DE102021130603A1

DE102021130603A1 - Verfahren zum Ausführen eines Zelltauschs, Kraftfahrzeug und Tauschstation

Info

Publication number: DE102021130603A1
Application number: DE102021130603.5A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kirschner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-11-23
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest teilweisen Ausführen eines Zelltauschs von Zellen (14) für eine Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs (10) an einer Tauschstation (38), wobei die Batterie (12) ein Batteriegehäuse (26) mit einer freigebbaren Öffnung (28) aufweist, die zum Tauschen der Zellen (14) freigegeben wird. Dabei sind die Zellen (14) im Batteriegehäuse (26) angeordnet und werden zum Tauschen an der Tauschstation (38) voneinander räumlich separiert aus der Öffnung (28) herausgefahren und der Tauschstation (38) geordnet zugeführt; und/oder die Zellen (14) werden durch die Tauschstation (38) bereitgestellt und voneinander räumlich separiert aus der Tauschstation (38) herausgefahren und durch die Öffnung (28) dem Batteriegehäuse (26) geordnet zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest teilweisen Ausführen eines Zelltauschs von Zellen für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs an einer Tauschstation, wobei die Batterie ein Batteriegehäuse mit einer freigebbaren Öffnung aufweist, die zum Tauschen der Zellen freigegeben wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug und eine Tauschstation.
Derzeit werden batterieelektrische Fahrzeuge, zum Beispiel Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge, batterieelektrische Fahrzeuge, Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge, und so weiter, an Gleichstrom- und an Wechselstrom-Ladesäulen geladen. Es fließt dabei immer ein Strom vom Ladepunkt über ein Ladekabel in die Hochvoltbatterie des zu laden Fahrzeugs. Die Hochvoltbatterie ist dabei fester Bestandteil des Autos und oft eine essentielle Komponente hinsichtlich Steifigkeit der Karosserie und der Gesamtstruktur des Fahrzeugs. Die sich in dem Hochvoltbatteriegehäuse befindenden Zellen sind meist in Module gepackt, welche wiederum fester Bestandteil der Hochvoltbatterie sind. Denkbar ist es auch, Batteriezellen direkt in das Fahrzeugchassis zu integrieren. Bei den meisten bisherigen Technologien ist die Batteriezelle fest mit dem Batteriemodul, dem Gehäuse und/oder der Fahrzeugstruktur verbunden. Eine Möglichkeit, einzelne Zellen zu tauschen, gibt es derzeit nur in der Form, dass die Hochvoltbatterie aufwendig ausgebaut und bei Bedarf manuell einzelne Zellen getauscht werden.
Weiterhin beschreibt die DE 10 2010 018 698 A1 ein Energieversorgungssystem für Elektrofahrzeuge mit mindestens einem Behälter, in welchen elektrische Energiezellen einbringbar und fixierbar sind, und elektrischen Kontakten, mittels welchen die Energiezellen elektrisch kontaktierbar sind, mit mindestens einer betätigbaren Vorrichtung, mittels welcher die Energiezellen derart freigebbar sind, dass sie als lose Menge vorliegen und in dem Behälter in mindestens einer Raumrichtung beweglich sind. Während des Austauschvorgangs werden dann die Energiezellen nicht einzeln, sondern als lose Menge gehandhabt. Dabei sollen die Zellen während des Austauschvorgangs zudem unsortiert gehandhabt werden. Am Heck des Fahrzeugs kann sich eine verschließbare Öffnung befinden, durch welche eine Zelle rollenderweise hindurch passt. Beim Austauschvorgang passieren alle beim Austauschvorgang beteiligten Zellen diese Öffnung, was einem Teilestrom an Energiezellen entspricht. Die Bewegung der Zellen geschieht durch Rollen auf einer schiefen Ebene.
Durch die Handhabung der Zellen als lose Menge kann zumindest beim Zelltausch nicht ausgeschlossen werden, dass sich die einzelnen Zellen berühren oder sogar aneinanderstoßen, was zu einer Beschädigung der Zellen führen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum zumindest teilweisen Ausführen eines Zelltauschs, ein Kraftfahrzeug und eine Tauschstation bereitzustellen, die einerseits einen für die Zellen möglichst schonenden Zelltausch ermöglichen, der andererseits zudem auch eine möglichst gute Situationsanpassung erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, ein Kraftfahrzeug und einen Tauschstation mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum zumindest teilweisen Ausführen eines Zelltauschs von Zellen von der Batterie eines Kraftfahrzeugs an einer Tauschstation weist die Batterie ein Batteriegehäuse mit einer freigebbaren Öffnung auf, die zum Tauschen der Zellen freigegeben wird. Dabei sind die Zellen im Batteriegehäuse angeordnet und werden zum Tauschen an der Tauschstation voneinander räumlich separiert aus der Öffnung herausgefahren und der Tauschstation geordnet zugeführt, und/oder die Zellen werden durch die Tauschstation bereitgestellt und voneinander räumlich separiert aus der Tauschstation herausgefahren und durch die Öffnung dem geordnet Batteriegehäuse zugeführt.
Durch das voneinander räumlich separierte Bewegen bzw. Fahren der Zellen kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass diese sich während des Zelltauschs nicht berühren. Dadurch kann das Risiko einer Beschädigung der Zellen während des Zelltauschs minimiert werden. Zudem beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass ein Zelltausch, gemäß welchem die Zellen unsortiert vorliegen, zahlreiche Nachteile mit sich bringt. Dies ist wiederum dadurch bedingt, dass ein Zelltausch mehrere verschiedene Gründe haben kann. Ein Zelltausch kann beispielsweise stattfinden, wenn die im Fahrzeug befindlichen Zellen entladen sind und gegen neue, vollgeladene Zellen getauscht werden sollen. Ein Zelltausch kann aber auch aus anderen Gründen stattfinden. Beispielsweise kann es sein, dass eine oder mehrere der Zellen im Kraftfahrzeug defekt sind. Diese können dann mittels eines Zelltauschverfahrens gegen neue, intakte Zellen ausgetauscht werden. Auch besteht die Möglichkeit, Zellen gegen andere eines anderen Zelltyps zu tauschen, die andere elektrische oder elektrochemische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise gibt es Energiezellen, die eine vergleichsweise hohe Kapazität aufweisen und mit welchen sich entsprechend große Reichweiten erzielen lassen. Auch gibt es beispielsweise Leistungszellen, die im Vergleich zu den Energiezellen typischerweise bei gleichem Bauraum eine verringerte Kapazität aufweisen, mit denen sich aber deutlich höhere Ströme und damit höhere Leistungen bereitstellen lassen, und die daher für sportliche Fahrweisen optimiert sind. Weisen zudem Zellen unterschiedliche Eigenschaften auf, zum Beispiel eine unterschiedliche Kapazität, sei es von Hause aus oder alterungsbedingt, so kann es sein, dass nur bestimmte Zellen ausgetauscht werden sollen oder für den Fall, dass alle Zellen ausgetauscht werden, manche dieser Zellen an der Tauschstation aussortiert werden sollten. In all diesen Fällen ist es vorteilhaft, wenn diese einzelnen Eigenschaften der jeweiligen Zellen der Tauschstation oder dem Fahrzeug bekannt sind beziehungsweise bekannt gemacht werden können. Bei einer ungeordneten Handhabung einer Zellmenge ist dies jedoch nicht möglich. Würden also die Batteriezellen aus der Batterie der Tauschstation als lose, ungeordnete Menge zugeführt werden, so können die einzelnen Zelleigenschaften einer jeweiligen Zelle, die dem Kraftfahrzeug bekannt sind, nicht mehr der Tauschstation mitgeteilt werden. Anders verhält es sich jedoch, wenn die einzelnen Zellen voneinander räumlich separiert und geordnet ausgetauscht werden. Dies ermöglicht nämlich die Festlegung z.B. einer Reihenfolge. Entsprechend ist es durch die geordnete Zuführung der Zellen zur Tauschstation oder zum Kraftfahrzeug möglich, durch eine solche Ordnung auch eventuelle Zellparameter für die jeweiligen Zellen festzulegen und zu übermitteln, zum Beispiel gemäß ihrer Position in einer räumlichen Anordnung oder zeitlichen Reihenfolge oder ähnliches. Dies ermöglicht es wiederum zum Beispiel, gezielt defekte Zellen auszusortieren, auszutauschen oder auch einfacher hinsichtlich ihres Typs zu klassifizieren und zu sortieren. Somit ermöglicht die Erfindung einerseits eine deutlich schonendere Handhabung der Zellen während des Zelltauschs, sowie auch eine deutlich bessere Situationsanpassung. Zudem beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass sich gerade durch die Kombination eines solchen Tauschverfahrens mit sogenannten Einheitszellen große Vorteile erzielen lassen. Bei einer solchen Einheitszelle handelt es sich um eine Batteriezelle, die eine gegebene, zum Beispiel standardisierte, geometrische Form hat, und in welcher verschiedene Zellchemien eingesetzt werden können, die jedoch dennoch nach außen hin immer denselben Formfaktor aufweist. Mit anderen Worten lassen sich so viele Zellen bereitstellen, die nach außen hin den gleichen Formfaktor, d.h. vor allem die gleiche Geometrie, aufweisen, die sich jedoch hinsichtlich ihrer Zellchemien und entsprechend auch hinsichtlich ihrer elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften unterscheiden. So können Zellen verschiedener Zelltypen in einer Batterie einfach gegeneinander ausgetauscht werden, ohne hierfür die übrigen Komponenten der Batterie ändern zu müssen. Dies bietet viele Vorteile hinsichtlich der Konzeption von Hochvolt-Batterien und Flexibilität bei einzelnen Derivaten, da mittelfristig ein auf den Benutzer immer besser zugeschnittene Energiespeicher als Batterie angeboten werden kann. Gerade ein solches Zelltauschverfahren hat im Hinblick auf solche Einheitszellen dann entsprechend große Vorteile, da sich hierdurch auch Zellen unterschiedlicher Zelltypen in beliebiger Weise austauschen lassen und somit eine Batterie konfiguriert werden kann, die den aktuellen Bedürfnissen eines Benutzers entspricht und deutlich besser angepasst ist. Hierdurch lässt sich eine noch bessere Situationsanpassung bereitstellen.
