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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug, wobei das Batteriemodul einen Zellstapel umfasst, der mindestens eine erste und eine zweite in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnete Batteriezelle aufweist und eine Spanneinrichtung zum mechanischen Verspannen des Zellstapels in der Stapelrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen und/oder Betreiben eines Batteriemoduls.
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Batteriemodule, insbesondere für Kraftfahrzeugbatterien, wie beispielsweise Hochvoltbatterien, weisen oftmals einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen auf, die über eine Spanneinrichtung, zum Beispiel einen Spannrahmen oder Ähnliches, mechanisch zueinander verspannt werden. Dieses Verspannen dient dazu, um eine gewisse Anfangsspannkraft auf die Batteriezellen auszuüben, was positive Auswirkungen auf ihre Lebensdauer hat, und zudem, die Zellen auf einem definierten Bauraum zu halten. Im Laufe der Lebensdauer dieser Batteriezellen und/oder auch beim Laden der Batteriezellen dehnen diese sich typischerweise aus. Ist die auf die Batteriezellen wirkende Kraft dabei jedoch zu hoch, kann dies zu einer Beschädigung der Batteriezellen führen. Dabei ist es im Allgemeinen wünschenswert, eine initiale Spannkraft auf die Zellen auf einen für die Zellen möglichst optimalen Wert einstellen zu können und/oder zu gewährleisten, dass zu hohe Kräfte auf die Zellen, die zu einer Beschädigung führen könnten, vermieden werden.
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Die
DE 10 2009 035 482 A1 beschreibt eine Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, welche in Flachbauweise ausgebildet sind und welche zwischen zwei Endplatten zu einem Zellstapel verspannt sind. Dabei sind Mittel vorgesehen, welche den Zellstapel in Stapelrichtung einer Druckbelastung aussetzen. Die Mittel können dabei als aktive Aktuatoren ausgebildet sein, die anhand von Messwerten der Temperatur und/oder des Drucks in dem Zellstapel angesteuert werden, wobei die Aktuatoren dabei anhand eines Kennfelds, insbesondere eines Lebensdauer-Druck-Kennfelds, angesteuert werden.
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Die Alterung von Batteriezellen lässt sich jedoch in der Regel nur sehr ungenau ermitteln. Ungenauigkeiten bei der Ermittlung einer aktuellen Lebensdauer beziehungsweise eines Alterungszustands der Zelle führt entsprechend auch zu einer ungenauen Ansteuerung der Aktuatoren.
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Die
DE 10 2021 123 282 A1 beschreibt ein Sekundärbatteriemodul mit einem Batteriestapel, in dem mehrere Batteriezellen gestapelt sind, und einem Gehäuse, in dem der Batteriestapel untergebracht ist, sowie ein Druckkissen, umfassend eine Oberfläche oder zwei Oberflächen, um mit einer Batteriezelle aus einer Vielzahl von Batteriezellen in Kontakt zu stehen, und mit einem einstellbaren Volumen, sowie mit einer Druckeinstelleinheit, um das Volumen gemäß einer gemessenen Druckinformation einzustellen. Dabei ist das Druckkissen ausgelegt, um ein Fluid aufzunehmen, wobei die Druckeinstelleinheit eine Menge des Fluids einstellen kann. Dabei kann zudem eine Druckmesseinheit einen auf das Druckkissen ausgeübten Druck messen, insbesondere wobei die Druckmesseinheit einen Hydraulikdruckmesssensor zum Messen des Drucks des in dem Aufnahmeraum befindlichen Fluids umfasst.
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Eine derartige Ausgestaltung einer Spanneinrichtung für ein Batteriemodul ist jedoch sehr aufwendig und entsprechend teuer.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Batteriemodul und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, auf möglichst einfache und effiziente Weise eine mechanische Überbeanspruchung von Batteriezellen während des Herstellens und/oder Betriebs eines solchen Batteriemoduls zu detektieren und/oder zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriemodul und ein Verfahren 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 für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Zellstapel, der mindestens eine erste und eine zweite in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnete Batteriezelle aufweist und eine Spanneinrichtung zum mechanischen Verspannen des Zellstapels in der Stapelrichtung. Dabei weist das Batteriemodul mindestens einen Sensor auf, der außerhalb der ersten und zweiten Batteriezelle und zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle angeordnet ist, und der zur Erfassung einer Erfassungsgröße ausgelegt ist, die einen zumindest auf die erste Batteriezelle wirkenden Druck oder eine von dem Druck abhängige Größe darstellt.
