DE102023106064A1

DE102023106064A1 - Zellreihenseparatoren für traktionsbatteriepacks mit zelle-zu-pack-batteriesystemen

Info

Publication number: DE102023106064A1
Application number: DE102023106064.3A
Authority: DE
Inventors: Patrick Daniel Maguire; Marc Dugas
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2023-09-28
Also published as: US20230307756A1

Abstract

Zellreihenseparatoren zur Verwendung innerhalb von Traktionsbatteriepacks, die Zelle-zu-Pack-Batteriesysteme beinhalten, sind offenbart. Ein beispielhaftes Zelle-zu-Pack-Batteriesystem kann einen ersten Zellstapel, einen zweiten Zellstapel und einen sowohl an dem ersten Zellstapel als auch an dem zweiten Zellstapel gesicherten Zellreihenseparator beinhalten. Der Separator ist dazu ausgelegt, den ersten Zellstapel und den zweiten Zellstapel strukturell aneinanderzukoppeln.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Offenbarung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 63/322 766 , die am 23. März 2022 eingereicht wurde und durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist.
GEBIET DER TECHNIK
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Traktionsbatteriepacks und insbesondere Zellreihenseparatoren zur Verwendung innerhalb von Traktionsbatteriepacks, die Zelle-zu-Pack-Batteriesysteme beinhalten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrifizierte Fahrzeuge unterscheiden sich von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, da elektrifizierte Fahrzeuge eine Kraftübertragung beinhalten, die eine oder mehrere elektrische Maschinen aufweist. Die elektrischen Maschinen können die elektrifizierten Fahrzeuge anstelle von oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine antreiben. Ein Traktionsbatteriepack kann die elektrischen Maschinen und andere elektrische Lasten des Fahrzeugs mit Leistung versorgen.
Herkömmliche Traktionsbatteriepacks beinhalten Gruppierungen von Batteriezellen, die als Batteriearrays bezeichnet werden. Die Batteriearrays beinhalten verschiedene Arraystützstrukturen (z. B. Arrayrahmen, Abstandshalter, Schienen, Wände, Endplatten, Bindungen usw.), die zum Gruppieren und Stützen der Batteriezellen in mehreren einzelnen Einheiten im Inneren des Traktionsbatteriepackgehäuses angeordnet sind.
KURZDARSTELLUNG
Ein Traktionsbatteriepack gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem eine Gehäusebaugruppe und ein Zelle-zu-Pack-Batteriesystem, das innerhalb der Gehäusebaugruppe untergebracht ist. Das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem beinhaltet einen ersten Zellstapel, einen zweiten Zellstapel und einen Zellreihenseparator, der dazu angeordnet ist, den ersten Zellstapel und den zweiten Zellstapel strukturell aneinanderzukoppeln.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorangehenden Traktionsbatteriepacks beinhaltet die Gehäusebaugruppe eine Gehäuseabdeckung und eine Gehäuseschale.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der beiden vorangehenden Traktionsbatteriepacks stellt die Gehäuseschale eine zellkomprimierende Öffnung zum Komprimieren des ersten Zellstapels und des zweiten Zellstapels bereit.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks ist der Zellreihenseparator durch ein erstes doppelseitiges Klebeband an dem ersten Zellstapel gesichert und durch ein zweites doppelseitiges Klebeband an dem zweiten Zellstapel gesichert.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks ist ein Strukturklebstoff zwischen einem ersten Vorsprung und einem zweiten Vorsprung des Zellreihenseparators aufgenommen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks ist der Zellreihenseparator eine Komponente auf Polymerbasis.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks beinhaltet der Zellreihenseparator eine Basis und eine Vielzahl von Vorsprüngen, die von der Basis nach oben vorsteht.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks ist die Vielzahl von Vorsprüngen entlang einer Länge der Basis voneinander beabstandet und erstreckt sich ein Spalt zwischen benachbarten Vorsprüngen der Vielzahl von Vorsprüngen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks ist ein Strukturklebstoff innerhalb des Spalts aufgenommen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks legt das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem ein gesamtes elektrisches Potential eines Hochspannungsbusses des Traktionsbatteriepacks fest.
