltung bereitstellen. Für eine Gesamtspannung von 800 Volt ist entsprechend gleich die doppelte Anzahl an Batterie erforderlich. Je nach Länge einer solchen Rundzelle ergeben sich dabei mitunter sehr große Abmessungen für die Gesamtlänge des Aufnahmeelements in Längsrichtung. Weist eine Rundzelle beispielsweise eine Länge von 70 Millimetern auf, so beträgt die Gesamtlänge der Zellreihe 670 Zentimeter im Falle von 96 Batterie. Um ein derart langes Aufnahmeelement entsprechend einfacher in einen gegebenen Bauraum in einem Kraftfahrzeug integrieren zu können, ist es also sehr vorteilhaft, wenn das Aufnahmeelement zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist. Durch die gekrümmte Ausbildung des Aufnahmeelements ist es also möglich, eine für eine Hochvoltbatterie geeignete Gesamtspannung von mehreren 100 Volt durch eine durchgängige Zellreihe bereitzustellen, die in einem korrespondierenden, durchgehenden Aufnahmebereich des Aufnahmeelements angeordnet ist und gleichzeitig diese Aufnahmeelement in einem Kraftfahrzeug unterzubringen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Aufnahmebereich des mindestens einen Aufnahmeelements einen in Längsrichtung variierenden Innendurchmesser und/oder eine in Längsrichtung variierende Innengeometrie auf, insbesondere wobei der Aufnahmebereich mindestens einen in Längsrichtung gerade verlaufenden ersten Abschnitt aufweist und mindestens einen in Längsrichtung gekrümmt verlaufenden zweiten Abschnitt aufweist, wobei der Innendurchmesser des Aufnahmebereichs in Bezug auf zumindest eine Richtung senkrecht zur Längsrichtung im zweiten Abschnitt größer ist als im ersten Abschnitt. Ist also beispielsweise eine Zellreihe in einem solchen Aufnahmebereich angeordnet, so erleichtert der vergrößerte Innendurchmesser das Schieben der Zellreihe in Längsrichtung zum Zwecke des Zelltauschs. Vorzugsweise ist der Innendurchmesser dabei in gerade verlaufenden Bereichen des Aufnahmebereichs, das heißt im Bereich des mindestens einen ersten Abschnitts, nur geringfügig größer als der Außendurchmesser der bestimmten Batteriezellen senkrecht zu deren Längsachse. Beispielsweise kann im ersten Abschnitt der Innendurchmesser des Aufnahmebereichs um maximal wenige Millimeter größer sein als der Außendurchmesser einer solchen Zelle. Der Innendurchmesser im zweiten Abschnitt kann dabei vom Krümmungsradius des gekrümmten Verlaufs des zweiten Abschnitts abhängig sein, sowie von der Länge der betreffenden Batteriezellen. Dabei kann der Innendurchmesser im zweiten Abschnitt auch nur in Bezug auf eine einzelne zur Längsrichtung senkrechte Richtung vergrößert sein, insbesondere wenn sich der Aufnahmebereich so erstreckt, dass diese im Wesentlichen immer in einer Ebene liegt, zumindest in dem die Krümmung aufweisenden Bereich. Mit anderen Worden wird z.B. aus dem Kreisdurchmesser bei geraden Rohrstücken bzw. Aufnahmebereichsabschnitten idealerweise eine elliptische Innengeometrie bei Kurvenstücken des Aufnahmebereichs. Entsprechend ändert kann sich nicht nur die Abmessung des Innendurchmessers sondern auch die Innengeometrie ändern.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriegehäuseanordnung mindestens eine Verschlusseinrichtung zum Verschließen der Zuführöffnung und der Ausführöffnung auf, wobei die mindestens eine Verschlusseinrichtung ein Kontaktelement zum elektrischen Kontaktieren einer im mindestens einen Aufnahmeelement aufgenommenen Zellreihe aufweist. Insbesondere umfasst die mindestens eine Verschlusseinrichtung dabei vorzugsweise zwei Kontaktelemente, wobei eines im Bereich der Zuführöffnung und das andere im Bereich der Ausführöffnung angeordnet sind. Somit kann durch die beiden Kontaktelemente jeweils ein Spannungsabgriff für den Pluspol und einmal ein Spannungsabgriff für den Minuspol der Zellreihe bereitgestellt werden. Die Kontaktelemente können dabei Teil einer gemeinsamen Verschlusseinrichtung sein, in die zugleich zum Verschließen der Zuführöffnung als auch der Ausführöffnung ausgebildet ist. Für die Zuführöffnung und die Ausführöffnung können aber auch zwei separate Verschlusseinrichtungen vorgesehen sein, wobei jeweils eine solche Verschlusseinrichtung dann ein entsprechendes Kontaktelement zum elektrischen Kontaktieren der Zellreihe aufweist. Ist eine gemeinsame Verschlusseinrichtung vorgesehen, so ist es entsprechend bevorzugt, dass die Zuführöffnung und die Ausführöffnung nahe beieinander angeordnet sind, sodass sich die Verschlusseinrichtung einerseits durch eine gemeinsame Verschlusseinrichtung realisieren lässt und diese sich zudem sehr platzsparend und kompakt ausgestalten lässt.