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Der mindestens eine Sensor kann also als ein Drucksensor ausgebildet sein, wobei dieser nicht notwendigerweise den Druck selbst als Erfassungsgröße erfassen können muss, sondern beispielsweise auch eine andere Erfassungsgröße, die vom Druck abhängig ist, und in Abhängigkeit von welcher dann beispielsweise der Druck ermittelt werden kann. Die Erfindung beruht dabei einerseits auf der Erkenntnis, dass sich Drucksensoren mittlerweile mit sehr geringen Bauhöhen bereitstellen lassen, sozusagen als Miniatursensoren, sodass diese sich auch problemlos zwischen Zellen eines Zellstapels anordnen lassen, ohne befürchten zu müssen, dass die Sensoren selbst zu einer lokalen, übermäßigen Druckerhöhung auf die Zellseiten führen, noch ohne aufwendige Geometrien oder Konstruktionen vorsehen zu müssen, z.B. Vertiefungen in den Zellgehäusen, um derartige lokale Drucküberhöhungen durch die Sensoren zu vermeiden. Außerdem beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass zum Beispiel ein stirnseitig auf einen solchen Zellstapel ausgeübter Druck nicht notwendigerweise identisch zu dem innerhalb des Zellstapels zwischen den Zellen vorherrschenden Drucks sein muss beziehungsweise dass es über den Zellstapel hinweg auch lokale Druckunterschiede geben kann. Dies ist dadurch bedingt, dass sich zwischen den Zellen typischerweise Zelltrennelemente befinden, die zumindest zum Teil elastisch sind beziehungsweise so ausgebildet sein können, dass sie einen Teil des Drucks bzw. der Zellausdehnung aufnehmen und/oder kompensieren. Dehnt sich beispielsweise eine einzelne Zelle aus irgendwelchen Gründen übermäßig stark aus, so unterliegt deren Zellwandung typischerweise auch einer deutlich größeren mechanischen Spannung und ist entsprechend auch einem größeren äußeren Druck auf die Zellwand ausgesetzt. Dieser Effekt kann jedoch unter Umständen bei einer Druckmessung stirnseitig am Zellstapel gar nicht erfassbar sein. Durch die Anordnung eines Sensors zwischen den Batteriezellen ist es nunmehr möglich, die lokal an den Zellen vorherrschenden Druckverhältnisse zu erfassen. Damit können auch Anomalitäten oder Druckinhomogenitäten über den Zellstapel hinweg erfasst werden. Andererseits beruht die Erfindung zudem auch auf der Erkenntnis, dass sich durch solche zwischen den Zellen angeordneten Drucksensoren der mechanische Druck auf die Zellen, sowohl während des Verspannens eines Zellstapels als auch im Betrieb eines fertigen Batteriemoduls, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug, besonders effizient überwachen lässt und diese Überwachung wiederum vielzählige weitere Vorteile mit sich bringt: Zum einen kann während des Verspannens eines solchen Zellstapels beziehungsweise während des Fügevorgangs zum Fügen der einzelnen Batteriezellen zueinander zu einem Zellstapel beziehungsweise zum Batteriemodul sichergestellt werden, dass ein für die Zellen vorgegebener Druck-Grenzwert nicht überschritten wird. Mit anderen Worten gestaltet sich eine Drucküberwachung während des mechanischen Verspannvorgangs der Zellen sehr einfach, wodurch sich auch der initiale Spanndruck bzw. die initiale Spannkraft auf die Zellen beispielsweise besonders einfach und genau einstellen lässt. Außerdem können die Drucksensoren auch während des Betriebs des Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug genutzt werden, um im Laufe der Lebensdauer des Batteriemoduls zu überwachen, dass ein solcher für die Zellen möglicherweise kritischer Schwellenwert nicht überschritten wird bzw. kann das Überschreiten eines solchen Schwellwerts einfach detektiert werden und ein rechtzeitiger Austausch der Batterie oder des Batteriemoduls stattfinden, bevor es zu einer Schädigung des Batteriemoduls oder der Zellen oder schwerwiegenderen Folgeschäden kommt. Es kann auch eine andere Gegenmaßnahme eingeleitet werden, z.B. kann die betreffende Zelle weniger stark geladen werden oder gezielt zum Teil entladen werden oder Ähnliches. Somit lässt sich die mechanische Beanspruchung der Zellen sowohl während der Herstellung eines Batteriemoduls als auch während der Verwendung des Batteriemoduls, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug, auf besonders einfache und effiziente Weise überwachen und entsprechend eine Überbeanspruchung verhindern und/oder zumindest frühzeitig detektieren oder auch detektieren, wenn eine solche Überbeanspruchung kurz bevor steht, so dass diese durch eventuelle Gegenmaßnahmen noch verhindert werden kann.
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Die Batteriezellen können zum Beispiel als prismatische Batteriezellen oder Pouchzellen ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Batteriezellen zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Das Batteriemodul kann darüber hinaus auch mehr als nur zwei Batteriezellen umfassen, wie später näher erläutert. Die Spanneinrichtung kann zum Beispiel als eine Art Spannrahmen ausgebildet sein, der den Zellstapel umgibt. Die Spanneinrichtung kann zum Beispiel zwei Endplatten aufweisen, die den Zellstapel beidseitig in Stapelrichtung begrenzen und die über zwei Seitenplatten oder Seitenbänder miteinander verbunden sind, sodass zwischen den zwei Endplatten und den zwei Seitenplatten ein im Wesentlichen quaderförmiger Aufnahmeraum gebildet ist, in welchem der Zellstapel angeordnet ist.