Ein Traktionsbatteriepack gemäß einem anderen beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem einen Zellstapel, einen Zellreihenseparator, der an dem Zellstapel angebracht ist und eine Basis, einen ersten Vorsprung, der sich von der Basis erstreckt, und einen zweiten Vorsprung, der sich von der Basis erstreckt, beinhaltet, und einen Strukturklebstoff, der innerhalb eines Spalts aufgenommen ist, der sich zwischen dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung erstreckt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorangehenden Traktionsbatteriepacks ist der Zellreihenseparator eine Komponente auf Polymerbasis.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der beiden vorangehenden Traktionsbatteriepacks sind der erste und der zweite Vorsprung fingerartige Vorsprünge.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks verjüngen sich der erste und der zweite Vorsprung auf einen distalen Endabschnitt zu.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks beinhaltet der Traktionsbatteriepack einen zweiten Zellstapel. Der Zellreihenseparator ist an dem zweiten Zellstapel angebracht.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks wirken der Zellreihenseparator und der Strukturklebstoff zusammen, um den ersten Zellstapel und den zweiten Zellstapel strukturell aneinanderzukoppeln.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks ist der Zellreihenseparator durch ein doppelseitiges Klebeband an dem Zellstapel gesichert.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks beinhaltet der Zellstapel eine Vielzahl von Batteriezellen. Der Zellreihenseparator stellt eine gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausfluchten der Vielzahl von Batteriezellen bereit.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorangehenden Traktionsbatteriepacks legt das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem ein gesamtes elektrisches Potential eines Hochspannungsbusses des Traktionsbatteriepacks fest.
Ein Verfahren gemäß einem anderen beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem Zusammenbauen eines ersten Zellstapels, Anbringen eines Zellreihenseparators an dem ersten Zellstapel, Anordnen eines zweiten Zellstapels benachbart zu dem ersten Zellstapel, Komprimieren des ersten Zellstapels und des zweiten Zellstapels zusammen, um eine Zellmatrix zu bilden, und während die Kompression an der Zellmatrix aufrechterhalten wird, Bewegen der Zellmatrix in eine zellkomprimierende Öffnung einer Gehäuseschale eines Traktionsbatteriepacks.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorhergehenden Absätze, der Patentansprüche oder der folgenden Beschreibung und Zeichnungen, was beliebige ihrer verschiedenen Aspekte oder jeweiligen einzelnen Merkmale beinhaltet, können unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination herangezogen werden. In Verbindung mit einer Ausführungsform beschriebene Merkmale sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, sofern derartige Merkmale nicht unvereinbar sind.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Die der detaillierten Beschreibung beigefügten Zeichnungen lassen sich kurzgefasst wie folgt beschreiben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 veranschaulicht schematisch ein elektrifiziertes Fahrzeug.
2 veranschaulicht ein Traktionsbatteriepack des elektrifizierten Fahrzeugs aus 1.
3 veranschaulicht ein Zelle-zu-Pack-Batteriesystem des Traktionsbatteriepacks aus 2.
4 veranschaulicht einen beispielhaften Zellreihenseparator eines Zelle-zu-Pack-Batteriesystems.
5 ist eine Draufsicht auf ausgewählte Abschnitte einer Zellmatrix eines Zelle-zu-Pack-Batteriesystems.
6 veranschaulicht eine andere beispielhafte Zellmatrix eines Zelle-zu-Pack-Batteriesystems.
7, 8, 9 und 10 veranschaulichen schematisch ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Traktionsbatteriepacks, der ein Zelle-zu-Pack-Batteriesystem beinhaltet.
11 veranschaulicht einen anderen beispielhaften Zellreihenseparator eines Zelle-zu-Pack-Batteriesystems.
12 veranschaulicht eine Grenzfläche zwischen einem Zellreihenseparator und einer Gehäuseabdeckung eines Traktionsbatteriepacks.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt detailliert Zellreihenseparatoren zur Verwendung innerhalb von Traktionsbatteriepacks, die Zelle-zu-Pack-Batteriesysteme beinhalten. Ein beispielhaftes Zelle-zu-Pack-Batteriesystem kann einen ersten Zellstapel, einen zweiten Zellstapel und einen Zellreihenseparator, der sowohl an dem ersten Zellstapel als auch an dem zweiten Zellstapel gesichert ist und dazu ausgelegt ist, den ersten Zellstapel und den zweiten Zellstapel strukturell aneinanderzukoppeln, beinhalten. Diese und andere Merkmale werden in den folgenden Absätzen dieser detaillierten Beschreibung detaillierter erörtert.
1 veranschaulicht schematisch ein elektrifiziertes Fahrzeug 10. Das elektrifizierte Fahrzeug 10 kann einen beliebigen Typ von elektrifiziertem Antriebsstrang beinhalten. In einer Ausführungsform ist das elektrifizierte Fahrzeug 10 ein Batterieelektrofahrzeug (battery electric vehicle - BEV). Die in dieser Schrift beschriebenen Konzepte sind jedoch nicht auf BEVs beschränkt und könnten sich auf andere elektrifizierte Fahrzeuge erstrecken, die Hybridelektrofahrzeuge (hybrid electric vehicles - HEVs), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (plug-in hybrid electric vehicles - PHEVs), Brennstoffzellenfahrzeuge usw. beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein. Daher könnte das elektrifizierte Fahrzeug 10, obwohl dies in der beispielhaften Ausführungsform nicht spezifisch gezeigt ist, mit einer Brennkraftmaschine ausgestattet sein, die entweder allein oder in Kombination mit anderen Leistungsquellen eingesetzt werden kann, um das elektrifizierte Fahrzeug 10 vorzutreiben.
