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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, das einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen und eine Spanneinrichtung zum Verspannen des Zellstapels aufweist, wobei die Spanneinrichtung eine erste Endplatteneinheit und eine zweite Endplatteneinheit zur beidseitigen Begrenzung des Zellstapels in Stapelrichtung aufweist, wobei zumindest die erste Endplatteneinheit eine dem Zellstapel zugewandte erste Innenseite und eine dem Zellstapel abgewandte erste Außenseite aufweist, die der ersten Innenseite gegenüberliegt, und wobei die erste Innenseite und die erste Außenseite einen Abstand zueinander aufweisen, der eine Dicke der ersten Endplatteneinheit in der Stapelrichtung definiert. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Endplatteneinheit für ein Batteriemodul und ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind Hochvolt-Batterien für Kraftfahrzeuge bekannt, in denen mehrere Batteriezellen entlang eines Zellstabes angeordnet sein können. Zwischen den Batteriezellen sind dabei typischerweise Zelltrennelemente angeordnet. Diese können plattenförmig ausgebildet sein und werden zum Beispiel auch als Swelling-Pads bezeichnet. Die Batteriezellen schwellen typischerweise beim Laden an und beim Entladen wieder ab, was auch als ladungsbedingtes Swelling bezeichnet wird. Die Zellen dehnen sich also aus und ziehen sich wieder zusammen. Dies ist typischerweise von einem alterungsbedingten Swelling überlagert, gemäß welchem sich die Batteriezellen im Laufe ihrer Lebensdauer ausdehnen. Dieser Vorgang ist irreversibel. Außerdem dehnen sich Zellen auch bedingt durch Temperaturänderungen aus oder ziehen sich temperaturbedingt zusammen. Dieses Swelling der Batteriezellen oder im Allgemeinen diese Ausdehnen sollte geeignet kompensiert werden. Weiterhin sind die Zellstapel typischerweise in einem Modulrahmen verspannt. Dieser weist an den Stirnseiten des Zellstapels jeweils eine Endplatte, auch Endplate genannt, auf, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Endplatteneinheit bezeichnet wird. Über dieser wird eine Spannkraft in Richtung der Zellen aufgebracht. Die Swelling-Pads werden dabei durch die schwellenden Batteriezellen üblicherweise im Volumen verdrängt. Dadurch entstehen in Stapelrichtung je nach Zustand des Swellings hohe Kräfte, damit das Maß des gesamten Zellmoduls in der Stapelrichtung gehalten werden kann und die Toleranzen zur Karosserie gehalten werden können. Die hohen Kräfte innerhalb eines Zellmoduls führen dazu, dass die Dauereigenschaften der Batteriezelle schlechter werden. Dies betrifft die elektrische Batteriezellenkapazität, die Dauerhaltbarkeit der Batteriezellen, selbst und die thermischen Eigenschaften der Batterie. Entsprechend wird bislang versucht, die von den Swelling-Pads oder Endplates erzeugten und auf die Zellen wirkenden Rückstellkräfte in ihrem Ausmaß zu begrenzen.
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Die
DE 10 2019 205 777 A1 beschreibt eine Spanneinrichtung zum Verspannen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen, wobei die Spanneinrichtung zwei Endplatteneinheiten aufweisen, von denen zumindest eine eine Endplatte und eine Deformationsplatte umfasst. Dabei ist die Deformationsplatte derart ausgebildet, dass die Deformationsplatte durch eine im Falle eines in der Spanneinrichtung aufgenommenen Zellstapels durch ein Anschwellen zumindest einer Batteriezelle des Zellstapels auf die Deformationsplatte ausgeübte Deformationskraft deformierbar ist, und wobei die Endplatte und die Deformationsplatte voneinander beabstandet und sich nicht berührend angeordnet sind und derart über zumindest ein Kopplungselement miteinander verbunden sind, dass die Deformationskraft zumindest zum Großteil nicht auf die Endplatte übertragbar ist. Die Deformation der Deformationsplatte erlaubt dabei dem Zellstapel, sich in Stapelrichtung auszudehnen, während die Endplatte dabei nahezu kräftefrei gehalten wird.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2019 125 382 A1 eine Batterie mit einer Verspannvorrichtung und mittels der Verspannvorrichtung verspannten Batteriezellen, auf die ein Gesamtdruck wirkt, der aus einem Verspanndruck und einem durch eine betriebsbedingte Volumenzunahme der Batteriezellen erzeugten und fortschreitenden Anschwelldruck resultiert. Die Batterie weist dabei eine Druckbegrenzungsvorrichtung zum Begrenzen des Gesamtdrucks auf einen maximal zulässigen Grenzdruck auf, wobei die Druckbegrenzungsvorrichtung zumindest ein Druckbegrenzungselement aufweist, welches zwischen zumindest zwei oder einigen oder jeder der Batteriezellen und/oder einer jeweiligen endständigen Batteriezelle des Zellstapels und einer zu der jeweiligen endständigen Batteriezelle benachbart angeordneten und ihr zugeordneten Verspannplatte der Verspannvorrichtung angeordnet ist. Das jeweilige Druckbegrenzungselement ist elastisch ausgebildet und dazu ausgelegt, bei Überschreiten des vorbestimmten maximalen Grenzdrucks unter Beibehaltung der Elastizität sich plastisch zu verformen, wodurch der Gesamtdruck auf den zulässigen maximalen Grenzdruck beschränkt ist. Die Druckbegrenzungsvorrichtung kann dabei als dünnes Wellblech ausgebildet sein.