Unter einer zumindest teilweisen Ausführung eines Zelltauschs soll dabei zum einen auch verstanden werden können, dass Zellen aus dem Batteriegehäuse der Tauschstation zugeführt werden, ohne dass im Zuge dieses Tauschvorgangs zusätzlich auch Zellen aus der Tauschstation in die Batterie des Kraftfahrzeugs eingebracht werden, und zudem auch, dass Zellen von der Tauschstation in die Batterie eingebracht werden, ohne dass im Zuge dieses Tauschvorgangs auch Zellen aus der Batterie in die Ladestation eingebracht werden müssen. Mit anderen Worten soll unter einem Zelltausch auch ein nur unidirektionaler Zelltausch verstanden werden, das heißt entweder von der Tauschstation zum Kraftfahrzeug oder vom Kraftfahrzeug zur Tauschstation. Nichtsdestoweniger können im Zuge des Zelltauschs auch sowohl Zellen aus der Batterie der Tauschstation zugeführt werden und zusätzlich Zellen aus der Tauschstation der Batterie zugeführt werden. Zum Zwecke des Zelltauschs kann die Tauschstation temporär mit der Öffnung des Batteriegehäuses gekoppelt werden, zum Beispiel über einen Kopplungskanal. Das Kraftfahrzeug kann entsprechend so ausgestaltet sein, dass die freigegebene Öffnung des Batteriegehäuses auch von außerhalb des Kraftfahrzeugs zugänglich ist. Beispielsweise kann also auch in der Außenhülle des Kraftfahrzeugs eine entsprechende freigebbare Öffnung vorgesehen sein, zum Beispiel ähnlich einem Tankdeckel. Die Geometrie der Zellen, die im Zuge des Zelltauschverfahrens getauscht werden, spielt dabei keine Rolle. Bei den Zellen kann es sich also um prismatische Zellen, Rundzellen oder Pouchzellen handeln. Stellen die Zellen oben beschriebene Einheitszellen dar, so ist es bevorzugt, dass die Zellen als prismatische Zellen ausgebildet sind. Denkbar wäre es auch, dass die Tauschstation Zellen mit verschiedener Geometrie bevorraten kann und je nach im Fahrzeug vewendetem Zelltyp dem jeweiligen Kraftfahrtzeug zuführen kann.
Die Batterie stellt vorzugsweise eine Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs dar. Entsprechend ist die Batterie vorzugsweise als eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Dabei muss von der Batterie nicht notwendigerweise immer die gleiche Anzahl an Zellen umfasst sein. Diese kann beispielsweise auch je nach Länge der aktuell noch zurückzulegenden Strecke variiert werden. Somit können an der Tauschstation zum Beispiel mehr oder weniger Zellen der Batterie zugeführt werden, je nach Situation oder Wunsch des Fahrers. Die freigebbare Öffnung kann zum Beispiel mittels einer Klappe oder einem ähnlichen Verschluss verschließbar sein und bei Bedarf, zum Beispiel durch Ansteuerung, geöffnet werden. Die räumliche Separation der Batteriezellen während des Tauschverfahrens soll dabei so verstanden werden, dass ein vorgebbarer Mindestabstand zwischen den Zellen nicht unterschritten werden kann. Dies kann durch eine bestimmte strukturelle Ausbildung des Tauschsystems, insbesondere der Zelltauscheinrichtung des Kraftfahrzeugs und/oder der Tauschstation, bewerkstelligt werden. Dass die Batteriezellen also während des Tauschens voneinander räumlich separiert sind, ist dabei also nicht dem Zufall überlassen, sondern durch eine konkrete strukturelle Ausbildung der zum Tauschen verwendeten Tauscheinrichtung des Kraftfahrzeugs und/oder der Tauschstation bedingt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer jeweiligen Zelle eine Halte- und Kopplungseinrichtung zugeordnet, die die zugeordnete Zelle hält und die mit einer Führungsschiene eines Führungsschienensystems gekoppelt ist, auf welcher die Zellen beim Tauschen geführt werden. Durch das Vorsehen einer solchen Halte- und Kopplungseinrichtung lässt es sich also auf einfache Weise bewerkstelligen und auf sichere Weise gewährleisten, dass zwischen den einzelnen Zellen immer ein bestimmter Mindestabstand eingehalten ist. Dies betrifft nicht nur das Tauschen der Zellen an sich, sondern zum Beispiel auch die Positionierung der Zellen innerhalb des Batteriegehäuses beziehungsweise innerhalb der Tauschstation. Auch im stationären Zustand der Zellen, und vor allem im Betrieb der Zellen im Kraftfahrzeug, ist es dabei sehr von Vorteil, wenn die Zellen dabei räumlich voneinander separiert sind und ihre Zellgehäuse sich nicht berühren und die Zellen sozusagen untereinander nur über die elektrische Verschaltung miteinander gekoppelt sind. Durch einen räumlichen Abstand zwischen den Zellgehäusen lässt sich eine besonders gute thermische Entkopplung zwischen den Zellen bereitstellen, was den Vorteil hat, dass sich ein Aufheizen einer Zelle nicht unmittelbar, d.h. nicht so schnell, auf die nächste benachbarte Zelle überträgt. Auch kann hierdurch effizient verhindert werden, dass die Zellen aneinander scheuern, sowohl beim Transfer als auch im Fahrzeug, sodass hierdurch bedingte Abnutzungserscheinungen vermieden werden können und hierdurch hervorgerufene gefährliche Zustände im Fahrzeug ebenso. Das Schienensystem mit der Führungsschiene hat dabei den großen Vorteil, dass die Zu- und Abführung der Zellen entlang einer definierten Bahn, die durch die Führungsschiene vorgegeben ist, erfolgen kann. Ein unkontrolliertes Vermischen der Zellen untereinander kann hierdurch vorteilhafterweise vermieden werden. Ein solches Führungsschienensystem kann dabei sowohl im Batteriegehäuse vorgesehen sein, sowie auch in der Tauschstation. Beispielsweise kann auf einem Boden des Batteriegehäuses eine spiralförmig geführte Schiene angeordnet sein, die bis zur freigebbaren Öffnung führt. Wird zum Zwecke des Zelltauschs die Tauschstation mit der Öffnung der Batterie beziehungsweise des Batteriegehäuses gekoppelt, so kann auch in einem geeigneten Kopplungskanal eine solche Schiene vorgesehen sein, die sich dann entsprechend an das Ende der Schiene im Batteriegehäuse im Öffnungsbereich ankoppelt oder anschließt und bis in die Tauschstation fortsetzt. Die auf der Schiene im Batteriegehäuse angeordneten Zellen, insbesondere über ihre jeweiligen Halter und Kopplungseinrichtungen angeordneten Zellen, können so einzeln nacheinander entlang der Schiene aus dem Batteriegehäuse durch die Öffnung herausgefahren und in die Tauschstation eingefahren werden sowie umgekehrt aus der Tauschstation herausgefahren und in das Batteriegehäuse hineingefahren werden. Anstelle eines spiralförmigen Verlaufs einer einzelnen Führungsschiene ist auch ein komplexeres Führungsschienensystem, zum Beispiel mit einzelnen, über Weichen verschaltbaren Schienenabschnitten, innerhalb des Batteriegehäuses denkbar. Sollen beispielsweise nur einzelne Zellen ausgetauscht werden, so müssen nicht alle gemäß dem Schienenverlauf in der Reihenfolge davor befindlichen Zellen ebenfalls aus dem Batteriegehäuse ausgeführt werden, wie dies mit einer Schienenanordnung mit einer einzelnen Führungsschiene der Fall wäre. Nichtsdestoweniger ist es bevorzugt, lediglich eine einzelne Schiene, die grundsätzlich auch beliebig gewunden auf dem Gehäuseboden des Batteriegehäuses angeordnet sein kann, vorzusehen, da hierdurch komplexe Weichensysteme vermieden werden können. Die Führungsschiene