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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Fixieren von Batteriezellen in einem Gehäuse.
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Aus der
WO 2019043413 A1 ist ein Trägerelement als Positionsgitter für zylindrische Batteriezellen bekannt, dessen Basis mit einer Vielzahl von jeweils einen offenen Boden aufweisenden Vertiefungen versehen ist. Die Vertiefungen sind mit ersten und zweiten elastischen, von gefederten Fingern gebildeten Ausrichtungsmitteln versehen, die so angeordnet sind, dass sie die in den Vertiefungen befindlichen Batteriezellen in zueinander senkrechten Richtungen vorspannen, nämlich senkrecht und parallel zur Basisebene des Trägerelements. Die Montage einer in ein Gehäuse einsetzbaren Batterieeinheit aufweisend eine Vielzahl von Batteriezellen, die zwischen miteinander verbundenen ersten und zweiten Trägerelementen eingespannt ist, gestaltet sich schwierig, da das zweite Trägerelement entgegen den Spann- und Ausrichtungskräften der elastischen Ausrichtungsmittel auf alle Batteriezellen gleichzeitig aufgesetzt werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, mit einem konstruktiv einfachen Aufbau eine einfache Montage eines Batteriemoduls bei einwandfreier Festlegung der Batteriezellen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriemodul nach Anspruch 1. Ein Verfahren zum Fixieren von Batteriezellen in einem Gehäuse ist in Anspruch 12 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den auf diesen Ansprüchen rückbezogenen Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Vorteils- und Figurenbeschreibung zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das zumindest eine Positionsgitter an einem Zellenende der Batteriezellen angeordnet ist, wobei je Aufnahmeöffnung des zumindest einen Positionsgitters wenigstens ein an einer Stirnfläche der Batteriezelle anliegender Haltenocken ausgeformt ist, wobei das zumindest eine Positionsgitter durch eine erste elastische Abstützanordnung gegen den angrenzenden Deckelteil abgestützt ist.
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Die erste elastische Abstützanordnung ist zwischen dem Positionsgitter und dem angrenzenden bzw. unmittelbar benachbarten Deckelteil des Gehäuses angeordnet und spannt die im Positionsgitter aufgenommenen Batteriezellen ein, sodass Rüttelbewegungen, unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der in dem Batteriemodul verwendeten Materialen und Toleranzen der montierten Einzelteile des Batteriemoduls, insbesondere der Batteriezellen kompensiert werden. Die Montage ist dadurch vereinfacht, dass das Positionsgitter zunächst belastungsfrei auf die Vielzahl von Batteriezellen aufgesetzt und erst anschließend durch die Anordnung der elastischen Abstützanordnung eine Vorspannung auf die Batteriezellen aufgebracht wird. Vorzugsweise sind die gegenüberliegenden Deckelteile des Gehäuses über einen ein- oder mehrteiligen Rahmenteil miteinander verbunden, sodass zumindest ein geschlossenes Gehäuseprofil vorliegt. Das Gehäuse ist vorzugsweise elektrisch isolierend und aus Kunststoff. Das Batteriemodul ist zudem von einfachem konstruktiven Aufbau, welcher nämlich ohne einen Grundkörper zur Aufnahme der Batteriezellen auskommt. Die Batteriezellen sind innerhalb des Gehäuses gehalten, indem die Batteriezellen von dem zumindest einen Positionsgitter, welches von der elastischen Abstützanordnung mit einer Druckkraft beaufschlagt wird, gegen das gegenüberliegende Deckelteil gedrückt werden. Vorzugsweise sind an beiden Zellenenden Positionsgitter vorgesehen, wobei vorzugsweise nur eines der Positionsgitter elastisch abgestützt ist, sodass die Batteriezellen durch das erste elastisch abgestützte Positionsgitter in das zweite am gegenüberliegenden Deckelteil direkt oder indirekt abgestützte Positionsgitter gedrückt werden. Das zweite Positionsgitter kann dabei im gegenüberliegenden Deckelteil integriert sein.
