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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, bevorzugt einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Die Leistungsanforderungen an moderne Batterien steigen stetig, wobei vor allem die Kapazität und eine möglichst optimale Nutzung des verfügbaren Bauraums bei geringem Gewicht im Fokus der Entwicklung stehen.
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Gleichzeitig sollen die Batterien auch strukturell steif sein, wobei eine verbesserte Steifigkeit aber mit einem höheren Gewicht einhergeht und der verfügbare Bauraum aufgrund des Einbringens von Versteifungen nicht optimal hinsichtlich einer möglichst hohen Batteriezellendichte genutzt werden kann.
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Batterien umfassen meist eine Vielzahl von Batteriemodulen, die in rahmenartigen Strukturen in einem wannenartigen Gehäuse angeordnet sind, welches anschließend mit einem Deckel verschlossen wird. Hierbei ist der Deckel nicht oder nur im sehr geringen Maße zur Lastaufnahme geeignet, wobei dieser meist nur am Rand umlaufend und an vereinzelten Punkten im Mittenbereich mit der Wanne verbunden ist. Somit ist das Batteriegehäuse hinsichtlich seiner Steifigkeit limitiert.
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Darstellung der Erfindung
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Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Batterie bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Entsprechend wird eine Batterie, bevorzugt eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, umfassend ein Batteriegehäuse mit einem Deckel und einem Boden und eine Vielzahl von im Batteriegehäuse angeordneten Batteriezellen, mit mindestens einer in einem Zwischenraum zwischen mindestens zwei Batteriezellen angeordneten Stützsäule, die an dem Boden und an dem Deckel angebunden ist und den Deckel gegen den Boden abstützt.
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Durch die Anordnung der Stützsäule wird eine verbesserte Versteifung des Batteriegehäuses erreicht, wobei die bei einer platzsparenden Anordnung der zylindrischen oder quasi-zylindrischen Batteriezellen entstehenden Zwischenräume genutzt werden, um mindestens eine Stützsäule anzuordnen.
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Die Stützsäule erstreckt sich vom Boden bis zum Deckel des Batteriegehäuses, wodurch ein Tragwerk, das eine deutlich höhere Steifigkeit aufweist, entsteht. Weiterhin wird eine verbesserte Aufnahmefähigkeit hinsichtlich Scher- und Durchbiegungskräften erreicht, wobei die Wandstärken bei größerer Steifigkeit des Gesamtsystems reduziert werden können. Hieraus ergibt sich eine vorteilhafte Gewichtsreduzierung. Ferner wird durch die Anordnung der Stützsäule in dem ohnehin vorhandenen Zwischenraum kein zusätzlicher Bauraum benötigt und die Packungsdichte der Batteriezellen kann maximiert werden.
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Aus Gründen der Lesbarkeit wird an manchen Stellen nur eine Stützsäule oder Merkmale einer Stützsäule beschrieben, wobei sich die zugehörigen Ausführungen auf alle in der Batterie angeordneten Stützsäulen beziehen. Insbesondere ist die hier beschriebene Batterie nicht auf die Verwendung einer einzelnen Stützsäule beschränkt, sondern es können mehrere oder viele Stützsäulen vorgesehen werden, wobei in jedem Zwischenraum zwischen mindestens zwei Batteriezellen immer genau eine der Stützsäulen angeordnet wird.
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Die Zwischenräume sind bei einer maximalen Packungsdichte von zylindrischen Batteriezellen beispielsweise immer zwischen drei Batteriezellen ausgebildet und haben entsprechend eine im Wesentlichen dreieckige Querschnittsform mit konkaven Seiten.
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Bevorzugt ist das obere Ende der Stützsäule an einer Unterseite des Deckels angebunden und/oder ein unteres Ende der Stützsäule an einer Oberseite des Bodens angebunden.
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Hierdurch wird eine verbesserte Tragwerksstruktur erreicht. Weiterhin ermöglicht diese Form der Anordnung eine vereinfachte Anbindung der Stützsäule am Boden und/oder am Deckel.
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Vorteilhafterweise ist die Anzahl der Zwischenräume mindestens genauso groß wie die Anzahl der Stützsäulen, wobei bevorzugt jeweils eine Stützsäule in jedem Zwischenraum oder jeweils eine Stützsäule in jedem zweiten Zwischenraum oder Stützsäulen nur in bestimmten Teilbereichen der Zwischenräume oder in Form eines Gittermusters in den Zwischenräumen angeordnet sind.