muss dabei also nicht notwendigerweise spiralförmig verlaufen, sondern kann auch schlangenförmig verlaufen oder jede beliebig andere gewundene Struktur annehmen. Ein solches komplexes Weichensystem kann stattdessen in der Tauschstation umgesetzt sein, wo ohnehin mehr Bauraum zur Verfügung steht als im Kraftfahrzeug, sodass für den Fall, dass nur einzelne Batteriezellen getauscht werden sollen, zum Beispiel auch zunächst alle anderen in der Reihenfolge davor befindlichen Zellen aus der Batterie in die Tauschstation gefahren werden können, über das in der Tauschstation befindliche Weichensystem die einzelnen zu tauschenden Zellen aus der ausgeführten Zellgruppe ausgekoppelt werden können, und dann die restlichen Zellen wieder der Batterie zugeführt werden können, sowie gegebenenfalls noch zusätzliche weitere Zellen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine jeweilige Halte- und Kopplungseinrichtung auf der Führungsschiene zumindest während des Fahrens magnetisch geführt und bewegt, ohne die Führungsschiene zu berühren. Die Zellen können durch die Halte- und Kopplungseinrichtung beispielsweise greifarmähnlich gehalten werden. Das Fahren der Halte- und Kopplungseinrichtung auf der Führungsschiene erfolgt damit gemäß dem Magnetschwebebahnprinzip. Zu diesem Zweck kann die Führungsschiene einen oder mehrere Magneten aufweisen, sowie auch eine jeweilige Halte- und Kopplungseinrichtung. Die Magnete der Haltungs- und Kopplungseinrichtungen sind vorzugsweise als Permanentmagnete ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, dass diese nicht im Betrieb mit Strom versorgt werden müssen. Stattdessen ist es bevorzugt, dass die Magneten der Führungsschiene als Elektromagneten ausgestaltet sind. Durch geeignete Ansteuerung dieser Elektromagneten in Abstimmung auf die Polung der von den Halte- und Kopplungseinrichtungen umfassten Magneten kann zum einen die schwebende Positionierung der Halte- und Kopplungseinrichtung inklusive der von ihr gehaltenen Zelle auf der Führungsschiene erreicht werden, sowie auch eine definierte Fortbewegung entlang der Führungsschiene. Werden die Zellen mittels der Halte- und Kopplungseinrichtung nicht auf der Führungsschiene gefahren, zum Beispiel wenn sie sich in ihrer bestimmungsgemäßen Position im Batteriegehäuse befinden, so erfolgt eine Deaktivierung der Elektromagneten der Führungsschiene beziehungsweise des Führungssystems insgesamt, sodass in diesem Fall auch ein physischer Kontakt zwischen der Halte- und Kopplungseinrichtung einer jeweiligen Zelle und der Führungsschiene vorhanden sein kann. Mit anderen Worten können die jeweiligen Halte- und Kopplungseinrichtungen auch auf der Führungsschiene aufliegen, wenn die Batteriezellen inklusive ihrer Halte- und Kopplungseinrichtungen sich in ihrer bestimmungsgemäßen Position im Batteriegehäuse befinden, in welcher sie auch fixiert sind oder fixiert werden sollen. Ein solches Magnetschwebebahnprinzip hat den großen Vorteil, dass dieses aufgrund der fehlenden Reibung besonders energieeffizient ist, und vor allen Dingen einen sehr schonenden Transport für die Zellen an sich erlaubt. Denkbar wäre zum Beispiel auch eine Ausführung des Transportsystems mit Rollen, zum Beispiel indem die jeweiligen Halte- und Kopplungseinrichtungen auf einer Führungsschiene mit Rollen geführt werden, die Verwendung des Magnetschwebebahnprinzips hat jedoch zudem auch den großen Vorteil, dass dieses deutlich weniger verschleißanfällig ist, zum Beispiel im Gegensatz zu einem Rollensystem. Eine mögliche Blockade des Transportsystems, z.B. durch Staub oder Schmutz oder aufgrund eines Defekts der Rollen ist entsprechend unwahrscheinlich. Damit ist dieses auf dem Magnetschwebebahnprinzip beruhende Transportsystem deutlich weniger wartungsintensiv.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriegehäuse einen Deckel und einen Boden auf, wobei der Deckel die im Batteriegehäuse angeordneten Zellen in ihrer Position fixiert, und wobei die Fixierung für den Zelltausch gelöst wird, indem der Deckel so bewegt wird, dass sich ein Abstand des Deckels zum Boden vergrößert, und/oder wobei die im Batteriegehäuse angeordneten Zellen mittels des Deckels fixiert werden, indem der Deckel in Richtung des Bodens bewegt wird. Damit kann also vorteilhafterweise eine Fixierung für alle im Batteriegehäuse befindlichen Zellen gleichzeitig bereitgestellt werden. Dies vereinfacht die Ansteuerung zum Herstellen und Lösen der Fixierung. Diese Art der Fixierung ist zudem besonders vorteilhaft, da sie besonders gut an das oben beschriebene Magnetschwebebahnprinzip des Transportmechanismus anpassbar ist. Wie bereits beschrieben, ist es bevorzugt, dass die Halte- und Kopplungseinrichtungen mit den Zellen auf der Führungsschiene aufliegen, wenn sich diese in ihrer bestimmungsgemäßen Position im Batteriegehäuse befinden. Während des Verfahrens beziehungsweise Tauschs der Zellen sollen sich jedoch die Halte- und Kopplungseinrichtungen und die Führungsschienen nicht berühren, insbesondere indem also ein bestimmter Abstand zwischen Halte- und Kopplungseinrichtung sowie der Führungsschiene andererseits besteht. Dies führt zu einer bestimmten Vergrößerung dieses Aufbaus aus Führungsschiene und Halte- und Kopplungseinrichtung sowie der von dieser gehaltenen Zelle in der Höhe. Der gegenüber dem Boden variierbare Deckel des Batteriegehäuses kann sich so zudem vorteilhafterweise auch an diese Höhenänderung anpassen. Durch das Hochfahren des Deckels ist damit auch automatisch möglich, dass sich die gegenüber der Führungsschiene erhöhten Zellen beim Bewegen einfach und ungehindert aus dem Batteriegehäuse fahren lassen oder in dieses hineinfahren lassen. Sind diese an ihrer bestimmungsgemäßen Position und ist das Transportsystem abgeschaltet, so ist auch die Höhe der Zellen gegenüber dem Gehäuseboden entsprechend verringert, was durch das Herunterfahren des Deckels vorteilhafterweise ausgeglichen werden kann. Gleichzeitig kann so zudem auch eine Fixierung bereitgestellt werden. Damit muss das Transportsystem während der Fahrt des Kraftfahrzeugs nicht selbst für eine solche Fixierung der Zellen sorgen und auf einfache Weise kann ein Verschieben der Zellen entlang der Schiene verhindert werden. Der Deckel kann hierfür unterseitig, das heißt auf der dem Boden zugewandten Seite, eine entsprechende Fixierungsstruktur für die Zellen aufweisen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Deckel auf einer dem Boden zugewandten Seite eine elektrische Verschaltungseinrichtung auf, mittels welcher die Zellen im Batteriegehäuse elektrisch zueinander verschaltet werden, wenn diese durch den Deckel fixiert werden. Ähnlich wie die beschriebenen Fixierungsstrukturen können also auch Verschaltungskomponenten unterseitig am Deckel angeordnet sein. Durch das Herunterfahren des Deckels zum Fixieren der Zellen werden diese gleichzeitig auch miteinander verschaltet. Diese Verschaltung kann durch eine bestimmte Struktur von elektrischen Leitern beziehungsweise Zellverbindern, die unterseitig am Deckel angeordnet ist, bereitgestellt werden.