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Der Sensor wird im Folgenden auch teilweise zur besseren Veranschaulichung Drucksensor genannt. Dieser muss jedoch nicht dazu ausgelegt sein, den Druck, der auf die erste Batteriezelle wirkt, direkt zu erfassen, sondern kann auch dazu ausgelegt sein, eine von diesem Druck abhängige Größe zu erfassen. Beispiele hierfür sind ein kapazitiver Drucksensor, ein induktiver Drucksensor, ein Piezoelement, ein Dehnmessstreifen (DMS) oder Ähnliches. Ein kapazitiver Drucksensor erfasst entsprechend eine Kapazität, ein induktiver Drucksensor eine Induktivität, bei einem Piezoelement wird ein durch Deformation dieses Piezoelements verursachter Strom und/oder eine Spannung erfasst, und die Messung basierend auf einem Dehnmessstreifen beruht darauf, dass ein solcher Dehnmessstreifen seinen elektrischen Widerstand bei Verformung ändert. Durch Messung des Widerstands kann auf die entsprechende Verformung und von dieser wiederum auf den Druck bzw. eine Druckänderung geschlossen werden.
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Auch kann der Sensor, genauer gesagt der Drucksensor, als ein aus dem Stand der Technik bekannter, insbesondere auch als ein anderer aus dem Stand der Technik bekannter Drucksensor ausgebildet sein. Da dem Fachmann die verschiedensten Ausbildungsmöglichkeiten von Drucksensoren bekannt sind, wird hierauf im Folgenden auch nicht weiter eingegangen. Die Erfassungsgröße stellt also entweder den Druck dar oder eine Größe, welche sich bei einer Druckänderung ändert und z.B. aus welcher sich der Druck ermitteln lässt. Dabei ist der Sensor dazu ausgelegt, den Druck auf die erste Batteriezelle also entweder direkt oder indirekt zu messen. Die Druckmessung kann sich dabei auf der Position, an welcher der Drucksensor angeordnet ist, befinden. Mit anderen Worten wird mittels des Sensors die Erfassungsgröße auf die erste Batteriezelle am Ort des Sensors gemessen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul eine Steuereinrichtung auf, die mit dem mindestens einen Sensor verbunden ist, und an welcher die vom Sensor erfasste Erfassungsgröße bereitstellbar ist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die Erfassungsgröße und/oder den aus der Erfassungsgröße ermittelten Druck mit einem vorbestimmten Schwellwert zu vergleichen und in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs ein Signal auszugeben. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, wenn der Vergleich ergibt, dass die Erfassungsgröße, genauer gesagt, ihr aktuell gemessener Wert, den Schwellwert überschreitet, ein Signal auszugeben.
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Eine zu hohe mechanische Beanspruchung der ersten Zelle oder eine kurz bevorstehend zu hohe Beanspruchung kann dadurch sofort detektiert werden und mittels eines solchen Signals signalisiert werden. Der Schwellwert kann auch so bemessen sein, dass bei dessen Überschreiten gerade noch keine übermäßig hohe mechanische Beanspruchung der Batteriezelle vorliegt. Auch können mehrere unterschiedliche Schwellwerte für unterschiedliche Beanspruchungsstufen vorgesehen sein. Der Schwellwert kann also beispielsweise ein Druckschwellwert sein. Stellt die Erfassungsgröße selbst den gemessenen Druck dar, so kann dieser einfach mit dem vorbestimmten Druckschwellwert verglichen werden. Anderenfalls kann aus der Erfassungsgröße der korrespondierende Druck ermittelt werden und dieser dann entsprechend mit dem vorbestimmten Druckschwellwert verglichen werden. Es kann aber auch sein, dass umgekehrt aus einem vorbestimmten Druckschwellwert auf einen korrespondierenden Schwellwert für die Erfassungsgröße zurückgerechnet wird, wenn die Erfassungsgröße den Druck nicht selbst darstellt. Mit anderen Worten kann sich der vorgegebene Schwellwert auch auf die vom Druck verschiedene aber vom Druck abhängige Größe, die mittels des Sensors erfasst wird, beziehen. So kann beispielsweise auch ein entsprechender Kapazitätsgrenzwert für einen kapazitiven Sensor oder ein Widerstandsgrenzwert für einen Dehnungsmessstreifen vorgegeben sein, wobei diese Grenzwerte dann zu einem entsprechenden Druckgrenzwert korrespondieren.