Weiterhin kann die mindestens eine Verschlusseinrichtung, wenn die Batteriegehäuseanordnung in einem Kraftfahrzeug Anwendung findet, grundsätzlich in jedem beliebigen Bereich dieses Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, zum Beispiel in einem Außenbereich, ähnlich einem Tankdeckel, oder auch in einem versteckt angeordneten Bereich. Beispielsweise kann eine solche Verschlusseinrichtung so angeordnet sein, dass diese erst zugänglich ist, wenn eine Kraftfahrzeugtür des Kraftfahrzeugs geöffnet ist. Auch besteht die Möglichkeit der Anordnung in einem Unterbodenbereich oder auch im Innenraum, zum Beispiel im Kofferraum, oder ähnliches. Eine von außen zugängliche Position ist dabei sehr vorteilhaft, da ein Zelltausch möglich ist, ohne das Kraftfahrzeug oder Kraftfahrzeugtüren öffnen zu müssen. Dies ist besonders für ein automatisches Befüllverfahren sehr vorteilhaft.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriegehäuseanordnung mindestens eine Spanneinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, eine Spannkraft in und/oder entgegen Längsrichtung auf eine im mindestens einen Aufnahmeelement aufgenommenen Zellreihe auszuüben, insbesondere wobei die mindestens eine Spanneinrichtung in die mindestens eine Verschlusseinrichtung integriert ist. Beispielsweise kann die Spanneinrichtung mit dem oben genannten Kontaktelement gekoppelt sein und dieses gegen den Zellkontakt einer ersten Zelle am Anfang oder Ende der Zellreihe drücken. Die Spanneinrichtung kann als mechanische Spanneinrichtung, zum Beispiel mit einem oder mehreren Federelementen, ausgebildet sein oder auch als pneumatische Spanneinrichtung oder Ähnliches. Dadurch kann vorteilhafterweise die Zellreihe in Längsrichtung verspannt werden. Hierdurch können die Zellen in Längsrichtung kraftschlüssig gehalten werden. Dies verhindert vorteilhafterweise, dass die elektrischen Kontakte zwischen den Zellen zum Beispiel während der Fahrt durch Erschütterungen unterbrochen werden können. Eine solche Spanneinrichtung kann dabei im Bereich der Zuführöffnung und/oder im Bereich der Ausführöffnung angeordnet sein. Beispielsweise kann eine solche Spanneinrichtung zwischen einem außenseitigen Verschlussdeckel und dem dem Aufnahmebereich zugewandten, mindestens einen Kontaktelement angeordnet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriegehäuseanordnung mehrere Aufnahmeelemente umfassend das mindestens eine Aufnahmeelement auf, wobei die mehreren Aufnahmeelemente mit jeweiligen Aufnahmebereichen ausgebildet sind, die eine gleiche Länge in Längsrichtung aufweisen. Durch die Ausbildung mit einer gleichen Länge kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass in die jeweiligen Aufnahmebereiche immer eine gleiche Anzahl an Batteriezellen eingebracht werden kann. Somit kann also in ein zweites Aufnahmeelement die gleiche Menge an Batteriezellen eingebracht werden, wie zum Beispiel in ein erstes der Aufnahmeelemente. Somit können auf einfache Weise Zellreihen mit einer gleichen Gesamtspannung bereitgestellt werden. Dadurch lassen diese sich auf einfache Weise zueinander parallel schalten. Damit kann auf sehr vorteilhafte Weise die Gesamtkapazität der Zellanordnung und damit der Batterie erhöht werden. Dies führt wiederum z zu einer erhöhten Reichweite des Elektrofahrzeugs. Die Batteriegehäuseanordnung kann dabei insbesondere vielzählige solcher Aufnahmeelemente umfassen, die wie zu mindestens einem Aufnahmeelement bereits beschrieben ausgebildet sein können. Beispielsweise können diese jeweils in Form von Rohren bereitgestellt sein. Bevorzugt umfasst die Batteriegehäuseanordnung dabei eine zweistellige Anzahl an Aufnahmeelementen, zum Beispiel mindestens zehn, vorzugsweise mindestens 20. Solange diese Aufnahmeelemente zumindest im Wesentlichen jeweils Aufnahmebereiche mit einer gleichen Länge bereitstellen, können diese in jeder beliebigen und voneinander unabhängigen Geometrie in einem bereitgestellten Anordnungsbereich angeordnet sein. Denkbar ist es aber auch, diese geordnet und zum Beispiel zumindest abschnittsweise parallel zueinander zu