In den Deckel und/oder in den Boden des Batteriegehäuses und/oder in eine andere Komponente des Batteriegehäuses, z.B. eine Seitenwand, können auch von einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, durchströmbare Kühlkanäle angeordnet sein. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise eine Kühlung der Zellen und bei Bedarf auch eine Beheizung der Zellen bereitgestellt werden. Die Kühlkanäle können an ein Kühlsystem bzw. einen Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen sein.
Die Batterie kann dabei im Fahrzeug so angeordnet sein, dass sich der Deckel in Bezug auf die Fahrzeughochachse über dem Boden des Batteriegehäuses befindet. In dem Fall ist die Führungsschiene auf dem Boden des Batteriegehäuses angeordnet, insbesondere auf einer dem Deckel zugewandten Seite des Bodens, und die Halte- und Kopplungseinrichtungen mit den jeweiligen durch diese gehaltenen Zellen befinden sich in Bezug auf die Fahrzeughochachse über der Führungsschiene. Denkbar wäre es jedoch auch, dass der Deckel des Batteriegehäuses in Bezug auf die Fahrzeughochachse unterhalb des Bodens des Batteriegehäuses angeordnet ist. Die Zellen sind dann mit ihren Halte- und Kopplungseinrichtungen zum Beispiel entsprechend auf der über ihnen befindlichen Schiene aufgehängt. Die Zellen können durch die Halte- und Kopplungseinrichtung entsprechend greifarmähnlich gehalten werden. Eine Fixierung der Zellen durch den Deckel durch Auf- und Abfahren des Deckels kann hierbei ganz analog erfolgen. Auch in diesem Fall wird also der Deckel vorzugsweise in eine Bewegungsrichtung parallel zur Fahrzeughochachse bewegt. Der Begriff Boden des Batteriegehäuses soll also nicht implizieren, dass der Boden notwendigerweise unterhalb des Deckels des Batteriegehäuses angeordnet ist. Dieser kann sich, wie beschrieben, optional auch oberhalb des Deckels befinden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer jeweiligen Zelle mindestens ein Zellparameter zugeordnet, wobei beim Zelltausch eine Information über den mindestens einen Zellparameter für jede getauschte oder zu tauschende Zelle zwischen dem Kraftfahrzeug und der Tauschstation ausgetauscht wird. Damit können vorteilhafterweise auch bestimmte Zellcharakteristiken, die einem der beiden Tauschpartner, nämlich dem Kraftfahrzeug oder der Tauschstation, bekannt sind, dem anderen dieser beiden Tauschpartner mitgeteilt werden. Ist beispielsweise eine im Kraftfahrzeug befindliche Zelle defekt und soll beim Tauschvorgang getauscht werden, so kann dieser defekte Zustand dieser speziellen Zelle als Zellparameter der Tauschstation mitgeteilt werden. Diese kann, wenn diese Zelle an der Tauschstation im Rahmen des Tauschvorgangs ankommt, entsprechend von der Tauschstation gleich als defekte Zelle aussortiert werden. Die Zellen befinden sich dabei im Batteriegehäuse in einer vorbestimmten Anordnung. Dabei ist also jeder Zelle auch eine bestimmte Position zugeordnet. Die einzelnen Zelleigenschaften und Zellparameter der jeweiligen Zellen sind damit dem Fahrzeug, insbesondere einem Batteriemanagementsystem, durch diese definierte Anordnung bekannt. Im Rahmen des Zelltauschverfahrens können die Zellen gemäß einer festgelegten Reihenfolge wie beschrieben entlang der Führungsschiene geführt der Tauschstation zugeführt werden. Die einzelnen Zellparameter können somit vorteilhafterweise ebenfalls gemäß der Führungsreihenfolge der Zellen an die Tauschstation übermittelt werden. Zu diesem Zweck kann das Kraftfahrzeug also mit der Tauschstation kommunizieren. Eine solche Kommunikation kann dabei drahtlos erfolgen oder auch kabelgebunden, zum Beispiel über die physische Kopplung der Tauschstation mit der Öffnung des Batteriegehäuses. Bevorzugt ist hierbei jedoch eine kabellose Kommunikationsmöglichkeit, da zwischen Kraftfahrzeug und Tauschstation dann auch bereits Informationen ausgetauscht werden können, noch bevor die Tauschstation physisch mit dem Batteriegehäuse in Kontakt steht. Über diese Kommunikationsmöglichkeit kann das Kraftfahrzeug der Tauschstation also beispielsweise mitteilen, welche Zellparameter den jeweiligen Zellen zugeordnet sind, insbesondere gemäß der Reihenfolge, in welcher die Zellen der Tauschstation zugeführt werden. Gleiches gilt auch im umgekehrten Fall. Führt die Tauschstation dem Kraftfahrzeug neue Zellen zu, so kann auch diese dem Kraftfahrzeug die aktuellen, den jeweiligen Zellen zugeordneten, Zellparameter gemäß ihrer Übermittlungsreihenfolge mitteilen. Solche Zellparameter können darüber hinaus zum Beispiel auch den aktuellen Ladezustand, die Kapazität, den aktuellen Alterungszustand oder ähnliches darstellen. Diese Zellparameter können dann vorteilhafterweise vom Batteriemanagementsystem der Batterie verwendet werden, zum Beispiel um die aktuelle Reichweite des Kraftfahrzeugs angemessen zu ermitteln, geeignete Sicherheitsgrenzen, zum Beispiel hinsichtlich des maximal erlaubten Batteriestroms beim Fahren, festzulegen oder ähnliches.
