DE102021133482A1

DE102021133482A1 - Batteriemodul sowie Rahmen für Batteriemodul

Info

Publication number: DE102021133482A1
Application number: DE102021133482.9A
Authority: DE
Inventors: Steffen Hirschmann; Jens Dietrich
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Ein Rahmen für ein Batteriemodul umfasst linke und rechte Seitenstreben und mit einen Aufnahmeraum für einen liegenden Stapel von Batteriezellen. Der Rahmen umgibt den Aufnahmeraum entlang einer linken Seite, eines vorderen Endes, einer rechten Seite und eines hinteren Endes, wobei die linken und rechten Seitenstreben den Aufnahmeraum mindestens seitlich begrenzen, und wobei die linken und rechten Seitenstreben jeweils Endlaschen umfassen, die endseitig des Aufnahmeraums um 90° in Richtung aufeinander zu gebogen sind und jeweils einen parallel zu einem Ende des Aufnahmeraums verlaufenden Verbindungsabschnitt aufweisen, wobei ein Verbindungsabschnitt einer linken Endlasche und ein Verbindungsabschnitt einer rechten Endlasche endseitig des Aufnahmeraums miteinander verbunden sind.

Description

Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft einen Rahmen für ein Batteriemodul, insbesondere für ein Batteriemodul einer Antriebsbatterie eines Fahrzeugs. Weiter betrifft die Erfindung ein Batteriemodul mit einem Rahmen und darin angeordneten Batteriezellen, insbesondere ein solches Batteriemodul für eine Antriebsbatterie eines Fahrzeugs.
Kurzfassung der Erfindung
Eine Antriebsbatterie für ein Fahrzeug mit elektrischem Antrieb umfasst in einem Batteriegehäuse gewöhnlich mehrere Batteriemodule, von denen jedes wiederum eine Reihe von Batteriezellen umfasst.
Es wurde vorgeschlagen, in einem Batteriemodul einen Stapel von Batteriezellen mit einer mechanischen Vorspannung in Stapelrichtung zu versehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Batteriemodul oder einen Rahmen für ein Batteriemodul zu schaffen, das oder der eine gezielte mechanische Verspannung eines Stapels von Batteriezellen ermöglicht und sich während des Fahrbetriebs und im Falle eines Unfalls durch eine hohe Stabilität auszeichnet.
Wünschenswert ist auch, dass das Batteriemodul einen kompakten Aufbau einer aus mehreren der Batteriemodule zusammengesetzten Batterie ermöglicht.
Wünschenswert sind auch vorteilhafte elektrische Eigenschaften des Rahmens bzw. des Batteriemoduls, insbesondere Eigenschaften, die zur Verminderung einer parasitären Kapazität beitragen können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Rahmen für ein Batteriemodul, mit linken und rechten Seitenstreben und mit einem Aufnahmeraum für einen Stapel von Batteriezellen, wobei der Rahmen den Aufnahmeraum entlang einer linken Seite, eines vorderen Endes, einer rechten Seite und eines hinteren Endes umgibt, wobei die linken und rechten Seitenstreben den Aufnahmeraum mindestens seitlich begrenzen, wobei die linken und rechten Seitenstreben jeweils Endlaschen umfassen, die endseitig des Aufnahmeraums um 90° in Richtung aufeinander zu gebogen sind und jeweils einen parallel zu einem Ende des Aufnahmeraums verlaufenden Verbindungsabschnitt aufweisen, wobei ein Verbindungsabschnitt einer linken Endlasche und ein Verbindungsabschnitt einer rechten Endlasche endseitig des Aufnahmeraums miteinander verbunden sind.
Gemäß einem Aspekt wird ein Rahmen für ein Batteriemodul geschaffen, mit einem Aufnahmeraum für einen Stapel von Batteriezellen, mit linken und rechten Seitenstreben und mit wenigstens einer Endplatte, wobei die Endplatte den Aufnahmeraum endseitig begrenzt, wobei die linken und rechten Seitenstreben den Aufnahmeraum mindestens seitlich begrenzen, wobei die linken und rechten Seitenstreben jeweils Endlaschen umfassen, die um 90° auf die Endplatte gebogen sind und jeweils einen auf der Endplatte aufliegenden Abschnitt aufweisen, an dem die betreffende Endlasche mit der Endplatte verbunden ist.
Bei jedem der oben genannten Aspekte und Lösungen können eines oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale vorhanden sein. Die Merkmale der Aspekte und Lösungen können auch miteinander kombiniert sein.
Der Rahmen für eine Batteriemodul kann ein Rahmen für eine Batteriemodul eines Fahrzeugs sein, beispielsweise eines Nutzfahrzeugs. Der Rahmen kann insbesondere ein Rahmen für ein Batteriemodul einer Antriebsbatterie eines Fahrzeugs sein.
