EP4000120A1 - Batterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares kraftfahrzeugs mit zumindest einer flexiblen spanneinrichtung, welche sich an einem kraftfahrzeugbauteil abstützt, sowie kraftfahrzeug - Google Patents

Batterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares kraftfahrzeugs mit zumindest einer flexiblen spanneinrichtung, welche sich an einem kraftfahrzeugbauteil abstützt, sowie kraftfahrzeug

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EP4000120A1
EP4000120A1 EP20739319.0A EP20739319A EP4000120A1 EP 4000120 A1 EP4000120 A1 EP 4000120A1 EP 20739319 A EP20739319 A EP 20739319A EP 4000120 A1 EP4000120 A1 EP 4000120A1
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EP
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battery
motor vehicle
solid
state
clamping device
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Application number
EP20739319.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Kaufmann
Thomas Soczka-Guth
Ulrich Beck
Anselm Mülberger
Jens Meintschel
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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Filing date
Publication date
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery, in particular a solid-state battery for an at least partially electrically operated motor vehicle, with a plurality of battery cells, each of the battery cells having a first volume in a discharged state of the battery cell and a second volume different from the first volume in a charged state of the battery cell and having at least one first flexible tensioning device for exerting a predetermined force in the discharged state and in the charged state on the plurality of battery cells.
  • the invention also relates to a motor vehicle with a battery, in particular a solid-state battery.
  • solid-state batteries which can also be referred to as solid-state batteries and have, for example, a lithium metal anode and a silicon anode, have a large change in volume over the corresponding state of charge (SOC), exhibit.
  • SOC state of charge
  • these solid-state batteries can increase the cell thickness over the
  • SOH State of Health
  • Solid-state battery it is provided that an at least substantially constant pressure must be applied to the battery cell surface.
  • the storage module comprises a multiplicity of plate-shaped electrical storage cells which are arranged upright next to one another in a longitudinal direction of the storage module.
  • the memory module comprises a housing which encloses the plurality of plate-shaped memory cells in the longitudinal direction on at least two mutually opposite sides and which is designed in such a way that it
  • the housing includes at least partially a vehicle underbody of the vehicle in which the storage module is to be installed.
  • the storage module comprises two pressure plates, which are arranged at longitudinally opposite ends of the storage module and which are designed to interact with the housing with the plurality of
  • the pressure exerted on the one or more battery cells is dynamically controlled based at least in part on one or more of the monitored operating parameters.
  • the object of the present invention is to provide a battery, in particular a
  • One aspect of the invention relates to a battery, in particular a solid-state battery for an at least partially electrically operated motor vehicle, with a plurality of
  • Battery cell has a first volume and, in a charged state of the battery cell, a second volume different from the first volume, and with at least one first flexible tensioning device for exerting a predetermined force in the discharged state and in the charged state on the plurality of battery cells. It is provided that the at least first flexible tensioning device is designed in such a way that the at least first flexible tensioning device is supported on at least one motor vehicle component of the motor vehicle in order to exert the predetermined force on the plurality of battery cells.
  • the flexible tensioning device is supported on the at least one motor vehicle component.
  • a motor vehicle component can be
  • Motor vehicle floor or a floor panel of the motor vehicle are used.
  • the predefined force is to be understood in particular as an essentially constant force.
  • the flexible tensioning device exerts a constant force on the battery cells.
  • volume change during the charge state of the battery cells the constant force is still maintained.
  • the battery cell in the charged state of the battery cell the battery cell has a larger volume than in the discharged state.
  • the predetermined force is set in such a way that a constant pressure of 0.1 to 0.5 millipascals is exerted on a cell surface of the battery cells.
  • a required range can be set as the driving cycle.
  • the modularization can be implemented between different vehicle classes.
  • Battery cells or battery modules which in turn can consist of a large number of different battery cells, are lined up in a row in particular standing in the longitudinal direction of the motor vehicle. For this purpose, only as many battery cells can be installed as the user wishes.