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Das Batteriemodul kann zudem einen Zellmodulcontroller umfassen, der insbesondere während des Betriebs des Batteriemoduls im Kraftfahrzeug das Batteriemodul und die von diesem umfassten Batteriezellen überwacht. Bei der Steuereinrichtung kann es sich zum Beispiel um einen solchen Zellmodulcontroller handeln. Die Steuereinrichtung kann aber auch als davon separate Steuereinrichtung ausgebildet sein. Dies erlaubt zum Beispiel eine Nachrüstlösung für bestehende, bereits in einem Kraftfahrzeug verbaute Batteriemodule oder einen einfachen Einsatz der Drucküberwachung während des Herstellens des Batteriemoduls.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die mittels des Sensors erfasste Erfassungsgröße während eines Verspannens des Zellstapels mittels der Spanneinrichtung zu überwachen und/oder den mittels der Spanneinrichtung auf die erste Batteriezelle ausgeübten Druck nach dem Verspannen und insbesondere vor dem Verbau des Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug zu überprüfen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Druck auf die erste Batteriezelle bereits während des Verspannvorgangs des Zellstapels überwacht werden kann. Dadurch kann sofort detektiert werden, wenn der Druck übermäßig hoch ist. Damit kann vorteilhafterweise vermieden werden, dass ein Zellstapel zu stark verspannt wird und damit zu hohe Kräfte auf die Zellen ausgeübt werden beziehungsweise kann ein übermäßig stark verspannter Zellstapel dadurch detektiert werden. Es ist aber auch denkbar, eine derartige Überprüfung erst nach dem Verspannen vorzunehmen. Gegebenenfalls kann der mindestens eine Sensor, insbesondere der Drucksensor, nachträglich in das Batteriemodul zwischen die beiden Zellen eingebracht werden. Auch kann es vorgesehen sein, dass solche Drucksensoren von den entsprechenden Herstellern gleich im Zellstapel mitverbaut werden, ohne beim Verspannen eine Überwachung des Drucks vorzunehmen. Vor dem Verbau an Kraftfahrzeug kann dann mittels der bereits verbauten Drucksensoren eine Überprüfung vorgenommen werden, ob sich die Drücke innerhalb des Zellstapels in einem für den Zellstapel bzw. die Zellen vorgegebenen Normalbereich befinden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, als Signal ein Warnsignal auszugeben und/oder ein Steuersignal zum Steuern des Verspannens des Zellstapels mittels der Spanneinrichtung. Im einfachsten Fall kann die Steuereinrichtung also beispielsweise einfach ein Warnsignal ausgeben, zum Beispiel ein an einen Benutzer oder Überwacher gerichtetes Warnsignal, z.B. in optischer und/oder akustischer Form, wenn der oben genannte Schwellwert überschritten wird. Erfolgt die Drucküberwachung durch die Steuereinrichtung beispielsweise während des Herstellprozesses des Batteriemoduls, so kann durch ein solches Warnsignal signalisiert werden, dass der Verspannvorgang abgebrochen werden muss beziehungsweise das bereits verspannte Batteriemodul beziehungsweise der bereits verspannte Zellstapel zu stark verspannt wurde. Entsprechend kann dann ein solches Batteriemodul zum Beispiel nachgearbeitet oder aussortiert werden. Die Sensorinformation kann aber auch zum Steuern des Verspannvorgangs selbst genutzt werden. Zu diesem Zweck kann die Spanneinrichtung beispielsweise den Zellstapel verspannen, bis durch die Steuereinrichtung das Erreichen des vorgegebenen Schwellwerts detektiert wird. Dies kann über das Steuersignal einer Verspannvorrichtung zum Anstellen der Spanneinrichtung mitgeteilt werden. Die Vorrichtung kann entsprechend den Verspannvorgang beenden beziehungsweise dadurch die Spanneinrichtung richtig einstellen, sodass der Schwellwert nicht überschritten wird oder ein anderer zweiter höher liegender Schwellwert nicht überschritten wird, der für die Zellen mechanisch kritisch wäre. Mit anderen Worten kann die erfasste Erfassungsgröße auch dazu genutzt werden, um die Spannkraft beim Verspannen des Batteriemoduls auf einen idealen Wertebereich, der vorgegeben ist, einzustellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die mittels des Sensors erfasste Erfassungsgröße während einer Verwendung des Batteriemoduls, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zu überwachen. Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung und ihrer Ausführungsformen bevorzugt, die beschriebene Drucküberwachung bereits bei der Herstellung eines Batteriemoduls zu verwenden. Die im Batteriemodul entsprechend verbauten Sensoren beziehungsweise der mindestens eine Sensor kann nach der Fertigstellung des Batteriemoduls jedoch optional auch im Batteriemodul verbleiben. Dies hat den Vorteil, dass der mindestens eine Drucksensor zur Erfassung der Erfassungsgröße auch im Nachhinein und insbesondere während des Betriebs des fertigen Batteriemoduls, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug, weiterhin zur Überwachung genutzt werden kann. Somit ist es also besonders vorteilhaft, die Erfassungsgröße auch während der Verwendung des Batteriemoduls zu überwachen.