Hierin wird der Begriff „Batteriemodul“ austauschbar mit dem Begriff „Zellmodul“ oder „Batteriezellmodul“ verwendet und bezeichnet mehrere, mechanisch zu einem Modul zusammengesetzte Batteriezellen.
Der Aufnahmeraum kann insbesondere ein Aufnahmeraum für einen liegenden Stapel von Batteriezellen sein. Unter einem liegenden Stapel (von Batteriezellen) wird ein geordneter Stapel verstanden, bei dem die Stapelrichtung liegend ist, insbesondere horizontal.
Hierin beziehen sich die Orientierungsangaben wie links, rechts, vorne, hinten, oben, unten auf die Stapelrichtung des in den Aufnahmeraum einzuschiebenden Stapels; die Stapelrichtung ist gleich zu oder parallel zu der Einschubrichtung.
Das vordere Ende des Aufnahmeraums ist einem vorderen Ende des Stapels von Batteriezellen zugeordnet. Das hintere Ende des Aufnahmeraums ist einem hinteren Ende des Stapels von Batteriezellen zugeordnet. Der Ausdruck „endseitig des Aufnahmeraums“ bezeichnet eine Position an einer Seite eines Endes des Aufnahmeraums. Vorzugsweise sind die Verbindungsabschnitte der linken und rechten Endlaschen außerhalb des Aufnahmeraums angeordnet. Der Aufnahmeraum ist vorzugsweise im wesentlichen quaderförmig.
Die linken und rechten Seitenstreben begrenzen den Aufnahmeraum mindestens seitlich links und rechts. Ein Verbindungsabschnitt einer linken Endlasche und ein Verbindungsabschnitt einer rechten Endlasche sind endseitig des Aufnahmeraums miteinander verbunden. Sie sind somit an der Seite eines vorderen Endes oder eines hinteren Endes des Aufnahmeraums miteinander verbunden. Die betreffenden Verbindungsabschnitte können beispielsweise über eine Endplatte des Rahmens miteinander verbunden sein. Alternativ können die betreffenden Verbindungsabschnitte direkt miteinander verbunden sein, wobei sie sich beispielsweise überlappen können. Vorzugsweise sind die Endlaschen aus Blech.
Der Rahmen kann auch als Spannrahmen bezeichnet werden. Die Seitenstreben können auch als Zug- und Haltebänder bezeichnet werden. Wenn der Stapel der Batteriezellen in Stapelrichtung durch den Rahmen verspannt wird, tritt eine Gegenkraft an den umgebogenen Endlaschen auf. Diese Gegenkraft durch die verspannten Batteriezellen wird von den Biegungen der Seitenstreben aufgenommen und als Zugspannung auf die Seitenstreben übertragen. Der genannte Aufbau des Rahmens ermöglicht es nun, dass die Endlaschen an der Seite eines Endes des Aufnahmeraums miteinander verbunden sind, also vor der betreffenden Endseite des Aufnahmeraums, und somit an einer Position, die im wesentlichen frei von der Belastung aufgrund der gewünschten mechanischen Vorspannung des Stapels der Batteriezellen ist. Somit wird eine starke Belastung der Verbindungen der Endlaschen vermieden und dennoch zugleich eine gewünschte mechanische Vorspannung des Stapels der Batteriezellen in dem Aufnahmeraum ermöglicht. Die Verspannung nimmt der Rahmen im wesentlichen in Form von Zugkräften entlang der Stapelrichtung des Stapels auf, also entlang der linken und rechten Seitenstreben. Die Verbindungen der Verbindungsabschnitte sind daher nicht oder kaum auf Zug belastet. Somit kann beispielsweise im Vergleich zu einer 90°-Verbindung einer geraden Seitenstrebe mit einer Endplatte durch Schweißnähte (an einer Kante der Endplatte) eine starke Zugbelastung der Verbindung vermieden werden. Es wird somit eine große Robustheit und Stabilität des Rahmens ermöglicht. Sowohl während des Fahrbetriebs auftretende mechanische Belastungen als auch während eines Unfalls auftretende mechanische Belastungen durch Kräfte bzw. Beschleunigungen können besser oder zuverlässiger aufgenommen werden. Außerdem wird durch die Seitenstreben eine einfache und genaue Positionierung der Batteriezellen relativ zueinander ermöglicht.
Zugleich wird durch den genannten Aufbau des Rahmens ermöglicht, dass vor dem Verbinden und vor dem Umbiegen der Endlaschen der Stapel der Batteriezellen einfach in den Rahmen eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann der Stapel der Batteriezellen in Längsrichtung der linken und rechten Seitenstreben in den Aufnahmeraum zwischen die linken und rechten Seitenstreben eingeschoben werden. Auch wird ein einfacher Aufbau des Rahmens ermöglicht, da die Verbindungsabschnitte nicht als separate Bauteile, sondern einteilig mit den jeweiligen Seitenstreben ausgeführt sind. Der Aufnahmeraum bildet vorzugsweise wenigstens ein Fach für wenigstens einen Teil des Batteriezellstapels. In das Fach ist bei geöffneten Endlaschen (d.h., vor dem Herstellen der Verbindung) der Batteriezellstapel oder ein Teil des Batteriezellstapels einschiebbar. Im Falle eines Rahmens mit Querverbinder, der den Aufnahmeraum unterteilt, kann der Aufnahmeraum zwei solche Fächer bilden.