In einer Ausführungsform ist das elektrifizierte Fahrzeug 10 ein Pkw. Das elektrifizierte Fahrzeug 10 könnte jedoch alternativ ein Pick-up-Truck, ein Van, eine Geländelimousine (sport utility vehicle - SUV) oder eine beliebige andere Fahrzeugkonfiguration sein. Obwohl in den Figuren dieser Offenbarung eine spezifische Beziehung der Komponenten veranschaulicht ist, sollen die Veranschaulichungen diese Offenbarung nicht einschränken. Die Platzierung und Ausrichtung der verschiedenen Komponenten des elektrifizierten Fahrzeugs 10 sind schematisch gezeigt und könnten innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung variieren. Zusätzlich sind die verschiedenen dieser Offenbarung beigefügten Figuren nicht zwingend maßstabsgetreu gezeichnet und einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um gewisse Details einer konkreten Komponente oder eines konkreten Systems hervorzuheben.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist das elektrifizierte Fahrzeug 10 ein vollelektrisches Fahrzeug, das ausschließlich durch elektrische Leistung, wie etwa durch eine oder mehrere elektrische Maschinen 12, ohne Unterstützung von einer Brennkraftmaschine vorgetrieben wird. Die elektrische Maschine 12 kann als Elektromotor, elektrischer Generator oder beides betrieben werden. Die elektrische Maschine 12 nimmt elektrische Leistung auf und kann die elektrische Leistung in Drehmoment zum Antreiben eines oder mehrerer Antriebsräder 14 des elektrifizierten Fahrzeugs 10 umwandeln.
Ein Spannungsbus 16 kann die elektrische Maschine 12 elektrisch an einen Traktionsbatteriepack 18 koppeln. Der Traktionsbatteriepack 18 ist dazu in der Lage, elektrische Leistung auszugeben, um die elektrische Maschine 12 und/oder andere elektrische Lasten des elektrifizierten Fahrzeugs 10 mit Leistung zu versorgen.
Der Traktionsbatteriepack 18 kann an einem Unterboden 22 des elektrifizierten Fahrzeugs 10 gesichert sein. Der Traktionsbatteriepack 18 könnte jedoch innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung an einer anderen Stelle an dem elektrifizierten Fahrzeug 10 liegen.
Der Traktionsbatteriepack 18 ist eine beispielhafte Batterie eines elektrifizierten Fahrzeugs. Der Traktionsbatteriepack 18 kann ein Hochspannungstraktionsbatteriepack sein, der ein Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 beinhaltet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batteriesystemen für Traktionsbatteriepacks sind in das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 Batteriezellen oder andere Energiespeichervorrichtungen einbezogen, ohne dass die Zellen in einzelnen Arrays oder Modulen angeordnet sind. Das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 beseitigt daher die meisten, wenn nicht sogar alle Arraystützstrukturen (z. B. Arrayrahmen, Abstandshalter, Schienen, Wände, Endplatten, Bindungen usw.), die zum Gruppieren der Batteriezellen in die Arrays/Module notwendig sind. Ferner kann das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 das gesamte elektrische Potential des Hochspannungsbusses des Traktionsbatteriepacks 18 mit einer einzigen Batterieeinheit bereitstellen, im Gegensatz zu herkömmlichen Batteriesystemen, die mehrere einzelne Batteriearrays/-module erfordern, die miteinander verbunden werden müssen, nachdem sie innerhalb des Batteriegehäuses positioniert worden sind, um das gesamte elektrische Hochspannungspotential zu erreichen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 und 3 kann der Traktionsbatteriepack 18 eine Gehäusebaugruppe 24 beinhalten, die zum Unterbringen des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 angeordnet ist. In einer Ausführungsform beinhaltet das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 eine Vielzahl von Batteriezellen 26, die innerhalb eines Innenbereichs 28 gehalten wird, der durch die Gehäusebaugruppe 24 festgelegt ist.
Die Batteriezellen 26 können verschiedenen Komponenten des elektrifizierten Fahrzeugs 10 elektrische Leistung zuführen. Die Batteriezellen 26 können relativ zueinander nebeneinander gestapelt sein, um einen Zellstapel 30 aufzubauen, und die Zellstapel 30 können nebeneinander in Reihen positioniert sein, um eine Zellmatrix 32 bereitzustellen.
In einer Ausführungsform beinhaltet jeder Zellstapel 30 acht einzelne Batteriezellen 26 und beinhaltet die Zellmatrix 32 vier Zellstapel 30 für insgesamt zweiunddreißig Batteriezellen 26. Das Bereitstellen einer geraden Menge an Batteriezellen 26 und einer geraden Menge an Zellstapeln 30 kann dabei behilflich sein, eine effiziente elektrische Busanordnung zu unterstützen. Obwohl eine spezifische Anzahl von Batteriezellen 26 und Zellstapeln 30 in den verschiedenen Figuren dieser Offenbarung veranschaulicht ist, könnte das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 des Traktionsbatteriepacks 18 eine beliebige Anzahl von Batteriezellen 26 und eine beliebige Anzahl von Zellstapeln 30 beinhalten. Mit anderen Worten ist diese Offenbarung nicht auf die in 2 und 3 gezeigte beispielhafte Konfiguration beschränkt.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Batteriezellen 26 um prismatische Lithium-Ionen-Zellen. Innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung könnten jedoch alternativ Batteriezellen genutzt werden, die andere Geometrien (zylindrisch, Pouch usw.) und/oder chemische Zusammensetzungen (Nickel-Metallhydrid, Blei-Säure usw.) aufweisen.
