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Die Erfindung betrifft eine Endplatte zum Verspannen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen, ein Batteriemodul mit wenigstens einer Endplatte, sowie eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodul und ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Batterie.
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Üblicherweise sind Batteriemodule für Batterien von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen aus Endplatten, Seitenplatten, Batteriezellen und Spannmatten aufgebaut. Endplatten und Seitenplatten bilden das Modulgehäuse. Die Batteriezellen werden im Batteriemodul mittels der Endplatten quer zu einer Längserstreckung der Batteriezellen verspannt. Zwischen den Batteriezellen sind üblicherweise Spannmatten angeordnet. Die Batteriezellen dehnen sich üblicherweise durch das sogenannte Zelldickenwachstum über ihre Lebenszeit aus. Die durch dieses Zelldickenwachstum verursachten Kräfte sowie der hierfür nötige Bauraum in der Stapelrichtung der Batteriezellen werden über die Spannmatten aufgefangen. Hierfür wird jedoch zusätzlicher Bauraum im Batteriemodul benötigt.
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Die
DE102019205777A1 offenbart eine Spanneinrichtung zum Verspannen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen, welche ein Befestigungselement zum Befestigen der Spanneinrichtung an einem Batteriegehäuse aufweist. Die Spanneinrichtung weist eine erste Endplatteneinheit und eine zweite Endplatteneinheit zur beidseitigen Begrenzung des Zellstapels in Stapelrichtung auf, wobei die erste Endplatteneinheit eine erste Endplatte und eine erste Deformationsplatte umfasst, und wobei die erste Endplatte mit dem mindestens einen Befestigungselement fest verbunden verbunden ist. Dabei ist die erste Deformationsplatte weiterhin derart ausgebildet, dass die erste Deformationsplatte durch eine im Falle eines in der Spanneinrichtung aufgenommenen Zellstapels durch ein Anschwellen zumindest einer Batteriezelle des Zellstapels auf die erste Deformationsplatte ausgeübte Deformationskraft deformierbar ist. Die erste Endplatte und die erste Deformationsplatte sind voneinander beabstandet und sich nicht berührend angeordnet und derart über zumindest ein Kopplungselement miteinander verbunden, dass die Deformationskraft zumindest zum Großteil nicht auf die erste Endplatte übertragbar ist.
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Die
WO202229175A1 offenbart ein Batteriemodul zur Aufnahme von Batteriezellen, umfassend mindestens eine Endplatte, welche ein inneres Profilelement und ein äußeres Profilelement umfasst. Das innere Profilelement und/oder das äußere Profilelement sind rollprofilierte Blechplatten, wobei da äußere Profilelement einstückig ist und bevorzugt als Blattfeder ausgestaltet. Das innere Profilelement ist einstückig und als eine bogenförmige oder U-förmige Struktur ausgestaltet.
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Die
DE102013201021A1 zeigt ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen und mehreren Behältern zur Aufnahme der Batteriezellen, das Anpressplatten zum Verspannen der Batteriezellen verwendet. Seitlich werden Spannbänder angeordnet, die stirnseitig der Behälter durch in dem Kunststoffgehäuse vorhandenen Führungen positioniert werden. Die Anpressplatten werden mit den Spannbändern beispielsweise durch Laserschweißen verbunden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Endplatte zum Verspannen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Batteriemodul mit wenigstens einer verbesserten Endplatte zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodul mit wenigstens einer verbesserten Endplatte zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer solchen Batterie zu schaffen.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Endplatte zum Verspannen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen vorgeschlagen, umfassend einen Körper mit zwei Flachseiten, welcher zwischen den Flachseiten entlang einer Längserstreckung des Körpers einen Aufnahmeraum für eine darin verteilte Füllmasse aufweist.
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Endplatten zum Verspannen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen sind häufig als Aluminium-Strangpressprofile ausgebildet, welche in ihrer Pressrichtung entsprechende Hohlräume aufweisen. Spannmatten, welche im Zellstapel zwischen den Batteriezellen zur Kompensation des Zelldickenwachstums angeordnet werden, sind üblicherweise aus einem elastischen Schaummaterial mit definierten Werten für Elastizitätsmodul und weiteren Kenngrößen gebildet.
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Die vorgeschlagene Endplatte sieht nun vor, dass ein Aufnahmeraum im Körper der Endplatte, also beispielsweise ein Hohlraum eines Strangpressprofils mit dem Schaummaterial einer Spannmatte als Füllmasse gefüllt wird. Auf diese Weise kann die Endplatte direkt die Kraft und räumliche Ausdehnung durch das Zelldickenwachstum aufnehmen. Die nötige Gegenkraft und den nötigen Aufnahmeweg der Endplatte kann günstigerweise über die Geometrie des Körpers und die Eigenschaften der Füllmasse eingestellt werden.