Insgesamt wird somit eine optimierte oder verbesserte Zellmodulmontage erreicht, insbesondere unter Berücksichtigung der auftretenden Kräfte oder Beschleunigungen während des Fahrbetriebs und eines Unfalls („Crash“). Weiter kann der Bauraumbedarf optimiert werden. Durch den genannten Aufbau können außerdem Kosten optimiert werden.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Rahmen wenigstens eine Endplatte, wobei ein Verbindungsabschnitt einer linken Endlasche und ein Verbindungsabschnitt einer rechten Endlasche jeweils mit der Endplatte verbunden sind. Insbesondere können ein Verbindungsabschnitt einer linken Endlasche und ein Verbindungsabschnitt einer rechten Endlasche endseitig des Aufnahmeraums miteinander über die Endplatte verbunden sein. Mit anderen Worten, die Endplatte kann einen Verbindungsabschnitt einer linken Endlasche und einen Verbindungsabschnitt einer rechten Endlasche miteinander verbinden.
Beispielsweise können die genannten Verbindungsabschnitte der linken Endlasche und der rechten Endlasche auf der Endplatte aufliegen. Der auf der Endplatte aufliegende Verbindungsabschnitt ist dann vorzugsweise parallel zur Endplatte angeordnet. Vorzugsweise begrenzt die Endplatte den Aufnahmeraum endseitig. Es können die genannte linke Endlasche und die genannte rechte Endlasche an den genannten Verbindungsabschnitten mit der Endplatte verbunden sein. Insbesondere können die genannten Verbindungsabschnitte direkt mit der Endplatte verbunden sein. Die Verbindungsabschnitte können auf der Endplatte aufliegend mit der Endplatte verbunden sein.
Die Endlaschen können auf unterschiedliche Weisen miteinander oder mit einer Endplatte verbunden sein, beispielsweise verschweißt sein, vernietet sein, insbesondere blindvernietet sein, verstemmt sein und/oder durch plastisches Verformen verbunden sein, z.B. mittels wenigstens eines Niets oder wenigstens eines Pilzes. Vorzugsweise sind ein Verbindungsabschnitt einer linken Endlasche und ein Verbindungsabschnitt einer rechten Endlasche jeweils mit der Endplatte verschweißt, vernietet, insbesondere blindvernietet, verstemmt und/oder durch plastisches Verformen verbunden, z.B. mittels wenigstens eines Niets oder wenigstens eines Pilzes.
Vorzugsweise ist die Endplatte als Strangpressprofil ausgebildet, z.B. aus Aluminium. Beispielsweise kann die Endplatte eine vordere Platte und eine hintere Platte umfassen sowie Rippen, die die vordere Platte und die hintere Platte miteinander verbinden. Die Rippen können z.B. vertikal oder horizontal angeordnet sein. Die Endplatten können aber z.B. auch massive Platten sein, beispielsweise aus Stahl.
Vorzugsweise hat die Endplatte am linken und rechten Rand eine gebogene Außenfläche, um die herum (oder an der entlang) die betreffenden Endlaschen gebogen sind. Dadurch kann ein Biegeradius der Endlaschen vorgegeben werden, und/oder die Stabilität des Rahmens und die Fähigkeit zur Aufnahme der Zugkräfte kann verbessert werden.
In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die linken und rechten Seitenstreben: linke Seitenstreben, umfassend eine obere linke Seitenstrebe und eine untere linke Seitenstrebe; und rechte Seitenstreben, umfassend eine obere rechte Seitenstrebe und eine untere rechte Seitenstrebe. Indem die oberen und unteren Seitenstreben jeweils einen Abstand voneinander aufweisen, kann auch bei metallischen Seitenstreben eine parasitäre Kapazität des Rahmens verringert werden. Verglichen mit einem Aufbau mit vollflächigen Seitenelementen aus Blech werden durch getrennte obere und untere Seitenstreben freie Rahmenbereiche geschaffen, die nicht als Kondensatorplatte wirken. Vorzugsweise sind ein jeweiliger Verbindungsabschnitt einer linken Endlasche und ein jeweiliger Verbindungsabschnitt einer rechten Endlasche endseitig des Aufnahmeraums miteinander verbunden. Die betreffenden Verbindungsabschnitte können beispielsweise über eine Endplatte des Rahmens miteinander verbunden sein. Alternativ können die betreffenden Verbindungsabschnitte direkt miteinander verbunden sein, wobei sie sich beispielsweise überlappen können.