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Eine maximale Systemsteifigkeit wird erreicht, wenn in jedem Zwischenraum eine Stützsäule angeordnet ist. Um Materialkosten und/oder Gewicht zu sparen und/oder die Batterie bezüglich spezieller Lastfälle auszubilden, kann es vorteilhaft sein, lediglich in jeden zweiten Zwischenraum eine Stützsäule anzuordnen oder die Stützsäulen in Form eines Gittermusters, insbesondere in Form einer Raute, eines Kreuzes oder eines Sternes, anzuordnen. Ferner kann es bei speziellen Lastverteilungen vorteilhaft sein, die Stützsäulen in bestimmten Teilbereichen des Batteriegehäuses vermehrt anzuordnen, um die Gesamtsteifigkeit des Verbandes auf den jeweiligen konkreten Lastfall anzupassen. Hierdurch ergibt sich ein hoch flexibles, an verschiedene Lastfälle anpassbares Gesamtsystem.
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Weiterhin weist ein oberes Ende der Stützsäule eine in Richtung des Deckels zeigende Aufnahme zum Aufnehmen einer Klebmasse auf, wobei die Aufnahme tellerförmig oder konvex ausgeformt ist.
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Das Bereitstellen einer Aufnahme am oberen Ende der Stützsäule ermöglicht eine verbesserte Anbindung der Stützsäule mit der Unterseite des Deckels des Batteriegehäuses. Hierdurch wird die Tragwerksstruktur des Gesamtsystems weiter verbessert. Die Aufnahme hat somit eine lasteinleitende Funktion.
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Durch die Ausformung der Aufnahme zum Aufbringen einer Klebmasse wird diese vorteilhaft in die Aufnahme aufgetragen, sodass eine optimale stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen der Stützsäule und der Unterseite des Deckels bereitgestellt wird. Um eine möglichst große Auflagefläche der Klebmasse bereitzustellen ist die Aufnahme tellerförmig oder konvex ausgeformt. Dabei hat eine tellerförmige oder konvex ausgeformte Aufnahme eine vorteilhafte Kontaktfläche zwischen Klebmasse und Aufnahme zur Folge, wobei die Klebmasse in einem dafür vorgesehenen Bereich der Aufnahme, bis zum Verbinden mit der Unterseite des Deckels, verbleibt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Rand der Aufnahme so ausgeformt, dass er die Unterseite des Deckels unmittelbar oder mittelbar kontaktieren kann, wobei der Kontakt bevorzugt durchgehend ist.
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Durch den Rand wird ein Kontakt zwischen der Stützsäule mit der Unterseite des Deckels erreicht, sodass beim Verbinden die Stützsäule eine möglichst ebene Auflagefläche bereitstellt. Die Stützsäulen können auch erst beim Verbinden mit dem Deckel ausgerichtet werden, so dass beispielsweise die Verwendung von Stützsäulen unterschiedlicher Länge möglich ist. Dies kann weiterhin zu einer höheren Stabilität der Batterie führen. Diese Ausführungen sind besonders bei einer Vielzahl von Stützsäulen vorteilhaft, wenn der Deckel an verschiedenen Stellen über der Oberfläche der Unterseite des Deckels verteilt auf die Stützsäulen angeordnet wird. Weiterhin wird durch den bevorzugt durchgehenden Kontakt das Heraustreten der Klebmasse aus der Aufnahme nach dem Verbinden verhindert.
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Die Klebmasse wird vor dem Verbinden des Deckels des Batteriegehäuses mit der Stützsäule in die Aufnahme aufgetragen. Dabei kann die Klebmasse vor dem Anordnen der Stützsäule in die Aufnahme appliziert werden, sodass die Klebmasse erst durch das Aufbringen von Wärme in einen Zustand, der das stoffschlüssige Verbinden mit dem Deckel ermöglicht, versetzt wird. Hierdurch muss die Klebmasse nicht direkt vor dem Verbinden des Deckels mit der Stützsäule aufgetragen werden. Dies ist speziell bei einer großen Anzahl an Stützsäulen vom Zeitablauf her vorteilhaft. Optional kann die Klebmasse direkt vor dem Verbinden des Deckels des Batteriegehäuses mit der Stützsäule in die Aufnahme aufgetragen werden, dies ist energetisch vorteilhaft und führt zu einer geringeren thermischen Belastung des Deckels sowie der Stützsäule, da keine zusätzliche Energie zum Erreichen des Zustandes, der das stoffschlüssige Verbinden der Stützsäule mit dem Deckel ermöglicht, notwendig ist.
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Das Bereitstellen einer Vielzahl von Stützsäulen mit in den Aufnahmen aufgetragener Klebmasse bietet weiterhin den Vorteil, dass beim Aufbringen des Deckels lokal geringere Kräfte zum Fügen nötig sind. Somit sind lokale Belastungen und folglich die Gefahr von lokalen Verformungen des Deckels geringer.