führen. Beispielsweise kann auch ein gemeinsamer Kanal vorgesehen sein, in welchem die jeweiligen Aufnahmeelemente gebündelt geführt sind. Der Kanal kann senkrecht zur Längsrichtung grundsätzlich jede beliebige Geometrie aufweisen, zum Beispiel eckig, insbesondere rechteckig oder quadratisch, elliptisch, rund und so weiter. Der Kanal kann also entsprechend ebenfalls einen Anfangs- und einen Endbereich aufweisen und vom Anfangs- bis zum Endbereich durchgehend verlaufen und dabei teilweise gekrümmt ausgeführt sein. Vorteilhaft ist vor allem eine achsensymmetrische Ausbildung des Verlaufs des Kanals, wobei die einzelnen Aufnahmeelemente innerhalb des Kanals weitestgehend parallel geführt sind, bis auf einen auf der Achse dieser achsensymmetrischen Anordnung liegenden Zwischenteil, in welchem der Strang aus den Aufnahmeelementen um 180 Grad verdrillt ist. Auf diese Weise lässt es sich bewerkstelligen, dass die Länge aller Aufnahmeelemente zwischen dem ersten und zweiten Ende gleich lang ist. Die Aufnahmeelemente können aber auch als einzelne Rohre separat verlegt sein. Der Strang aus den Aufnahmeelementen oder einzelne Aufnahmeelemente können dabei auch in Karosseriebauteilen geführt sein. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Anordnung. Hierfür eignen sich beispielsweise Querträger oder Längsträger oder andere Karosseriekomponenten. Somit müssen die Rohre, das heißt die Aufnahmeelemente, nicht im Batteriekörper bleiben, das heißt nicht in einem definierten Anordnungsbereich, sondern können auch komplett woanders im Kraftfahrzeug verlegt sein. Die Batteriegehäuseanordnung stellt damit ein besonders hohes Maß an Flexibilität bereit. Auch die Gestaltung des Batterieaußenpackages, das heißt der Außengeometrie dieser Gesamtanordnung an Aufnahmeelementen, kann sehr flexibel, insbesondere dreidimensional, modelliert und gestaltet werden und zum Beispiel eine Fußgarage für Fahrer, Beifahrer und Fahrzeuginsassen auf dem Rücksitz bereitstellen. So können die in einem Fahrzeug zur Verfügung stehenden Bauräume extrem effizient genutzt werden. Auch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Aufnahmeelementen oder zwischen Abschnitten des oben beschriebenen Kanals können effizient genutzt werden und bieten zum Beispiel Platz für Steuergeräte und so weiter oder können ausgeschäumt werden, insbesondere mit einem aushärtbaren Kunststoffschaum, um mehr Stabilität zu bieten und/oder Zwischenräume können auch mit geeigneten Crashelementen versehen sein.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die mehreren Aufnahmeelemente jeweilige erste Enden auf, die in einem gemeinsamen ersten Endbereich angeordnet sind, und jeweilige zweite Enden auf, die in einem gemeinsamen zweiten Endbereich angeordnet sind. Dies hat den großen Vorteil, dass viele Elemente, insbesondere die mindestens eine Verschlusseinrichtung, für die mehreren Aufnahmeelemente gleichzeitig genutzt werden kann. Zudem erleichtert dies das Befüllen und Entnehmen von Batteriezellen, was für die jeweiligen Aufnahmeelemente beispielsweise dann auch synchron erfolgen kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kontaktelement zum gleichzeitigen elektrischen Kontaktieren jeweiliger in den jeweiligen Aufnahmeelementen aufgenommenen Zellreihen ausgelegt. Das Anordnen der jeweiligen ersten und zweiten Enden in einem gemeinsamen ersten und zweiten Endbereich ermöglicht zudem eine sehr einfache Verschaltung der jeweiligen Zellreihen in Form einer Parallelschaltung. Dabei können zum Beispiel ganz einfach die jeweiligen Enden der Zellreihen im ersten Endbereich durch ein gemeinsames Kontaktelement elektrisch miteinander kontaktiert und dadurch zueinander parallel geschaltet sein, ebenso wie die gegenüberliegenden Enden dieser Zellreihen im zweiten Endbereich ebenfalls durch ein solches gemeinsames Kontaktelement miteinander elektrisch leitend verbunden sein können. Dadurch können also vorteilhafterwiese nicht nur Kontaktelemente eingespart werden, sondern die Parallelschaltung der einzelnen Zellreihen zueinander auf einfache Weise bewerkstelligt werden.