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Das Zellenende umfasst die jeweilige Stirnfläche der kreiszylindrischen Batteriezelle sowie daran angrenzende randnahe Bereiche der Mantelfläche. An einem Zellenende angeordnet bedeutet, dass die Batteriezellen mit randnahen Bereichen ihrer Mantelfläche in den Aufnahmeöffnungen des Positionsgitters aufgenommen sind.
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Die elastische Abstützanordnung kann die Batteriezellen gegen eine gegenüberliegende Leiterplattenanordnung drücken, die mit den Polkontaktflächen der Batteriezellen verbunden ist, sodass dauerhafte Polverbindungen gewährleistet sind. Der konstruktive Aufbau des Batteriemoduls ist insbesondere für kreiszylindrische Batteriezellen vorteilhaft, bei denen die beiden Polkontakte an der Stirnfläche eines der beiden Zellenenden nebeneinander oder konzentrisch zueinander angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist das Positionsgitter zumindest derart flexibel, dass es von der elastischen Abstützanordnung in allen Bereichen einer jeweiligen Aufnahmeöffnung gegen die aufgenommenen Batteriezellen gedrückt werden kann, sodass es sich unterschiedlich hohen oder hoch aufstehenden Batteriezellen anpassen kann und jede Batteriezelle sicher gehalten ist.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste elastische Abstützordnung eine von einem Temperierfluid durchströmbare Struktur aufweist. Die durchströmbare Struktur kann von gitter-, streifen- und/oder punktförmig und insbesondere separat angeordneten und/oder ausgeformten Elementen gebildet sein. Die Haltenocken gewährleisten einen Mindestabstand zwischen dem Positionsgitter und dem Deckelteil.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste elastische Abstützanordnung im Deckelteil oder im Positionsgitter integriert ist. Intrinsisch weiche Elemente aus Silikon, thermoplastischem Elastomer oder/und ortgeschäumten Schäumen der Abstützanordnung können an dem Deckelteil und/oder Positionsgitter eingeclipst, angeklebt oder insbesondere wulstförmig angespritzt sein. Die elastische Abstützanordnung kann auch durch am Positionsgitter oder Deckelteil angeformte Federarme, federnde Finger, federbelastete Finger oder dgl. ausgeformte extrinsische Weichheiten gebildet sein, die gegen den Deckelteil bzw. das Positionsgitter drücken.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste elastische Abstützanordnung von mehreren kalottenförmigen und/oder raupenförmigen Elementen gebildet ist, die sich durch eine progressive Feder- und/oder Dämpfungsrate auszeichnen. Mit raupenförmigen Elementen können Strömungspfade bzw. -kanäle ausgebildet werden, durch die ein Temperierfluid im Strömungsraum zwischen Positionsgitter und Deckelteil definiert geleitet werden kann.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist vorgesehen, dass das Positionsgitter zumindest teilweise aus einem elastischen Material, insbesondere thermoplastischen Elastomer besteht. Das Positionsgitter kann sich flexibel an die Batteriezellen anlegen, sodass insbesondere Längentoleranzen in den Batteriezellen ausgeglichen werden und die Batteriezellen sicher gehalten sind. Insbesondere kann das Positionsgitter den Zellmantel abdichten. Durch die Abdichtung am Zellenende der Batteriezellen ist ein auf das Zellenende begrenzter Strömungsraum für das Temperierfluid geschaffen, zur gezielten Temperierung des Zellenendes, das - wie sich gezeigt hat - eine gegenüber der Mantelfläche höhere Wärmeabgabe aufweist und daher bevorzugt zu kühlen ist.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist vorgesehen, dass der an der ersten elastischen Abstützanordnung angrenzende Deckelteil des ersten Gehäuses gegen ein zweites, aus einem Leichtmetall bestehendes Gehäuse durch eine zweite elastische Abstützanordnung elastisch abgestützt ist. Das vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff und in dünner Wandstärke gebildete erste Gehäuse wird durch die zweite elastische Abstützanordnung gegen ein wesentlich steiferes Gehäuse aus Leichtmetall abgestützt. Das zweite Gehäuse umfasst vorzugsweise ein geschlossenes und aus Aluminium stranggepresstes Profil, in das das erste Gehäuse in Profillängsrichtung einschiebbar ist.