In Ausführungsformen begrenzen die Seitenstreben den Aufnahmeraum auch oberseitig.
Vorzugweise umfasst der Rahmen Niederhalter, die den Aufnahmeraum oberseitig begrenzen. Vorzugsweise ragt ein jeweiliger Niederhalter an einer der linken und rechten Seitenstreben nach innen. Insbesondere kann wenigstens ein Niederhalter an einer linken Seitenstrebe, z.B. an einer oberen linken Seitenstrebe, nach innen ragen (also nach rechts ragen), insbesondere am oberen Rand der Seitenstrebe, und wenigstens ein Niederhalter am oberen Rand einer rechten Seitenstrebe, z.B. einer oberen rechten Seitenstrebe, nach innen ragen (also nach links ragen), insbesondere am oberen Rand der Seitenstrebe. Die Niederhalter sind vorzugsweise horizontal nach innen gerichtet. Die Niederhalter können beispielsweise als umgebogene Laschen an den betreffenden linken und rechten Seitenstreben ausgebildet sein. Sie können insbesondere um 90° umgebogen sein. Sie können aus Blech sein. Indem die Niederhalter den Aufnahmeraum oberseitig begrenzen, können sie bei dem mit Batteriezellen bestückten Rahmen die Batteriezellen oberseitig halten (niederhalten) und sie so mechanisch fixieren. Durch einteilig mit den Seitenstreben ausgeführte Niederhalter kann der Aufbau des Rahmens sowie seine Herstellung vereinfacht werden.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Rahmen außenseitig links und rechts abstehende Befestigungslaschen, wobei eine jeweilige Befestigungslasche an einem der linken und rechten Seitenstreben nach außen ragt. Die Befestigungslaschen ermöglichen eine neue Art der Befestigung eines Batteriemoduls. Die Befestigungslaschen können zum Abstützen des Rahmens oder des Batteriemoduls auf Stützbalken dienen, insbesondere auf Stützbalken, die sich entlang der Seitenstreben erstrecken. Auch schwere Batteriemodule können so in kompakter Weise aufgebaut sein und gut auf Stützbalken abgestützt und daran befestigt werden. Insbesondere kann wenigstens eine Befestigungslasche an einer linken Seitenstrebe, z.B. an einer oberen linken Seitenstrebe, nach außen ragen, insbesondere am oberen Rand der Seitenstrebe, und wenigstens eine Befestigungslasche am oberen Rand einer rechten Seitenstrebe, z.B. einer oberen rechten Seitenstrebe, nach außen ragen, insbesondere am oberen Rand der Seitenstrebe. Die Befestigungslaschen können beispielsweise als umgebogene Laschen an den betreffenden linken und rechten Seitenstreben ausgebildet sein. Sie können insbesondere um 90° umgebogen sein. Sie sind vorzugsweise aus Blech. Die Befestigungslaschen können beispielsweise jeweils wenigstens ein Befestigungsloch aufweisen, insbesondere zum Befestigen der Befestigungslasche auf einem entlang des Rahmens verlaufenden Stützbalken. In bevorzugten Ausführungsbeispielen weist der Rahmen in Längsrichtung alternierend links abstehende und rechts abstehende Befestigungslaschen auf. Dadurch wird eine kompakte Anordnung zweier gleichartiger Rahmen nebeneinander auf der gleichen Höhe ermöglicht, wobei auf den einander benachbarte Seiten der Rahmen die Befestigungslaschen des einen Rahmens in Lücken zwischen Befestigungslaschen des anderen Rahmens angeordnet sind.
In Ausführungsformen umfasst der Rahmen Stützlaschen, die den Aufnahmeraum unterseitig begrenzen, wobei eine jeweilige Stützlasche an einer der linken und rechten Seitenstreben nach innen ragt. Insbesondere kann wenigstens eine Stützlasche an einer linken Seitenstrebe, z.B. an einer unteren linken Seitenstrebe, nach innen ragen, insbesondere am unteren Rand der Seitenstrebe, und wenigstens eine Stützlasche am unteren Rand einer rechten Seitenstrebe, z.B. einer unteren rechten Seitenstrebe, nach innen ragen, insbesondere am unteren Rand der Seitenstrebe. Die Stützlaschen können beispielsweise als umgebogene Laschen an den betreffenden linken und rechten Seitenstreben ausgebildet sein. Sie können insbesondere um 90° umgebogen sein. Sie sind vorzugsweise aus Blech. Stützlaschen sind entbehrlich, wenn z.B. das Batteriemodul unterseitig abgestützt wird.
Vorzugsweise sind die Endlaschen flache Endabschnitte der streifenförmigen Seitenstreben.
