DE102022130313A1 - Battery module with a pressure element for adjusting a cell stack tension and motor vehicle with a battery module - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1; 10; 100) für Kraftfahrzeuge, mit einer Vielzahl von, entlang einer Stapelrichtung (x), aneinander gestapelten Batteriezellen (2; 102), und einem Druckelement (6; 16; 106) aufweisend einen Elektromotor (210) sowie von diesem angetriebene, entlang der Stapelrichtung (x) aus- und einfahrbare Abstützelemente (7; 17; 107), zum Einstellen einer in Stapelrichtung (x) auf die Batteriezellen (2; 102) wirkenden Verspannungskraft. Außerdem ist damit auch ein möglicher Ausdehnungsweg für den Zellstapel einstellbar. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Batteriemodul (1; 10; 100).The invention relates to a battery module (1; 10; 100) for motor vehicles, with a plurality of battery cells (2; 102) stacked along a stacking direction (x), and a pressure element (6; 16; 106) having an electric motor (210) and support elements (7; 17; 107) driven by the electric motor and extendable and retractable along the stacking direction (x), for setting a tensioning force acting on the battery cells (2; 102) in the stacking direction (x). In addition, a possible expansion path for the cell stack can also be set in this way. The invention also relates to a motor vehicle with such a battery module (1; 10; 100).
Description
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Druckelement zur Einstellung einer Zellstapelverspannung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Batteriemodul.The invention relates to a battery module with a pressure element for adjusting a cell stack tension. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with such a battery module.
Heutige elektrifizierte Kraftfahrzeuge weisen Antriebsbatterien zum Speichern der elektrischen Energie auf, die eine Vielzahl an Batteriezellen aufweisen. Diese sind häufig in sog. Module gruppiert, wobei jedes Modul einen Stapel aus aneinander gestapelten Lithium-lonen-Batterien aufweist, die verspannt sind. Wird dieser Aufbau, d.h. ein solcher Stapel, bei Feststoffbatterien angewendet, dann entsteht die Schwierigkeit, dass die Volumenänderung durch Alterung der Feststoffbatteriezellen sowie während der einzelnen Ladezyklen wesentlich größer ist als bei Lithium-Ionen-Batterien. Eine signifikante Längenänderung des Stapels ist jedoch wiederum aus Bauraum- und Befestigungsgesichtspunkten im Fahrzeug schwierig.Today's electrified motor vehicles have drive batteries for storing electrical energy, which have a large number of battery cells. These are often grouped into so-called modules, with each module having a stack of lithium-ion batteries stacked on top of each other and clamped together. If this structure, i.e. such a stack, is used for solid-state batteries, then the difficulty arises that the change in volume due to aging of the solid-state battery cells and during the individual charging cycles is much greater than with lithium-ion batteries. However, a significant change in the length of the stack is difficult due to installation space and fastening aspects in the vehicle.