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Der Kontakt des Randes der jeweiligen Stützsäule mit der Unterseite des Deckels kann dabei unmittelbar oder mittelbar erfolgen, wobei der mittelbare Kontakt durch das Aufbringen der Klebmasse, die den Rand der Stützsäule mit der Unterseite des Deckels abdichtet, erfolgt. Weiterhin können durch die Klebmasse Toleranzen zwischen Boden und Deckel ausgleichen werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist die Stützsäule einen Abstützbereich zum Abstützen auf mindestens einer den Zwischenraum ausbildenden Batteriezelle auf, wobei ein Querschnitt des Abstützbereichs mindestens so groß ist, dass eine mindestens einer der den Zwischenraum definierenden Batteriezellen zugewandte Fläche des Abstützbereichs zumindest teilweise in Kontakt mit einer Oberseite der Batteriezelle steht.
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Durch diese Ausgestaltung soll eine verbesserte Anordnung und vorteilhafte Fixierung der Batteriezellen und Stützsäule im Batteriegehäuse erreicht werden. Dabei erleichtert der zumindest teilweise Kontakt des Abstützbereichs mit der Oberseite der Batteriezellen eine platzsparende Anordnung der Stützsäulen im Batteriegehäuse.
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Außerdem fixiert die Stützsäule die Batteriezellen zusätzlich, indem die Stützsäule, insbesondere der Abstützbereich der Stützsäule, die Batteriezellen durch den zumindest teilweisen Kontakt an der Oberseite der Batteriezelle mit der mindestens einer der den Zwischenraum definierenden Batteriezellen zugewandte Fläche des Abstützbereichs in eine in Richtung des Deckels des Batteriegehäuses zeigenden Richtung zusätzlich fixieren. Diese Ausgestaltung ist bei einer Vielzahl von angeordneten Stützsäulen besonders effektiv, da im Fall einer maximalen Steifigkeit des Gesamtsystems jede Batteriezelle von bis zu drei Stützsäulen, an äquidistant verteilten Bereichen auf der Oberseite der Batteriezellen fixiert werden kann. Insbesondere vorteilhaft ist eine Parallelität der Fläche des Abstützbereichs, die den Batteriezellen zugewandt ist, mit zumindest einer Teilfläche der Oberseite der Batteriezelle.
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Bevorzugt umfasst die Stützsäule zwei Halbseiten, wobei die Halbseiten spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine, durch eine Längsachse der Stützsäule und eine orthogonal auf der Längsachse der Stützsäule stehenden Querachse, ausgebildeten Fläche sind.
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Diese Ausgestaltung hat Vorteile hinsichtlich einer kostengünstigen und zeiteffektiven Fertigung der Stützsäulen. Die Halbseiten bzw. Halbschalen können entsprechend auf einfache Weise gefertigt werden und dann zu einer Stützsäule zusammengesetzt werden.
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Vorteilhafterweise weist jede Stützsäule eine Längsachse auf, die parallel oder quasi-parallel zu Längsachsen der Batteriezellen verläuft.
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Hierdurch kann eine möglichst platzsparende Anordnung der Batteriezellen und Stützsäulen erreicht werden, da hieraus auch eine Parallelität oder Quasi-Parallelität der Längsachsen der Batteriezellen zueinander folgt. Weiterhin führt das parallele oder quasi-parallele Anordnen der Batteriezellen und der Stützsäule zu einem verbesserten Kontakt zwischen der den Batteriezellen zugewandten Fläche des Abstützbereichs und der Oberseite der Batteriezellen. Im Idealfall ist jede Kontaktfläche, die zwischen der Oberfläche der Batteriezelle und der den Batteriezellen zugewandten Fläche des Abstützbereiches entsteht, identisch.
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Bevorzugt sind die Stützsäule und die Unterseite des Deckels des Batteriegehäuses mittels einer Klebmasse stoffschlüssig verbunden.
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Vorteilhafterweise sind die Batteriezellen so angeordnet, dass drei benachbarte Batteriezellen einen Zwischenraum ausformen und ein Mittelpunkt einer Querschnittsfläche der drei benachbarten Batteriezellen ein gleichschenkliges Dreieck ausbilden.
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Diese Anordnung der Batteriezellen ermöglicht die maximale Batteriezellendichte pro Fläche. Um gleichgroße Zwischenräume sicherzustellen, bilden die Mittelpunkte der Querschnittsfläche von drei benachbarten Batteriezellen jeweils ein gleichschenkliges Dreieck aus. Die Größe der jeweiligen Schenkel, sprich die Abstände zwischen den Mittelpunkten der Querschnittsflächen der jeweiligen Batteriezellen, beeinflussen eine ausgebildete Querschnittsfläche des Zwischenraums und kann abhängig von der gewünschten Ausführungsform variieren. Je kleiner die Schenkel, desto eine höhere Batteriezellendichte ist möglich, wobei gleichzeitig die ausgebildete Querschnittsfläche des Zwischenraums, somit insbesondere auch eine Querschnittsfläche der Stützsäulen im Bereich des Zwischenraums reduziert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kontaktiert mindestens eine Mantelfläche einer den Zwischenraum ausbildenden Batteriezellen, eine Mantelfläche der Stützsäule, die in diesem Zwischenraum angeordnet ist.