In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die linke Seitenstrebe und die rechte Seitenstrebe jeweils ein Blechprofil. Vorzugsweise erstreckt sich das Blechprofil zusammenhängend über die Länge der jeweiligen Seitenstrebe einschließlich der jeweiligen Endlasche und des Verbindungsabschnitts. Beispielsweise kann jede (z.B. obere oder untere) linke Seitenstrebe und jede (z.B. obere oder untere) rechte Seitenstrebe jeweils ein Blechprofil mit den genannten Merkmalen umfassen. Vorzugsweise sind die Endlaschen aus Blech. Das Blechprofil kann beispielsweise eine Wand der Seitenstrebe und eine betreffende Endlasche bilden. Beispielsweise kann sich das jeweilige Blechprofil als zusammenhängender Streifen über die Länge der jeweiligen Seitenstrebe einschließlich der jeweiligen Endlasche und des Verbindungsabschnitts erstrecken. Das Blechprofil kann beispielsweise die Endlasche oder Endlaschen umfassen. Ein jeweiliges Blechprofil kann beispielsweise wenigstens einen der Niederhalter und/oder wenigstens eine der Befestigungslaschen umfassen. Ein jeweiliges Blechprofil kann beispielsweise wenigstens eine der Stützlaschen umfassen.
In Ausführungsformen ist das jeweilige Blechprofil um 180° gefaltet (aufeinander gefaltet). Insbesondere kann bei oberen linken und rechten Seitenstreben das jeweilige Blechprofil um 180° gefaltet sein. Im Bereich der Endlasche kann die Seitenstrebe eine einzelne Lage des Blechprofils aufweisen. Die unteren Seitenstreben können gleichzeitig ein einlagiges, d.h. nicht um 180° aufeinander gefaltetes Blechprofil umfassen.
Die Seitenstreben, insbesondere die oberen linken und rechten Seitenstreben, können aber auch aus zwei oder mehreren Teilen miteinander verklebt sein. Beispielsweise kann bei einer Seitenstrebe eine Außenwand aus Stahl mit einer Innenwand aus Aluminium oder Kunststoff verbunden sein. Beispielsweise können die linke Seitenstrebe und die rechte Seitenstrebe jeweils das Blechprofil und einen (vorzugsweise innenseitigen) Kunststoffstreifen umfassen. Die Seitenstrebe kann beispielsweise im Bereich seitlich des Aufnahmeraums zweilagig mit dem Blechprofil und dem Kunststoffstreifen aufgebaut sein. Der Kunststoffstreifen kann beispielsweise wenigstens einen der Niederhalter umfassen. Der Kunststoffstreifen kann beispielsweise wenigstens eine der Stützlaschen umfassen.
In bevorzugten Ausführungsformen sind eine obere linke Seitenstrebe und eine obere rechte Seitenstrebe jeweils aus einem um 180° gefaltetem Blechprofil hergestellt. Vorzugsweise umfassen diese Seitenstreben jeweils eine Außenwand und eine Innenwand der Seitenstrebe.
Die Außenwand und die Innenwand können jeweils eine Lage des Blechprofils umfassen. Vorzugsweise liegen die Außenwand und die Innenwand aufeinander. Vorzugsweise ist die betreffende obere Seitenstrebe am unteren Rand der betreffenden Seitenstrebe um 180° gefaltet. Vorzugsweise sind am oberen Rand der betreffenden Seitenstrebe wenigstens eine der Befestigungslaschen und wenigstens einer der Niederhalter ausgebildet. Beispielsweise kann der Niederhalter an der Innenwand der Seitenstrebe nach innen umgebogen sein, insbesondere um 90°. Beispielsweise kann die Befestigungslaschen an der Außenwand der Seitenstrebe nach außen umgebogen sein, insbesondere um 90°.
Die Seitenstreben können als Blechprofil besonders einfach durch Stanzen und Falten des Blechs hergestellt werden. Durch als Blechlaschen ausgeführte Endlaschen lässt sich der Rahmen nach dem Einschieben des Stapels der Batteriezellen gut verschließen, indem die Endlaschen umgebogen werden und miteinander verbunden werden. Zugleich ergibt sich eine hohe Stabilität. Die Verwendung von flachem Blech (Stahlblech) ermöglicht außerdem einen kompakten Aufbau.
Der Rahmen kann an der dem Aufnahmeraum zugewandten Seite beispielsweise eine elektrische Isolierung aufweisen. Beispielsweise kann der Rahmen auf den Oberflächen, die den Aufnahmeraum begrenzen, eine elektrische Isolierung aufweisen. Die elektrische Isolierung kann beispielsweise eine Folie, einen Lack, und/oder einen Kunststoff umfassen.
In bevorzugten Ausführungsformen weisen die linken und rechten Seitenstreben am vorderen Ende und am hinteren Ende die Endlaschen aufweisen. Vorzugsweise sind sowohl an einem vorderen Ende des Aufnahmeraums als auch an einem hinteren Ende des Aufnahmeraums ein Verbindungsabschnitt einer linken Endlasche und ein Verbindungsabschnitt einer rechten Endlasche miteinander verbunden.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Rahmen einen Querverbinder, der die linken und rechten Seitenstreben miteinander verbindet. Vorzugsweise unterteilt der Querverbinder den Aufnahmeraum in einen hinteren und einen vorderen Teil.