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Durch die Kraftbegrenzung der durch die Zelltrennelemente bereitgestellten Rückstellkräfte, die ein Ansteigen dieser über einen Grenzwert hinaus verhindert, lässt sich ein zu hoher Druck auf die Zellen vermeiden, sowie auch eine Beschädigung dieser, was deren Lebensdauer steigert.
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Nichtsdestoweniger wäre es auch weiterhin wünschenswert, noch einfachere oder effizientere Möglichkeiten aufzuzeigen, wie sich die Lebensdauer steigern lässt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Batteriemodul, eine Endplatteneinheit und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die es ermöglichen, ein Ausdehnen eines Zellstapels auf möglichst vorteilhafte und effiziente Weise zu kompensieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriemodul, eine Endplatteneinheit und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul weist einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen und eine Spanneinrichtung zum Verspannen des Zellstapels auf, wobei die Spanneinrichtung eine erste Endplatteneinheit und eine zweite Endplatteneinheit zur beidseitigen Begrenzung des Zellstapels in Stapelrichtung aufweist, wobei zumindest die erste Endplatteneinheit eine dem Zellstapel zugewandte erste Innenseite und eine dem Zellstapel abgewandte erste Außenseite aufweist, die der ersten Innenseite gegenüberliegt, wobei die erste Innenseite und die erste Außenseite einen Abstand zueinander aufweisen, der eine Dicke der ersten Endplatteneinheit in der Stapelrichtung definiert. Dabei umfasst zumindest die erste Endplatteneinheit ein kriechfähiges Material und ist so ausgebildet, dass sich die Dicke der ersten Endplatteneinheit bei Krafteinwirkung vom Zellstapel auf die erste Endplatteneinheit zumindest zum Teil irreversibel durch ein Kriechen des kriechfähigen Materials verringert.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass das Kriechen von kriechfähigen Materialien und das eingangs definierte alterungsbedingte Swelling von Batteriezellen auf ähnlichen Zeitskalen ablaufen beziehungsweise je nach Auslegung des kriechfähigen Materials ablaufen können. Dies wiederum ermöglicht es vorteilhafterweise, durch das Verwenden eines solchen kriechfähigen Materials das alterungsbedingte Swelling zu kompensieren. Durch die Krafteinwirkung vom Zellstapel auf die erste Endplatteneinheit verringert diese bedingt durch das Kriechen des kriechfähigen Materials im Laufe der Zeit ihre Dicke, und zwar irreversibel, sodass durch diese Verringerung der Dicke keine zusätzliche Rückstellkraft, das heißt zumindest nicht zusätzlich zu der gegebenenfalls initial durch die Spanneinrichtung zum Verspannen des Zellstapels eingestellte Spannkraft, erzeugt wird, die auf den Zellstapel wirkt. Mit anderen Worten lässt sich hierdurch nicht nur eine Kraftbegrenzung oder Druckbegrenzung bereitstellen, sondern sogar eine kraftneutrale Swelling-Kompensation. Dies bedeutet, dass die Kraft beziehungsweise der Druck auf den Zellstapel nicht erst auf einen bestimmten Schwellwert ansteigen muss, ab welchem dann eine Druckbegrenzung einsetzt, sondern dass es hierdurch sogar möglich ist, die initial eingestellte Vorspannkraft auf den Zellstapel über lange Zeit, insbesondere über die gesamte Lebensdauer hinweg, konstant zu halten oder zumindest nahezu konstant zu halten, zumindest im Mittel. Zumindest im Mittel bedeutet hierbei, dass eine gewisse Druckoszillation beziehungsweise Kraftoszillation um einen Mittelwert dennoch auftreten kann, die durch zum Beispiel das eingangs beschriebene ladungsbedingte Swelling verursacht sein kann. Dieses ladungsbedingte Swelling kann optional durch zum Beispiel eingangs beschriebene Swelling-Pads zwischen den Zellen zumindest zum Teil kompensiert werden. Durch die Erfindung wird es nun vorteilhafterweise verhindert, dass dieser Mittelwert der oszillierenden Spannkraft im Laufe der Lebensdauer ansteigt. Somit ist es vorteilhafterweise möglich, den Initialzustand eines Batteriemoduls, insbesondere sowohl im Hinblick auf die initiale Modullänge als auch im Hinblick auf die Kräfte, die auf die Zellen des Batteriemoduls wirken, über Lebensdauer nahezu konstant zu halten. Dies ist wiederum förderlich für die Lebensdauer der Batteriezellen und damit der gesamten Batterie und ermöglicht zugleich eine besonders bauraumeffiziente Bereitstellung eines solchen Batteriemoduls. Außerdem wird diese Swelling-Kompensation des alterungsbedingten Swellings vorliegend vorteilhafterweise durch zumindest eine der Endplatteneinheiten realisiert, was den großen Vorteil hat, dass außerhalb des Zellstapels mehr Bauraum zur Verfügung steht, um eine solche Swelling-Kompensation angepasst auf die spezifischen Eigenheiten des Zellstapels zu optimieren als beispielsweise durch Elemente zwischen den Zellen, die typischerweise einen Abstand von nur wenigen Millimetern aufweisen, und gleichzeitig können so die eingangs beschriebenen Swelling-Pads beispielsweise besser im Hinblick auf die Kompensation des ladungsbedingten Swellings optimiert werden. Somit wird durch die Erfindung eine besonders vorteilhafte und effiziente Möglichkeit bereitgestellt, das alterungsbedingte Swelling von Batteriezellen zu kompensieren.