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Vorteilhaft ist so die Funktion der üblicherweise in Zellstapeln zwischen Batteriezellen eingelegten Spannmatten aus elastischem geschäumtem Material als Füllung in den Körper der Endplatte integriert. Dabei kann die Dicke und Steifigkeit des Körpers mit der Elastizität und Rückstellkraft des innerhalb des Körpers angeordneten Schaummaterials als Füllmasse abgestimmt werden, wodurch sich bei verringertem Bauraum eine verbesserte Funktion der Endplatte ergibt.
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Vorteilhaft können mit der vorgeschlagenen Endplatte Bauteile und Bauraum eingespart werden. Dadurch lässt sich der Energieinhalt bei verfügbarem Bauraum einer Batterie steigern. Dadurch ergibt sich eine günstige Kosteneinsparung. Die Gegenkraft zur Kompensation des Zelldickenwachstums lässt sich zweckmäßigerweise geeignet einstellen durch eine Abstimmung zwischen Körper der Endplatte und Füllmasse.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Endplatte kann der Körper als Hohlprofil, insbesondere als Aluminium-Strangpressprofil, ausgebildet sein. Ein solches Aluminium-Strangpressprofil bietet mit seinen durch die Herstellung vorgegebenen Hohlräumen als Aufnahmeraum für die Füllmasse günstige Voraussetzungen zur Ausbildung der verbesserten Endplatte. Die Hohlräume können vorteilhaft mit der Füllmasse ausgefüllt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Endplatte kann wenigstens eine der Flachseiten des Körpers eine Seite des Aufnahmeraums bilden. Das Aluminium-Strangpressprofil des Körpers der Endplatte kann günstigerweise auch auf einer Flachseite offen gestaltet sein, sodass der Aufnahmeraum mit der Füllmasse eine offene Seite gegenüber der anliegenden Batteriezelle bietet. Eine solche Ausführung realisiert auf vorteilhafte Weise die Integration einer üblichen Spannmatte in den Körper der Endplatte.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Endplatte kann wenigstens eine von zwei Stirnseiten, die sich in Längserstreckung des Körpers gegenüber liegen, zum Befüllen des Körpers mit der Füllmasse ausgebildet sein. Die Füllmasse kann so günstig von einer Stirnseite in den Körper eingefüllt werden. Danach kann die Befüllöffnung verschlossen werden oder sie bleibt nach Aushärten beispielsweise einer Schaummasse als Füllmasse offen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Endplatte kann die Füllmasse aus elastischem, insbesondere schäumbarem, Material gebildet sein. Die Füllmasse kann günstigerweise aus dem Schaummaterial einer üblichen Spannmatte gebildet sein. Solche Schaummaterialen sind vorteilhaft mit den nötigen Kennwerten verfügbar. Günstig sind beispielsweise mikrozelluläre Polyurethanschäume. Ein typisches Material ist beispielsweise Poron 4701-43RL-10 der Firma Rogers Corporation, USA, mit einer Dichte 160 kg/m3 und einer Zugfestigkeit 345 kPa. Bei der Anwendung als Füllmasse in einer Endplatte ist ein Verlauf einer entsprechenden Kraft als Reaktion auf Druck auf das Material von Bedeutung. Vorteilhaft ist ein schneller Anstieg auf ein ausreichendes Kraftniveau und ein möglichst flacher und langer Anstieg der Kraftkurve, bevor die Kraft exponentiell ansteigt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Endplatte kann an dem Körper wenigstens eine Befestigungseinrichtung zum Befestigen an einem Modulgehäuse oder einem Batteriegehäuse oder an einer weiteren Endplatte angeordnet sein. Die Endplatte kann so günstigerweise in einem Modulgehäuse mechanisch fixiert oder mit einer daneben angeordneten Endplatte eines zweiten Zellstapels mechanisch verbunden werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Batteriemodul mit wenigstens einer Endplatte vorgeschlagen, wenigstens umfassend einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen, wobei der Zellstapel wenigstens einseitig in Stapelrichtung von der wenigstens einen Endplatte begrenzt ist.
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Das vorgeschlagene Batteriemodul weist wenigstens eine Endplatte auf, bei welcher ein Aufnahmeraum im Körper der Endplatte, also beispielsweise ein Hohlraum eines Strangpressprofils mit dem Schaummaterial einer Spannmatte als Füllmasse gefüllt wird. Auf diese Weise kann die Endplatte direkt die Kraft und räumliche Ausdehnung durch das Zelldickenwachstum aufnehmen. Die nötige Gegenkraft und den nötigen Aufnahmeweg der Endplatte kann günstigerweise über die Geometrie des Körpers und die Eigenschaften der Füllmasse eingestellt werden.