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Die Überwachung kann dabei in gleicher Weise erfolgen wie zur Überwachung während des Herstellprozesses beziehungsweise des Verspannvorgangs bereits beschrieben. Wird zum Beispiel ein Grenzwert beziehungsweise Schwellwert überschritten, so kann dies durch die Steuereinrichtung detektiert und entsprechend ein Warnsignal ausgegeben werden. Der Benutzer des Fahrzeugs kann zum Beispiel durch die Ausgabe eines solchen Warnsignals zum Aufsuchen einer Werkstatt aufgefordert werden. Auch kann automatisch durch die Steuereinrichtung eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden.
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Denkbar ist es zudem auch, eine solche Überwachung ausschließlich während des Betriebs beziehungsweise bei der Verwendung des Batteriemoduls im Kraftfahrzeug beziehungsweise in einem im Kraftfahrzeug verbauten Zustand des Batteriemoduls zu nutzen und nicht während der Herstellung des Batteriemoduls.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor an einer ersten Seite der ersten Batteriezelle angeordnet, die der zweiten Batteriezelle zugewandt ist. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Sensor zum Beispiel direkt an der ersten Seite der ersten Batteriezelle angeordnet ist, diese also beispielsweise direkt kontaktiert. Dabei kann es optional vorgesehen sein, dass der Sensor gleichzeitig auch eine Seite der zweiten Batteriezelle, die der ersten Seite der ersten Batteriezelle zugeordnet ist, kontaktiert beziehungsweise berührt, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Auf diese Weise lässt sich also die mechanische Beanspruchung der ersten Seite der ersten Batteriezelle besonders genau erfassen. Insbesondere kann jede Batteriezelle des Batteriemoduls mit einem solchen Sensor versehen sein, wie dies später näher beschrieben ist. Damit lässt sich der Druck auf eine solche Batteriezelle besonders genau und direkt an der Batteriezelle messen.
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Dabei gibt es zudem nun mehrere Möglichkeiten, wo ein solcher Sensor genau an der ersten Seite der ersten Batteriezelle angeordnet werden kann.
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So stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die erste Seite einen zentralen Bereich und einen den zentralen Bereich umgebenden Randbereich aufweist, wobei der Sensor in dem Randbereich angeordnet ist, insbesondere wobei zwischen der ersten und der zweiten Batteriezelle ein Zelltrennelement angeordnet ist, das sich in einer ersten Richtung, die senkrecht zur Stapelrichtung ist, maximal so weit erstreckt, wie der zentrale Bereich der ersten Seite der ersten Batteriezelle.
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Die Anordnung des mindestens einen Sensors in einem Randbereich der ersten Seite hat den großen Vorteil, dass sich hierdurch die Kabelführung zum Sensor vereinfacht. Dieser ist nämlich bevorzugt über ein entsprechendes Kabel, insbesondere ein Datenkabel, bzw. mindestens eine elektrische Leitung mit der Steuereinrichtung verbunden. Ist der Sensor also in einem Randbereich angeordnet, so kann sich eine solche Leitung beispielsweise auch vollständig außerhalb des Zellstapels befinden oder nur ein geringfügiger Teil des Kabels ist ebenfalls zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle angeordnet. Bei dem Randbereich der ersten Seite handelt es sich insbesondere um einen Teilbereich der ersten Seite, der kleiner ist, vorzugsweise deutlich kleiner ist als der restliche zentrale Bereich der ersten Seite der ersten Batteriezelle. Beispielsweise kann der Randbereich auf maximal 40%, oder maximal 30%, insbesondere maximal 20%, oder auch auf maximal 10% der Gesamtfläche der ersten Seite der ersten Batteriezelle beschränkt sein. Der Randbereich stellt dabei insbesondere einen geschlossen umlaufenden Bereich dar, der zudem auch den Rand der ersten Seite der Batteriezelle umfasst, aber nicht auf den Rand beschränkt ist und sich in Richtung des zentralen Bereichs um mindestens eine Sensorbreite des Sensors erstreckt.