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Die Spanneinrichtung kann zudem noch weitere Elemente oder Komponenten aufweisen, um die Endplatteneinheiten mit dem Zellstapel zu verspannen. Beispielsweise können die beiden Endplatteneinheiten über zwei einander gegenüberliegend angeordnete Seitenplatten miteinander verbunden sein. Die Endplatteneinheiten können mit solchen Seitenplatten beispielsweise einen im Wesentlichen quaderförmigen Aufnahmebereich bereitstellen, in welchen der Zellstapel aufgenommen ist. Die beiden Endplatteneinheiten können aber auch mittels eines umlaufenden und in Umlaufrichtung inelastischen Spannbands miteinander verspannt sein, oder ähnliches. Weiterhin kann auch die zweite Endplatteneinheit wie zur ersten Endplatteneinheit beschrieben ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann auch die zweite Endplatteneinheit ein kriechfähiges Material umfassen und so ausgebildet sein, dass sich eine Dicke der zweiten Endplatteneinheit bei Krafteinwirkung vom Zellstapel auf die zweite Endplatteneinheit zumindest zum Teil irreversibel durch ein Kriechen dieses kriechfähigen Materials verringert. Das Kriechen erfolgt dabei in Reaktion auf eine einwirkende Kraft deutlich langsamer bzw. auf größeren Zeitskalen als andere plastische Verformungen, wie zum Beispiel durch Kaltumformung, oder ähnliches. Durch die Ausnutzung beider Endplatteneinheiten zur alterungsbedingten Swelling-Kompensation sind noch deutlich mehr Anpassungsmöglichkeiten gegeben. Die im Folgenden zur ersten Endplatteneinheit näher beschriebenen Ausgestaltungen sollen damit auch in gleicher Weise optional für die zweite Endplatteneinheit gelten. Nichtsdestoweniger ist es auch denkbar, dass die zweite Endplatteneinheit anders als die erste Endplatteneinheit ausgebildet ist, zum Beispiel ohne ein kriechfähiges Material. Die Batteriezellen können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Weiterhin können die Batteriezellen zum Beispiel als prismatische Batteriezellen ausgebildet sein. Andere Zellgeometrien sind jedoch ebenso denkbar. Dass die erste Endplatteneinheit ihre Dicke zumindest zum Teil irreversibel durch das Kriechen des kriechfähigen Materials verringert ist, ist dabei so zu verstehen, dass die erste Endplatteneinheit optional auch zum Teil elastisch deformierbar ausgebildet sein kann. Eine solche elastische Komponente erlaubt es, nach Deformation wieder in den Ausgangszustand zurückzukehren. Eine solche optionale elastische Deformation ist nunmehr durch das Vorsehen des kriechfähigen Materials durch eine irreversible plastische Verformung überlagert, wenn vom Zellstapel Druck bzw. eine Kraft auf die erste Endplatteneinheit ausgeübt wird. Das heißt, nachdem das Kriechen des kriechfähigen Materials eingesetzt hat, kann die Dicke der Endplatteneinheit, selbst wenn diese über eine zusätzliche elastische Komponente verfügt, nicht wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren. Weiterhin ist das Batteriemodul so ausgestaltet, dass die Krafteinwirkung vom Zellstapel auf die Endplatteneinheit zumindest im zeitlichen Mittel nahezu konstant ist. Das zeitliche Mittel kann sich auch hier wiederum auf mindestens einen Lade- und Entladezyklus beziehen. Dies ist wiederum durch das Kräftegleichgewicht zwischen Endplatteneinheiten und dem Zellstapel bedingt. Mit anderen Worten entspricht die von den Endplatteneinheiten auf den Zellstapel ausgeübte Spannkraft betragsmäßig der Kraft, die umgekehrt vom Zellstapel auf die Endplatteneinheiten wirkt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Endplatteneinheit derart ausgebildet, dass sich die Dicke durch das Kriechen des kriechfähigen Materials derart verringert, dass eine von der Spanneinrichtung über die erste und zweite Endplatteneinheit auf den Zellstapel ausgeübte, mittlere Spannkraft im Wesentlichen zeitlich konstant ist, insbesondere über mehrere Jahre. Mit anderen Worten lässt sich somit durch die Spanneinrichtung eine kraftneutrale Swelling-Kompensation bereitstellen. Mit anderen Worten wird durch das Kriechen des kriechfähigen Materials erreicht, dass die Spannkraft, mit welcher der Zellstapel mittels der Spanneinrichtung verspannt ist, auch über mehrere Jahre und trotz des Swellings des Zellstapels beziehungsweise dessen einzelner Batteriezellen nicht zunimmt. Die mittlere Spannkraft kann, wie oben bereits beschrieben, als Spannkraft definiert sein, die über einen Zeitraum gemittelt ist, der zu mindestens einem Lade- und Entladezyklus der Batteriezellen korrespondiert. Dieser Zeitraum hängt wiederum von der Betriebsweise des Batteriemoduls und der Verwendung, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug, ab. Dieser Zeitraum bewegt sich typischerweise im Bereich von Tagen oder maximal im Bereich von Wochen oder Monaten. Die Lebensdauer des Batteriemoduls bewegt sich dabei jedoch in der Größenordnung von mehreren Jahren. Dass die mittlere Spannkraft dabei im Wesentlichen zeitlich konstant ist, kann dabei zudem so definiert sein, dass diese mittlere Spannkraft gegenüber ihrem Ausgangswert ab Erstinbetriebnahme des Batteriemoduls um nicht mehr als zum Beispiel maximal zehn Prozent, vorzugsweise maximal fünf Prozent oder auch weniger abweicht.