Darüber hinaus kann für die jeweiligen Aufnahmeelemente auch die oben beschriebene Spanneinrichtung gemeinsam genutzt werden. Auch hierdurch können wiederum weitere Komponenten eingespart werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, die eine erfindungsgemäße Batteriegehäuseanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen aufweist. Die für die erfindungsgemäße Batteriegehäuseanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batterie.
Die Batterie ist dabei vorzugsweise als eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Zudem umfasst die Batterie insbesondere die mehreren Batteriezellen, z.B. zylindrische Batteriezellen, die in Form einer Zellreihe im Aufnahmebereich des mindestens einen Aufnahmeelements aufgenommen sind. Insbesondere kann die Batterie auch mehrere solcher Zellreihen aufweisen, die in mehreren jeweiligen Aufnahmebereichen eines jeweiligen Aufnahmeelements angeordnet ist, wie dies zuvor bereits beschrieben wurde.
Auch die Batteriezellen können wie zuvor beschrieben ausgebildet sein. Dabei können die Zellen weiterhin optional auch jeweilige Spannelemente zum Spannen der Zellen in Längsrichtung aufweisen. Mit anderen Worten kann eine jeweilige Batteriezelle eine eigene Vorspannfeder mitbringen. Dies kann die oben beschriebene Spanneinrichtung ersetzen. Über eine solche Spanneinrichtung kann zum Beispiel gleichzeitig auch die stirnseitige Kontaktierung der Zellen einer Zellreihe untereinander vorgenommen sein. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Zellen stirnseitig reversibel koppelbar sind, zum Beispiel mittels eines Rastmechanismus oder mittels Klipsen oder ähnlichem. Dadurch kann die Stabilität der Zellreihe vor allem in Längsrichtung noch zusätzlich erhöht werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Zellen jeweilige Zellpolanschlüsse an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten aufweisen, die in Längsrichtung vom Zellgehäuse abstehen. Dadurch erleichtert sich die elektrische Kontaktierung zwischen den Zellen, vor allem in gekrümmten Bereichen des in Längsrichtung verlaufenden Aufnahmebereichs. Insbesondere lassen sich hierdurch auch kleinere Krümmungsradien im Verlauf des Aufnahmebereichs in Längsrichtung realisieren. Eine Kontaktierung unmittelbar zueinander benachbarter Zellen einer Zellreihe kann damit auch sichergestellt werden, selbst wenn die Zellachsen dieser benachbarten Zellen einen Winkel miteinander einschließen.
Auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriegehäuseanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen oder mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen soll zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Zuführen zumindest einer Batteriezelle in einen Aufnahmebereich zumindest eines Aufnahmeelements einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen und/oder zum Entfernen zumindest einer Batteriezelle aus dem Aufnahmebereich. Dabei wird beim Zuführen und/oder Entfernen die im Aufnahmebereich des Aufnahmeelements angeordnete Zellreihe in Längsrichtung verschoben. Wird also beispielsweise eine Batteriezelle dem Aufnahmebereich zugeführt, indem diese durch die Zuführöffnung in den Aufnahmebereich eingeschoben wird, so verschiebt sich damit einhergehend die bereits im Aufnahmebereich befindliche Zellreihe in Längsrichtung. Damit einhergehend wird automatisch auch eine letzte Zelle dieser Zellreihe durch die Ausführöffnung herausgeschoben. Die Länge des Aufnahmebereichs in Längsrichtung ist entsprechend so groß wie die Länge der im Aufnahmebereich aufgenommene Zellreihe in Längsrichtung. Zudem kann eine Zelle aus dem Aufnahmebereich auch entnommen werden, indem diese durch einen geeigneten Greif- oder Saugmechanismus aus der Ausführöffnung herausgesaugt wird. Auch dies kann mit einer Verschiebung der Zellreihe in Längsrichtung einhergehen. Anschließend kann eine neue Zelle über die Zuführöffnung zugeführt werden. Dies gilt insbesondere für alle der Aufnahmeelemente in gleicher Weise. Ein Zuführen neuer Zellen ist dabei beispielsweise auch zeitgleich und parallel über mehrere Zuführöffnungen möglich.