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Durch die Kontaktierung mindestens einer Mantelfläche einer den Zwischenraum ausbildenden Batteriezellen mit der Mantelfläche der Stützsäule wird eine verbesserte Steifigkeit des Gesamtsystems, insbesondere bezogen auf eine Fixierung in eine Richtung, die orthogonal zu einer Längsachse der Stützsäule verläuft, erreicht. Weiterhin ermöglich die Kontaktierung eine maximale Batteriezellendichte pro Fläche, da die Batteriezellen und Stützsäulen eine dichtest mögliche Anordnung aufweisen.
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Beispielsweise ist die Stützsäule in dem von den Batteriezellen ausgeformten Zwischenraum im Querschnitt kreisförmig oder quasi-kreisförmig oder als Dreieck mit konkaven Seiten ausgeformt.
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Hierdurch kann die Querschnittsfläche an den von den Batteriezellen ausgebildeten Zwischenraum und den vorliegenden Lastfall angepasst werden. Ein kreisförmiger oder quasi-kreisförmiger Querschnitt ist bei guten Steifigkeitseigenschaften fertigungs- und kostentechnisch vorteilhaft.
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Gleichzeitig ermöglicht diese Ausformung der Stützsäule ein verbessertes nutzbares Volumen der Zwischenräume und eine dichtere Anordnung der Batteriezellen als beispielsweise ein rechteckiger Querschnitt. Eine Ausformung mit einem Querschnitt in Form eines Dreiecks mit konkaven Seiten bietet eine vorteilhafte Ausgestaltung hinsichtlich der Nutzung des verfügbaren Volumens im Zwischenraum und den Steifigkeitseigenschaften.
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Weiterhin ist die Stützsäule bevorzugt aus einem Material ausgeformt, dass wärmeleitende und/oder elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
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Da die Stützsäule zwischen den Batteriezellen angeordnet ist und diese möglicherweise sogar kontaktiert, ist es vorteilhaft, dass die Stützsäule aus einem Material ausgeformt ist, dass elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist, vorzugsweise Keramik oder Kunststoff. Weiterhin hat die Ausformung aus einem wärmeleitenden Material einen verbesserten Wärmetransport, insbesondere Abtransport der von den Batteriezellen produzierten Wärme, zur Folge.
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Vorteilhafterweise weist die Stützsäule am unteren Ende mindestens eine Nut zur formschlüssigen Anbindung an den Boden auf, bevorzugt in Form eines Hinterschnitts.
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Die Nut ermöglicht eine verbesserte Befestigung der Stützsäule, da eine stoffschlüssige Verbindung nicht nur entlang einer Längsachse der Stützsäulen erfolgt, sondern zusätzlich ein formschlüssiger Anteil in Richtung einer zu der Längsachse orthogonal verlaufenden Querachse ausgebildet werden kann, wenn die Stützsäule an dem Boden angebunden wird. Abhängig von der Art der Verbindung, kann es einen zu der Nut korrespondierenden Vorderschnitt geben oder ein zum Verbinden verwendetes Material wird in den von der Nut ausgebildeten Raum eingebracht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Stützsäule stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit der Oberseite des Bodens verbunden, wobei die Verbindung mittels einer klebenden Wärmeleitmasse und/oder Vergussmasse und/oder einem Formteil erfolgt, wobei bevorzugt die Batteriezellen mit der klebenden Wärmeleitmasse und/oder der Vergussmasse und/oder dem Formteil stoffschlüssig mit der Oberseite des Bodens verbunden sind.
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Durch das stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbinden der Stützsäule mit der Oberseite des Bodens des Batteriegehäuses wird die Gesamtsteifigkeit des Systems weiter verbessert, da somit eine Tragwerksstruktur geschaffen ist. Das Einbringen einer klebenden Wärmeleitmasse und/oder der Vergussmasse hat den Vorteil, dass die Stützsäule nach Einbringung in dieser noch positioniert und ausgerichtet werden können. Außerdem ist diese Ausführungsform kostengünstiger. Durch Aushärten der klebenden Wärmeleitmasse oder Vergussmasse wird anschließend die stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung hergestellt. Dabei weist die klebende Wärmeleitmasse einen verbesserten Wärmetransport, insbesondere Abtransport, der von den Batteriezellen produzierten Wärme auf. Bevorzugt sind auch die Batteriezellen mit der klebenden Wärmeleitmasse und/oder der Vergussmasse und/oder dem Formteil stoffschlüssig mit der Oberseite des Bodens verbunden, da somit alle im Batteriegehäuse angeordneten Komponenten stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit selbigem verbunden sind. Dies erhöht die Steifigkeit der Batterie. Die Stützsäulen und Batteriezellen können dabei so in der klebenden Wärmeleitmasse und/oder Vergussmasse angeordnet werden, dass diese in direktem Kontakt mit der Oberseite des Bodens sind. Optional können die Stützsäule und Batteriezellen vorab in einem Formteil angeordnet werden, hierbei ist das Formteil vorzugsweise aus einem elastischen Material ausgeformt, das weiterhin wärmeleitende und/oder elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Das Formteil kann dazu an den Ausformungen zum Anordnen der Stützsäule mindestens einen Vorderschnitt aufweisen, der mit mindestens einer dazu korrespondierenden Nut der Stützsäule zusätzlich verbindbar ist. Anschließend kann das Formteil umfassend die Stützsäule und Batteriezellen in das Batteriegehäuse angeordnet werden. Dabei kann das Formteil direkt oder mittelbar mit dem Boden verbunden sein.