  • the number of Battery cells can be expanded at any time if, for example, the maximum capacity has not yet been reached.
  • the flexible clamping device can be used at certain intervals. This can be removed again with little effort
  • a substantially constant pressure or a constant force can thus be exerted continuously on the cell or on the battery module by the clamping device.
  • the battery is integrated in the motor vehicle and, for example, standing on the main floor of the vehicle or hanging under the main floor of the vehicle, so that the battery itself does not have an extra floor, but rather as the floor
  • the battery cells are lined up standing next to one another, in particular in the longitudinal direction of the vehicle to the motor vehicle.
  • the battery cells or the battery modules of at least two battery cells are lined up.
  • Battery modules are located between the motor vehicle longitudinal limit and the
  • Battery housing is steplessly anchored or can hold its position in some other way.
  • the flexible tensioning device is designed in such a way that it can be shifted in the longitudinal direction of the vehicle for the purpose of changing the battery capacity.
  • This flexible tensioning device is designed in such a way that it can also be removed and installed again, for example, at another point within the battery. This enables the battery capacity to be increased or damaged battery cells to be replaced.
  • the battery has a first
  • Battery module with a first number of battery cells and a separate second battery module with a second number of battery cells, the first
  • the battery module has a first flexible tensioning device and the second battery module has a second flexible tensioning device and wherein the first flexible
  • the battery has at least two battery modules, which in turn are formed from a plurality of battery cells. This enables the battery capacity to be increased within the battery.
  • each of the battery modules has a separate flexible clamping device, the predetermined force can be exerted on the respective battery module.
  • this change in volume can be reliably compensated for by the change in volume from the charged state of the respective battery module to the discharged state of the respective battery module.
  • the first flexible tensioning device and the second flexible tensioning device are supported on the same motor vehicle component.
  • this can be a cross brace within the motor vehicle, in particular a
  • the battery when the battery is installed in the motor vehicle, at least two housing walls of the battery are designed as motor vehicle components.
  • the battery can be installed in the motor vehicle in such a way that the battery does not have a solid battery housing.
  • the housing is provided in particular by different motor vehicle components.
  • the components of the battery are each supported on the motor vehicle components.
  • the solid-state battery can be provided with a reduced weight.
  • the at least first flexible tensioning device is designed in such a way that the predetermined force can be regulated.
  • the predetermined force can be adjusted.
  • this has the advantage that, for example, a different predetermined force must be exerted on the battery cells over the life of the battery.
  • the ability to regulate the specified force means that the battery can operate better, even over its lifetime.
  • the battery has an electronic computing device, which is designed to be dependent on a
  • Computing device has in particular corresponding circuits and lines in order to be able to generate control signals.
  • Computing device thus regulate the specified force automatically and based on the current state of charge. This enables improved operation of the battery.
  • the battery has, for example, corresponding voltage sensors, by means of which the state of charge of the plurality of battery cells or a respective one
  • Battery cell can be determined, whereby depending on the detected
  • a pressure sensor installed inside the battery, which measures the internal pressure within the battery and records it accordingly
  • Pressure value makes the setting or regulation of the at least one flexible clamping device.
  • the required pressure to be applied in particular the specified force value, is determined by appropriate sensors or derivations of the charge state of the battery cells and is permanently set so that the battery cells experience a constant pressure over their respective area and the change in volume can take place , or that a constant pressure acts on the cell even when the volume changes.
  • the pressure or the tension is set in such a way that on one side of the row of cells it is supported by a respective housing wall or the vehicle structure located behind it. This enables improved operation of the battery within the motor vehicle.
  • the battery in particular the solid-state battery, has at least one busbar on which the plurality of battery cells are movably arranged.
  • the battery cells are designed either as hard case cells or as
  • Pouch cells are executed.
  • the voltage is tapped via the corresponding
  • Terminals that slide over the power supply rail, in other words the power rail, and thus also move with the cell displacement due to the volume change can.
  • the busbar is pressed against the cell arrester, for example by springs, in order to be able to ensure contact.