Der Querverbinder dient als Versteifung des Rahmens und kann beispielsweise ein Aufgehen des Abstands zwischen oberen und unteren oder linken und rechten Seitenstreben verhindern, wenn es aufgrund eines hohen Gewichts des Batteriemoduls zu mechanischen Schwingungen kommt. Der Querverbinder kann beispielsweise in einem mittleren Bereich des Aufnahmeraums angeordnet sein. Der Querverbinder kann beispielsweise flach sein. Der Querverbinder kann beispielsweise rahmenförmig sein. Der Querverbinder kann beispielsweise ein flacher Rahmen sein. Vorzugsweise ist der Querverbinder ein flacher Blechrahmen. Der Querverbinder kann beispielsweise mit den Seitenstreben oder mit einem jeweiligen Blechprofil einer jeweiligen Seitenstrebe verschweißt sein, z.B. an Schweißpunkten an den Ecken. In den hinteren Teil und in den vorderen Teil des Aufnahmeraums kann beispielsweise jeweils ein Teil des Stapels der Batteriezellen eingeführt werden. Beispielsweise kann der Querverbinder den Aufnahmeraum in einen hinteren und einen vorderen Teil unterteilen, die durch eine jeweilige Endplatte endseitig begrenzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Batteriemodul bereitgestellt, umfassend einen Rahmen der beschriebenen Art und einen Stapel von Batteriezellen, die in dem Aufnahmeraum des Rahmens aufgenommen sind.
Das Batteriemodul kann auch als Batteriekassette oder Batteriezellkassette bezeichnet werden. Vorzugsweise ist der Stapel von Batteriezellen in Stapelrichtung verspannt (mechanisch vorgespannt). Vorzugsweise umfasst der Stapel von Batteriezellen Zwischenlagen, die jeweils zwischen zwei Batteriezellen angeordnet sind. Vorzugsweise umfasst eine jeweilige Zwischenlage ein flaches Polster (oder Zellzwischenelement), das in Stapelrichtung elastisch komprimiert ist. Es kann aus einem elasto-plastischen Material sein. Die jeweilige Zwischenlage kann weiter einen Polsterrahmen umfassen, der das flache Polster umgibt. Einer der Polsterrahmen kann beispielsweise der Querverbinder des Rahmens sein. Durch die Seitenstreben und ggf. die Niederhalter und/oder Stützlaschen wird, insbesondere zusammen mit der Verspannung, eine einfache und genaue Positionierung der Batteriezellen relativ zueinander sowie eine gute Fixierung der einzelnen Batteriezellen ermöglicht. Toleranzen können verringert werden. Zugleich können die Zellzwischenelemente oder Polster ein Atmen der Zellen beim Laden/Entladen ermöglichen („breathing“) und können eine Dickenzunahme der Zellen durch Alterung („swelling“) aufnehmen.
Pole der Batteriezellen können beispielsweise oberseitig zwischen linken und rechten Seitenstreben angeordnet sein. Alternative können Pole der Batteriezellen beispielsweise außenseitig links und rechts jeweils zwischen oberen und unteren Seitenstreben angeordnet sein, z.B. zwischen oberen und unteren linken Seitenstreben und/oder zwischen oberen und unteren rechten Seitenstreben.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben. In den Figuren zeigt:

1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß Ausführungsformen der der vorliegenden Offenbarung;
2 eine schematische Draufsicht auf das Batteriemodul nach 1;
3 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch das Batteriemodul nach 1;
4 eine schematische, perspektivische Darstellung von Teilen eines Rahmens des Batteriemoduls vor dem Einführen eines Batteriezellstapels;
5 eine schematische Teildarstellung eines Querschnitts durch den Rahmen gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und
6 eine schematische, perspektivische Darstellung des Batteriemoduls vor dem Verschließen des Rahmens.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
1, 2 und 3 zeigen schematisch ein Batteriemodul, auch als Batteriezellkassette bezeichnet, für eine Antriebsbatterie eines Fahrzeugs. Das Batteriemodul umfasst einen Rahmen 100 sowie einen Stapel 200 von Batteriezellen 210. Der Rahmen 100 ist aus Blechprofilen und Blechteilen gefertigt und umfasst obere Seitenstreben 110, untere Seitenstreben 120, Endplatten 130 und einen Querverbinder 140, der genauer in 4 zu sehen ist.
4 und 5 zeigen den Rahmen 100 im geöffneten Zustand und ohne die Endplatten 130.