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Das Zelltrennelement kann zum Beispiel zumindest teilweise elastisch ausgebildet sein. Insbesondere ist dieses zumindest teilweise in Stapelrichtung komprimierbar. Dadurch kann eine gewisse Ausdehnung der Batteriezellen, zum Beispiel beim Laden oder im Laufe ihrer Lebensdauer, kompensiert beziehungsweise aufgefangen werden. Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn ein solches Zelltrennelement zum Beispiel nur in einem zentralen Bereich der ersten Seite des ersten Batteriemoduls angeordnet ist und ein kleiner Randbereich der ersten Seite der Batteriezelle, zum Beispiel bezogen auf die erste Richtung und/oder die zweite Richtung, die beide senkrecht zur Stapelrichtung definiert sein können und senkrecht zueinander sein können, ausgespart ist. In diesem ausgesparten Bereich kann dann entsprechend der Drucksensor angeordnet werden, ohne dass eine Bauhöhe zu einem zusätzlichen Druck auf die Zelle führt, der ohne diesen Drucksensor nicht vorhanden wäre.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Seite der ersten Batteriezelle wiederum den zentralen Bereich und einen den zentralen Bereich umgebenden Randbereich auf, wobei der Sensor in dem zentralen Bereich angeordnet ist. Der zentral Bereich und der Randbereich können wie oben bereits beschrieben definiert sein. Der Sensor ist in diesem Beispiel nunmehr in dem zentralen Bereich angeordnet. Dies kann eine alternative Ausführungsform darstellen oder auch mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform in dem Sinne kombinierbar sein als dass ein weiterer Sensor vorgesehen sein kann, der zusätzlich im zentralen Bereich der mindestens einen Batteriezelle, insbesondere an deren erster Seite, angeordnet ist. Die Positionierung des Sensors im zentralen Bereich hat den Vorteil, dass sich hierdurch eine genauere Drucküberwachung bereitstellen lässt. Hintergrund ist, dass sich Batteriezellen typischerweise in ihrem zentralen Bereich, insbesondere in ihrer Mitte bezogen auf eine erste und zweite zur Stapelrichtung senkrechte Richtung, vor allem im Laufe ihres Betriebs beziehungsweise ihrer Lebensdauer, am stärksten ausdehnen. Entsprechend entstehen die größten Drücke auf die Zelle in diesem zentralen Bereich. Damit kann besonders genau erfasst werden, wann in diesem zentralen Bereich der vorgegebene Druckschwellwert überschritten wird.
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Denkbar ist es aber auch, dass der Sensor im Randbereich angeordnet wird, und eine geeignete Skalierung des oben genannten Schwellwerts erfolgt beziehungsweise der Schwellwert in geeigneter Weise abhängig von der Anordnungsposition des Sensors skaliert ist. Mit anderen Worten kann der Druckschwellwert für einen im Randbereich angeordneten Sensor deutlich kleiner gewählt sein als für einen im zentralen Bereich angeordneten Sensor.
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Zudem ist es auch möglich, auf der ersten Seite der ersten Batteriezelle an unterschiedlichen Positionen mehrere solcher Sensoren anzuordnen. Dies ermöglicht eine besonders umfassende Drucküberwachung der ersten Batteriezelle.
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Des Weiteren stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Batteriemodul mehrere Sensoren umfasst, die zur Erfassung der Erfassungsgröße ausgelegt sind, wobei jeder der Sensoren zwischen je zwei in Stapelrichtung benachbart angeordneten Batteriezellen des Zellstapels angeordnet ist, insbesondere wobei an jeder der Batteriezellen oder nur manchen der Batteriezellen mindestens einer der Sensoren angeordnet ist und/oder zwischen je zwei in der Stapelrichtung benachbart angeordneten Batteriezellen des Zellstapels mindestens einer der Sensoren angeordnet ist.
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Die Sensoren können dabei gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. sie können auch zur Erfassung unterschiedlicher Erfassungsgrößen ausgebildet sein, die jedoch alle zumindest vom Druck abhängen.
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Die Verwendung von mehreren Sensoren ist besonders vorteilhaft. Hierdurch kann eine deutlich umfassendere Drucküberwachung in Stapelrichtung über ein Batteriemodul hinweg bereitgestellt werden. Vor allem die Positionierung zwischen zwei Batteriezellen ist sehr vorteilhaft. Ein solcher Sensor kann aber zum Beispiel auch zwischen einer Randbatteriezelle und einem Element der Spanneinrichtung angeordnet sein, zum Beispiel einer oben beschriebenen Endplatte. Da sich aber wie oben bereits ausgeführt innerhalb eines Zellstapels, vor allem aufgrund der zwischen den Zellen angeordneten Zelltrennelemente, unter Umständen lokal andere Druckverhältnisse einstellen können als im Randbereich des Stapels, ist es sehr vorteilhaft, wenn zwischen den Batteriezellen ebenfalls solche Sensoren angeordnet sind oder ausschließlich Sensoren zwischen den Batteriezellen angeordnet sind. Dabei kann zum Beispiel an jeder der Batteriezellen mindestens ein solcher Sensor angeordnet sein. Damit kann jede Batteriezelle überwacht werden, was vor allem während des Betriebs des Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug sehr vorteilhaft ist. Auf Basis eines solchen Drucksensors kann zum Beispiel auch ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle aufgrund ihrer dadurch bedingten räumlichen Ausdehnung sofort detektiert werden. Es muss aber nicht notwendigerweise an jeder Batteriezelle beziehungsweise in jedem Zwischenraum zwischen zwei benachbart angeordneten Batteriezellen ein solcher Sensor angeordnet sein. Die Sensoren können auch in jedem zweiten Zwischenraum oder jedem dritten Zwischenraum, in jedem vierten Zwischenraum, usw. oder auch in unregelmäßigen Abständen entlang des Zellstapels, angeordnet sein. Dadurch können Drucksensoren eingespart werden und dennoch eine gute Überwachung des gesamten Zellstapels bereitgestellt werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder eine seine Ausgestaltungen. Die für das erfindungsgemäße Batteriemodul und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das Batteriemodul kann dabei Bestandteil einer Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs sein. Eine solche Hochvoltbatterie kann dabei im Übrigen mehrere solcher Batteriemodule umfassen. Diese können zum Beispiel in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet sein.