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist vorgesehen, dass die zweite elastische Abstützanordnung in dem Deckelteil des ersten Gehäuses integriert ist. Die Elemente der zweiten Abstützanordnung können wie bei der ersten Abstützanordnung an dem Deckelteil eingeclipst, angeklebt oder angespritzt sein.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist vorgesehen, dass die zweite elastische Abstützanordnung von beabstandet zueinander angeordneten elastischen Hohlkammerprofilen gebildet ist, die in Längsrichtung der Gehäuse verlaufen. Die Profile befinden sich außerhalb des ersten Gehäuses, sodass beispielsweise handelsübliche Gummidichtungen verwendet werden können. Deren Orientierung in Profillängsrichtung der Gehäuse ermöglicht ein Einschieben des ersten Gehäuses in ein ein geschlossenes Profil aufweisendes zweites Gehäuse.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist vorgesehen, dass die zweite elastische Abstützanordnung eine Vielzahl von Federelementen aus gekrümmt vorgeformten Organoblechstreifen aufweist, welche vorzugsweise in einer einstückigen Organoblechplatte ausgeformt sind. Für ein leichteres Einschieben des mit der Organoblechplatte bestückten ersten Gehäuses in das zweite Gehäuse können die Streifen mit einer ausgeformten Anlaufschräge versehen sein.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste elastische Abstützanordnung und/oder die zweite elastische Abstützanordnung eine hohe mechanische Dämpfwirkung aufweisen. Starke Beschleunigungen und Vibrationen, insbesondere von batteriebetriebenen Fahrzeugen, die auf unwegsamen Wegen unterwegs sind oder verunfallen, können sicher abgefangen und gedämpft werden. Die Dämpfungsrate ist vorzugsweise derart bemessen, dass die elastische Abstützanordnung nahezu im aperiodischen Grenzfall schwingt, sodass bei einer von außerhalb induzierten Auslenkung keine zweiten und dritten Schwingungen der Batteriezellen folgen, die die Kontaktierung der Batteriepole mit der Leiterplattenanordnung belasten und schlimmstenfalls zerstören könnten.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste elastische Abstützanordnung und/oder die zweite elastische Abstützanordnung von einem thermoplastischen Elastomer (TPE) gebildet sind, welches auf Spritzgussmaschinen, vorzugsweise im 2K-Spritzgießprozess verarbeitet werden kann. Das thermoplastische Elastomer (TPE) kann ein TPE-A, TPE-C, TPE-S, TPE-V oder TPE-U sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fixieren von Batteriezellen in einem ersten Gehäuse weist folgende Schritte auf:
- - Bereitstellen von ersten und zweiten Gehäuseteilen, die jeweils zumindest einen Deckelteil von sich gegenüberliegenden Deckelteilen des ersten Gehäuses umfassen;
- - Bereitstellen zumindest eines Positionsgitters nach einem der Ansprüche 1 bis 11;
- - Bereitstellen mehrerer kreiszylindrischer Batteriezellen;
- - Anordnen der Batteriezellen in den Aufnahmeöffnungen des zumindest einen Positionsgitters in dem ersten Gehäuseteil;
- - Festlegen des zweiten Gehäuseteils an dem ersten Gehäuseteil, wobei zwischen dem Deckelteil des zweiten Gehäuseteils und dem darunter liegenden Positionsgitter eine elastische Abstützanordnung angeordnet ist.
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Vorzugsweise weist das erste Gehäuseteil neben dem betreffenden Deckelteil zumindest zwei gegenüberliegende, mit dem Deckelteil verbundene Seitenteile auf, sodass ein einseitig offener Kasten gebildet ist, welcher von dem zweiten, nur ein Deckelteil aufweisenden Gehäuseteil vollständig geschlossen wird.