Daher stellt es eine weitere vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der mindestens eine Zellparameter einen Ladezustand der Zelle angibt und/oder einen Defektzustand der Zelle angibt und/oder einen Zelltyp der Zelle spezifiziert und damit zum Beispiel die elektrischen und/oder elektrochemischen Eigenschaften der Zelle, insbesondere deren Leistungsfähigkeit. Auch weitere andere Zellparameter können vorgesehen und entsprechend übermittelt werden, wie zum Beispiel eine Kapazität der betreffenden Zelle und/oder ein Alter der betreffenden Zelle und/oder ein Gesundheitszustand der betreffenden Zelle. Auch können zum Beispiel andere beim Betrieb der Batterie relevante Sicherheitsgrößen der Zellen mitgeteilt werden, zum Beispiel Grenztemperaturen, welche einer jeweiligen Zelle zugeordnet sind und die im Betrieb nicht über- oder unterschritten werden sollten, maximal zulässige der Zelle zu entnehmende oder zuzuführende Batterieströme oder ähnliches. Auch können einzelne den Zellen zugeordnete Kennwerte, Kenngrößen oder Kennlinien als solche Zellparameter übermittelt werden. Derartige Parameter sind vor allem im Zuge der Batterieüberwachung für das Batteriemanagementsystem und auch für den korrekten Betrieb der Batterie von großer Bedeutung. Daher ist es besonders vorteilhaft, dass solche Zellparameter zellindividuell für jede Zelle oder auch für getauschte Zellgruppen auch beim Zelltausch berücksichtigt werden können, zumindest sofern die Zellen einer Zellgruppe einen oder mehrere gleiche Zellparameter aufweisen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ermittelt eine dem Kraftfahrzeug zugeordnete Steuereinrichtung in Abhängigkeit von einem Fahrparameter des Kraftfahrzeugs einen Zelltyp oder eine Zelltypkonfiguration mehrerer Zelltypen als empfohlener Tauschparameter und gibt diesen über eine Ausgabeeinrichtung dem aktuellen Benutzer des Kraftfahrzeugs als Vorschlag für den Zelltausch aus und/oder übermittelt diesen an die Tauschstation, die die bereitzustellenden Zellen in Abhängigkeit vom empfohlenen Tauschparameter bereitstellt, sodass die den bereitgestellten Zellen zugeordneten Zellparameter dem empfohlenen Tauschparameter entsprechen. Beispielsweise kann ein durch die Steuereinrichtung ausgeführter Algorithmus berechnen, welche Zellchemie und Zellanzahl perfekt auf das momentane Fahrer- und Streckenprofil passt und unterbreitet dem Fahrer vor dem Zelltausch einen entsprechenden Vorschlag. Der Fahrparameter des Kraftfahrzeugs kann also beispielsweise ein Streckenprofil von mit dem Kraftfahrzeug ab einem bestimmten Zeitpunkt gefahrenen oder noch zu fahrenden Strecken und/oder ein Fahrerprofil eines Fahrers des Kraftfahrzeugs darstellen. Hat der Fahrer in seinem Navigationssystem beispielsweise ein bestimmtes Ziel hinterlegt, so kann die Zellanzahl so bemessen werden, dass sich dieses Ziel sicher erreichen lässt. Es müssen also nicht mehr Zellen in der Batterie mitgeführt werden, wie bedingt bis zum Erreichen des Ziels oder zum Beispiel auch bis zur nächsten Tauschstation nötig sind. Hierdurch kann Energie und Gewicht gespart werden. Weiterhin ist es vorteilhafterweise möglich, auch die Zellchemie und damit den Zelltyp an das aktuelle Fahrerprofil anzupassen. Bei mehreren Fahrern eines Kraftfahrzeugs kann für einen jeweiligen Fahrer ein solches Profil durch das Kraftfahrzeug beziehungsweise durch die Steuereinrichtung erstellt werden. Hierzu können Fahrweisen und Streckendaten bisher gefahrener Strecken ausgewertet werden. Bei sehr dynamischen, sportlichen Fahrweisen kann dem Fahrer beim Zelltausch zu Leistungszellen geraten werden, während einem Fahrer, der typischerweise sehr weite Strecken am Stück zurücklegt, zu Energiezellen geraten werden kann. Auch hierbei sind wiederum weitere und andere Ausgestaltungen denkbar. Die Steuereinrichtung kann dabei vom Kraftfahrzeug umfasst sein und damit zum Beispiel im Kraftfahrzeug angeordnet sein. Denkbar ist es auch, dass die Steuereinrichtung kraftfahrzeugextern angeordnet ist und zum Beispiel als eine kraftfahrzeugexterne, zentrale Datenverarbeitungseinrichtung, zum Beispiel Internetserver, ausgebildet ist, der entsprechende Fahrprofildaten und Streckendaten vom Kraftfahrzeug empfängt, auswertet und entsprechende Vorschläge zurück an das Kraftfahrzeug übermittelt, insbesondere in Form des empfohlenen Tauschparameters. Die Ausgabeeinrichtung kann zum Beispiel als Display oder Touchscreen oder akustische Ausgabeeinrichtung ausgestaltet sein. Dabei muss der empfohlene Tauschparameter nicht notwendigerweise dem Fahrer vorgeschlagen werden, sondern kann auch automatisiert an die Tauschstation übermittelt werden, die dann die entsprechenden Zellen auswählt und bereitstellt. Hierdurch können ohne Interaktion durch einen Benutzer automatisiert gleich die auf das aktuelle Fahrprofil des Fahrers angepassten Zellen bereitgestellt und beim Zelltausch dem Fahrzeug zugeführt werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer Zelltauscheinrichtung zum zumindest teilweisen Ausführen eines Zelltauschs von Zellen einer Batterie des Kraftfahrzeugs an einer Tauschstation, wobei die Batterie ein Batteriegehäuse mit einer zum Tauschen der Zellen freigebbaren ausgebildeten Öffnung aufweist. Dabei sind die Zellen im Batteriegehäuse angeordnet, wobei die Zelltauscheinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Zellen zum Tauschen an der Tauschstation voneinander räumlich separiert aus der freigegebenen Öffnung geordnet herausfahrbar und der zum Tauschzeitpunkt mit der Öffnung gekoppelten Tauschstation geordnet zuführbar sind.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Tauschstation zum zumindest teilweisen Ausführen eines Zelltauschs von Zellen für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, die ein Batteriegehäuse mit einer zum Tauschen der Zellen freigebbaren Öffnung aufweist. Dabei ist die Tauschstation dazu ausgelegt, die Zellen bereitzustellen und voneinander räumlich separiert aus der Tauschstation geordnet herauszufahren und durch die zum Zeitpunkt des Zelltauschs mit der Tauschstation gekoppelte Öffnung dem Batteriegehäuse geordnet zuzuführen.
Auch hier gelten die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Tauschstation.
Die Tauschstation kann zudem zur Bevorratung der Zellen ausgebildet sein. Dabei kann es zudem vorgesehen sein, dass die Tauschstation dazu ausgelegt ist, Zellen eines unterschiedlichen Zelltyps bereitzustellen. Vorzugsweise weisen die von der Tauschstation bereitgestellten Zellen, unabhängig von ihrem Zelltyp und ihren sonstigen zellspezifischen, elektrischen oder elektrochemischen Eigenschaften, einen gleichen äußeren Formfaktor auf. Dieser bezieht sich vor allem auf die geometrische Ausbildung der Zellen.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Tauschstation, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Tauschstation hier nicht noch einmal beschrieben.
Zu der Erfindung gehört auch die Steuereinrichtung für das Kraftfahrzeug und/oder die Tauschstation. Die Steuereinrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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 eines Kraftfahrzeugs mit einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle für eine Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Batterie für ein Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Gehäusedeckels einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Tauschstation gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung der Batterie ohne Gehäusedeckel und der Tauschstation im mit der Batterie gekoppelten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines Transportsystems zum Fördern der Batteriezellen zwischen der Tauschstation und dem Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
8 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Teils des Transportsystems 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 eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Batterie 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 12 ist dabei als Hochvoltbatterie ausgebildet und kann mehrere Batteriezellen 14 umfassen beziehungsweise aufnehmen, von welchen exemplarisch nur einige dargestellt sind. Die Batterie 12 ist dabei fest von unten mit dem Fahrzeugchassis des Fahrzeugs 10 verbunden. An der Hochvoltbatterie 12 sind wiederum verschiedene Energiesenken 16 kontaktiert, welche bei Bedarf mit Energie versorgt werden. Solche Energiesenken 16 stellen also diverse Verbraucher und elektrische Komponenten des Kraftfahrzeugs 10 dar, die über die von der Batterie 12 bereitgestellte Energie betrieben werden können. In der Hochvoltbatterie 12 befindet sich darüber hinaus eine Recheneinheit 18, die eine Steuereinrichtung 18 für die Batterie 12 bereitstellt. Diese Recheneinheit 18 ist für das Batterie- und Zellmanagement zuständig. Die Recheneinheit 18 ist zudem mit dem Fahrzeugbussystem 20 verbunden, wodurch ein permanenter Datenaustausch zwischen der Hochvoltbatterie 12, insbesondere der Recheneinheit 18, und allen anderen Steuergeräten 22, die an das Bussystem 20 angebunden sind, stattfinden kann. Auch eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle 24 als Teil des Kraftfahrzeugs 10 kann an das Bussystem 20 angebunden sein. Über diese können Informationen an einen Fahrer des Kraftfahrzeugs 10 ausgegeben werden oder Angaben durch den Fahrer an das Kraftfahrzeug 10 getätigt werden. Eine solche Mensch-Maschinen-Schnittstelle 24 kann zum Beispiel als eine Anzeigeeinrichtung, ein Bedienelement, eine Ausgabeeinrichtung, zum Beispiel eine optische oder akustische Ausgabeeinrichtung, einen Touchscreen oder ähnliches darstellen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 14 für eine Batterie 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel ist die Batteriezelle 14 als eine prismatische Batteriezelle 14 ausgebildet. Eine solche Batteriezelle 14 umfasst typischerweise zwei Zellpole 14a, 14b, die im bestimmungsgemäß in der Batterie 12 angeordneten Zustand mit den Zellpolen 14a, 14b anderer Batteriezellen 14 verschaltet sind. Weiterhin weist eine solche Batteriezelle 14 ein Zellgehäuse 14c auf, eine in einem Zellentgasungsfall freigebbare Zellentgasungsöffnung 14d, sowie weitere optionale Komponenten. In diesem Beispiel ist die Batteriezelle 14 als eine Einheitszelle 14 ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass darin die verschiedensten Zellchemien eingesetzt werden können, aber die Zelle 14 nach außen hin immer denselben Formfaktor aufweist, d.h. die gleiche Geometrie und Größe.