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Dabei können also vorteilhafterweise die ursprünglichen und für die Lebensdauer der Zellen idealen Bedingungen über die gesamte Lebensdauer des Batteriemoduls beibehalten werden.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Endplatteneinheit eine dem Zellstapel zugewandte zweite Innenseite und eine dem Zellstapel abgewandte zweite Außenseite auf, die der zweiten Innenseite gegenüberliegt, wobei die erste Innenseite der ersten Endplatteneinheit und die zweite Innenseite der zweiten Endplatteneinheit einen Abstand zueinander aufweisen, wobei die Spanneinrichtung so ausgebildet ist, dass sich der Abstand vergrößert, wenn sich die Dicke der ersten Endplatteneinheit durch das Kriechen des kriechfähigen Materials verringert. Der Abstand zwischen den beiden Innenseiten der jeweiligen Endplatteneinheiten definiert sozusagen die maximale Länge des Aufnahmebereichs, in welchem der Zellstapel des Batteriemoduls aufgenommen ist. Durch das Kriechen des kriechfähigen Materials vergrößert sich somit die Länge dieses Aufnahmebereichs, sodass nunmehr mehr Bauraum für die angeschwollenen Batteriezellen des Batteriemoduls zur Verfügung steht. Diese Vergrößerung erfolgt dabei so, wie bereits beschrieben, ohne dass von den Endplatteneinheiten hierdurch eine zusätzliche Rückstellkraft auf den Zellstapel ausgeübt wird. Ein besonders großer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht zudem noch darin, dass sich hierdurch zwar die Position der jeweiligen Innenseiten oder zumindest einer der beiden Innenseiten relativ zur anderen, verändert, die jeweilige Außenseiten der jeweiligen Endplatteneinheiten davon jedoch vollkommen unberührt bleiben können. Diese können nämlich somit vorteilhafterweise in ihrer Position verharren. Die Gesamtlänge des Batteriemoduls bleibt also zeitlich immer konstant.
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Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Batteriemodul eine Länge in Stapelrichtung aufweist, wobei die Spanneinrichtung so ausgelegt ist, dass die Länge des Batteriemoduls zeitlich konstant ist, auch wenn sich die Dicke der ersten Endplatteneinheit verringert. Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Batteriemodul im Laufe der Zeit nicht mehr Bauraum beansprucht. Dies erleichtert zudem auch die Befestigung eines Batteriemoduls, zum Beispiel an einem Gesamtbatteriegehäuse, da dann für eine solche Befestigung keine entsprechende Toleranz vorgesehen sein muss, um eine solche Relativbewegung zu kompensieren. Die Befestigung des Batteriemoduls an einem Batteriegehäuse kann dann vorteilhafterweise zum Beispiel über einen Bezug auf eine jeweilige Außenseite der betreffenden Endplatteneinheit starr angeordnete Komponente oder über eine die Außenseite der jeweiligen Endplatteneinheit bereitstellende Komponente selbst erfolgen.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das kriechfähige Material mindestens einen kriechfähigen Kunststoff und/oder mindestens ein kriechfähiges Metall, insbesondere wobei das kriechfähige Material eine kriechfähige Kunststoffmischung darstellt. Grundsätzlich gibt es sowohl Kunststoffe als auch Metalle, die sehr gute Kriecheigenschaften aufweisen und die sich entsprechend für die Ausbildung der beschriebenen Endplatteneinheit beziehungsweise Endplatteneinheiten eignen. Gerade Kunststoffe zeichnen sich teilweise durch ihre sehr guten kriechfähigen Eigenschaften auf, sodass das kriechfähige Material vorzugsweise durch einen Kunststoff oder eine Kunststoffmischung bereitgestellt ist. Eine Kunststoffmischung stellt dabei eine Kombination verschiedener Kunststoffe dar. Dadurch lassen sich die Eigenschaften zumindest der ersten Endplatteneinheit in Bezug auf ihre Kriechfähigkeit besonders angepasst und definiert einstellen, insbesondere in Anpassung auf die Anforderungen des betreffenden zu verspannenden Zellstapels.