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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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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen und/oder Betreiben eines Batteriemoduls, das einen Zellstapel umfasst, der mindestens eine erste und eine zweite in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnete Batteriezelle aufweist und eine Spanneinrichtung zum mechanischen Verspannen des Zellstapels in der Stapelrichtung. Dabei weist das Batteriemodul mindestens einen Sensor auf, der außerhalb der ersten und zweiten Batteriezelle und zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle angeordnet ist, und der eine Erfassungsgröße erfasst, die einen zumindest auf die erste Batteriezelle wirkenden Druck oder eine von dem Druck abhängige Größe darstellt.
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Die für das erfindungsgemäße Batteriemodul und seine Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfasst der Sensor die Erfassungsgröße während des Verspannens der Batteriezellen mittels der Spanneinrichtung und/oder während des Betriebs des Batteriemoduls, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Damit kann also vorteilhafterweise eine Überwachung des Drucks auf die Zellen sowohl während der Herstellung des Batteriemoduls, insbesondere während des Verspannens des Zellstapels, stattfindet, als auch während der Verwendung des Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug, das heißt also in einem im Kraftfahrzeug verbauten Zustand des Batteriemoduls.
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Bevorzugt wird der Sensor dabei vor einem Verspannen des Zellstapels zwischen der ersten und der zweiten Batteriezelle angeordnet. Dadurch lässt sich der Sensor besonders einfach in das Batteriemodul integrieren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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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 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Batteriezelle für ein Batteriemodul 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 eines Batteriemoduls 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriemodul 10 weist dabei einen Zellstapel 12 mit mehreren in einer Stapelrichtung x angeordneten Batteriezellen 14, die im vorliegenden Beispiel als prismatische Batteriezellen 14 ausgebildet sind. Weiterhin weist das Batteriemodul 10 eine Spanneinrichtung 16, zum Beispiel in Form eines Spannrahmens, auf, von welchem exemplarisch vorliegend zwei Spannplatten 18 dargestellt sind. Mittels dieser Spanneinrichtung 16 kann der Zellstapel 12 in Stapelrichtung x verspannt werden. Zu diesem Zweck übt die Spanneinrichtung 16 eine bestimmte Spannkraft F auf den Zellstapel 12 aus. Zwischen den Batteriezellen 14, insbesondere zwischen je zwei in x-Richtung benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen 14 ist vorliegend zudem ein Zelltrennelement 20 angeordnet. Dieses ist in Stapelrichtung x elastisch deformierbar ausgebildet. 1 zeigt dabei insbesondere eine Draufsicht auf das Batteriemodul 10, zum Beispiel in Bezug auf eine bestimmungsgemäße Einbaulage in einem Kraftfahrzeug.
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Jede Batteriezelle 14 weist dabei mindestens eine erste Seite 22 auf, die einer in Stapelrichtung x benachbarten Batteriezelle 14 zugewandt ist. Insbesondere weist jede Batteriezelle 14 bis auf die Randzellen 14a zwei solcher Seiten 22 auf.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 14 für ein Batteriemodul 10 und eine Steuereinrichtung 32 des Batteriemoduls 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezelle 14 kann insbesondere eine Batteriezelle 14 des Batteriemoduls 10 aus 1 darstellen. 2 zeigt dabei eine schematische Draufsicht auf diese Batteriezelle 14, insbesondere auf die erste Seite 22. Diese weist zum Beispiel einen zentralen Bereich 24 und einen diesen umlaufend umgebenden Randbereich 26, der einen Rand 26a der ersten Seite 22 umfasst, auf. Das zu 1 beschriebene Zelltrennelement 20 kann so ausgebildet sein, dass es die gesamte erste Seite 22 einer solchen Batteriezelle 14 komplett überdeckt oder zum Beispiel auch so, dass dieses nur im zentralen Bereich 24 an der ersten Seite 22 der Batteriezelle 14 anliegt.