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Figurenliste
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Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 eine Schnittdarstellung durch eine entsprechende Batterie;
- 3 eine schematische Darstellung einer Stützsäule;
- 4 eine Ansicht von unten auf vier angeordnete Batteriezellen mit einer in einem ausgebildeten Zwischenraum angeordneten Stützsäule in einer Querschnittsform als Dreieck mit konkaven Seiten;
- 5 eine Schnittdarstellung durch eine weitere Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 6 eine schematische Darstellung von Zellbechern umfassenden Batteriezellen und Stützsäulen, die in einem elastischen Formteil angeordnet sind; und
- 7 eine Ansicht von unten auf eine Anordnung einer Vielzahl von Batteriezellen mit rautenförmig angeordneten Stützsäulen.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Batterie 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Die Batterie 1 umfasst ein Batteriegehäuse 2 mit einem Deckel 20 und einem Boden 22 und eine Vielzahl von zylindrischen Batteriezellen 3, die im Batteriegehäuse 2 angeordnet sind. In den Zwischenräumen 4 zwischen den Batteriezellen sind drei sichtbare Stützsäulen 5 angeordnet, die an dem Boden 22 und an dem Deckel 20 angebunden sind und den Deckel 20 gegen den Boden 22 abstützen.
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Insbesondere ist ein unteres Ende jeder Stützsäule 5 an einer Oberseite 220 des Bodens 22 des Batteriegehäuses 2 und ein oberes Ende jeder Stützsäule 5 an einer Unterseite 200 des Deckels 20 des Batteriegehäuses 2 angebunden.
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Durch die versetzte Anordnung der Batteriezellen 3 bilden jeweils drei benachbarte Batteriezellen 3 einen Zwischenraum 4 aus. Dies ist genauer in 4 gezeigt. In den von den Batteriezellen 3 ausgebildeten Zwischenräumen 4 sind die Stützsäulen 5 angeordnet, wobei in 1 nur ein Teilbereich der Stützsäulen 5 sichtbar ist. Dabei ist in jeder zweiten Reihe, entlang einer Achse x, in jedem Zwischenraum 4, entlang einer Achse y, eine Stützsäule 5 angeordnet. Die Anzahl der durch die Anordnung der Batteriezellen 3 ausgebildeten Zwischenräume 4 ist somit größer als die Anzahl der in den Zwischenräumen 4 angeordneten Stützsäulen.
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Weiterhin ist in 1 zu erkennen, dass ein oberes Ende der Stützsäulen 5 eine in Richtung des Deckels 20 des Batteriegehäuses 2 zeigende Aufnahme 50 zum Aufnehmen einer Klebmasse aufweist, wobei die Aufnahme 50 tellerförmig ausgeformt ist. Dabei wird in einen durch die Tellerform ausgebildete, in Richtung des Deckels 20 des Batteriegehäuses 2 zeigenden Raum eine Klebmasse 6 aufgetragen, sodass der Deckel 20 des Batteriegehäuses 2 stoffschlüssig mit der Stützsäule 5 verbunden ist. Um einerseits eine vorteilhafte Auflagefläche zwischen der Aufnahme 50 und der Unterseite des Deckels 200 des Batteriegehäuses 2 herzustellen und anderseits zu verhindern, dass die Klebmasse 6, beim Anbringen des Deckels 20 des Batteriegehäuses 2 aus den Aufnahmen 50 heraustritt, ist ein Rand 500 der Aufnahme 50 so ausgeformt, dass dieser die Unterseite 22 des Deckels 2 durchgehend kontaktiert.