Aus der
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein alternatives Batteriemodul mit einem Druckelement zur Einstellung einer Zellstapelverspannung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Batteriemodul gemäß Anspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.It is an object of the present invention to provide an alternative battery module with a pressure element for adjusting a cell stack tension. This object is achieved by a battery module according to claim 1 and a motor vehicle according to
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Batteriemodul für Kraftfahrzeuge bereitgestellt, mit einer Vielzahl von, entlang einer Stapelrichtung, aneinander gestapelten Batteriezellen, und einem Druckelement aufweisend einen Elektromotor sowie von diesem angetriebene, entlang der Stapelrichtung aus- und einfahrbare Abstützelemente, zum Einstellen einer in Stapelrichtung auf die Batteriezellen wirkenden Verspannungskraft. Durch die elektromotorische Verstellung ist sowohl eine präzise Steuerung der Verspannungskraft einstellbar als auch ein möglicher Ausdehnungsweg für den Zellstapel einstellbar (welcher Ausdehnungsweg dem Zellstapel beispielsweise während eines Ladezyklus zur Verfügung gestellt wird). Dies wird mit einer kompakten Bauraumgröße erreicht.According to one embodiment of the invention, a battery module for motor vehicles is provided, with a plurality of battery cells stacked together along a stacking direction, and a pressure element having an electric motor and support elements driven by the latter, which can be extended and retracted along the stacking direction, for setting a clamping force acting on the battery cells in the stacking direction. The electromotive adjustment enables both precise control of the clamping force and a possible expansion path for the cell stack to be set (which expansion path is made available to the cell stack during a charging cycle, for example). This is achieved with a compact installation space.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Abstützelemente mittels Spindelantrieb aus- und einfahrbar. Durch den Spindelantrieb ist eine präzise Kraftübertragung von einem einzigen Elektromotor an eine Vielzahl an Abstützelementen möglich.According to a further embodiment of the invention, the support elements can be extended and retracted by means of a spindle drive. The spindle drive enables precise power transmission from a single electric motor to a large number of support elements.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Abstützelemente aus- und einfahrbare Teleskopzylinder. Dadurch sind die Abstützelement im eingefahrenen Zustand besonders kompakt und benötigen wenig Bauraum.According to a further embodiment of the invention, the support elements are extendable and retractable telescopic cylinders. As a result, the support elements are particularly compact when retracted and require little installation space.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Batteriemodul ferner ausgestattet mit einer Spindel, die mit dem Elektromotor gekoppelt ist und von diesem antreibbar ist, und einer Vielzahl von Baugruppen-Zahnrädern, die mit der Spindel in Eingriff sind, wobei die Baugruppen-Zahnräder drehfest mit einem ersten Gewinde und die Abstützelemente mit einem zweiten Gewinde verbunden sind, so dass eine Drehung der Baugruppen-Zahnräder in eine translatorische Bewegung der Abstützelemente übersetzt wird. Dies hat den Vorteil einer präzisen Kraftübertragung von einem einzigen Elektromotor an eine Vielzahl an Abstützelementen.According to a further embodiment of the invention, the battery module is further equipped with a spindle that is coupled to the electric motor and can be driven by it, and a plurality of assembly gears that are in engagement with the spindle, wherein the assembly gears are connected in a rotationally fixed manner to a first thread and the support elements are connected to a second thread, so that a rotation of the assembly gears is translated into a translational movement of the support elements. This has the advantage of a precise power transmission from a single electric motor to a plurality of support elements.