Die oberen Seitenstreben 110 und unteren Seitenstreben 120 sind im Querschnitt in 5 zu sehen. Die linken und rechten oberen Seitenstreben 110 umfassen jeweils ein um 180° gefaltetes Profil aus Stahlblech, an dem innenseitig und außenseitig jeweilige Laschen abgebogen sind. Insbesondere ist an einer Innenwand des Blechprofils auf der gesamten Länge eines Aufnahmeraums für den Batteriezellstapel ein Niederhalter 112 in Form einer umgebogenen Lasche ausgebildet. An einer Außenwand des Blechprofils sind jeweilige Befestigungslaschen 114 umgebogen.
Die unteren linken und rechten Seitenstreben 120 sind beispielsweise einlagig als Blechprofil ausgeführt. An den unteren Seitenstreben 120 sind nach innen ragende Stützlaschen 122 ausgebildet, die von einer Seitenwand der Seitenstrebe 120 nach innen umbogen sind.
Der Querverbinder 140 ist als flacher Blechrahmen ausgeführt und verbindet die linken und rechten unteren und oberen Seitenstreben 110, 120 im mittleren Bereich des Aufnahmeraums miteinander.
An den Enden der unteren und oberen linken und rechten Seitenstreben 110, 120 sind Endlaschen 150 ausgebildet. Die Endlaschen 150 werden nach dem Einführen des Batteriezellstapels 200 in den Aufnahmeraum und nach Aufsetzen der Endplatten 130 auf die Aussenseite der Endplatten 130 umgebogen. Nach dem Einführen der Batteriezellen 210 und Aufsetzen der jeweiligen Endplatten 130 wird der Batteriezellstapel mit einer Vorspannkraft zusammengedrückt und gehalten. Beim Zusammenpressen wird der Stapel auf eine Solldicke komprimiert. Währenddessen werden die Endlaschen 150 umgebogen und an den Endplatten 130 fixiert. Anschließend wird die Vorspannkraft gelöst. Der Batteriezellstapel 200 ist dadurch in dem Rahmen 100 vorgespannt gehalten. Die Seitenstreben 110, 120 sind jeweils an einem flach auf der Endplatte 130 aufliegenden Verbindungsabschnitt 152 der Endlasche 150 mit der Endplatte 130 verbunden.
6 zeigt den Rahmen im geöffneten Zustand, mit eingesetztem Batteriezellstapel 200 und Endplatten 130 vor dem Umbiegen der Endlaschen 150.
Wie in der Draufsicht in 2 zu erkennen ist, sind die Endplatten als Strangpressprofileausgeführt, beispielsweise aus Aluminium. Die Endplatten 130 umfassen jeweils eine innere Wand 132, eine äußere Wand 134 sowie diese verbindende Rippen 136.
In dem Bereich der Biegung der Endlaschen 150 weisen die linken und rechten Kanten der Endplatten 130 einen Krümmungsradius an der Außenseite auf, um den herum die Endlaschen 150 gebogen werden.
In dem Batteriezellstapel 200 ist zwischen den einzelnen Batteriezellen 210 jeweils eine Zwischenlage 220 eingefügt, die ein Polster (pad; gap pad) 222 in einem dieses umgebenden Rahmen 224 umfasst. Ein Polster 222 kann ebenfalls in dem Rahmen des Querverbinders 140 angeordnet sein. Die Zellen 210 können miteinander verklebt werden.
Bei dem beschriebenen Aufbau ist ein Spannrahmen aus Profilen und Blechteilen zu einer „Kassette“ verbunden. Dies ermöglicht das einfache Einführen der Batteriezellen sowie der Zellzwischenelemente (Polster und gegebenenfalls Rahmen) zu einem geordneten Stapel.
Der Rahmen bzw. die Kassette kann vorgefertigt werden und zu den Batteriezellen 210 mit einer elektrischen Isolierung versehen sein, z. B. in Form einer Folie, Lack, Kunststoff etc.
Im gezeigten Beispiel liegen die Batteriepole (tabs) 230 an der Oberseite des Batteriemoduls frei.
Die Vorspannkraft, mit der der Batteriezellstapel und die Endplatte zusammengedrückt und gehalten werden, während die Endlaschen der Kassette umgebogen und an den Endplatten 130 fixiert werden, kann beispielsweise 20 bis 30 kN betragen. Die genannte Vorspannkraft verteilt sich auf die im Beispiel 4 Laschen an einem Ende des Rahmens 100. Durch den beschriebenen Aufbau und die Montage sind die Zellen in der Kassette vorgespannt eingebaut. Das zusammengesetzte Modul, wie in den 1 bis 3 gezeigt, kann in ein Batteriegehäuse eingebaut werden. 5 zeigt schematisch Stützbalken 300, auf denen das Batteriemodul über die Befestigungslaschen 114 abgestützt sein kann.