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Vorteilhaft ist so die Funktion der üblicherweise in Zellstapeln zwischen Batteriezellen eingelegten Spannmatten aus elastischem geschäumtem Material als Füllung in den Körper der Endplatte integriert. Dabei kann die Dicke und Steifigkeit des Körpers mit der Elastizität und Rückstellkraft des innerhalb des Körpers angeordneten Schaummaterials als Füllmasse abgestimmt werden, wodurch sich bei verringertem Bauraum eine verbesserte Funktion der Endplatte ergibt.
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Vorteilhaft können bei dem vorgeschlagenen Batteriemodul Bauteile und Bauraum eingespart werden. Dadurch lässt sich der Energieinhalt bei verfügbarem Bauraum einer Batterie steigern. Dadurch ergibt sich eine günstige Kosteneinsparung. Die Gegenkraft zur Kompensation des Zelldickenwachstums lässt sich zweckmäßigerweise geeignet einstellen durch eine Abstimmung zwischen Körper der Endplatte und Füllmasse.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodul wie vorstehend beschrieben vorgeschlagen.
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Die vorgeschlagene Batterie weist wenigstens ein Batteriemodul mit einer verbesserten Endplatte wie oben beschrieben auf. Durch die Integration der Funktion der üblicherweise in Zellstapeln zwischen Batteriezellen eingelegten Spannmatten aus elastischem geschäumtem Material als Füllung in den Körper der Endplatte kann vorteilhaft ein größerer Energieinhalt der Batterie erreicht werden, da die Endplatten einen geringeren Bauraum benötigen.
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Mit dem Batteriemodul mit einer verbesserten Endplatte kann vorteilhaft ein größerer Energieinhalt in der Batterie erreicht werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterie mit wenigstens zwei Batteriemodulen vorgeschlagen, wobei die zwei Batteriemodule in einer Stapelrichtung des Zellstapels aneinander angrenzend angeordnet sind. Dabei sind Endplatten der zwei Batteriemodule sich gegenseitig abstützend angeordnet.
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Auf diese Weise können Kräfte und räumliche Ausdehnung der Batteriezellen über die Lebenszeit durch die Endplatten vorteilhaft aufgefangen werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Batterie wie vorstehend beschrieben vorgeschlagen.
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Die für die erfindungsgemäße Endplatte und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Batteriemodul, die erfindungsgemäße Batterie sowie das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Batterie.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine isometrische Darstellung eines Batteriemoduls nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine isometrische Darstellung einer Endplatte nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 einen Querschnitt der Endplatte nach 2;
- 4 die Endplatte nach 2 im Querschnitt mit einer Kraftbeaufschlagung; und
- 5 einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf eine Batterie eines Kraftfahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt eine isometrische Darstellung eines Batteriemoduls 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das Batteriemodul 100 umfasst einen Zellstapel 30 mit mehreren in einer Stapelrichtung 34 nebeneinander angeordneten Batteriezellen 32, von denen nur einige exemplarisch bezeichnet sind. Der Zellstapel 30 ist in Stapelrichtung 34 von Endplatten 10 begrenzt, welche die Batteriezellen 32 gegeneinander verspannen.
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2 zeigt eine isometrische Darstellung einer solchen Endplatte nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, während in 3 ein Querschnitt der Endplatte dargestellt ist. Es handelt sich dabei um rein schematische Darstellungen.
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Die Endplatte 10 dient zum Verspannen des Zellstapels 30 mit mehreren in der Stapelrichtung 34 nebeneinander angeordneten Batteriezellen 32 und umfasst einen Körper 12 mit zwei Flachseiten 14, 16. Der Körper 12 weist zwischen den Flachseiten 14, 16 entlang einer Längserstreckung 22 des Körpers 12 einen Aufnahmeraum 18 für eine darin verteilte Füllmasse 20 auf.
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Der Körper 12 kann beispielsweise als Hohlprofil, insbesondere als Aluminium-Strangpressprofil, ausgebildet sein, wobei dann Hohlräume des Strangpressprofils den Aufnahmeraum 18 darstellen.
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Die Füllmasse 20, welche aus elastischem, insbesondere schäumbaren, Material gebildet sein kann, kann über eine oder beide der zwei Stirnseiten 24, 26, die sich in Längserstreckung 22 des Körpers 12 gegenüber liegen, in den Körper 12 eingefüllt werden. Der Zugang kann danach verschlossen werden oder, wenn die Füllmasse 20 beispielsweise ausgehärtet ist, offen bleiben.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Körper 12 im Querschnitt eine geschlossene Kontur, sodass der Aufnahmeraum 18 im Inneren des Körpers 12 ausgebildet und mit der Füllmasse 20 gefüllt ist.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Kontur des Körpers 12 jedoch im Querschnitt auch eine offene Flachseite 14, 16 aufweisen, welche dann eine Seite des Aufnahmeraums 18 bildet, sodass der Aufnahmeraum 18 offen ist. In diesem Fall liegt die Füllmasse 20 dann direkt an einer angrenzenden Batteriezelle 32 an.