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Nachfolgend werden die 1 und 2 gemeinsam erörtert. Vorteilhafterweise weist das Batteriemodul 10 nun mindestens einen Sensor 28 auf. Dieser wird im Folgenden auch als Drucksensor 28 bezeichnet, der dazu dient, mittelbar oder unmittelbar den Druck p zu erfassen. Der Sensor 28 kann also auch dazu ausgelegt sein, eine andere Messgröße E zu erfassen, die mit dem Druck p im Zusammenhang steht und aus welcher sich der Druck p ermitteln lässt. Insbesondere umfasst das Batteriemodul 10 dabei mehrere Drucksensoren 28. Im vorliegenden Beispiel weist jede Batteriezelle 14 exemplarisch zwei solcher Drucksensoren 28 auf. Diese Drucksensoren 28 einer betreffenden Batteriezelle 14 sind dabei an der ersten Seite 22 der betreffenden Batteriezelle 14, zum Beispiel wie in 2 dargestellt, angeordnet.
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In diesem Beispiel sind die Drucksensoren 28 zudem an dem zuvor beschriebenen Randbereich 26 der ersten Seite 22 einer jeweiligen Batteriezelle 14 angeordnet. Die Grenze dieses Randbereichs 26 zum zentralen Bereich 24 ist durch eine gestrichelte Linie exemplarisch veranschaulicht. Weiterhin sind die Drucksensoren 28 dabei jeweils nur auf einer der beiden ersten Seiten 22 einer jeweiligen von einer Randzelle 14a verschiedenen Batteriezelle 14 angeordnet. Dies muss nicht notwendigerweise der Fall sein. Beispielsweise kann auf beiden ersten Seiten 22 einer jeweiligen Batteriezelle 14, zumindest denen, die keine Randzellen 14a darstellen, ein solcher Drucksensor 28 angeordnet sein oder es kann auf nur einer ersten Seite 22 einer jeweiligen Batteriezelle 14 auch nur ein einzelner solcher Drucksensoren 28 angeordnet sein. Außerdem ist es denkbar, dass nicht an jeder der Batteriezellen 14 ein solcher Drucksensor 28 angeordnet ist, sondern zum Beispiel nur an jeder zweiten oder nur an jeder dritten, oder nur an jeder vierten, und so weiter.
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Die Anordnung im Randbereich 26 hat dabei den Vorteil, dass die Kabelführung der Kabel, insbesondere des Datenkabels vom Sensor 28 zu einer Steuereinrichtung 32 des Batteriemoduls 10, die ebenfalls exemplarisch in 2 dargestellt ist, vereinfacht ist. Außerdem ermöglicht dies, die Sensoren 28 dort anzuordnen, wo sich beispielsweise das Zelltrennelement 20 nicht befindet, wenn dies so ausgeführt ist, dass es zum Beispiel auf den zentralen Bereich 24 der ersten Seite 22 in der jeweiligen Zelle 14 beschränkt ist. Die Steuereinrichtung 32 kann entsprechend dazu ausgebildet sein, die Drucküberwachung durchzuführen. Eine solche Drucküberwachung kann nun vorteilhafterweise während des Zusammenbaus beziehungsweise der Herstellung eines solchen Batteriemoduls 10 einerseits genutzt werden, als auch im eigentlichen Betrieb des fertigen Batteriemoduls 10 in einem Kraftfahrzeug.
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Bei herkömmlichen Batteriemodulen ist deren Zustand üblicherweise nicht bekannt, das heißt inwieweit sie beim Zusammenbau mit Kraft beaufschlagt werden und beim Laden und im Betrieb ausgedehnt werden. Nunmehr ist es jedoch bevorzugt vorgesehen, zum Beispiel bei der Herstellung des Batteriemodule 10, das heißt beim Zusammenführen der einzelnen Zellen 14, einen Drucksensor 28, zum Beispiel einen Miniatursensor oder einen Dehnmessstreifen, zum Beispiel zeitlich zwischen den Zellen 14 anzubringen oder mechanisch einzuführen. Dieser Sensor 28 kann dann beim Zusammenschieben der Zellen die Druckbelastung aufnehmen. Dieser Drucksensor 28 beziehungsweise Dehnmessstreifen 28 kann sowohl im fertigen Modul 10 verbleiben und für weitere Messaufgabe verwendet werden oder nach dem Fügen wieder herausgezogen werden. Jede einzelne Zelle 14 kann so bewegungstechnisch erfasst werden, sodass beim Zusammenführen der ideale Fügeprozess ermittelt werden kann. Ferner kann man nach der Auslieferung des Batteriemoduls 10 den Zustand eines jeden Batteriemoduls 10 im Fahrzeug in Form der Druckbelastung erfassen und diese Daten im Fahrzeug weiterverarbeiten, indem man zum Beispiel diese Zellen dann weniger stark lädt oder beansprucht. Hierzu können Drucksensoren 28 mit sehr geringer Bauhöhe oder Dehnmessstreifen zwischen den Zellen 14 verbaut werden, insbesondere solche, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Diese können seitlich am Modul 10 im Bereich der Zelltrennelemente 20 wie beschrieben montiert werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Nutzung eines Druck- beziehungsweise Bewegungssensors (DMS) zum Ermitteln der tatsächlichen Kraft beim Zusammenführen der Batteriemodule bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009035482 A1 [0003]
- DE 102021123282 A1 [0005]