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Abstützelemente in eine erste und zweite Gruppe aufgeteilt, wobei die Abstützelemente der ersten Gruppe von einer Seite des Druckelements aus- und einfahrbar sind und die Abstützelemente der zweiten Gruppe von einer gegenüberliegenden Seite aus- und einfahrbar sind.According to a further embodiment of the invention, the support elements are divided into a first and a second group, wherein the support elements of the first group can be extended and retracted from one side of the pressure element and the support elements of the second group can be extended and retracted from an opposite side.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Batteriemodul ferner ausgestattet mit einem Modulrahmen, der die Vielzahl an Batteriezellen sowie die Abstützelemente umrahmt.According to a further embodiment of the invention, the battery module is further equipped with a module frame which frames the plurality of battery cells and the support elements.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Druckelement innerhalb des Modulrahmens angeordnet.According to a further embodiment of the invention, the pressure element is arranged within the module frame.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet das Druckelement einen Abschnitt des Modulrahmens aus. Dadurch kann eine separate Druckplatte eingespart werden.According to a further embodiment of the invention, the pressure element forms a section of the module frame. This makes it possible to save on a separate pressure plate.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei den Batteriezellen um Feststoffbatteriezellen. Im Rahmen dieser Erfindung ist unter einer Feststoffbatteriezelle eine Batteriezelle zu verstehen, die zumindest teilweise einen Festkörperelektrolyten für die Lithiumionenleitung zwischen Anode und Kathode einsetzt (z.B. Al-Oxid, Polymer oder Sulfid oder Kombinationen) oder eine Lithium-Metall-Anode mit Flüssigelektrolyt verwendet. Kombinationen aus Li-Anode und Flüssig- /Feststoffelektrolyt sind möglich. Das heißt, man spricht von einer Feststoffbatterie, wenn ein Teil eines Feststoffelektrolyten oder eine Li-Anode zum Einsatz kommt.According to a further embodiment of the invention, the battery cells are solid-state battery cells. In the context of this invention, a solid-state battery cell is understood to mean a battery cell that at least partially uses a solid electrolyte for the lithium ion conduction between the anode and cathode (e.g. Al oxide, polymer or sulfide or combinations) or uses a lithium metal anode with liquid electrolyte. Combinations of Li anode and liquid/solid electrolyte are possible. This means that one speaks of a solid-state battery when part of a solid electrolyte or a Li anode is used.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Batteriemodul bereit.Furthermore, the present invention provides a motor vehicle with such a battery module.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
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1 zeigt schematisch eine dreidimensionale Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 zeigt schematisch eine dreidimensionale Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
3 zeigt schematisch eine dreidimensionale Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
4 zeigt im Detail ein Ausführungsbeispiel für einen Spindelantrieb zum Ein- und Ausfahren der Abstützelemente in einer dreidimensionalen Ansicht; -
5 zeigt den Spindelantrieb aus4 in einer Seitenansicht, und -
6 zeigt den Spindelantrieb aus4 in einer Draufsicht.
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1 shows schematically a three-dimensional view of a battery module according to a first embodiment of the invention; -
2 shows schematically a three-dimensional view of a battery module according to a second embodiment of the invention; -
3 shows schematically a three-dimensional view of a battery module according to a third embodiment of the invention; -
4 shows in detail an embodiment of a spindle drive for extending and retracting the support elements in a three-dimensional view; -
5 shows the spindle drive from4 in a side view, and -
6 shows the spindle drive from4 in a top view.
An den Längsenden des Batteriemoduls 1, bezogen auf die Stapelrichtung x, ist jeweils eine äußere Druckplatte 3 angeordnet. Die äußeren Druckplatten 3 sind miteinander über zwei Zuganker 4 verbunden, die beidseitig der aneinander gestapelten Batteriezellen 2 in Stapelrichtung x verlaufen. Die äußeren Druckplatten 3 und die Zuganker 4 sind so miteinander verbunden, dass die äußeren Druckplatten 3 im Wesentlichen einen zeitlich konstanten Abstand in Stapelrichtung x beibehalten. Die Verbindung kann beispielsweise mittels formschlüssiger Verbindung, z.B. Einhängen, Verschraubung, oder stoffschlüssiger Verbindung, z.B. Verschweißung, erfolgen.An