Die Gehäusebaugruppe 24 des Traktionsbatteriepacks 18 kann eine Gehäuseabdeckung 34 und eine Gehäuseschale 36 beinhalten. Die Gehäuseabdeckung 34 kann an der Gehäuseschale 36 gesichert sein, um den Innenbereich 28 zum Unterbringen des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 bereitzustellen.
Die Gehäuseschale 36 kann einen Boden 38 und eine Vielzahl von Seitenwänden 40 beinhalten, die relativ zueinander angeordnet sind, um eine zellkomprimierende Öffnung 42 bereitzustellen. Der Boden 38 und die Seitenwände 40 können mechanisch aneinandergekoppelt sein, wie zum Beispiel durch Schweißen.
Während des Zusammenbaus des Traktionsbatteriepacks 18 kann die Gehäuseabdeckung 34 an einer Grenzfläche 44, die den Innenbereich 28 im Wesentlichen umschreibt, an der Gehäuseschale 36 gesichert werden. Mechanische Befestigungselemente 46 können verwendet werden, um die Gehäuseabdeckung 34 an der Gehäuseschale 36 zu sichern, obwohl andere Befestigungsmethoden ebenfalls geeignet sein könnten.
Die Zellmatrix 32 des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 kann innerhalb der zellkomprimierenden Öffnung 42 positioniert sein, die durch die Gehäuseschale 36 bereitgestellt ist. Die beispielhafte Gehäuseschale 36 ist so abgebildet, dass sie eine einzige zellkomprimierende Öffnung 42 beinhaltet, es versteht sich jedoch, dass sich diese Offenbarung auf strukturelle Baugruppen erstreckt, die eine oder mehrere zellkomprimierende Öffnungen bereitstellen. Die Gehäuseabdeckung 34 kann die Zellmatrix 32 innerhalb der zellkomprimierenden Öffnung 42 abdecken, um die Batteriezellen 26 im Wesentlichen auf allen Seiten zu umgeben. Sobald sie vollständig zusammengebaut und relativ zu der Gehäuseschale 36 positioniert ist, kann die Zellmatrix 32 eine einzige Batterieeinheit festlegen, die dazu in der Lage ist, das gesamte elektrische Potential des Hochspannungsbusses des Traktionsbatteriepacks 18 bereitzustellen.
Die Gehäuseschale 36 kann die Zellmatrix 32 komprimieren und halten, wenn die Zellmatrix 32 innerhalb der zellkomprimierenden Öffnung 42 aufgenommen ist. In einer Ausführungsform wenden die Seitenwände 40 der Gehäuseschale 36 Kräfte auf die Zellmatrix 32 an, wenn die Zellmatrix 32 innerhalb der zellkomprimierenden Öffnung 42 positioniert ist.
In einer Ausführungsform kann, um die Zellmatrix 32 in die zellkomprimierende Öffnung 42 einzuführen, die Zellmatrix 32 zuerst komprimiert und dann, während sie komprimiert ist, an ihren Platz in der zellkomprimierenden Öffnung 42 bewegt werden. Eine Kompressionskraft Fc kann auf gegenüberliegende Enden eines der Zellstapel 30 angewendet werden. Die Kompressionskraft Fc drückt die Batteriezellen 26 innerhalb des Zellstapels 30 im Wesentlichen zusammen, wodurch der Zellstapel 30 und die einzelnen Batteriezellen 26 auf eine reduzierte Dicke komprimiert werden. Während die Kompressionskraft Fc auf den Zellstapel 30 angewendet wird, kann der Zellstapel 30 durch eine Abwärtskraft F_D in eine jeweilige zellkomprimierende Öffnung 42 eingeführt werden. Die Abwärtskraft F_D kann direkt auf eine oder mehrere der Batteriezellen 26 angewendet werden.
Während der Ausdruck „abwärts“ in dieser Schrift verwendet wird, um die Abwärtskraft F_D zu beschreiben, versteht es sich, dass der Ausdruck „abwärts“ in dieser Schrift verwendet wird, um sich auf alle Kräfte zu beziehen, die dazu neigen, einen Zellstapel 30 in eine zellkomprimierende Öffnung 42 zu pressen. Insbesondere bezieht sich der Ausdruck „abwärts“ auf alle Kräfte, die im Wesentlichen senkrecht zu der Kompressionskraft Fc sind, ob die Kraft wirklich in einer „Abwärtsrichtung“ verläuft oder nicht. Zum Beispiel erstreckt sich diese Offenbarung auf Zellstapel, die komprimiert und in einer seitlichen Richtung in eine zellkomprimierende Öffnung eingeführt werden.