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Neben dem kriechfähigen Kunststoff beziehungsweise kriechfähigen Material kann die Endplatteneinheit noch weitere Komponenten und Materialien aufweisen, die insbesondere nicht alle notwendigerweise kriechfähig ausgebildet sein müssen. Insgesamt kann also die erste Endplatteneinheit vollständig aus Kunststoff gefertigt sein oder auch als Kunststoff-Metall-Hybrid ausgebildet sein. Unter einem Kunststoff soll dabei insbesondere auch wiederum eine Kunststoffmischung verstanden werden können, das heißt auch eine Kombination verschiedener Kunststoffe.
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Gerade die Fertigung vollständig aus Kunststoff oder zumindest zum Großteil aus Kunststoff oder Kunststoffen hat den großen Vorteil, dass die erste Endplatteneinheit und optional auch die zweite Endplatteneinheit elektrisch isolierend sind. Hierdurch können sonst zusätzliche erforderliche elektrische Isolierungen und Isolierplatten wegfallen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Endplatteneinheit ein erstes Plattenelement auf, welches die erste Innenseite bereitstellt, und ein zweites Plattenelement, welches die erste Außenseite bereitstellt, und eine zwischen dem ersten und zweiten Plattenelement angeordnete Komponente, die das kriechfähige Material umfasst oder aus dem kriechfähigen Material gebildet ist. Dabei ist es bevorzugt, dass zumindest das zweite Plattenelement, welches die erste Außenseite bereitstellt, bevorzugt aus einem nicht kriechfähigen Material oder zumindest nicht signifikant kriechfähigen Material gebildet ist. Dadurch kann die erste Außenseite des Batteriemoduls, und analog auch die zweite Außenseite, die durch die zweite Endplatteneinheit analog bereitgestellt werden kann, immer in Position gehalten werden und ein festgelegtes Endmaß des Batteriemoduls kann über Lebenszeit eingehalten werden. Die kriechfähige Komponente, das heißt die Komponente aus dem kriechfähigen Material, kann grundsätzlich an beliebiger Stelle zwischen der Außen- und Innenseite integriert sein. Durch das Kriechen des kriechfähigen Materials wird es ermöglicht, dass die Innenseite sich in Richtung Außenseite der Endplatteneinheit bewegt, wenn die Innenseite mit Druck beaufschlagt wird.
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Die Eigenschaften der jeweiligen Plattenelemente sowie der Komponente aus dem kriechfähigen Material können somit vorteilhafterweise unabhängig voneinander geeignet dimensioniert und ausgebildet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Endplatteneinheit zumindest zum Teil elastisch ausgebildet, um ein ladungsbedingtes An- und Abschwellen der Batteriezellen auszugleichen. Die erste Endplatteneinheit kann also optional zusätzlich ebenfalls einen federnden, elastischen Anteil aufweisen. Sofern also beispielsweise ein An- und Abschwellen der Batteriezellen im Zusammenhang mit dem Laden und Entladen der Batteriezellen nicht vollständig durch zum Beispiel zwischen den Batteriezellen angeordnete Swelling-Pads kompensiert werden kann, so kann für eine Restkompensation eines solchen ladungsbedingten An- und Abschwellens auch zumindest die erste Endplatteneinheit, und insbesondere auch wiederum die zweite Endplatteneinheit, verwendet werden. Somit können letztendlich sowohl das alterungsbedingte als auch das ladungsbedingte An- und Abschwellen der Batteriezellen besonders vorteilhaft kompensiert werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Endplatteneinheit für ein Batteriemodul, insbesondere für ein erfindungsgemäßes Batteriemodul oder eine seiner Ausgestaltungen, wobei die Endplatteneinheit zur Begrenzung des Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen des Batteriemoduls in der Stapelrichtung vorgesehen ist, wobei die Endplatteneinheit eine Innenseite und eine Außenseite aufweist, die der Innenseite gegenüberliegt, und wobei die Innenseite und die Außenseite einen Abstand zueinander aufweisen, der eine Dicke der Endplatteneinheit in einer ersten Richtung definiert. Dabei umfasst die Endplatteneinheit ein kriechfähiges Material und ist so ausgebildet, dass sich die Dicke der Endplatteneinheit bei Krafteinwirkung auf die Innenseite der Endplatteneinheit zumindest zum Teil irreversibel durch ein Kriechen des kriechfähigen Materials verringert.