Die äußeren Druckplatten 3 und die Zuganker 4 bilden zusammen einen Modulrahmen aus, innerhalb dem die Batteriezellen 2 angeordnet sind. Außerdem ist innerhalb des Modulrahmens eine innere Druckplatte 5 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die innere Druckplatte 5 an einem zu einer der äußeren Druckplatten 3 gegenüberliegenden Ende des Zellstapels angeordnet, d.h. alle aneinander gestapelten Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 1 sind zwischen der inneren Druckplatte 5 und einer der äußeren Druckplatten 3 angeordnet. Zwischen der anderen äußeren Druckplatte 3 und der inneren Druckplatte 5 ist ein Druckelement 6 angeordnet.The
Das Druckelement 6 hat mehrere Abstützelemente 7 die in Stapelrichtung x mittels eines Elektromotors aus- und einfahrbar sind. Insbesondere treibt pro Druckelement 6 ein einziger Elektromotor alle Abstützelemente 7 an, indem die Abstützelemente 7 mittels eines Getriebes mit dem Elektromotor gekoppelt sind. In dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Abstützelementen 7 um aus- und einfahrbare Zylinder. Die Abstützelemente 7 können sich von einem Grundkörper 8 von einer Seite entlang der Stapelrichtung x und zusätzlich von einer gegenüberliegenden Seite in eine entgegengesetzte Richtung erstrecken. Es ist ebenfalls möglich, dass sich die Abstützelemente 7 nur von einer der beiden genannten Seiten erstrecken. Durch Einfahren der Abstützelemente 7 werden die Abstützelemente 7 auf beiden gegenüberliegenden Seiten eingezogen, so dass sich eine Abmessung des Druckelements 6 in Stapelrichtung x verringert. Durch Ausfahren der Abstützelemente 7 werden die Abstützelemente 7 auf beiden gegenüberliegenden Seiten ausgefahren, so dass eine Abmessung des Druckelements 6 in Stapelrichtung x vergrößert wird. Mit Vergrößerung der Abmessung in Stapelrichtung x des Druckelements 6 wird der Abstand in Stapelrichtung x zwischen der an das Druckelement 6 anliegenden äußeren Druckplatte 3 und der inneren Druckplatte 5 vergrößert, so dass der Zellstapel in Stapelrichtung x mit höherer Kraft verspannt wird, d.h. die Kraft, mit der die einzelnen aneinander gestapelten Batteriezellen 2 aneinander gedrückt werden, wird vergrößert. Mit Verringerung der Abmessung in Stapelrichtung x des Druckelements 6 wird der Abstand in Stapelrichtung x zwischen der an das Druckelement 6 anliegenden äußeren Druckplatte 3 und der inneren Druckplatte 5 verringert, so dass der Zellstapel in Stapelrichtung x mit geringerer Kraft verspannt wird, d.h. die Kraft, mit der die einzelnen aneinander gestapelten Batteriezellen 2 aneinander gedrückt werden, wird verringert.The
Auf diese Weise kann mittels elektrischer Ansteuerung des Elektromotors des Druckelements 6 eine Verspannung des Zellstapels eingestellt und verändert werden. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Alterung der Batteriezellen 2 und/oder eines Ladezustands der Batteriezellen 2 erfolgen. Ziel kann es auch sein, die Verspannkraft in Stapelrichtung x unabhängig von Ladezustand und Alterung konstant zu halten.In this way, the tension of the cell stack can be set and changed by electrically controlling the electric motor of the
Die innere Druckplatte 5 kann ein vom Druckelement 6 separates Bauteil sein, wie in
Vorstehend wurde ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem das Druckelement 6 an einem Ende des Batteriemoduls 1 angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass innerhalb des Modulrahmens beidseitig des Druckelements 6 Batteriezellen 2 angeordnet ist, so dass beispielsweise das Druckelement 6 eher mittig im Batteriemodul 1 angeordnet ist.An embodiment has been described above in which the
Im ersten Ausführungsbeispiel wird der Modulrahmen durch die zwei äußeren Druckplatten 3 und die Zuganker 4 gebildet, wobei sich das Druckelement innerhalb dieses Modulrahmens befindet. Im Unterschied dazu bildet gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Druckelement 16 einen Abschnitt eines Modulrahmens aus. Dadurch weist das Batteriemodul 10 nur eine einzige äußere Druckplatte 3 auf, die am zum Druckelement 16 entgegengesetzten Ende des Batteriemoduls 10 angeordnet ist.In the first embodiment, the module frame is formed by the two