  • the cell arrester and busbar can be arranged either laterally or on an upper or lower side of the battery cells. This enables improved operation of the battery.
  • the at least first flexible clamping device is designed as a hydraulic clamping device.
  • the pressure is applied here by a liquid.
  • the expansion of the battery cells, in particular in the longitudinal direction can then be compensated for by the liquid.
  • the change in volume and the specified force can be implemented for this purpose using a cushion or a cylinder as a hydraulic element.
  • Clamping device is designed as a pneumatic clamping device.
  • pneumatics the corresponding predetermined force or pressure is applied by a gas and, for example, in the flexible tensioning device by a cushion or by a cylinder, the change in the expansion in the longitudinal direction of the vehicle is compensated for.
  • This is in particular a preferred variant of the flexible clamping device.
  • the at least first flexible tensioning device is designed as a spring-based tensioning device.
  • the predetermined force is exerted on the battery cells by means of a spring force.
  • a respective spring element of the flexible is then supported
  • Clamping device on the at least one motor vehicle component in order to be able to exert the predetermined force on the battery cells. This enables improved operation of the battery with little effort.
  • the specified force can be implemented, for example, by means of tension mats which are arranged between the battery cells and the flexible tensioning device.
  • tension mats which are arranged between the battery cells and the flexible tensioning device.
  • Rubber components in particular via super-elastic rubbers, the pressure can be applied, the elastic rubber components in particular being correspondingly deformable.
  • the predetermined force can be exerted on the battery cells within the flexible clamping device.
  • the at least first flexible tensioning device is designed as an electrical tensioning device.
  • an electrical displacement can thereby be driven by, for example, a control motor, whereby the flexible tensioning device is in turn displaced as a whole, and in particular the control motor is then on the
  • the constant force can be built up inside by a cylinder or by moving a wall of the flexible tensioning device.
  • the electrical tensioning device is
  • the at least first flexible clamping device is designed as a plastic or rubber-based clamping device. This can be done, for example, via elastic plastic components or rubber components,
  • the elastic rubber components in particular being correspondingly deformable.
  • the battery should have at least two flexible tensioning devices, in particular a plurality of flexible tensioning devices, that the flexible tensioning devices are preferably designed the same, but it is also possible that the respective tensioning devices are designed differently from one another.
  • the first flexible clamping device can be designed as an electrical clamping device, with a second flexible
  • Clamping device can be designed as a pneumatic clamping device. This list is purely by way of example and is by no means to be considered exhaustive and is only used to illustrate this embodiment.
  • Yet another aspect of the invention relates to a motor vehicle with a battery according to the preceding aspect and with at least one motor vehicle component, wherein at least a first flexible clamping device of the battery on the
  • the motor vehicle is in particular as
  • Fig. 1 is a schematic plan view of an embodiment of a
  • FIG. 3 shows a schematic side view of an embodiment of a battery
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a further embodiment of FIG.
  • Fig. 1 shows in a schematic plan view an embodiment of a
  • the battery 12 which can in particular be a solid-state battery, is designed in particular for the at least partially electrically operated motor vehicle 10.
  • the battery 12 has a plurality of battery cells 14.
  • Each of the battery cells 14 has a first volume in a discharged state of the battery cell 14 and in a charged state Battery cell 14 has a second volume different from the first volume. This change in volume is shown in particular by arrows 16 and 18 in FIG.
  • the first arrow 16 in particular shows an increase in volume and the second arrow 18 shows a volume reduction.
  • a respective battery cell 14 is larger in the charged state, that is to say has a larger volume, than in the discharged state.
  • the battery 12 also has a flexible tensioning device 20 for exerting a predetermined force K in the discharged state and in the charged state on the
  • the at least first flexible tensioning device 20 is designed such that the at least first flexible tensioning device 20 is supported on at least one motor vehicle component 22 of the motor vehicle 10 in order to exert the predetermined force K on the plurality of battery cells 14.
  • the motor vehicle component 22 is a structuring element.
  • the structuring element can be, for example, a cross strut or axle of motor vehicle 10.