Auch hier gelten die für die erfindungsgemäße Batteriegehäuseanordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des der erfindungsgemäßen Batteriegehäuseanordnung und der erfindungsgemäßen Batterie beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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 Batterie mit einer Batteriegehäuseanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Teil der Batteriegehäuseanordnung aus 1 gemäß einem 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 Batterie 10 mit einer Batteriegehäuseanordnung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriegehäuseanordnung 12 weist im Allgemeinen mindestens ein Aufnahmeelement 14 auf. Dieses ist in 1 lediglich exemplarisch gestrichelt dargestellt. Bevorzugt weist die Batteriegehäuseanordnung 12 mehrere solcher Aufnahmeelemente 14 auf, die, wie in diesem Beispiel veranschaulicht, gebündelt innerhalb eines Kanals 16 verlaufen können. Ein jeweiliges dieser Aufnahmeelemente 14 kann in Form eines Rohres bereitgestellt sein. Dabei stellt jedes der Aufnahmeelemente 14 weiterhin einen Aufnahmebereich 14a bereit, der zur Aufnahme von mehreren zylindrischen Batteriezellen 18 ausgebildet ist. Insbesondere ist dieser Aufnahmebereich 14a eines jeweiligen Aufnahmeelements 14 in einer Längserstreckungsrichtung L langgestreckt ausgebildet und weist eine Abmessung in dieser Richtung auf, die um ein Vielfaches größer ist als senkrecht dazu. Der Aufnahmebereich 14a ist weiterhin in einem Querschnitt senkrecht zu dieser Längserstreckungsrichtung L kreisförmig ausgebildet.
Dies ist besonders gut in 2 zu erkennen, die schematisch einen Querschnitt durch einen Teil der Batteriegehäuseanordnung 12 zeigt, wobei in diesem Beispiel die Kanalstruktur 16 rechteckig ausgebildet ist. Grundsätzlich kann der Kanal 16 jedoch beliebige Geometrie aufweisen. Auch müssen die einzelnen Aufnahmeelemente 14, die im Folgenden auch einfach als Rohre 14 bezeichnet werden, separat geführt sein und müssen nicht notwendigerweise gebündelt in einem Kanal 16 verlaufen. In diesem Beispiel umfasst die Batteriegehäuseanordnung 12 22 solcher Rohre 14. Es können jedoch auch mehr oder weniger vorgesehen sein. Zudem sind in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige der Aufnahmebereiche 14a dieser Rohre 14 mit einem Bezugszeichen versehen. In diesem Beispiel weist der Kanal 16 exemplarisch eine Höhe H in der dargestellten z-Richtung von zum Beispiel zehn Zentimetern auf und eine Breite B in x-Richtung von zum Beispiel 15 Zentimetern auf.
In einem jeweiligen Aufnahmebereich 14a kann somit eine Zellreihe 20 aufgenommen werden, die jeweils durch mehrere aneinander gereihte und mit deren Stirnseiten einander zugewandte Rundzellen 18 gebildet ist, wie dies in 1 dargestellt ist. Eine solche Zellreihe 20 umfasst dabei vorzugsweise vielzählige Batteriezellen 18, insbesondere mehr als 10, zum Beispiel 96. Um zum Beispiel eine Hochvoltbatterie 10 mit einer Gesamtspannung von zirka 400 Volt bereitzustellen, können zum Beispiel 22 Zellreihen 20 mit je 96 Rundzellen 18 verwendet werden, die zum Beispiel eine Größe mit einem Durchmesser von 21 Millimetern und einer Länge von 70 Millimetern aufweisen. Hierfür würde eine Mindestgesamtlänge eines jeweiligen Aufnahmebereichs 14a in Längsrichtung L von 670 Zentimetern resultieren. In 1 ist exemplarisch ein Aufnahmeelement 14 mit einer Länge in Längsrichtung von 960 Zentimetern dargestellt. Die Batteriegehäuseanordnung 12 ist dabei in einem Aufnahmebereich 22 angeordnet, der zum Beispiel optional durch einen Batteriekasten 24 bereitgestellt sein kann oder durch andere Bauteile begrenzt sein kann. In diesem Beispiel weist dieser Aufnahmebereich 22 beziehungsweise der Aufnahmekasten 24 eine Länge 1 in x-Richtung von 220 Zentimetern auf und eine Breite b in y-Richtung von 150 Zentimetern auf. Die Länge des Kanals 16 entlang seiner Mittelachse in Längsrichtung L beträgt in diesem Beispiel, wie bereits erwähnt, 960 Zentimeter.