Die Zellstapel 30 könnten einzeln komprimiert und in die zellkomprimierende Öffnung 42 eingeführt werden. In einer anderen Ausführungsform wird die ganze Zellmatrix 32 komprimiert und in die zellkomprimierende Öffnung 42 eingeführt. Wie in 3 schematisch gezeigt, können in einer derartigen Ausführungsform zusätzliche Kompressionskräfte Fx die Zellstapel 30 zusammen zum Einführen in die zellkomprimierende Öffnung 42 komprimieren. Die Kompressionskräfte Fx sind im Allgemeinen senkrecht zu den Kompressionskräften Fc. Die Kompressionskräfte Fx können zusammen mit den Kompressionskräften Fc angewendet werden. Die Kraft F_D kann dann angewendet werden, um die ganze Zellmatrix 32 in die zellkomprimierende Öffnung 42 zu bewegen.
In einer Ausführungsform ist ein ganzer Umfang der zellkomprimierenden Öffnung 42 durch die Seitenwände 40 der Gehäuseschale 36 definiert. Die Seitenwände 40 können eine Kompressionskraft auf die Batteriezellen 26 um den ganzen Umfang der Zellmatrix 32 anwenden. Die Seitenwände 40 können daher als starre Struktur vom Halo-Typ fungieren, die die Zellmatrix 32 komprimiert und festhält.
Die vorstehend beschriebene Konfiguration wird als Batteriepack vom Zelle-zu-Pack-Typ betrachtet, der sich von herkömmlichen Batteriepacktypen unterscheidet, die Gehäuse beinhalten, die Arrays von Batteriezellen halten, die durch Arraystützstrukturen umschlossen sind, die von Wänden eines Batteriegehäuses beabstandet sind, und bei denen das Batteriegehäuse keine Kompressionskräfte auf jegliche der Batteriezellen anwendet.
Das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 kann ferner einen oder mehrere Zellreihenseparatoren 48 beinhalten. In einer Ausführungsform ist ein Zellreihenseparator 48 zwischen jedem benachbarten Paar von Zellstapeln 30 der Zellmatrix 32 positioniert. In anderen Ausführungsformen sind zwei Zellreihenseparatoren 48 mit jedem Zellstapel 30 bereitgestellt. Die Gesamtanzahl von Zellreihenseparatoren 48, die innerhalb des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 bereitgestellt sind, soll diese Offenbarung jedoch nicht einschränken.
Wie nachstehend detaillierter beschrieben, können die Zellreihenseparatoren 48 dem Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 verschiedene Funktionen und Vorteile bereitstellen, die Halten der Batteriezellen 26 benachbarter Zellstapel 30 voneinander beabstandet, Verleihen von Steifigkeit über die Zellmatrix 32 hinweg, um Durchhängen und/oder Ausbeulen zu verhindern, Bereitstellen eines gemeinsamen Bezugsreferenzpunkts zum Ausfluchten der Batteriezellen 26 jedes Zellstapels 30 usw. beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Funktionalität, die durch die in dieser Schrift beschriebenen Zellreihenseparatoren 48 bereitgestellt wird, kann für Batteriesysteme vom Zelle-zu-Pack-Typ besonders vorteilhaft sein, da die Arraystützstrukturen, die traditionell innerhalb von Batteriearrays bereitgestellt sind, weitgehend aus dem Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 beseitigt worden sind.
4 veranschaulicht unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1-3 eine beispielhafte Ausgestaltung eines Zellreihenseparators 48 des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20. Der Zellreihenseparator 48 kann eine Komponente auf Polymerbasis sein. Zum Beispiel könnte der Zellreihenseparator 48 aus einem Sheet Molding Compound (z. B. glasfaserverstärktem Polyester), Polypropylen, Polyamid usw. aufgebaut sein.
Der Zellreihenseparator 48 kann eine Basis 50 und eine Vielzahl von fingerartigen Vorsprüngen 52, die von der Basis 50 nach oben vorsteht, beinhalten. Zusammen können die Basis 50 und die Vorsprünge 52 eine einheitliche, einteilige Struktur des Zellreihenseparators 48 festlegen.
Die Vorsprünge 52 können entlang einer Länge der Basis 50 voneinander beabstandet sein. Die Gesamtanzahl von Vorsprüngen 52, die innerhalb des Zellreihenseparators 48 bereitgestellt sind, soll diese Offenbarung nicht einschränken. Aufgrund ihrer beabstandeten Beziehung kann sich ein Spalt 54 zwischen jedem benachbarten Paar von Vorsprüngen 52 erstrecken.