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Um die Steifigkeit des Gesamtsystems weiter zu verbessern, weist die Stützsäule 5 unterhalb der Aufnahme 50, in Richtung des Bodens 22 des Batteriegehäuses 2, einen Abstützbereich 52 zum Abstützen auf einer den Zwischenraum 4 ausbildenden Batteriezellen 3 auf. Der Abstützbereich 52 ist dabei so ausgeformt, dass ein Querschnitt des Abstützbereichs so groß ist, dass eine mindestens einer der den Zwischenraum 4 definierenden Batteriezellen 3 zugewandte Fläche des Abstützbereichs 52 zumindest teilweise in Kontakt mit einer Oberseite 32 der Batteriezelle 3 steht. Dazu weist der Abstützbereich 52 einen kreisförmigen Querschnitt auf, sodass der Abstützbereich 52 zumindest auf einer Teilfläche die Oberseiten 32 der den Zwischenraum 4 definierenden Batteriezellen 3 kontaktiert. Die Größe der Fläche, die die Oberseite 32 der den Zwischenraum 4 definierenden Batteriezellen 3 mit der Unterseite des Abstützbereichs 52 aufweist, kann variabel gestaltet werden.
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Um das Überhitzen der Batteriezellen 3 oder einen Kurzschluss zu vermeiden sind die Stützsäulen 5, vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial geformt, dass wärmeleitende und elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Die Stützsäulen 5 können aber auch aus einem anderen Material geformt sein, das wärmeleitende und elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist, wie beispielsweise ein keramisches Material.
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In 1 umfasst jede Batteriezelle 3 zusätzlich einen Zellbecher 30, der die Außenseite der Batteriezelle 3 ausbildet. Sowohl die Stützsäulen 5 als auch die Batteriezellen 3 sind stoffschlüssig mit der Oberseite 220 des Bodens 22 des Batteriegehäuses 2 verbunden, wobei in dem wannenförmig ausgeformten Boden 22 des Batteriegehäuses 2 eine Vergussmasse 7 eingebracht wird, in die die Stützsäulen 5 und Batteriezellen 3 angeordnet sind. Durch Aushärten der Vergussmasse 7 wird die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Oberseite 220 des Bodens 22 des Batteriegehäuses 2 und den Batteriezellen 3 sowie Stützsäulen 5 hergestellt. Dabei sind die Stützsäulen 5 so angeordnet, dass eine Längsachse 56 der Stützsäule 5 orthogonal zu einer von der Unterseite des Deckels 200 des Batteriegehäuses 2 ausgebildeten Fläche verläuft.
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Weiterhin ist die Längsachse 56 der Stützsäule 5 parallel zu Längsachsen 34 der Batteriezellen 3. Hierdurch werden die Batteriezellen 3 und Stützsäulen 5 so angeordnet, dass Mantelflächen 38 der den Zwischenraum 4 ausbildenden Batteriezellen 3 eine Mantelfläche 57 der Stützsäule 5, die in diesem Zwischenraum 4 angeordnet ist, über eine ganze Länge der Batteriezelle 3, entlang der Längsachse 34 der Batteriezelle 3, kontaktieren.
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Weiterhin ist in der Aufnahme 50 bereits die Klebmasse 6 zum stoffschlüssigen Verbinden der Stützsäule 5 mit der Unterseite 200 des Deckels 20 des Batteriegehäuses 2 appliziert. Somit kann das Batteriegehäuse 2, nachdem die Stützsäule 5 und Batteriezellen 3 mit der Oberseite des Bodens 220 verbunden sind, mittels des Deckels 20 verschlossen werden. Anschließend kann die vorab in die Aufnahmen 5 applizierte Klebmasse 6 durch Einbringung von Wärme in einen Zustand gebracht werden, der eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Stützsäule 5 und der Unterseite 200 des Deckels 20 ermöglicht.
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Der Deckel 20 des Batteriegehäuses 2 ist am Rand 226 des Bodens 22 des Batteriegehäuses 2 mit diesem in Kontakt. Der Deckel ist als Schnittware aus einem Metall mit einer geringen Materialstärke ausgeformt, wobei der Zuschnitt entsprechend der Maße des Umfangs 224 des Bodens 22 des Batteriegehäuses 2 erfolgt.
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In 2 ist eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Batterie 1, wobei die Oberseite 220 des Boden 22 des Batteriegehäuses 2 mit den im Batteriegehäuse 2 angeordneten zylindrischen Batteriezellen 3 und Stützsäulen 5 stoffschlüssig verbunden ist. Das obere Ende der Stützsäule 5 weist jeweils eine in Richtung des Deckels 20 zeige Aufnahme 50 auf, die mit der Unterseite 200 des Deckels 20 des Batteriegehäuses 2 stoffschlüssig verbunden ist. Die Batteriezellen 3 und Stützsäulen 5 sind stoffschlüssig mittels der Vergussmasse 7 mit der Oberseite des Bodens des Batteriegehäuses 2 verbunden.