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Bei der Endplatte 10 ist der Aufnahmeraum 18 im Körper 12 der Endplatte 10, also beispielsweise ein Hohlraum eines Strangpressprofils mit dem Schaummaterial einer üblichen Spannmatte als Füllmasse 20 gefüllt. Auf diese Weise kann die Endplatte 10 direkt die Kraft und räumliche Ausdehnung durch das Zelldickenwachstum aufnehmen. Die nötige Gegenkraft und den nötigen Aufnahmeweg der Endplatte 10 kann günstigerweise über die Geometrie des Körpers und die Eigenschaften der Füllmasse 20 eingestellt werden.
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Vorteilhaft ist so die Funktion der üblicherweise in Zellstapeln 30 zwischen Batteriezellen 32 eingelegten Spannmatten aus elastischem geschäumtem Material als Füllung in den Körper 12 der Endplatte 10 integriert. Dabei kann die Dicke und Steifigkeit des Körpers 12 mit der Elastizität und Rückstellkraft des innerhalb des Körpers 12 angeordneten Schaummaterials als Füllmasse 20 abgestimmt werden, wodurch sich bei verringertem Bauraum eine verbesserte Funktion der Endplatte 10 ergibt.
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Die Füllmasse kann günstigerweise aus dem Schaummaterial einer üblichen Spannmatte gebildet sein. Solche Schaummaterialen sind vorteilhaft mit den nötigen Kennwerten verfügbar. Günstig sind beispielsweise mikrozelluläre Polyurethanschäume. Ein typisches Material ist beispielsweise Poron 4701-43RL-10 der Firma Rogers Corporation, USA, mit einer Dichte 160 kg/m3 und einer Zugfestigkeit 345 kPa. Bei der Anwendung als Füllmasse in einer Endplatte ist ein Verlauf einer entsprechenden Kraft als Reaktion auf Druck auf das Material von Bedeutung. Vorteilhaft ist ein schneller Anstieg auf ein ausreichendes Kraftniveau und ein möglichst flacher und langer Anstieg der Kraftkurve, bevor die Kraft exponentiell ansteigt.
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In 4 ist eine solche Endplatte 10 im Querschnitt nach Beaufschlagung mit einer Kraft 50 dargestellt. Der Körper der Endplatte 10 wird auf der einen Flachseite 14 durch die Kraft 50 verformt, welche von der Füllmasse 20 im Inneren des Körpers 12 aufgenommen wird. Dadurch bleibt die Form der zweiten Flachseite 16 erhalten, sodass sich die Endplatte 10 nicht nach außen ausbeult. Die äußeren Abmessungen des Zellstapels 30 bleiben auf diese Weise vorteilhaft erhalten.
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5 zeigt einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf eine Batterie 200 eines Kraftfahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Batterie weist mehrere Batteriemodule 100 auf, von denen eines im Wesentlichen erkennbar ist. Die anderen angrenzenden Batteriemodule 100 sind nur andeutungsweise dargestellt.
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Ein Batteriemodul 100 weist jeweils einen Zellstapel 30 mit einer Mehrzahl von Batteriezellen 32 auf, welche in der Stapelrichtung 34 an beiden Enden durch Endplatten 10 verspannt sind. Die Batteriemodule 100 sind in der Batterie 200 jeweils hintereinander in Stapelrichtung 34 und nebeneinander angeordnet.
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Bei Batteriemodulen 100, welche in der Stapelrichtung 34 des Zellstapels 30 aneinander angrenzend angeordnet sind, stützen aneinander anstoßende Endplatten 10 von zwei Batteriemodulen 100 sich jeweils gegenseitig ab. Die zwei aneinander abgestützten Endplatten 10 können vorteilhaft jeweils eine Befestigungseinrichtung 28 zum Befestigen an der weiteren Endplatte 10 aufweisen. So können die Endplatten 10 beispielsweise miteinander verschraubt sein.
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Alternativ kann die Endplatte 10 über die Befestigungseinrichtung 28 an einem Modulgehäuse 110 oder einem Batteriegehäuse befestigt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Endplatte
- 12
- Körper
- 14
- Flachseite
- 16
- Flachseite
- 18
- Aufnahmeraum
- 20
- Füllmasse
- 22
- Längserstreckung
- 24
- Stirnseite
- 26
- Stirnseite
- 28
- Befestigungseinrichtung
- 30
- Zellstapel
- 32
- Batteriezelle
- 34
- Stapelrichtung
- 50
- Kraft
- 100
- Batteriemodul
- 110
- Modulgehäuse
- 200
- Batterie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019205777 A1 [0003]
- WO 202229175 A1 [0004]
- DE 102013201021 A1 [0005]