Durch den beschriebenen Aufbau des Rahmens und des Batteriemoduls wird der Bauraumbedarf optimiert und die Teileanzahl verringert. Der Rahmen gewährleistet nicht nur die Verspannung der Zellen, sondern übernimmt die Aufgaben, die Zellen mechanisch zu verspannen, die Zellen niederzuhalten bzw. zu positionieren, die Zellen gegenüber dem Rahmen oder der Kassette elektrisch zu isolieren, und die einfache Befestigung des Batteriemoduls zu ermöglichen. Zudem werden parasitäre Kapazitäten (Y-Kapazitäten) durch den Aufbau des Rahmens aus schmalen, streifenförmigen Seitenstreben 110, 120 vermindert. Der Rahmen des Batteriemoduls spart somit Bauraum ein, spart Bauteile und Kosten ein und ist einfach durch Blechbearbeitung und Blechumformung herstellbar. So kann beispielsweise das Blechprofil für die Seitenstreben 110, 120 als Blechband durch eine Rolle gezogen und umgeformt werden.
Bezugszeichenliste

100: Rahmen
110: obere Seitenstrebe
112: Niederhalter
114: Befestigungslasche
120: untere Seitenstrebe
122: Stützlasche
130: Endplatte
132: Innenwand
134: Außenwand
136: Rippen
140: Querverbinder
150: Endlaschen
152: Verbindungsabschnitt
200: Batteriezellstapel
210: Batteriezelle
220: Zwischenlage
222: Polster
224: Polsterrahmen
230: Batteriepol
300: Stützbalken

Claims

Rahmen für ein Batteriemodul, mit linken und rechten Seitenstreben (110, 120) und mit einem Aufnahmeraum für einen Stapel (200) von Batteriezellen, wobei der Rahmen (100) den Aufnahmeraum entlang einer linken Seite, eines vorderen Endes, einer rechten Seite und eines hinteren Endes umgibt, wobei die linken und rechten Seitenstreben (110, 120) den Aufnahmeraum mindestens seitlich begrenzen, wobei die linken und rechten Seitenstreben (110, 120) jeweils Endlaschen (150) umfassen, die endseitig des Aufnahmeraums um 90° in Richtung aufeinander zu gebogen sind und jeweils einen parallel zu einem Ende des Aufnahmeraums verlaufenden Verbindungsabschnitt (152) aufweisen, wobei ein Verbindungsabschnitt einer linken Endlasche (150) und ein Verbindungsabschnitt (152) einer rechten Endlasche (150) endseitig des Aufnahmeraums miteinander verbunden sind.
Rahmen nach Anspruch 1, wobei der Rahmen (100) wenigstens eine Endplatte (130) umfasst, wobei ein Verbindungsabschnitt (152) einer linken Endlasche (150) und ein Verbindungsabschnitt (152) einer rechten Endlasche (150) jeweils mit der Endplatte (130) verbunden sind.
Rahmen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die linken und rechten Seitenstreben (110, 120) umfassen: linke Seitenstreben, umfassend eine obere linke Seitenstrebe (110) und eine untere linke Seitenstrebe (120); und rechte Seitenstreben, umfassend eine obere rechte Seitenstrebe (110) und eine untere rechte Seitenstrebe (120).
Rahmen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rahmen (100) Niederhalter (112) umfasst, die den Aufnahmeraum oberseitig begrenzen, wobei ein jeweiliger Niederhalter (112) an einer der linken und rechten Seitenstreben (110) nach innen ragt.
Rahmen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rahmen (100) außenseitig links und rechts abstehende Befestigungslaschen (114) umfasst, wobei eine jeweilige Befestigungslasche (114) an einem der linken und rechten Seitenstreben (110) nach außen ragt.
Rahmen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die linke Seitenstrebe (110) und die rechte Seitenstrebe (110) jeweils ein Blechprofil umfassen, welches sich zusammenhängend über die Länge der jeweiligen Seitenstrebe (110) einschließlich der jeweiligen Endlasche (150) und des Verbindungsabschnitts (152) erstreckt.
Rahmen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine obere linke Seitenstrebe (110) und eine obere rechte Seitenstrebe (110) jeweils aus einem um 180° gefaltetem Blechprofil hergestellt sind und jeweils eine Außenwand und eine Innenwand der Seitenstrebe (110) umfassen.
Rahmen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die linken und rechten Seitenstreben (110, 120) am vorderen Ende und am hinteren Ende die Endlaschen (150) aufweisen, und wobei sowohl an einem vorderen Ende des Aufnahmeraums als auch an einem hinteren Ende des Aufnahmeraums ein Verbindungsabschnitt (152) einer linken Endlasche (150) und ein Verbindungsabschnitt (152) einer rechten Endlasche (150) miteinander verbunden sind.
Rahmen nach Anspruch 8, wobei der Rahmen (100) einen Querverbinder (140) umfasst, der die linken und rechten Seitenstreben (110, 120) miteinander verbindet, wobei der Querverbinder (140) den Aufnahmeraum in einen hinteren und einen vorderen Teil unterteilt.
Batteriemodul, umfassend einen Rahmen (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einen Stapel (200) von Batteriezellen (210), die in dem Aufnahmeraum des Rahmens (100) aufgenommen sind.