Dabei ist es vor allem vorteilhaft, wenn jedes Rohr 14 die gleiche Länge in der Längsrichtung L aufweist. Dies lässt sich zum Beispiel mit einer Anordnung, wie diese in 1 veranschaulicht ist, einfach bewerkstelligen. Die Rohre 14 verlaufen in diesem Beispiel in einer achssymmetrischen Anordnung bezüglich einer Spiegelachse A. Weiterhin ist im Bereich dieser Spiegelachse A ein Zwischenbereich 26 vorgesehen, in welchen der Strang aus Rohren 14 im Gegensatz zu den übrigen Bereichen verdrillt ist. In den übrigen Bereichen können die Rohre 14 zum Beispiel zueinander parallel verlaufen. Durch eine Verdrillung in diesen Zwischenbereich 26 um 180 Grad wird sozusagen eine punktsymmetrische Anordnung bereitgestellt, die gewährleistet, dass die Länge der Aufnahmebereiche 14a für alle Rohre 14 gleich ist. Dadurch kann jeder Aufnahmebereich 14a eines jeweiligen Rohrs 14 genau die gleiche Menge an Batteriezellen 18 aufnehmen und es entstehen gleich lange Zellstränge 20.
Weiterhin weist ein jedes Rohr 14 ein erstes Ende 14b sowie ein zweites Ende 14c auf. Wenngleich auch die einzelnen Rohre 14 nicht, wie hier dargestellt, gesammelt in einem Kanal 16 geführt werden müssen, sondern auch separat und unabhängig voneinander verlaufen können, so ist es jedoch sehr vorteilhaft, wenn zumindest alle ersten Enden 14b der Rohre 14 in einem gemeinsamen ersten Endbereich 28 angeordnet sind, und alle zweiten Enden 14c der Rohre in einem zweiten Endbereich 30. Dadurch lässt es sich wiederum vorteilhafterweise bewerkstelligen, die einzelnen Zellstränge 20, die in den einzelnen Rohren 14 aufgenommen sind, in diesen Endbereichen 28, 30 durch eine jeweilige Kontaktplatte 32, 34 zueinander parallel zu schalten. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel eine erste Kontaktplatte 32 alle Pluspole der jeweiligen Anfangszellen aller Zellstränge 20, die im ersten Endbereich 28 angeordnet sind, miteinander elektrisch verbinden, und eine zweite Kontaktplatte 34 kann alle Minuspole der jeweiligen Endzellen 18 im zweiten Endbereich 30 miteinander elektrisch leitend verbinden. Dadurch sind die jeweiligen Zellreihen 20 alle zueinander parallel geschaltet und innerhalb einer jeweiligen Zellreihe 20 sind die einzelnen Zellen 18 zueinander in Serie geschaltet. Für diese Serienschaltung ist im Übrigen keinerlei zusätzliche Verschaltung erforderlich. Diese kann einfach dadurch realisiert werden, indem die Zellen 18, wie beschrieben, in den jeweiligen Aufnahmebereich 14a eingeführt und angeordnet werden. Die jeweiligen Stirnseiten der Zellen 18 sind einander zugewandt und die daran befindlichen Zellpolabgriffe kontaktieren sich gegenseitig. Um diesen Kontakt weiterhin zu stabilisieren und die Anordnung vor allem in Längsrichtung L zu verspannen, kann die Batteriegehäuseanordnung 12 zusätzlich noch eine Spanneinrichtung 36 aufweisen. In diesem Beispiel umfasst diese zwei Spannelemente, eines im ersten Endbereich 28 und ein weiteres im zweiten Endbereich 30. Diese Spanneinrichtung 36 kann also zum Beispiel zwischen einer Verschlussklappe 38 und den beschriebenen Kontaktplatten 32, 34 angeordnet sein. Die Verschlussklappe 38 kann somit in Kombination mit einer solchen Spanneinrichtung 36 und den beschriebenen Kontaktelementen 32, 34 eine Verschlusseinrichtung 40 bereitstellen. Durch diese ist eine jeweilige Zuführöffnung 42 und Ausführöffnung 44 eines jeweiligen Aufnahmebereichs 14a verschließbar. In diesem Beispiel sind alle Zuführöffnungen 42 und alle Ausführöffnungen 44 durch eine gemeinsame Verschlusseinrichtung 40 verschließbar. Dies lässt sich auf einfache Weise dadurch bewerkstelligen, indem zum Beispiel die ersten und zweiten Enden 14b, 14c der jeweiligen Rohre 14 zu nebeneinander angeordneten Endbereichen 28, 30, wie in 1 dargestellt, geführt sind.
Die Klappe 38 kann zum Beispiel um einen Drehpunkt 48 beziehungsweise eine Drehachse 48 drehbar gelagert sein. Um Zellen zu tauschen, kann die Klappe 38 einfach geöffnet werden. Damit einhergehend bewegt sich auch die Spanneinrichtung 36 sowie die jeweiligen Kontaktelemente 32, 34 von den Zu- und Ausführöffnungen 42, 44 weg, wodurch diese freigelegt sind. Dann können zum Beispiel weitere Zellen 18 durch die Zuführöffnung 42 in die jeweiligen Rohre 14 eingeschoben werden. Damit einhergehend bewegt sich die jeweilige Zellreihe 20 in Längsrichtung L, wodurch auf der anderen Seite, das heißt im zweiten Endbereich 30, entsprechend die jeweilige Anzahl an Zellen 18 aus der Ausführöffnung 44 herausgeschoben wird.