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Die für das erfindungsgemäße Batteriemodul und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Endplatteneinheit. Befindet sich die erfindungsgemäße Endplatteneinheit in ihrer bestimmungsgemäßen Einbaulage in einem Batteriemodul, nämlich angeordnet an einem Ende eines Zellstapels, der mehrere in Stapelrichtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen aufweist, so entspricht die oben genannte erste Richtung der Stapelrichtung dieses Zellstapels. Die Endplatteneinheit kann zum Beispiel als die erste Endplatteneinheit eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls oder einer seiner Ausgestaltungen ausgebildet sein. Im Übrigen sollen für die Endplatteneinheit auch alle zuvor mit Bezug auf die erste Endplatteneinheit beschriebenen weiteren Merkmale als optionale und vorteilhafte Weiterbildungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Endplatteneinheit angesehen werden. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Endplatteneinheit hier nicht noch einmal beschrieben.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug, die ein erfindungsgemäßes Batteriemodul oder eine seiner Ausgestaltungen aufweist. Eine solche Hochvolt-Batterie kann im Übrigen auch mehrere solcher Batteriemodule umfassen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder einer seiner Ausgestaltungen oder mit einer erfindungsgemäßen Endplatteneinheit oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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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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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls in einer Explosionsdarstellung mit einer Endplatteneinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein Batteriemodul in einem Ausgangszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung des Batteriemoduls aus 2 nach einem alterungsbedingten Anschwellen der Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 4 eine grafische Darstellung des Verhaltens einer Spanneinrichtung für ein Batteriemodul im Laufe der Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 10 in Form eines Batteriemoduls in einer Explosionsdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriemodul 10 weist mehrere Batteriezellen 12 auf, die vorliegend als prismatische Batteriezellen 12 ausgebildet sind. Die Batteriezellen 12 sind dabei in einer Stapelrichtung, die zur dargestellten x-Richtung korrespondiert, nebeneinander in Form eines Zellstapels 14 angeordnet. Das Batteriemodul 10 weist zudem auch ein Batteriegehäuse 16 auf, welches sich wiederum aus mehreren einzelnen Komponenten zusammensetzt. Beispielsweise kann ein Rahmen 18 des Batteriegehäuses durch zwei den Zellstapel 14 in seiner Längserstreckungsrichtung begrenzenden Endplatteneinheiten 20, die auch mehrteilig ausgeführt sein können und die durch Seitenplatten 22 miteinander verbunden und verspannt sind, bereitgestellt sein. Weiterhin kann das Modulgehäuse 16, das im Folgenden auch als Spanneinrichtung 16 bezeichnet wird, auch noch einen oberseitigen Deckel 24 aufweisen. Das Modul 10 kann zudem auch noch zwischen den Zellen 16 und dem Deckel 24 angeordnete weitere Elemente für die Zellverschaltung, zum Beispiel Zellverbinder 26, aufweisen. Zwischen je zwei benachbart angeordneten Zellen 12, sowie auch zwischen der Endplatte 20 und einer der Endplatte 20 nächstgelegenen Batteriezelle 12 kann ein Zelltrennelement 28 angeordnet sein, welches auch als Swelling-Pad 28 bezeichnet wird. Dieses dient der so genannten Swellingkompensation, vor allem des ladungsbedingten Swellings. Als Swelling bezeichnet man dabei das Ausdehnen der Zellen 12 in der dargestellten Doppelpfeilrichtung X, die parallel zur vorliegend dargestellten x-Richtung gerichtet ist, das heißt, entsprechend in Stapelrichtung des Zellstapels 14. Das ladungsbedingte Swelling wird dabei von einem alterungsbedingten Swelling überlagert, welches ein irreversibles Ausdehnen der Zellen 12 im Laufe der Zeit zur Folge hat. Die Batteriezellen 12 dehnen sich also in x-Richtung und entgegen X-Richtung über Lifetime dauerhaft aus.
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Das Batteriemodul 10 hat zur Montage im Fahrzeug ein fixes Maß in x-Richtung und soll dieses auch während des Swellings beibehalten. Daher muss das Swelling über die genannten Swelling-Pads 28 und und die Endplatteneinheiten 20 kompensiert werden. Die Swelling-Pads 28 übernehmen vorliegend vornehmlich die Kompensation des ladungsbedingten Swellings, die zu diesem Zweck komprimierbar, insbesondere elastisch und/oder viskoelastisch komprimierbar, ausgebildet sein können. Die Swelling-Pads 28 isolieren zudem thermisch und separieren die Zellen 12 im Brandfall. Das alterungsbedingte Swelling dagegen wird durch die Endplatteneinheiten 20 kompensiert, wie dies nun nachfolgend näher erläutert wird.
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2 zeigt hierzu eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 10 im Querschnitt in einem Ausgangszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und 3 das Batteriemodul 10 zu einem späteren Zeitpunkt, zu welchem die Batteriezellen 12 alterungsbedingt bereits angeschwollen sind und sich somit in entgegen x-Richtung ausgedehnt haben. Das Batteriemodul 10 kann im Übrigen wie zu 1 beschrieben aufgebaut sein. Auch im vorliegenden Fall umfasst das Batteriemodul 10 also einen Zellstapel 14 mit mehreren in x-Richtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen 12. Die Zelltrennelemente 28, die sich zwischen den Zellen 12 befinden können, sind vorliegend nicht explizit dargestellt. Die Zellen 12 sind wiederum in einem Modulgehäuse 16 angeordnet, von welchem vorliegend lediglich die beiden den Zellstapel 14 in und entgegen x-Richtung begrenzenden Endplatteneinheiten 20 dargestellt sind. Die jeweilige Endplatteneinheiten 20 sind in diesem Beispiel gleich ausgebildet, sodass im Folgenden lediglich die Ausbildung einer dieser Endplatteneinheit 20 näher beschrieben wird.
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Eine solche Endplatteneinheit 20 weist nun vorteilhafterweise eine Komponente 30 aus einem kriechfähigen Material 32 auf. Hierdurch ist nun vorteilhafterweise eine kraftneutrale Swelling-Kompensation des alterungsbedingten Swellings durch die Endplatteneinheiten 20 möglich.