3 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung der Hochvoltbatterie 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese kann insbesondere wie zuvor bereits beschrieben ausgebildet sein. Die Hochvoltbatterie 12 weist dabei ein Batteriegehäuse 26 auf, in welchem die Batteriezellen 14 aufgenommen sind oder aufnehmbar sind. Das Hochvoltbatteriegehäuse 26 umfasst dabei ein Unterteil 26a und einen beweglichen Batteriedeckel 26b. Weiterhin weist das Hochvoltbatteriegehäuse 26 einen Batteriezellenzugangspunkt 28 auf. Dieser ist durch eine Öffnung 28 im Batteriegehäuse 26 bereitgestellt, der durch eine Klappe 30 oder einen geeigneten Verschluss verschließbar ist. 3 zeigt diese Klappe 30 einmal in der geöffneten Position P2, sowie einmal in einer Zwischenstellung P1 während des Öffnens. In diesem Beispiel kann die Öffnung 28 also freigegeben werden, indem die Klappe 30 aufklappt. Denkbar wäre aber auch ein translatorisches Verfahren der Klappe 30 in die geöffnete Stellung P2. Soll ein Batteriezellentausch stattfinden, kann also dieser Zugangspunkt 28 geöffnet werden, indem die Klappe 30 elektrisch verfahren wird oder durch einen anderen Stellmechanismus bewegt wird. Gleichzeitig kann der Batteriedeckel 26b in der Höhe, das heißt in der hier dargestellten Z-Richtung, verfahren werden. Diese Verfahrbarkeit ist in 3 durch den Pfeil 32 veranschaulicht. Findet kein Zelltausch statt, ist der Batteriedeckel 26 abgesenkt und arretiert, damit die Batteriezellen 14. Soll ein Tausch stattfinden, kann der Deckel 26b angehoben werden, um die in der Batterie 12, genauer gesagt dem Batteriegehäuse 26, befindlichen Zellen 14 von der Arretierung zu lösen. Nach dem Zelltausch kann der Deckel 26b wieder nach unten gefahren werden, um damit die Zellen 14 zu fixieren. In dem Deckel 26 befinden sich die elektrischen Kontaktierungen, welche die Verbindungen von Hochvoltbatterie 12 zu Zellen 14 herstellen. Insbesondere kontaktieren diese Kontaktierungen die Zellen untereinander und verschalten diese elektrisch untereinander. Zudem sind hierüber auch die Kontakte der Hochvoltbatterie 12 nach außen, insbesondere zur Versorgung der anderen Komponenten 16, bereitgestellt. Gleichzeitig kann über den Deckel 26b auch die Temperierung der einzelnen Zellen 14 erfolgen. 3 zeigt insbesondere den Deckel 26b in der ausgefahrenen Stellung A, die er zum Beispiel während des Zelltauschs einnimmt.
4 zeigt nochmal eine schematische und perspektivische Darstellung des Deckels 26b alleine. An der Unterseite 34 des Deckels 26b befinden sich beispielsweise Kühlkanäle 36, die von einem Kühlmittel durchströmbar sind. Solche Kühlkanäle 36 können dabei auch in den Deckel 26b selbst integriert sein. Im vorliegenden Beispiel sind die an der Unterseite 34 zusätzlich vorgesehenen elektrischen Kontaktelemente zum Kontaktieren und Verschalten der Zellen 14 nicht dargestellt, ebenso wenig wie optionale Fixierungsstrukturen zum Fixieren der Zellen 14.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Hochvoltbatterie 12, wie diese zuvor beschrieben wurde, in Kombination mit einer Zelltauschstation 38. Dabei ist zur einfacheren Darstellung die Hochvoltbatterie 12 als Einzelkomponente abgebildet, ohne das Fahrzeugchassis und die Karosserie und die übrigen Teile des Kraftfahrzeugs 10. Die externe Zelltauschstation 38 umfasst dabei eine Vielzahl an Batteriezellen 14. Diese sind zum Beispiel in einem Aufnahmeraum 40 der Zelltauschstation 38 aufgenommen. Dabei kann es sich bei den von der Zelltauschstation 38 aufgenommenen Zellen 14 um Zellen 14 mit einer beliebigen Chemie handeln, zum Beispiel mit einer Chemie, welche in der Hochvoltbatterie 12 bereits untergebracht ist oder einer anderen. Beispielsweise können Lithium-Ionen und/oder Lithium-Eisenphosphat darin verortet sein. Mit anderen Worten können die Zellen 14, sowohl diejenigen in der Tauschstation 38, als auch die in der Hochvoltbatterie 12, als Lithium-Ionen-Zellen 14 und/oder Lithium-Eisenphosphat-Zellen 14 ausgebildet sein. Auch andere Zelltypen sind denkbar. Gerade die Tauschstation 38 kann dabei verschiedenste Zelltypen bereitstellen. Über einen Tauschstations-Zugangspunkt 42 kann eine physikalische Verbindung mit der Hochvoltbatterie 12, insbesondere dem Gehäuse 26, hergestellt werden, indem ein Transferkanal 44 (vergleiche 6) von der Tauschstation 38, insbesondere vom Aufnahmeraum 40, zur Hochvoltbatterie 12, insbesondere zu deren Gehäuse 26, genauer gesagt zur Öffnung 28, ausgefahren wird, sobald die Hochvoltbatterie 12 für einen Zelltausch bereit ist.
6 zeigt nochmal die Zelltauschstation 38 und die Batterie 12, die in 6 ohne Deckel 26b veranschaulicht ist, um das Innenleben besser zu veranschaulichen. In diesem Fall befinden sich nun hier die Tauschstation 38 und die Hochvoltbatterie 12 im physisch gekoppelten Zustand, das heißt der vorher erwähnte Zugangspunkt 42 der Zelltauschstation 38 ist über den beschriebenen Transferkanal 44 mit der Öffnung 28 des Gehäuses 26 der Batterie 12 verbunden. Um die Zellen 14 nun zur Tauschstation 38 zu befördern oder von der Tauschstation 38 in das Batteriegehäuse 26, ist ein Transportsystem 46 vorgesehen, welches insbesondere als Schienentransportsystem 48 ausgebildet ist. In diesem Beispiel umfasst die Batterie 12 ein Schienensystem 50, welches auch nur eine einzelne gewundene, in diesem Beispiel spiralförmig, angeordnete Schiene 52 aufweisen kann. Neben dem Schienensystem 50 kann das Schienentransportsystem auch noch weitere Komponenten umfassten, z.B. eine Steuerung, die z.B. durch oben genannte Steuereinrichtung 18 bereitgestellt sein kann, und/oder eine Energieversorgung. Auf der mindestens einen Schiene 52 des Schienensystems 50 können die Zellen 14 bewegt werden, insbesondere gefahren werden. Das Prinzip entspricht hierbei dem Magnetschwebebahnprinzip. Zu diesem Zweck ist einer jeweiligen Zelle 14 eine Halte- und Kopplungseinrichtung 54 zugeordnet, welche im Folgenden auch einfach als Halterung 54 bezeichnet wird. Diese Halterung 54 hält dabei einerseits die Zelle 14 und koppelt diese andererseits mit der Schiene 52. Der Kopplungsmechanismus beruht dabei auf einer magnetischen Kopplung, sodass zumindest dann, während die Zellen 14 verfahren werden, insbesondere zum Zwecke des Zelltauschs, kein physischer Kontakt zwischen der Halterung 54 und der Schiene 52 besteht.