Dieses Konzept lässt sich auf einfache Weise auf verschiedene Zellgrößen und Formen adaptieren. Weiterhin ist in den verbleibenden Zwischenräumen 46 Platz für Steuergeräte. Zudem können auch eine Kühlung und tragende Elemente und so weiter in den Zwischenraum 46 integriert werden, zum Beispiel an geraden Abschnitten 50.
Die gekrümmten Abschnitte 52 sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass bestimmte vorgegebene minimale Krümmungsradien eingehalten werden, um den Zellwechsel und den Zellkontakt zu erleichtern. Mit anderen Worten weisen die gekrümmten Abschnitte 52 vorzugsweise einen Krümmungsradius R auf, der größer ist als ein vorgegebener minimaler Radius. Wenngleich in diesem Beispiel die Krümmungsradien alle mit dem gleichen Bezugszeichen R bezeichnet sind, so kann es sich dabei dennoch jeweils um unterschiedlich große Radien R handeln. Auch die Zellen 18 selbst können jeweils eine eigene Vorspannfeder mitbringen. Der Deckel 38 beziehungsweise die gesamte Verschlusseinrichtung 40 kann dabei, wie in diesem Beispiel, um eine vertikale Drehachse 48 ausgebildet sein oder alternativ auch um eine horizontale Drehachse. Zudem ist es auch denkbar, nicht nur einen gemeinsamen Deckel 38 für die beiden Ausgänge, das heißt die beiden Endbereiche 28, 30, vorzusehen, sondern zum Beispiel auch zwei separate Deckel 38. Der Deckel 38 kann zudem verriegelbar ausgeführt sein, insbesondere mit einer Verriegelung, die wiederum unterschiedlich ausführbar ist. Die Spanneinrichtung 36 beziehungsweise Vorspannvorrichtung kann ebenfalls verschieden ausgeführt sein. Diese kann ein Federelement, wie in diesem Beispiel dargestellt, umfassen, das heißt also mechanisch ausgeführt sein und/oder auch pneumatisch, und so weiter. Die mit dem Deckel 38 gekoppelten Kontaktelemente 32, 34 bilden gleichzeitig auch die Anode und Kathode der Gesamtzellanordnung. Damit ist vorteilhafterweise keine weitere Verkabelung der einzelnen Zellen 18 nötig. Die Ein- und Ausgänge 42, 44 der einzelnen Kanäle 14 können zudem matrixförmig angeordnet sein, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Mit anderen Worten können diese geordneten Reihen und Spalten angeordnet sein beziehungsweise auch in zueinander versetzten Reihen wie in 2 dargestellt.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Zellanordnung und ein Zelltausch in einer Batterie bereitgestellt wird, die einen besonders einfachen und schnellen Zellwechsel ermöglichen. Dabei können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Batteriezellen in gleich langen Rohren aneinandergereiht werden, die alle an ähnlicher Stelle beginnen und enden. Mittels zweier Deckel können die Eingänge und Ausgänge der Rohre verschlossen werden, wobei die Verkabelung geschlossen wird und eine Vorspannkraft auf die Zellen aufgebracht wird. Dabei kann eine Verkabelung zwischen den Zellen entfallen, was Gewichts- Bauraum- und Kostenvorteile mit sich bringt. Durch Nachschieben können alte Zellen automatisch herausfallen, wenn Neue nachgeschoben werden, insbesondere ohne zusätzliche Halbmittel. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau der Batterie mit einfacher Fertigungsmöglichkeit. Generell eröffnet die Möglichkeit eines solchen einfachen Zellwechsels mehrere vorteilhafte Szenarien, wie zum Beispiel Zellwechsel auf Langstrecken, und bietet Spielräume für die Zellentwicklung, weil das schnelle Wiederaufladen kein primäres Kriterium für die Zellchemie mehr wäre. Auch die Lebensdauer von Zellen spielt damit einhergehend nur noch eine untergeordnete Rolle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017212488 A1 [0003]
DE 102010018698 A1 [0004]
CN 212676372 U [0005]

Claims

Batteriegehäuseanordnung (12) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batteriegehäuseanordnung (12) mindestens ein Aufnahmeelement (14) aufweist, das zur Aufnahme mehrerer bestimmter Batteriezellen (18) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - das mindestens eine Aufnahmeelement (14) ein erstes Ende (14b) und ein dem ersten Ende (14b) bezüglich einer Längsrichtung (L) gegenüberliegendes zweites Ende (14c) aufweist, und einen sich vom ersten Ende (14b) bis zum zweiten Ende (14c) durchgehend erstreckenden, Aufnahmebereich (14a) aufweist, der dazu ausgebildet ist, die mehreren bestimmten, Batteriezellen (18) derart aufzunehmen, dass die im Aufnahmebereich (14a) angeordneten Batteriezellen (18) in Form einer in Längsrichtung (L) verlaufenden Zellreihe (20) nebeneinander und mit ihren Stirnseiten einander zugewandt angeordnet sind; - wobei die Batteriegehäuseanordnung (12) eine mit dem ersten Ende (14b) des mindestens einen Aufnahmeelements (14) gekoppelte Zuführöffnung (42) aufweist, durch welche dem Aufnahmebereich (14a) eine der bestimmten Batteriezellen (18) zuführbar ist; und - wobei die Batteriegehäuseanordnung (12) eine mit dem zweiten Ende (14c) des mindestens einen Aufnahmeelements (14) gekoppelte Ausführöffnung (44) aufweist, aus welcher eine der bestimmten Batteriezellen (18), die im Aufnahmebereich (14a) angeordnet ist, dem Aufnahmebereich (14a) entnehmbar ist.