Die Vorsprünge 52 können sich entlang von Längsachsen, die parallel zueinander sind, vertikal von der Basis 50 weg erstrecken. Jeder Vorsprung 52 kann eine freitragende Ausgestaltung beinhalten, die sich zwischen einem proximalen Endabschnitt 64 in der Nähe der Basis 50 und einem distalen Endabschnitt 66, der von der Basis 50 beabstandet ist, erstreckt. Die Vorsprünge 52 können sich bis zu einer Höhe erstrecken, die entweder größer oder kleiner als eine entsprechende Höhe der Batteriezellen 26 des Zellstapels 30 ist.
In einer Ausführungsform verjüngt sich jeder Vorsprung 52 in einer Richtung auf den distalen Endabschnitt 66 zu. Andere Konfigurationen könnten jedoch ebenfalls möglich sein.
Der Zellreihenseparator 48 kann ferner eine erste Seitenfläche 56 und eine zweite Seitenfläche 58, die der ersten Seitenfläche 56 gegenüberliegt, beinhalten. Die erste Seitenfläche 56 kann direkt an den Batteriezellen 26 eines der Zellstapel 30 gesichert sein und die zweite Seitenfläche 58 kann an einem benachbarten Zellstapel 30 der Zellmatrix 32 gesichert sein. In einer Ausführungsform ist der Zellreihenseparator 48 an einer oder mehreren sich längs erstreckenden Seiten des Zellstapels 30 gesichert. Der Zellreihenseparator 48 könnte j edoch an einer beliebigen Seite des Zellstapels 30 gesichert sein. Bemerkenswerterweise ist der Zellreihenseparator 48 nicht direkt an der Gehäuseschale 36 gesichert.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 5 kann der Zellreihenseparator 48 sowohl an einem ersten Zellstapel 30-1 als auch an einem zweiten Zellstapel 30-2 der Zellmatrix 32 gesichert sein, wie etwa mit einem oder mehreren Stücken doppelseitigem Klebeband 60. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die erste Seitenfläche 56 des Zellreihenseparators 48 durch ein oder mehrere Teile des doppelseitigen Klebebands 60 direkt an den Batteriezellen 26 des ersten Zellstapels 30-1 gesichert und ist die zweite Seitenfläche 58 des Zellreihenseparators 48 durch ein anderes Teil/andere Teile des doppelseitigen Klebebands 60 direkt an den Batteriezellen 26 des zweiten Zellstapels 30-2 gesichert. In dieser Position kann der Zellreihenseparator 48 verhindern, dass die Batteriezellen 26 des ersten Zellstapels 30-1 die Batteriezellen 26 des zweiten Zellstapels 30-2 kontaktieren.
Die Spalte 54 können offene Bereiche zwischen den Zellstapeln 30-1, 30-2 zum Aufnehmen eines Strukturklebstoffs 62 festlegen. Die Vorsprünge 52, die Basis 50 und die Batteriezellen 26 der benachbarten Zellstapel 30-1, 30-2 können einen Eingrenzungsumfang um den Strukturklebstoff 62 festlegen, um den Klebstoff auf gewünschte Stellen der Zellmatrix 32 zu begrenzen. Sobald er ausgehärtet ist, kann der Strukturklebstoff 62 der Zellmatrix 32 Steifigkeit verleihen, wodurch Durchhängen und/oder Ausbeulen verhindert wird und die Zellstapel 30-1, 30-2 strukturell aneinandergekoppelt werden. Der Strukturklebstoff 62 kann ein Epoxid oder ein beliebiger anderer geeigneter Klebstoff sein.
Jeder Zellreihenseparator 48 kann ferner eine gemeinsame Bezugsreferenzebene 68 (siehe 6) zum Ausfluchten und Gruppieren der Batteriezellen 26 jedes Zellstapels 30 bereitstellen. Die gemeinsame Bezugsreferenzebene 68 kann als Zusammenbauwerkzeug besonders nützlich sein, wenn die Batteriezellen 26 der Zellstapel 30 aufgrund von Toleranzstapelung und anderen Fertigungskomplexitäten geringfügig unterschiedliche Größen aufweisen.
7, 8, 9 und 10 veranschaulichen unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1-6 schematisch ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Traktionsbatteriepacks 18, der ein Zelle-zu-Pack-Batteriesystem 20 beinhaltet. Es versteht sich, dass das beispielhafte Verfahren weniger oder zusätzliche Schritte beinhalten könnte, als nachstehend aufgeführt sind. Zusätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren dieser Offenbarung nicht auf die genaue Reihenfolge und/oder Abfolge beschränkt, die in den in dieser Schrift detailliert beschriebenen Ausführungsformen beschrieben sind.