  • FIG. 1 shows that in the installed state of the battery 12 in the motor vehicle 10, at least two
  • Housing walls of the battery 12 are designed as motor vehicle components 22, 24.
  • the battery 12 or the battery cells 14, for example are supported as the housing wall on the second motor vehicle component 24, which in the present case can also be designed as an axle, for example as the rear axle of the motor vehicle 10.
  • sill 26 of the battery 12 is designed as the housing wall on the second motor vehicle component 24, which in the present case can also be designed as an axle, for example as the rear axle of the motor vehicle 10.
  • Motor vehicle 10 a corresponding housing wall for the battery 12 can be formed.
  • the arrow X shows in particular the
  • Motor vehicle longitudinal direction of motor vehicle 10 and in particular the
  • the arrow Y shows in particular one
  • Fig. 2 shows a schematic plan view of a further embodiment of the
  • the battery 12 has a first battery module 28 with a first number of battery cells 14 and a separate second battery module 30 with a second number of battery cells 14.
  • the first battery module 28 is formed by three battery sub-modules 32, each of the battery sub-modules 32 having the battery cells 14.
  • the second battery module 30 is only formed by the battery cells 14. In particular, this shows that the battery 12 has a modular structure and in particular to one
  • FIG. 2 shows that the first battery module 28 is the first flexible
  • Has clamping device 20 and the second battery module 30 has a second flexible clamping device 34 in the present exemplary embodiment. It is provided that the first flexible clamping device 20 and the second flexible clamping device 34 are supported on the motor vehicle component 22 in the installed state in the motor vehicle 10.
  • FIG. 2 shows that the battery 12 has at least one busbar 36 on which the plurality of battery cells 14, in the present case
  • the battery submodules 32 are movably arranged.
  • the battery 12 in a schematic side view.
  • the at least first flexible tensioning device 20 is designed in such a way that the predetermined force K can be regulated.
  • the battery 12 has an electronic computing device 38 which is designed to regulate the specified force K as a function of a decision criterion.
  • Computing device 38 can, in turn, calculate the predetermined force K as a function of a detected current state of charge of the plurality of battery cells 14 and / or in
  • a corresponding detection device 40 for detecting the pressure or the state of charge is arranged within the battery 12.
  • FIG. 3 shows that the at least first flexible tensioning device is designed as an electrical tensioning device. This points in the present
  • the electrical clamping device has an electrical motor 42, via which a spindle 44 can be driven.
  • a thread 46 is arranged on the motor vehicle component 22, so that by turning the spindle 44, the force K can be exerted on a pressure plate 48, which in turn constantly distributes the force K to the battery cells 14.
  • the flexible clamping device 20 As an alternative to the electrical clamping device, the flexible clamping device 20,
  • 34 can also be provided as a spring-based tensioning device or as a plastic or rubber-based tensioning device.
  • the tensioning devices 20, 34 make it possible for the thickness of the battery cells 14 to change due to charging or discharging or aging.
  • the at least first flexible tensioning device 20 has an actively controlled constant force system with a preferably horizontal force-displacement characteristic to compensate for the change in thickness.
  • the force K is performed electro-mechanically in the present embodiment.
  • the kinetic energy is preferably generated by the electric motor 42 and for example via the gear train or via the spindle 44 directly via ramp or lever systems with a
  • the variants with spindle 44 are self-locking.
  • a de-energized, active locking or brake is provided.
  • an elastic element such as a thin tensioning mat between the battery modules 28, 30 and the pressure plate 48.
  • the horizontal force-displacement curve of the flexible tensioning device 20, 34 only ever applies the necessary minimum pre-tensioning force, so that the battery cell 14 or the battery modules 28, 30 or the battery submodules 32 can be made lighter and more cost-effective and space-saving. Since the electrode stack is always pressed with the predetermined force K, there is no negative influence on cell performance and service life. The active control of the predetermined force K still allows this to be dependent on
  • the force K could be reduced to 0.