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Die Aufnahmen 50 sind tellerförmig zum Aufbringen der Klebmasse 6 ausgeformt, wobei der Rand 500 der Aufnahme 50 durchgehend die Unterseite 200 des Deckels 20 des Batteriegehäuses 2 kontaktieren. Somit tritt keine Klebmasse 6 nach dem Verbinden der Stützsäule 5 mit der Unterseite 200 des Deckels 20 aus der Aufnahme 50. Weiterhin weist jede der Stützsäule 5 einen Abstützbereich 52 zum Abstützen auf einer den Zwischenraum 4 ausbildenden Batteriezelle 3 auf, wobei der Querschnitt des Abstützbereiches 52 so groß ist, dass die den Zwischenraum 4 definierenden Batteriezellen 3 zugewandte Fläche des Abstützbereichs 52 zumindest teilweise in Kontakt mit der Oberseite 32 jeder Batteriezelle 3 steht. Dabei ist die den Batteriezellen 3 zugewandte Fläche des Abstützbereichs 5 parallel zu der Oberseite 32 der Batteriezellen 3.
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Die Stützsäule 5 ist in dem von den Batteriezellen 3 ausgeformten Zwischenraum 4 im Querschnitt 55 kreisförmig, wobei die Stützsäule 5 so angeordnet ist, dass die Mantelfläche der Stützsäule 57 entlang der Längsachse 56 durchgehend die Mantelflächen 38, der den Zwischenraum 4 ausbildenden Batteriezellen 3 kontaktiert. Dazu verlaufen die Längsachsen der Batteriezellen 34 und die Längsachse der Stützsäule 56 parallel zueinander, wobei die Längsachse 56 der Stützsäule 5 und somit auch die Längsachsen 34 der Batteriezellen 3 orthogonal zu der die Unterseite 200 des Deckels 20 ausbildenden Fläche verlaufen.
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3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Stützsäule 5, wobei die Stützsäule 5 am oberen Ende die tellerförmig ausgeformte Aufnahme 50 aufweist. Unterhalb der Aufnahme 5, auf der der Aufnahme 5 abgewandten Seite, befindet sich der Abstützbereich 52, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Am unteren Ende der Stützsäule 5 weist die Stützsäule 5 drei Nuten 59, in Form von Hinterschnitten, auf, wobei nur zwei der Nuten 59 sichtbar sind. Die Stützsäule 5 umfasst zwei Halbseiten 54, die spiegelsymmetrisch in Bezug auf die, durch die Längsachse 56 der Stützsäule 5 und die orthogonal auf der Längsachse 56 der Stützsäule 5 stehenden Querachse 58, ausgebildeten Fläche sind.
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In 4 ist schematisch eine Ansicht von unten auf eine Anordnung von vier zylindrischen Batteriezellen 3 mit einer, in einem von den Batteriezellen 3 ausgeformten Zwischenraum 4 angeordneten Stützsäule 5 dargestellt. Die vier zylindrischen Batteriezellen 3 sind so angeordnet, dass die Mittelpunkte der Querschnittsfläche 360 von drei benachbarten Batteriezellen 3 jeweils ein gleichschenkliges Dreieck ausbilden.
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Der Querschnitt 55, im Bereich der Stützsäule 5 in dem von den Batteriezellen 3 ausgeformten Zwischenraum 4 ist als Dreieck mit konkaven Seiten ausgeformt. Dies ermöglicht volumentechnisch die vorteilhafteste Ausfüllung des Zwischenraums 4. Dabei ist der Querschnitt 55 der Stützsäule 5 in einem Bereich, der im von den Batteriezellen 3 ausgeformten Zwischenraum 4 befindlich ist, so ausgeformt, dass die Mantelflächen 38 der den Zwischenraum 4 ausbildenden Batteriezellen 3 die Mantelfläche 57 der Stützsäule 5, die in diesem Zwischenraum 4 angeordnet ist, kontaktieren.
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In 5 ist eine Schnittdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Batterie 1 dargestellt. Der Aufbau ist ähnlich zu dem in 2 beschriebenen Aufbau, wobei in dieser Ausführungsform der Boden 22 des Batteriegehäuses 2 eine Temperierplatte 222 umfasst, mit der die Batteriezellen 3 und Stützsäulen 5 stoffschlüssig verbunden sind.
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Somit können die Batteriezellen 3 mittels der Temperierplatte 222 aktiv thermisch konditioniert werden. Vorteilhafterweise wird zum Verbinden der Batteriezellen 3 und Stützsäule 5 mit der Oberseite 220 des Bodens 22 des Batteriegehäuses 2 eine Vergussmasse 7 genutzt. Diese Ausgestaltung wirkt sich vorteilhaft auf das Temperieren der Batteriezellen 3 aus und schützt die Batteriezellen 3 insbesondere vor dem Über- oder Unterschreiten von kritischen Temperaturen.
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Weiterhin, abweichend zur Ausführungsform in 1, kontaktieren die Stützsäulen 5 sowie die Batteriezellen 3 direkt die Oberseite 220 des Bodens 22, wodurch eine verbesserte Tragwerksstruktur in Form eines durchgehenden, direkten Kontakts zwischen Deckel 20 und Boden 22 durch die Stützsäulen 5 erreicht wird.