Unter Bezugnahme zunächst auf 7 kann eine Vielzahl von Batteriezellen 26 innerhalb eines Zellreihenschraubstocks 70 angeordnet sein. Die Batteriezellen 26 können entlang einer Längsachse A zusammen komprimiert werden, um einen Zellstapel 30 aufzubauen. In einer Ausführungsform können gegenüberliegende Kompressionsplatten 72 des Zellreihenschraubstocks 70 dazu angeordnet sein, Kompressionskräfte Fc auf die zwei am weitesten außen positionierten Batteriezellen 26 anzuwenden. Die Kompressionskräfte Fc drücken die Batteriezellen 26 im Wesentlichen zusammen, um den Zellstapel 30 zu bilden. Diese Schritte können unter Verwendung eines oder mehrerer zusätzlicher Zellreihenschraubstöcke 70 wiederholt werden, um so viele Zellstapel 30 aufzubauen, wie für eine gegebene Ausgestaltung eines Traktionsbatteriepacks gewünscht oder notwendig ist.
Als Nächstes kann, wie in 8 gezeigt, der Zellreihenseparator 48 an dem Zellstapel 30 gesichert werden, wobei der Zellstapel 30 immer noch innerhalb des Zellreihenschraubstocks 70 gehalten wird. In gewissen Ausführungsformen können Zellreihenseparatoren 48 an zwei gegenüberliegenden sich längs erstreckenden Seiten des Zellstapels 30 gesichert sein. Dieser Schritt kann für einen oder mehrere zusätzliche Zellstapel 30 wiederholt werden.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 9 können die Zellreihenschraubstöcke 70 jedes Zellstapels 30 benachbart zueinander angeordnet sein, um mehrere Reihen der Zellstapel 30 zu bilden. Die Zellstapel 30 können dann unter Verwendung von Zellmatrixzusammenfügungsplatten 74 zusammen komprimiert werden, um die Zellmatrix 32 aufzubauen. Die Zellmatrixzusammenfügungsplatten 74 können dazu konfiguriert sein, zusätzliche Kompressionskräfte Fx anzuwenden, um die Zellstapel 30 in einer Richtung, die im Allgemeinen senkrecht zu den Längsachsen der Zellstapel 30 ist, zusammen zu komprimieren.
Als Nächstes kann, wie in 10 gezeigt, die Zellmatrix 32 über eine Kraft F_D in die zellkomprimierende Öffnung 42 der Gehäuseschale 36 bewegt werden, während sowohl die Kompressionskräfte Fc als auch die Kompressionskräfte Fx aufrechterhalten werden. Die Zellreihenschraubstöcke 70 und die Zellmatrixzusammenfügungsplatten 74 werden während dieses Schrittes entfernt, weshalb die zellkomprimierende Öffnung 42 die Kompressionskraft um den ganzen Umfang der Zellmatrix 32 anwenden kann. Der Strukturklebstoff 62 kann zwischen den Vorsprüngen 52 jedes Zellreihenseparators 48 entweder vor oder nach dem Einführen der Zellmatrix 32 in die zellkomprimierende Öffnung 42 aufgetragen werden.
11 veranschaulicht einen anderen beispielhaften Zellreihenseparator 148. Der Zellreihenseparator 148 ist dem vorstehend erörterten Zellreihenseparator 48 ähnlich. In dieser Ausführungsform können jedoch ein oder mehrere Vorsprünge 152 des Zellreihenseparators 148 eine Strebe 80 beinhalten. Die Strebe 80 kann an dem distalen Endabschnitt 166 des Vorsprungs 152 angeordnet sein.
Unter Bezugnahme auf 12 können sich die Streben 80 zu einer Stelle über oberen Flächen 82 von Batteriezellen 26 der Zellstapel 30 erstrecken. Die Strebe 80 kann eine Grenzfläche mit einer Gehäuseabdeckung 34 des Traktionsbatteriepacks 18 bilden, um die Gehäuseabdeckung 34 über den Batteriezellen 26 zu stützen (siehe z. B. 12). Die Streben 80 könnten alternativ oder zusätzlich zu verschiedenen anderen Zwecken verwendet werden, wie etwa zum Anbringen und/oder Positionieren zusätzlicher Komponenten (z. B. Sammelschienenmodule, Drähte usw.) des Zelle-zu-Pack-Batteriesystems 20 über den Batteriezellen 26, Aufheben, Bewegen und Platzieren der Zellmatrix 32 während des Zusammenbaus usw.
Die beispielhaften Zellreihenseparatoren dieser Offenbarung stellen Zellstapelseparierung innerhalb von Zelle-zu-Pack-Batteriesystemen bereit. Die beispielhaften Separatoren können ferner Lösungen für den Zusammenbau mit verschiedenen Komplexitäten bereitstellen, die infolgedessen entstehen können, dass ein Großteil der Arraystützstrukturen, die mit herkömmlichen Traktionsbatteriepacks assoziiert sind, beseitigt wird.
Obwohl die unterschiedlichen nicht einschränkenden Ausführungsformen als spezifische Komponenten oder Schritte aufweisend veranschaulicht sind, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese konkreten Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale aus einer beliebigen der nicht einschränkenden Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten aus einer beliebigen der anderen nicht einschränkenden Ausführungsformen zu verwenden.