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Die Endplatteneinheit 20 umfasst dabei zum einen eine Innenplatte 34, die eine Innenseite 34a der Endplatteneinheit 20 bereitstellt, die dem Zellstapel 12 zugewandt ist. Zudem umfasst die Endplatteneinheit 20 eine Außenplatte 36, die eine Außenseite 36a der Endplatteneinheit 20 bereitstellt, welche dem Zellstapel 14 abgewandt ist. Die Innenseite 34a und die Außenseite 36a weisen im vorliegenden Beispiel einen Abstand d0 zueinander auf, welcher eine Dicke d0 der Endplatteneinheit 20 definiert. Insbesondere ist diese Dicke d0 vorliegend dem Ausgangszustand des Batteriemoduls 10 zugeordnet. Gemäß diesem Ausgangszustand sind die Batteriezellen 12 nicht angeschwollen. Der Zellstapel 14 weist entsprechend auch eine Länge l0 in x-Richtung auf, welche zu diesem Ausgangszustand korrespondiert.
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Weiterhin ist das Modulgehäuse 16 als Spanneinrichtung 16 zum Verspannen des Zellstapels 14 ausgebildet. Zum Verspannen sind die Endplatteneinheiten 20 über seitliche Seitenplatten 22 miteinander verbunden, wie dies zu 1 beschrieben wurde. Somit wird von den Endplatteneinheiten 20 auf den Zellstapel 14 eine Spannkraft F0 übertragen, was in 2 exemplarisch lediglich für die rechts dargestellte Platteneinheit 20 illustriert ist. Vom Zellstapel 14 wird auf diese Endplatteneinheit 20 die entsprechende Gegenkraft F0' ausgeübt. Diese dauerhafte Krafteinwirkung auf die Endplatteneinheit 20 führt im Laufe der Zeit zu einem Kriechen des kriechfähigen Materials 32 der zwischen der Innenseite 34 und der Außenplatte 36 angeordneten Komponente 30 der Endplatteneinheiten 20. Dieses Kriechen bewirkt dabei, dass sich die ursprüngliche Dicke d0 der jeweiligen Endplatteneinheit 20 verringert, insbesondere zu einer Dicke d1, wie diese in 3 illustriert ist. Die Außenplatte 36 der jeweiligen Endplatteneinheiten 20 ist dabei in ihrer Position fixiert, sodass eine Verringerung der Dicke dadurch bewirkt wird, dass sich die Innenplatte 34 in Richtung der Außenplatte 36 bewegt. Dadurch steht dem Zellstapel 14 in x-Richtung mehr Bauraum zur Verfügung, der vorteilhafterweise für den zusätzlichen Platzbedarf genutzt werden kann, den die Zellen 12 beim Anschwellen benötigen, wie dies ebenfalls in 3 illustriert ist. Durch das alterungsbedingte Anschwellen der Zellen 12 verlängert sich der Zellstapel 14 von seiner ursprünglichen Länge l0 auf eine größere Längen 11, wie diese ebenfalls in 3 schematisch dargestellt ist. Diese Länge l1 korrespondiert dabei im Übrigen zum Abstand der Innenseiten 34a der jeweiligen beiden Endplatteneinheiten 20 zueinander. Das Ausdehnen der Zellen 12 führt also folglich zu einem Kriechen des kriechfähigen Materials 32 der Endplatteneinheit 20, und dies wiederum zu einer Verringerung der Dicke dieser Endplatteneinheiten 20, was mehr Platz für die Batteriezellen 12 zur Verfügung stellt, und zwar ohne dass sich hierdurch eine Gesamtlänge L des Batteriemoduls 10 in x-Richtung verändert. Diese Gesamtlängen L weist das Batteriemodul 10 also im Ausgangszustand wie in 2 dargestellt auf, sowie zu einem beliebig späteren Zeitpunkt, wie in 3 illustriert, zu welchem die Batteriezellen 12 alterungsbedingt bereits stark angeschwollen sind. Aber nicht nur die Gesamtlänge L des Batteriemoduls 10 kann durch die Ausbildung der Endplatteneinheiten 20 zeitlich konstant gehalten werden, sondern vorteilhafterweise auch die Spannkraft F0. Dies ist wiederum dadurch bedingt, dass es sich bei einem Kriechprozess, welcher die Komponente 30 unterliegt, um eine irreversible plastische Verformung und keine elastische Verformung handelt. Dadurch wird durch diese Verformung keine zusätzliche Rückstellkraft erzeugt. Dies erlaubt vorteilhafterweise eine kraftneutrale Swelling-Kompensation, gemäß welcher also die Spannkraft F0, welche von den Endplatteneinheiten 20 auf den Zellstapel 14 ausgeübt wird, im Laufe der Zeit, zumindest im Mittel, nicht zunimmt. Im Mittel bedeutet hierbei, dass diese Spannkraft F0 kleineren Oszillationen unterliegen kann, die dem ladungsbedingten Swelling zuzuschreiben sind. Beim ladungsbedingten Swelling schwellen die Batteriezellen 12 typischerweise beim Laden an und beim Entladen der Batteriezellen 12 wieder entsprechend ab. Dieser Prozess findet dabei auf einer im Vergleich zum Kriechprozess sehr kurzen Zeitskala statt, sodass die Position der Innenseite 34a während dieses ladungsbedingten Swellings im Wesentlichen unverändert bleibt. Sofern das ladungsbedingte Swelling nicht durch die zuvor beschriebenen Swelling-Pads 28 kompensiert wird, wirkt sich dieses ladungsbedingte Swelling in einem zyklisch Zu- und Abnehmen der Spannkraft F0 aus. Mittelt man nun diese Spannkraft F0 über einen oder mehrere Ladezyklen, so bleibt diese gemittelte Spannkraft F0 über die Lebensdauer des Batteriemoduls 10 dank der beschriebenen Ausbildung der Endplatteneinheiten 20 im Wesentlichen konstant. Dies ist nochmals grafisch in 4 illustriert.