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Die Stützsäulen 5 weisen am unteren Ende Nuten 59 in Form von Hinterschnitten auf. Beim Anordnen der Stützsäulen 5 in die Vergussmasse 7 füllt diese auch den von den Nuten 59 ausgeformten Raum aus und sorgt für eine formschlüssige Verbindung und verbesserte Steifigkeit des Gesamtsystems.
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Die am oberen Enden der Stützsäulen 5, in Richtung des Deckels 20 des Batteriegehäuses 2 zeigenden Aufnahmen 50 sind mit einer Vertiefung zum Aufbringen der Klebmasse 6 ausgeformt. Dabei ist die Klebmasse 6 so in der Aufnahme 50 aufgebracht, dass diese nach Aufbringen des Deckels 20 eine Verbindung zwischen dem Rand 500 der Aufnahme 50 und der Unterseite 200 des Deckels 20 herstellt. Somit ist zwischen einer zur Unterseite 200 des Deckels 20 zeigenden Fläche des Randes 500 und der Unterseite 200 des Deckels 20 kein durchgehender mittelbarer Kontakt vorhanden, da abschnittsweise die Klebmasse 6 zwischen dem Rand 500 und dem Deckel 20 angeordnet ist.
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6 zeigt eine schematische Darstellung von einer Vielzahl von zylindrischen Batteriezellen 3, die jeweils einen Zellbecher 30 umfassen und mit den Stützsäulen 5 in einem Formteil 7` angeordnet sind. Das Formteil 7' ist aus einem elastischen Material mit wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Eigenschaften ausgeformt, sodass die Zellbecher 30 umfassenden Batteriezellen 3 und Stützsäulen 5 in die dazu korrespondierenden Ausformungen im Formteil 7' angeordnet sind. Die Zellbecher sind aus einem Metall ausgeformt. Das Formteil 7` kann auch in Form einer ausgehärteten Vergussmasse bereitgestellt sein.
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Die Stützsäule 5 weist am unteren Ende drei Nuten 59, entsprechend der Ausführungsformen in 3 und 5 auf. Zur verbesserten Verbindung der Stützsäulen 5 mit dem Formteil 7` weist die Ausformung im Formteil 7', indem die Stützsäule 5 angeordnet wird, zu den Nuten 59 korrespondierende Vorderschnitte auf, die mit den Nuten 59 verbindbar sind. Dabei sind in jeder zweiten Reihe, entlang der Achse x, in jedem Zwischenraum 4, entlang der Achse y, eine Stützsäule 5 angeordnet.
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In der Aufnahme 50 jeder Stützsäule 5 ist bereits eine Klebmasse 6 appliziert, die vor dem Anordnen der Stützsäulen 5 im Boden 22 erfolgt.
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In 7 ist eine schematische Ansicht von unten auf eine Vielzahl von zylindrischen Batteriezellen 3 gezeigt. In den von den Batteriezellen 3 ausgebildeten Zwischenräumen 4 sind nur teilweise Stützsäulen 5 angeordnet, wobei die Stützsäulen 5 in Form eines Gittermusters insbesondere in Form einer Raute angeordnet sind.
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Die Batteriezellen 3 sind so angeordnet, dass die Mittelpunkte der Querschnittsfläche 360 von drei benachbarte Batteriezellen 3 ein gleichschenkliges Dreieck ausbilden. Dabei kontaktieren die Mantelflächen, der den Zwischenraum ausbildenden Batteriezellen 38, die Mantelfläche der Stützsäule 57, die in diesem Zwischenraum 4 angeordnet ist.
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Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Batteriegehäuse
- 3
- Batteriezelle
- 4
- Zwischenraum
- 5
- Stützsäule
- 6
- Klebmasse
- 7
- Vergussmasse
- 7`
- Formteil
- 20
- Deckel
- 22
- Boden
- 30
- Zellbecher
- 32
- Oberseite der Batteriezelle
- 34
- Längsachse der Batteriezelle
- 36
- Querschnittsfläche der Batteriezelle
- 38
- Mantelfläche der Batteriezelle
- 50
- Aufnahme
- 52
- Abstützbereich
- 54
- Halbseite der Stützsäule
- 55
- Querschnitt der Stützsäule
- 56
- Längsachse der Stützsäule
- 57
- Mantelfläche der Stützsäule
- 58
- Querachse der Stützsäule
- 59
- Nut
- 200
- Unterseite des Deckels
- 220
- Oberseite des Bodens
- 222
- Temperierplatte
- 224
- Umfang des Bodens
- 226
- Rand des Bodens
- 360
- Mittelpunkt der Querschnittsfläche
- 500
- Rand