  • the flexible clamping device 20, 34 can be inserted once into the
  • Battery cell 14 or installed in the battery module 28, 30 or several times. If in the battery module 28, 30 after each battery cell 14 a corresponding flexible
  • Clamping device 20 can be provided, for example, by means of the electric motor 42, a spindle 44 and a ramp system. Alternatively, it can also be provided that the electrically operated flexible tensioning device 20 is implemented by means of an electric motor 42, the spindle 44 and a lever system.
  • FIG. 4 shows a schematic perspective view of another embodiment of the battery 12.
  • FIG. 4 shows, for example, the embodiment of the second battery module 30 according to FIG. 2.
  • the second flexible clamping device 34 is designed as a pneumatic clamping device.
  • the flexible clamping devices 20, 34 can also be hydraulic
  • the second flexible tensioning device 34 is shown.
  • the same exemplary embodiment applies to the first flexible tensioning device 20.
  • the embodiment of the flexible tensioning device 20, 34 as a pneumatic flexible tensioning device is a preferred exemplary embodiment.
  • the second battery module 30 has a plurality of battery cells 14, which can be formed, for example, by means of solid-state chemistry.
  • the pneumatic actuator is based on the bellows principle with the present
  • Embodiment running three connected, series-connected air chambers are, for example, made of plastic or rubber, glued or vulcanized on the end face to metallic carrier plates. Due to the flat design of the front sides of the pneumatic actuator, no force-distributing pressure plate has to be arranged between the actuator and the electrode stack. Pneumatic plates and electrode stacks are inserted into a metal housing 50 which is closed on all sides, the front wall of which is thickened in the direction of the prestressing force, in particular with the predetermined force K, and is supported, for example, directly on the motor vehicle component 20.
  • the compressed air supply 52 to the bellows is provided by an electrically driven compressor and control valves.
  • a storage tank can be arranged in the pneumatic system in order to maintain the required pressure over a longer period of time without operating the compressor.
  • the additional effort required for correspondingly designed battery cells 14 or battery modules 28, 30 is significantly reduced if the motor vehicle 10 is already equipped with an air suspension system which has its own compressor.
  • the at least first flexible tensioning device (20) is designed in such a way that the at least first flexible tensioning device (20) on at least one inside of the battery housing or on the inside of the battery housing to exert the predetermined force (K) on the plurality of battery cells (14) is supported on a cell housing.
  • the tensioning device according to the invention can be installed not only in a battery or a cell block, but also within an individual battery cell.
  • the pressure is exerted on cells with elastic housings in the cell block or directly on the electrodes in the cell.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (12) für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug (10), mit einer Vielzahl von Batteriezellen (14), wobei jede der Batteriezellen (14) in einem entladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung (20) zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft (K) im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen (14), wobei die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft (K) auf die Vielzahl von Batteriezellen (14) die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) zumindest an einem Kraftfahrzeugbauteil (22, 24, 26) des Kraftfahrzeugs (10) abgestützt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug (10) mit einer Batterie (12).

Description

Batterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeugs mit zumindest einer flexiblen Spanneinrichtung, welche sich an einem Kraftfahrzeugbauteil abstützt, sowie Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Feststoffbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl von Batteriezellen, wobei jede der Batteriezellen in einem entladenen Zustand der Batteriezelle ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie, insbesondere einer Feststoffbatterie.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Feststoffbatterien, welche auch als Festkörperbatterien bezeichnet werden können und beispielsweise eine Lithium-Metall- Anode und eine Silizium-Anode aufweisen, eine große Volumenänderung über den entsprechenden Ladezustand, dem sogenannten State of Charge (SOC), aufweisen.
Des Weiteren können diese Feststoffbatterien ein Zelldickenwachstum über die
Lebenszeit, dem sogenannten State of Health (SOH), aufweisen. Während des Betriebs der Feststoffbatterie, insbesondere beim Laden beziehungsweise Entladen der
Feststoffbatterie, ist vorgesehen, dass auf die Batteriezellenfläche ein zumindest im Wesentlichen konstanter Druck aufgebracht werden muss. Durch die
Zellvolumenänderung verschieben sich die Spannungsabgriffe der Batteriezellen relativ zum Batteriegehäuse.