7 und 8 zeigen dabei jeweils nochmal den Transportmechanismus, das heißt das Schienentransportsystem 48, insbesondere 7 in einem Querschnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung X und 8 in einer perspektivischen Darstellung. Die Kopplung mit den Zellen 14 ist hierbei exemplarisch für eine einzelne Einheitszelle 14 veranschaulicht. Hierbei ist also eine solche Einheitszelle 14 auf dem Schienensystem 48 aufgebracht. An der Zelle 14 befindet sich die Halterung 54, insbesondere jeweils links und rechts von der Zelle 14 eine Halterungskomponente 54a, 54b, die zusammen die Halterung 54 bilden. Die Halterungskomponenten 54a, 54b weisen dabei jeweils Führungsmagnete 56 auf, die vorzugsweise als Permanentmagnete ausgebildet sind. Die Führungsschiene 52 weist ebenfalls Magnet 58, vorzugsweise in Form von Elektromagneten 58 auf.
Mithilfe einer Steuerung, welche sich vorzugsweise in der Steuereinrichtung 18 befindet beziehungsweise durch diese umgesetzt ist, können die Elektromagneten 58 angesteuert werden, sodass ein magnetisches Feld aufgebaut wird, was ein Abstoßen der Magnete 56 der Zelle 14 von denen der Führungsschiene 52 auslöst. Mithilfe einer entsprechenden Regelung wird bewirkt, dass die einzelnen Zellen 14, insbesondere mit ihrer Halterung 54, eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung vornehmen, das heißt in oder entgegen der hier dargestellten X-Richtung. Diese Methode ermöglicht einen reibungslosen Transport der Zelle 14 von der Hochvoltbatterie 12 in die Tauschstation 38 oder andersherum. In der externen Tauschstation 38 befindet sich das gleiche Schienensystem 48, sodass die Zellen 14 völlig kontaktlos zwischen Fahrzeug 10 und Station 38 hin- und herbewegt werden können.
Ein typischer Anwendungsfall des Verfahrens wäre wie folgt: Der Fahrer eines Elektrofahrzeugs 10 bemerkt, dass sich die Energie in der Hochvoltbatterie 12 dem Ende zu neigt, über eine mobile App oder dem Mensch-Maschinen-Interface 24 im Fahrzeug 10 kann er nach einer Batteriezellentauschstation 38 suchen und die Navigation dorthin veranlassen. An der Tauschstation 38 angekommen wird das Fahrzeug 10 so geparkt, dass eine Verbindung von Tauschstation 38 zur Hochvoltbatterie 12 über den Transferkanal 44 hergestellt werden kann. Im Anschluss autoidentifiziert sich der Fahrer zunächst an der Tauschstation 38, analog heute üblicher Methoden an kabelgebundenen Ladesäulen. Dies kann auch in der Art gestaltet sein, dass der Fahrer hierzu nicht das Fahrzeug verlassen muss. Ist die Autoidentifizierung vollzogen, öffnet das Fahrzeug 10 den Zugangspunkt 28 zur Hochvoltbatterie 10 und der Transferkanal 44 wird automatisch ausgefahren, sodass eine Verbindung von Tauschstation 38 und Hochvoltbatterie 12 hergestellt ist. Das Fahrzeug 10 und die Tauschstation 38 stehen während des kompletten Vorgangs vorzugsweise in Kontakt, vorzugsweise über eine drahtlose Funkverbindung, zum Beispiel Bluetooth, WLAN und so weitere. Eine physikalische Datenschnittstelle könnte dadurch realisiert werden, dass sich in dem Transferkanal 44 eine entsprechenden Steckverbindung befindet, welche bei ausgefahrenem
Transferkanal 44 eine Kontaktierung mit der Hochvoltbatterie 12 herstellt, sodass auch darüber ein Datenfluss realisiert wird. Über die Kommunikationsschnittstelle werden verschiedene Informationen ausgetauscht, zum Beispiel wie viele und welche Zellen 14 ausgetauscht werden sollen. Auch andere Zellcharakteristiken und Informationen über die Zellen können hierüber ausgetauscht werden. Solche den jeweiligen Zellen 14 zugeordnete oder zuordenbare Zellparameter ZP, die also ebenfalls zwischen Batterie 12 beziehungsweise dem Kraftfahrzeug 10 und der Tauschstation 38 ausgetauscht werden können, sind in 6 exemplarisch veranschaulicht. Ein solcher Zellparameter ZP oder auch mehrere solcher Zellparameter ZP können dabei einer jeweiligen Zelle 14 zugeordnet sein und spezifizieren zum Beispiel den Zelltyp, den Ladezustand, den Alterungszustand, den Defektzustand, den Gesundheitszustand oder andere Charakteristiken einer betreffenden zugeordneten Zelle 14. Auch diese den jeweiligen Zellen 14 zugeordneten Informationen in Form der Zellparameter ZP können also zwischen Tauschstation 38 und dem Kraftfahrzeug 10 ausgetauscht werden. Nachdem die Daten bekannt sind, insbesondere wie viele oder welche Zellen 14 ausgetauscht werden sollen, wird der Deckel 26b der Hochvoltbatterie 12 angehoben, wie dies zum Beispiel in 3 dargestellt ist. Insbesondere wird der Deckel 26b der Hochvoltbatterie 12 derart angehoben, sodass die Zellen 14 nicht mehr fest arretiert sind. Im Folgenden werden mithilfe des Magnetschwebebahnprinzips, insbesondere durch das Schienentransportsystem 48, die Zellen 14 hin- und/oder her befördert.
In 6 ist beispielsweise die Beförderung der Zellen 14 aus der Tauschstation 38 in das Batteriegehäuse 26 mit den Pfeilen 60 veranschaulicht. Ist der Tauschvorgang abgeschlossen, wird der Deckel 26b der Hochvoltbatterie 12 wieder abgesenkt.
5 zeigt beispielsweise die Hochvoltbatterie 12 mit dem Deckel 26b im abgesenkten Zustand E. Dann wird der Transferkanal 44 wieder zurückgefahren und der Zugangspunkt 28 an der Hochvoltbatterie 12 wird geschlossen. Der Tauschvorgang ist damit abgeschlossen. Die leeren Zellen 14 werden in der Tauschstation 38 wieder geladen.