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In bevorzugter Weiterausgestaltung ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass das erste Gehäuse in einem ein vorzugsweise stranggepresstes Profil aus Leichtmetall aufweisendes zweites Gehäuse geschoben wird, wobei eine zweite elastische Abstützanordnung zwischen dem Deckelteil des zweiten Gehäuseteils des ersten Gehäuses und dem zweiten Gehäuse angeordnet ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbeschreibung zu entnehmen. Einzelne technische Merkmale der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch in Kombination mit vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sowie den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche und etwaiger weiterer Ansprüche zu erfindungsgemäßen Gegenständen kombiniert werden. Sofern sinnvoll, werden funktionell gleichwirkende Elemente mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen
- 1 ein teilweise freigeschnittenes Batteriemodul in perspektivischer Ansicht;
- 2 das Batteriemodul in einer Schnittansicht;
- 3 a, b ein oberes Deckelteil von einem ersten Gehäuse des Batteriemoduls in perspektivischen Ansichten von oben und unten;
- 4 ein Positionsgitter in perspektivischer Ansicht;
- 5 ein Detail des Positionsgitters;
- 6 eine perspektivische Schnittansicht des Batteriemoduls, wobei der obere Deckelteil weggelassen ist;
- 7 eine zweite Ausführungsform eines oberen Deckelteils.
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Das Batteriemodul 1 besteht aus einem inneren ersten Gehäuse 2 aus isolierendem Kunststoff, das in einem zweiten Gehäuse 3 eingeschoben ist, welches ein geschlossenes Stranggussprofil aus Aluminium aufweist. Das erste Gehäuse 2 umfasst untere und obere Deckelteile 4 und 5 sowie einstückig verbundene Seitenteile 7 und Endteile 6, die bei der Montage des Batteriemoduls zu einem mediendichten ersten Gehäuse 2 miteinander verschweißt werden. Das in der 1 gezeigte vordere Endteil 6 weist u.a. Ein- und Auslässe für ein das erste Gehäuse 2 durchströmendes dielektrisches Temperierfluid auf.
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In dem ersten Gehäuse 2 ist eine Vielzahl kreiszylindrischer Batteriezellen 8 aufgenommen. Wie aus 2 und 6 ersichtlich sind die Batteriezellen 8 achsparallel und beabstandet zueinander in Positionsgittern 11 gehalten, welche im Gehäuse 2 jeweils den Deckelteilen 4, 5 gegenüberliegend angeordnet sind und die Zellenenden der Batteriezellen 8 in ihren Aufnahmeöffnungen 20 aufnehmen, wobei erfindungsgemäß Haltenocken 19 an einer jeweiligen Stirnfläche, nämlich dem Zellkopf 8a bzw. dem Zellboden 8b der Batteriezellen 8 anliegen. Die Batteriezellen 8 und die Positionsgitter 11 halten sich hierdurch gegenseitig in Position.
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Die beiden Zellpole 10 der Batteriezellen 8 befinden sich am Zellkopf 8a der kopfüber im ersten Gehäuse 2 angeordneten Batteriezelle 8. Die Zellpole sind konzentrisch zueinander oder nebenander im Zellkopf 8a angeordnet und sind von einer im Boden des ersten Gehäuses 2 befindlichen Zellkontaktierung 9 kontaktiert. In den Aufnahmeöffnungen 20 der Positionsgitter 11 sind auf dem Zellmantel 8c der Batteriezellen 8 wirkende Abdichtungen 17 ausgeformt, die den Innenraum des ersten Gehäuses 2 in insgesamt drei Strömungsräume 14, 15 und 16 für das Temperierfluid unterteilen.
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Der Temperierkreislauf umfasst dabei erste Strömungspfade durch die Zellkopf- und Zellbodenseitigen Strömungsräume 14 und 15, wobei das Temperierfluid von der vorderen Endplatte 6 zur hinteren Endplatte strömt und dabei die Zellköpfe 8a und Zellböden 8b der Batteriezellen 8 kühlt. In der hinteren Endplatte wird das Temperierfluid in den mittleren, den Zellmantel 8c der Batteriezellen 8 betreffenden Strömungsraum 16 umgelenkt, durch den das Temperierfluid zur vorderen Endplatte 6 zurückströmt. Über die in der vorderen Endplatte 6 befindlichen Ein- und Auslässe wird das Temperierfluid zu einer nicht weiter dargestellten Temperiereinheit geleitet.