Die DE 10 2009 035 482 A1 offenbart eine Batterie mit einer Vielzahl von
Batterieeinzelzellen. Diese sind in Flachbauweise ausgebildet und zwischen wenigstens zwei Endplatten zu einem Zellstapel verspannt. Es sind Mittel vorgesehen, um den Zellstapel in Stapelrichtung einer Druckbelastung auszusetzen. Ferner offenbart die DE 10 2015 216 221 A1 ein Speichermodul für ein Fahrzeug. Das Speichermodul umfasst eine Vielzahl von plattenförmigen elektrischen Speicherzellen, die in einer Längsrichtung des Speichermoduls hochkant nebeneinander angeordnet sind. Des Weiteren umfasst das Speichermodul ein Gehäuse, das die Vielzahl von plattenförmigen Speicherzellen in Längsrichtung an zumindest zwei, einander gegenüberliegenden, Seiten umschließt, und das derart ausgebildet ist, dass es
Zugkräfte in Längsrichtung aufnehmen kann und dass es das Speichermodul gegen Durchbiegen quer zu der Längsrichtung versteift. Das Gehäuse umfasst dabei zumindest teilweise einen Fahrzeugunterboden des Fahrzeugs, in das das Speichermodul eingebaut werden soll. Außerdem umfasst das Speichermodul zwei Druckplatten, die an, in Längsrichtung entgegengesetzten, Enden des Speichermoduls angeordnet sind und die eingerichtet sind, im Zusammenwirken mit dem Gehäuse die Vielzahl von
plattenförmigen elektrischen Speicherzellen zusammenzudrücken.
Ferner ist aus der WO 2013/188094 A1 der Betrieb einer Batterieanordnung bekannt, die eine oder mehrere wiederaufladbare Batteriezellen beinhaltet. Es findet eine
Überwachung eines oder mehrerer Betriebsparameter der Batteriezellen statt. Es erfolgt das dynamische Steuern des auf die eine oder mehreren Batteriezellen ausgeübten Drucks basierend zumindest teilweise auf einem oder mehreren der überwachten Betriebsparameter.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie, insbesondere eine
Feststoffbatterie sowie ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mittels welchen ein verbesserter Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Batterie sowie durch ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft Batterie, insbesondere eine Feststoffbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl von
Batteriezellen, wobei jede der Batteriezellen in einem entladenen Zustand der
Batteriezelle ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen. Es ist vorgesehen, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft auf die Vielzahl von Batteriezellen die zumindest erste flexible Spanneinrichtung zumindest an einem Kraftfahrzeugbauteil des Kraftfahrzeugs abgestützt ist.
Insbesondere ist somit vorgesehen, dass im verbauten Zustand der Batterie sich die flexible Spanneinrichtung an dem zumindest einen Kraftfahrzeugbauteil abstützt.
Dadurch ist es ermöglicht, dass die Batterie bauteilreduziert bereitgestellt werden kann, da zum Abstützen der Spanneinrichtung ein bereits im Kraftfahrzeug verbautes Bauteil genutzt werden kann. Beispielsweise kann als Kraftfahrzeugbauteil ein
Kraftfahrzeugboden beziehungsweise eine Bodenplatte des Kraftfahrzeugs genutzt werden.
Unter der vorgegebenen Kraft ist insbesondere eine im Wesentlichen konstante Kraft zu verstehen. Mit anderen Worten wird mittels der flexiblen Spanneinrichtung eine konstante Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt. Insbesondere durch die
Volumenänderung während des Ladezustands der Batteriezellen bleibt die konstante Kraft dennoch aufrecht erhalten. Insbesondere ist vorgesehen, dass im geladenen Zustand der Batteriezelle die Batteriezelle ein größeres Volumen aufweist als im entladenen Zustand.