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In 4 oben ist der von einer Zellwand 12a einer Batteriezelle 12 im Zuge des Swellings zurückgelegte Swellingweg Δs, der auch schematisch für eine Zelle 12 in 3 illustriert ist, über der Zeit t aufgetragen. Solche Batteriezellen 12, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, schwellen wie beschrieben bei jedem Laden an und beim Entladen wieder ab, wobei dieses ladungsbedingte Swelling wiederum durch ein alterungsbedingtes Swelling überlagert ist, gemäß welchem die Zellen 12 im Laufe der Zeit t anschwellen. Eine Geometrieänderung des Zwischenraums 30 kann aber nicht durch ein solches Swelling bedingt sein, sondern zum Beispiel auch durch temperaturbedingte Ausdehnungen oder ein temperaturbedingtes Zusammenziehen der Zellen 12 in x-Richtung. In 3 unten ist die Spannkraft F0 gegen die Zeit t aufgetragen, die von den Endplatteneinheiten 20 auf den Zellstapel 14 ausgeübt wird, sowie die über einen oder mehrere Ladezyklen gemittelte Spannkraft F0, die als gestrichelte Linie dargestellt ist. Während diese bei herkömmlichen Spanneinrichtungen im Laufe der Zeit t zunimmt, wird durch die vorliegenden Endplatteneinheit 20 mit dem kriechfähigen Material 32 eine im Wesentlichen konstante mittlere Spannkraft F0 bereitgestellt, insbesondere über mehrere Jahre oder sogar Jahrzehnte. Diese variiert also auch im Laufe der Zeit trotz Batteriezellenswelling nicht.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Swelling über Lifetime durch Einsatz von kriechfähigen Materialien in Hochvolt-Zellmodulen ermöglicht wird. Eine wichtige Rolle für das eigentliche Swelling, das heißt ohne den ladungsbedingten Breathing-Anteil, spielen somit die Endplates eines Batteriemoduls, also die Endplatteneinheiten. Hier werden die Vorspannungen des Batteriemoduls eingestellt. Herkömmliche Endplates wirken durch Federsysteme aus zumeist metallischen Werkstoffen, wodurch jedoch je nach Zustand des Swellings über Lifetime hohe Kräfte entstehen, damit das Maß des Zellmoduls in Stapelrichtung gehalten werden kann und zugleich die Toleranzen zur Karosserie eingehalten werden können. Durch die hohen mechanischen Belastungen aufgrund einer Pressung der Batteriezellen können damit bei herkömmlichen Batteriemodulen auch konkrete Gefahren für Mensch und Umwelt entstehen, insbesondere besteht hierbei die Gefahr eines Kurzschlusses durch interne Schädigung der Einzelzellen, was zu einem Thermal Runaway und einem Batteriebrand und zu einer Thermal Propagation und damit zum Fahrzeugbrand führen kann. Die Erfindung kann dies nun vorteilhafterweise verhindern, indem nunmehr die zumeist metallischen Endplates durch ein Endplate beziehungsweise eine Endplatteneinheit aus vornehmlich Kunststoff oder Kunststoff-Metall-Hybriden mit speziellem Materialverhalten, nämlich einer Kriechfähigkeit, ersetzt werden. Dieses Materialverhalten, insbesondere das Federdämpferverhalten, der Endplates kann nun vorteilhafterweise so eingestellt werden, dass die dauerhafte Dehnung der Batteriezellen, das heißt das Swelling, kraftneutral durch das Endplate kompensiert wird. Diese Eigenschaft der Endplates kann durch das sogenannte Kriechverhalten von vielen Werkstoffen, unter anderem vielen Kunststoffen, erreicht werden. Die Materialkombination ist vorteilhafterweise so gewählt, dass eine kraftneutrale Retardation bei Ausdehnung der Batteriezellen erfolgen kann. Die kraftneutrale Retardation ist also vorteilhafterweise mithilfe des Retardationsverhaltens und/oder Kriechverhaltens eines solchen kriechfähigen Materials möglich. Dies erlaubt wiederum vorteilhafterweise eine dauerhafte Dehnung der Batteriezellen in Stapelrichtung innerhalb eines festgelegten Endmaßes und ermöglicht eine niedrigere, voreinstellbare Vorspannkraft auf die Einzelzellen über Lifetime. Es kommt zu keiner Zellschädigung durch zu hohe Anpresskräfte zwischen den einzelnen Batteriezellen und die Gefahren für einen Thermal Runaway und eine Thermal Propagation sind deutlich reduziert. Zusätzlich können längere Batterielebensdauern über Lifetime erreicht werden, eine höhere Anzahl an Ladezyklen sowie ein höherer Ladezustand (SOC) bei hoher Anzahl erlebter Ladezyklen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019205777 A1 [0003]
- DE 102019125382 A1 [0004]