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Erfindungsgemäß ist das obere Positionsgitter 11 durch eine erste elastische Abstützanordnung 12 gegen den angrenzenden oberen Deckelteil 5 abgestützt. Wie aus 3b ersichtlich, besteht die Abstützanordnung 12 aus mehreren parallel zueinander verlaufenden Raupen, die von kalottenförmigen Elementen unterbrochen sind. Die elastischen Elemente sind aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) oder einem ortgeschäumten Schaum aus z.B. PUR und an die Unterseite des Deckelteils 5 integriert angespritzt. Sie drücken sowohl gegen das Positionsgitter 11 als auch gegen die Zellböden 8b der mit ihrem Zellboden 8b flächenbündig im Positionsgitter 11 aufgenommenen Batteriezellen 8. Das Temperierfluid strömt in den Zwischenräumen der Abstützanordnung 12, wobei sich von den Raupen vorgegebene längsgerichtete Strömungsabschnitte mit von den Kalotten gebildeten Mischabschnitten abwechseln. In den Mischabschnitten des oberen Deckelteils 5 sind Öffnungen 18 vorgesehen, in denen - in den Figuren nicht weiter dargestellte - Überdruckventile aufnehmbar sind, die im Falle einer Batteriehavarie öffnen.
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Eine zweite elastische Abstützanordnung 13 ist - wie aus 2 ersichtlich - zwischen dem oberen Deckelteil 5 des ersten Gehäuses 2 und einem Deckelabschnitt des zweiten Gehäuses 3 eingesetzt. Sie besteht gemäß 3a aus mehreren parallel zueinander angeordneten Hohlkammerprofilen aus Gummi oder einem thermoplastischen Elastomer (TPE), welche auf die Oberseite des oberen Deckelteils 5 an Haltenasen eingeclipst und/oder angeklebt werden. Der aufgrund des Kunststoffs und der dünnen Wandstärke nachgiebige Deckelteil 5 wird durch die zweite Abstützanordnung 13 gegenüber dem wesentlich steiferen, zweiten Gehäuse 3 abgestützt. Die erste und zweite elastische Abstützanordnung 12, 13 spannen die Batteriezellen über die Positionsgitter 11 ein. Ihre hohe mechanische Dämpfung fängt starke Beschleunigungen und Vibrationen, die in batteriebetriebenen Fahrzeugen auftreten können, sicher ab und dämpft die hierdurch induzierten Schwingungen im aperiodischen Grenzfall. Die Haltenocken 19 einerseits und die Haltenasen für die Hohlkammerprofile andererseits dienen dabei als elastische Endanschläge mit einer gegenüber den elastischen Abstützanordnungen 12 und 13 steiferen Feder- und Dämpfungsrate.
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7 zeigt eine zweite Ausführungsform des oberen Deckelteils 5, bei der die elastische Abstützanordnung von einer auf dem Deckelteil 5 angeordneten Organoblechplatte 21 bereitgestellt ist. In der Organoblechplatte 21 sind einseitig in der Platte angebundene Streifen freigeschnitten, die zu dreifach gekrümmten Federn 22 mit Anlaufschräge umgeformt sind.
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Bezugszeichen
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- 1
- Batteriemodul
- 2
- Erstes Gehäuse
- 3
- Zweites Gehäuse
- 4
- Unterer Deckelteil
- 5
- Oberer Deckelteil
- 6
- Endteil
- 7
- Seitenteil
- 8
- Batteriezelle
- 8a
- Zellkopf
- 8b
- Zellboden
- 8c
- Zellmantel
- 9
- Zellkontaktierung
- 10
- Zellpol
- 11
- Positionsgitter
- 12
- Erste elastische Abstützanordnung
- 13
- Zweite elastische Abstützanordnung
- 14
- Strömungsraum
- 15
- Strömungsraum
- 16
- Strömungsraum
- 17
- Abdichtung
- 18
- Öffnung
- 19
- Haltenocken
- 20
- Aufnahmeöffnung
- 21
- Organoblechplatte
- 22
- Feder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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