Batteriegehäuseanordnung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (14a) des mindestens einen Aufnahmeelements (14) in Längsrichtung (L) zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist.
Batteriegehäuseanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (14a) des mindestens einen Aufnahmeelements (14) einen in Längsrichtung (L) variierenden Innendurchmesser und/oder eine in Längsrichtung (L) variierende Innengeometrie aufweist, insbesondere wobei der Aufnahmebereich (14a) mindestens einen in Längsrichtung (L) gerade verlaufenden ersten Abschnitt (50) aufweist und mindestens einen in Längsrichtung (L) gekrümmt verlaufenden zweiten Abschnitt (52) aufweist, wobei der Innendurchmesser des Aufnahmebereichs (14a) in Bezug auf zumindest eine Richtung senkrecht zur Längsrichtung (L) im zweiten Abschnitt (52) größer ist als im ersten Abschnitt (50).
Batteriegehäuseanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriegehäuseanordnung (12) mindestens eine Verschlusseinrichtung (40) zur Verschließen der Zuführöffnung (42) und der Ausführöffnung (44) aufweist, wobei die mindestens eine Verschlusseinrichtung (40) ein Kontaktelement (32, 34) zum elektrischen Kontaktieren einer im mindestens einen Aufnahmeelement (14) aufgenommenen Zellreihe (20).
Batteriegehäuseanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriegehäuseanordnung (12) mindestens eine Spanneinrichtung (36) aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine Spannkraft in und/oder entgegen Längsrichtung (L) auf eine im mindestens einen Aufnahmeelement (14) aufgenommenen Zellreihe (20) auszuüben, insbesondere wobei die mindestens eine Spanneinrichtung (36) in die mindestens eine Verschlusseinrichtung (40) integriert ist.
Batteriegehäuseanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriegehäuseanordnung (12) mehrere Aufnahmeelemente (14) umfassend das mindestens eine Aufnahmeelement (14) aufweist, wobei die mehreren Aufnahmeelemente (14) mit jeweiligen Aufnahmebereichen (14a) ausgebildet sind, die eine gleiche Länge in Längsrichtung (L) aufweisen.
Batteriegehäuseanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Aufnahmeelemente (14) jeweilige erste Enden (14b) aufweisen, die in einem gemeinsamen ersten Endbereich (28) angeordnet sind, und jeweilige zweite Enden (14c) aufweisen, die in einem gemeinsamen zweiten Endbereich (309 angeordnet sind.
Batteriegehäuseanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (32, 34) zum gleichzeitigen elektrischen Kontaktieren jeweiliger in den jeweiligen Aufnahmeelementen aufgenommenen Zellreihen (20) ausgelegt ist.
Batterie (10) für ein Kraftfahrzeug, die eine Batteriegehäuseanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) die mehreren bestimmten, Batteriezellen (18) aufweist, die in Form einer Zellreihe (20) im Aufnahmebereich (14a) des mindestens einen Aufnahmeelements (14) aufgenommen ist.
Verfahren zum Zuführen zumindest einer Batteriezelle (18) einem Aufnahmebereich (14a) zumindest eines Aufnahmeelements (14) einer Batterie nach Anspruch 9 und/oder zum Entfernen zumindest einer Batteriezelle (18) aus dem Aufnahmebereich (14a), wobei beim Zuführen und/oder Entfernen die im Aufnahmebereich (14a) des Aufnahmeelements (14) angeordnete Zellreihe (20) in Längsrichtung (L) verschoben wird.