Es versteht sich, dass gleiche Bezugszeichen einander entsprechende oder ähnliche Elemente in den mehreren Ansichten identifizieren. Es versteht sich, dass in diesen beispielhaften Ausführungsformen zwar eine konkrete Komponentenanordnung offenbart und veranschaulicht ist, andere Anordnungen aber ebenfalls von den Lehren dieser Offenbarung profitieren könnten.
Die vorangehende Beschreibung soll als veranschaulichend und nicht in einschränkendem Sinne ausgelegt werden. Der Durchschnittsfachmann versteht, dass gewisse Modifikationen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung fallen könnten. Aus diesen Gründen sollten die folgenden Patentansprüche genau gelesen werden, um den wahren Umfang und Inhalt dieser Offenbarung zu bestimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63322766 [0001]

Claims

Traktionsbatteriepack, umfassend: eine Gehäusebaugruppe; und ein Zelle-zu-Pack-Batteriesystem, das innerhalb der Gehäusebaugruppe untergebracht ist, wobei das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem einen ersten Zellstapel, einen zweiten Zellstapel und einen Zellreihenseparator, der dazu angeordnet ist, den ersten Zellstapel und den zweiten Zellstapel strukturell aneinanderzukoppeln, beinhaltet.
Traktionsbatteriepack nach Anspruch 1, wobei die Gehäusebaugruppe eine Gehäuseabdeckung und eine Gehäuseschale beinhaltet und wobei optional die Gehäuseschale eine zellkomprimierende Öffnung zum Komprimieren des ersten Zellstapels und des zweiten Zellstapels bereitstellt.
Traktionsbatteriepack nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zellreihenseparator durch ein erstes doppelseitiges Klebeband an dem ersten Zellstapel gesichert ist und durch ein zweites doppelseitiges Klebeband an dem zweiten Zellstapel gesichert ist, und optional umfassend einen Strukturklebstoff, der zwischen einem ersten Vorsprung und einem zweiten Vorsprung des Zellreihenseparators aufgenommen ist.
Traktionsbatteriepack nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Zellreihenseparator eine Komponente auf Polymerbasis ist.
Traktionsbatteriepack nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Zellreihenseparator eine Basis und eine Vielzahl von Vorsprüngen, die von der Basis nach oben vorsteht, beinhaltet.
Traktionsbatteriepack nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl von Vorsprüngen entlang einer Länge der Basis voneinander beabstandet ist und sich ein Spalt zwischen benachbarten Vorsprüngen der Vielzahl von Vorsprüngen erstreckt, und optional umfassend einen Strukturklebstoff, der innerhalb des Spalts aufgenommen ist.
Traktionsbatteriepack nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Zelle-zu-Pack-Batteriesystem ein gesamtes elektrisches Potential eines Hochspannungsbusses des Traktionsbatteriepacks festlegt.
Traktionsbatteriepack nach Anspruch 1, wobei: der Zellreihenseparator an dem ersten Zellstapel angebracht ist und eine Basis, einen ersten Vorsprung, der sich von der Basis erstreckt, und einen zweiten Vorsprung, der sich von der Basis erstreckt, beinhaltet; und ein Strukturklebstoff innerhalb eines Spalts aufgenommen ist, der sich zwischen dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung erstreckt.
Traktionsbatteriepack nach Anspruch 8, wobei der Zellreihenseparator eine Komponente auf Polymerbasis ist.
Traktionsbatteriepack nach Anspruch 8 oder 9, wobei der erste und der zweite Vorsprung fingerartige Vorsprünge sind.
Traktionsbatteriepack nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei sich der erste und der zweite Vorsprung auf einen distalen Endabschnitt zu verjüngen.
Traktionsbatteriepack nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Zellreihenseparator an dem zweiten Zellstapel angebracht ist und wobei optional der Zellreihenseparator und der Strukturklebstoff zusammenwirken, um den ersten Zellstapel und den zweiten Zellstapel strukturell aneinanderzukoppeln.
Traktionsbatteriepack nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Zellreihenseparator durch ein doppelseitiges Klebeband an dem ersten Zellstapel gesichert ist.
Traktionsbatteriepack nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der erste Zellstapel eine Vielzahl von Batteriezellen beinhaltet und wobei der Zellreihenseparator eine gemeinsame Bezugsreferenzebene zum Ausfluchten der Vielzahl von Batteriezellen bereitstellt.
Verfahren, umfassend: Zusammenbauen eines ersten Zellstapels; Anbringen eines Zellreihenseparators an dem ersten Zellstapel; Anordnen eines zweiten Zellstapels benachbart zu dem ersten Zellstapel; Komprimieren des ersten Zellstapels und des zweiten Zellstapels zusammen, um eine Zellmatrix zu bilden; und während die Kompression an der Zellmatrix aufrechterhalten wird, Bewegen der Zellmatrix in eine zellkomprimierende Öffnung einer Gehäuseschale eines Traktionsbatteriepacks.