Somit wird der Modulrahmen des zweiten Ausführungsbeispiels aus dem Druckelement 16, der äußeren Druckplatte 3 und den zwei Zugankern 4 gebildet. Diese Elemente sind miteinander verbunden, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.Thus, the module frame of the second embodiment is formed from the
Das Druckelement 16 hat ebenfalls mehrere Abstützelemente 17 die in Stapelrichtung x mittels eines Elektromotors aus- und einfahrbar sind. Die Abstützelemente 17 sind nur auf einer Seite des Druckelements 16 angeordnet, nämlich der zu den Batteriezellen 2 weisenden Seite.The
Bei den aus- und einfahrbaren Abstützelementen 17 handelt es sich in
Es können jedoch auch Zylinder wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, als Abstützelemente 17 verwendet werden. Ebenso können die hier beschriebenen Teleskopzylinder auch als Abstützelemente 7 verwendet werden.However, cylinders as described in connection with the first embodiment can also be used as
In
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind innere Druckplatten 105 vorgesehen, die mit den äußeren Enden der Abstützelemente 107 fest verbunden sind. Somit sind die Zellstapel 109 jeweils zwischen einem der äußeren Druckplatten 3 und den inneren Druckplatten 105 verspannt.In contrast to the first embodiment,
In
Die
Ein im Wesentlichen zylinderförmiger Elektromotor 210 ist sowohl im Rechtsals auch Linkslauf betreibbar. An einem Längsende ist der Elektromotor 210 mit einem Zahnrad 211 versehen, welches auf einer Antriebsachse 212 des Elektromotors 210 drehfest montiert ist. Das vom Elektromotor 210 angetriebene Zahnrad 211 treibt ein Zahnrad 213 an, mit dem es in Eingriff ist. Das Zahnrad 213 ist um eine Drehachse drehbar, welche parallel zur Antriebsachse 212 ist. Das Zahnrad 213 ist wiederum drehfest mit einer zylinderförmigen Spindel 214 verbunden, deren Längsachse parallel zur Antriebsachse 212 ist.A substantially cylindrical
Die Spindel 214 ist mit einem Spindel-Außengewinde versehen. Beidseitig des Pakets umfassend den Elektromotor 210 und die Spindel 214 sind jeweils mehrere Abstützelement-Baugruppen 215, 216 angeordnet, die jeweils ein Abstützelement 107 aufweisen und die vom Elektromotor 210 kommende Antriebskraft auf diese Abstützelemente 107 übertragen. So weist jede der Abstützelement-Baugruppen 215, 216 ein Baugruppen-Zahnrad 217 auf, welches mit der Spindel 214 in Eingriff ist. Eine Drehung der Antriebsachse 212 des Elektromotors 210 wird über die Zahnräder 211 und 213 auf die Spindel 214 übertragen. Die Drehung der Spindel 214 wird in eine Drehung der Baugruppen-Zahnräder 217 übertragen. Die Baugruppen-Zahnräder 217 sind drehfest mit Buchsen 218 verbunden, die jeweils mit einem ersten Gewinde, insbesondere einem Innengewinde, versehen sind. In den Buchsen 218 ist jeweils ein Abstützelement 107 aufgenommen, welches mit einem zweiten Gewinde, insbesondere einem Außengewinde, versehen ist, das mit dem ersten Gewinde der Buchsen 218 in Eingriff ist. Mittels Wälzlager 219 sind die Baugruppen-Zahnräder 217 und die Buchsen 218 drehbar gelagert, insbesondere gegenüber den Druckelementen 6, 16 und 106 drehbar gelagert. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das erste Gewinde ein Außengewinde und das zweite Gewinde ein Innengewinde ist.The
Somit führt eine Drehung der Spindel 214 zu einer Drehung der Zahnräder 217, die wiederum die Buchsen 218 mitdrehen. Die Drehung der Buchsen 218 führt über die in Eingriff befindlichen Innen- und Außengewinde zu einem Ein- und Ausfahren der Abstützelemente 107, je nachdem ob der Elektromotor 210 in einem Rechts- oder Linkslauf betrieben wird.Thus, a rotation of the
Die Abstützelement-Baugruppen 215 weisen jeweils ein in
Mittels in die äußeren Enden der Abstützelemente 107 schraubbare Schrauben 220 sind die inneren Druckplatten 105 an die Abstützelemente 107 befestigbar.The
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the foregoing description, such illustration and description is to be considered as exemplary and not restrictive, and it is not intended to limit the invention to the embodiment disclosed. The mere fact that certain features are recited in various dependent claims is not to suggest that a combination of these features could not also be used to advantage.
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