Das Verfahren ermöglicht es, dass auch Zellen mit einer anderen Zellchemie in das Fahrzeug eingebracht werden, als diejenigen, welche sich zuvor im Fahrzeug befunden haben. Das hat den Hintergrund, dass damit auch die Eigenschaften vom Fahrzeug verändert werden können. Soll beispielsweise eine längere Strecke zurückgelegt werden, empfiehlt es sich, eine Zelle zu wählen, welche eine entsprechende Charakteristik aufweist, oder wird das Fahrzeug überwiegend im Kurzstreckenbetrieb benötigt, dann muss nicht die komplette Batterie mit Zellen bestückt sein, um dadurch das Fahrzeuggewicht und damit den Verbrauch zu senken. Welche Zelle am besten verwendet werden soll, ermittelt eine Recheneinheit, zum Beispiel die Recheneinheit im Fahrzeug, oder eine Recheneinheit auf einer externen Datenverarbeitungseinheit, insbesondere einem Sever, zum Beispiel einem Internetserver, und unterbreitet dann dem Fahrer einen entsprechenden Vorschlag. Elektrofahrzeuge, welche mit der Einheitszellentauschvorrichtung ausgestaltet sind, können nach wie vor auch streckengebunden geladen werden, analog heute üblicher Verfahren, zum Beispiel über den CCS2-Anschluss.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Einheitszellentauschverfahren für Hochvoltbatterien bereitgestellt werden kann. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung befinden sich dabei in der Hochvoltbatterie auf einem, Magnetschienensystem die einzelnen Batteriezellen. Während des Betriebs des E-Fahrzeugs sind diese fest arretiert und sowohl elektrisch als auch thermisch mit dem Hochvoltbatteriegehäuse beziehungsweise der Fahrzeugstruktur verbunden. Bei Bedarf, zum Beispiel bei einer leeren oder defekten Hochvoltbatterie, können über eine spezielle externe Batteriezellentauschstation einzelne oder alle Zellen der Hochvoltbatterie getauscht werden. Hierzu verbinden sich die Batteriezellentauschstation automatisch mit dem Fahrzeug, sobald dieses an einer entsprechenden Station abgestellt und der Tauschvorgang vom Fahrer initiiert wurde. Im Anschluss wird die temporäre Fixierung der Zellen gelöst, sodass die Zellen über das Magnetschienensystem in die Tauschstation befördert und neue Zellen in das Hochvoltbatteriegehäuse eingebracht werden können. Mithilfe dieses Verfahrens ist es möglich, sehr schnell einen leeren Energiespeicher wieder zu befüllen, sodass für den Benutzer ein großer Komfortgewinn erreicht wird, da er keine längeren Standzeiten mehr in Kauf nehmen muss wie beim Tanken von konventionell angetriebenen Fahrzeugen. Bei Bedarf können auch einzelne defekte Zellen unmittelbar und schnell getauscht werden. In bisherigen Systemen ist eine solche Prozedur mit erheblichem Zeitaufwand und Kosten verbunden. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die Hochvoltbatterie exakt auf Benutzerwünsche zugeschnitten werden kann, das heißt je nachdem, wie das Fahrverhalten und der Anwendungsfall ist, können Zellen mit der passenden Chemie maßgeschneidert in das Fahrzeug eingebracht werden. Fährt der Benutzer beispielsweise eher dynamisch, kann er Zellen verwenden, welche höhere Ströme kurzfristig bereitstellen können. Oder hat der Fahrer in der Regel nicht sehr lange Strecken zurückzulegen, kann auch nur ein Teil der Hochvoltbatterie mit Zellen bestückt werden, um das Gewicht zu senken, und somit positiven Einfluss auf den Verbrauch und die Reichweite zu haben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010018698 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum zumindest teilweisen Ausführen eines Zelltauschs von Zellen (14) für eine Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs (10) an einer Tauschstation (38), wobei die Batterie (12) ein Batteriegehäuse (26) mit einer freigebbaren Öffnung (28) aufweist, die zum Tauschen der Zellen (14) freigegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Zellen (14) im Batteriegehäuse (26) angeordnet sind und zum Tauschen an der Tauschstation (38) voneinander räumlich separiert aus der Öffnung (28) herausgefahren und der Tauschstation (38) geordnet zugeführt werden; und/oder - die Zellen (14) durch die Tauschstation (38) bereitgestellt werden und voneinander räumlich separiert aus der Tauschstation (38) herausgefahren und durch die Öffnung (28) dem Batteriegehäuse (26) geordnet zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer jeweiligen Zelle (14) eine Halte- und Kopplungseinrichtung (54; 54a, 54b) zugeordnet ist, die die zugeordnete Zelle (14) hält, und die mit einer Führungsschiene (52) eines Führungsschienensystems (48) gekoppelt ist, auf welcher die Zellen (14) beim Tauschen geführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Halte- und Kopplungseinrichtung (54; 54a, 54b) auf der Führungsschiene (52) zumindest während des Fahrens magnetisch geführt und bewegt wird, ohne die Führungsschiene (52) zu berühren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (26) einen Deckel (26b) und einen Boden (26a) aufweist, wobei der Deckel (26b) die im Batteriegehäuse (26) angeordneten Zellen (14) in ihrer Position fixiert, wobei die Fixierung für den Zelltausch gelöst wird, indem der Deckel (26b) so bewegt wird, dass sich ein Abstand des Deckels (26b) zum Boden (26a) vergrößert und/oder wobei die im Batteriegehäuse (26) angeordneten Zellen (14) mittels des Deckels (26b) fixiert werden, indem der Deckel (26b) in Richtung des Bodens (26a) bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (26b) auf einer dem Boden (26a) zugewandten Seite (34) eine elektrische Verschaltungseinrichtung aufweist, mittels welcher die Zellen (14) im Batteriegehäuse (26) elektrisch zueinander verschalten werden, wenn diese durch den Deckel (26b) fixiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer jeweiligen Zelle (14) mindestens ein Zellparameter (ZP) zugeordnet ist, wobei beim Zelltausch eine Information über den mindestens einen Zellparameter (ZP) für jede getauschte oder zu tauschende Zelle (14) zwischen dem Kraftfahrzeug (10) und der Tauschstation (38) ausgetauscht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zellparameter (ZP): - Einen Ladezustand der Zelle (14) angibt; - Einen Defektzustand der Zelle (14) angibt; - Einen Zelltyp der Zelle (14) spezifiziert. (elektrische und/oder elektrochemische Eigenschaft, insbesondere eine Leistungsfähigkeit, der Zelle (14) spezifiziert;
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Kraftfahrzeug (10) zugeordnete Steuereinrichtung (18) in Abhängigkeit von einem Fahrparameter des Kraftfahrzeugs (10), insbesondere eines Streckenprofils von mit dem Kraftfahrzeug (10) ab einem bestimmten Zeitpunkt gefahrener oder noch zu fahrender Strecken und/oder einem Fahrerprofil eines Fahrers des Kraftfahrzeugs (10), einen Zelltyp oder eine Zelltypkonfiguration mehrerer Zelltypen als empfohlener Tauschparameter ermittelt, - und über eine Ausgabeeinrichtung (22) dem aktuellen Benutzer des Kraftfahrzeugs (10) als Vorschlag für den Zelltausch ausgibt; und/oder - und an die Tauschstation (38) übermittelt, die die bereitzustellenden Zellen (14) in Abhängigkeit vom empfohlenen Tauschparameter bereitstellt, so dass die den bereitgestellten Zellen (14) zugeordneten Zellparameter (ZP) dem empfohlenen Tauschparameter entsprechen.
Kraftfahrzeug (10) mit einer Zelltauscheinrichtung (46, 48) zum zumindest teilweisen Ausführen eines Zelltauschs von Zellen (14) einer Batterie (12) des Kraftfahrzeugs (10) an einer Tauschstation (38), wobei die Batterie (12) ein Batteriegehäuse (26) mit einer zum Tauschen der Zellen (14) freigebbar ausgebildeten Öffnung (28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (14) im Batteriegehäuse (26) angeordnet sind, wobei die Zelltauscheinrichtung (46, 48) derart ausgestaltet ist, dass die Zellen (14) zum Tauschen an der Tauschstation (38) voneinander räumlich separiert aus der freigegebenen Öffnung (28) geordnet herausfahrbar und der zum Tauschzeitpunkt mit der Öffnung (28) gekoppelten Tauschstation (38) geordnet zuführbar sind.
Tauschstation (38) zum zumindest teilweisen Ausführen eines Zelltauschs von Zellen (14) für eine Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs (10), die ein Batteriegehäuse (26) mit einer zum Tauschen der Zellen (14) freigebbaren Öffnung (28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauschstation (38) dazu ausgelegt ist, die Zellen (14) bereitzustellen und voneinander räumlich separiert aus der Tauschstation (38) geordnet herauszufahren und durch die zum Zeitpunkt des Zelltauschs mit der Tauschstation (38) gekoppelten Öffnung (28) dem Batteriegehäuse (26) geordnet zuzuführen.