Insbesondere kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die vorgegebene Kraft derart eingestellt wird, dass ein konstanter Druck von 0,1 bis 0,5 Millipascal auf eine Zellfläche der Batteriezellen ausgeübt ist.
Insbesondere ist es dadurch erfindungsgemäß ermöglicht, dass die Batterie
modularisierbar sein kann, um einem Nutzer des Kraftfahrzeugs es zu ermöglichen, die Feststoffbatterie auf seinen Fahrzyklus einzustellen. Insbesondere kann als Fahrzyklus eine benötigte Reichweite eingestellt werden. Des Weiteren kann die Modularisierbarkeit zwischen verschiedenen Fahrzeugklassen realisiert werden.
Insbesondere handelt es sich somit erfindungsgemäß um eine stufenlos
modularisierbare Batterie für zumindest teilweise elektrische Kraftfahrzeuge. Die
Batteriezellen, beziehungsweise Batteriemodule, welche wiederum aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Batteriezellen bestehen können, werden insbesondere stehend in Kraftfahrzeuglängsrichtung aneinander gereiht. Es können hierzu lediglich so viele Batteriezellen verbaut werden, wie vom Nutzer gewünscht sind. Die Anzahl der Batteriezellen kann jederzeit erweitert werden, sofern beispielsweise die maximale Kapazität noch nicht erreicht ist. Am Ende der Batteriezellenreihe beziehungsweise der Batteriemodulreihe kann in gewissen Abständen die flexible Spanneinrichtung eingesetzt werden. Diese kann ohne großen Aufwand wieder entnommen werden, um
beispielsweise neue Batteriezellen oder neue Batteriemodule einzusetzen und so die Batteriekapazität der Batterie erweitern zu können oder beispielsweise beschädigte Elemente auszutauschen. Durch die Spanneinrichtung kann somit durchgehend ein im Wesentlichen konstanter Druck beziehungsweise eine konstante Kraft auf die Zelle oder auf das Batteriemodul ausgeübt werden.
Insbesondere ist die Batterie derart im Kraftfahrzeug integriert und beispielsweise auf dem Fahrzeughauptboden stehend oder unter dem Fahrzeughauptboden hängend, sodass die Batterie an sich keinen extra Boden aufweist, sondern als Boden der
Kraftfahrzeugboden bereitgestellt ist. Insbesondere ist die komplette strukturelle
Einbindung, insbesondere die Steifigkeit der Feststoffbatterie, durch das Kraftfahrzeug bereitgestellt.
Die Batteriezellen werden insbesondere in der Fahrzeuglängsrichtung zum Kraftfahrzeug stehend nebeneinander aufgereiht. Aufgereiht werden die Batteriezellen oder die Batteriemodule von mindestens zwei Batteriezellen. Die Batteriezellen oder
Batteriemodule stehen zwischen der Kraftfahrzeuglängsbegrenzung und der
Kraftfahrzeugquerbegrenzung der Batterie der Spanneinrichtung, die in dem
Batteriegehäuse stufenlos verankerbar ist oder auf andere Weise seine Position halten kann. Beispielsweise kann eine Verankerung durch Schraub- beziehungsweise
Steckverbindung realisiert werden. Die flexible Spanneinrichtung ist derart ausgebildet, dass zum Zwecke der Batteriekapazitätsänderung in Fahrzeuglängsrichtung diese verschoben werden kann. Diese flexible Spanneinrichtung ist derart ausgebildet, dass diese auch ausgebaut werden kann und beispielsweise an anderer Stelle innerhalb der Batterie wieder eingebaut werden kann. Dadurch ist eine Erhöhung der Batteriekapazität oder ein Austausch von beschädigten Batteriezellen ermöglicht.
Dadurch ist es insgesamt ermöglicht, dass die Feststoffbatterie in einer Vielzahl von unterschiedlichen Kraftfahrzeugen eingebaut werden kann. Es kann eine
Kosteneinsparung realisiert werden und ein Nutzer des Kraftfahrzeugs kann stufenlos die Kapazität der Batterie wählen. Insbesondere ermöglicht dies eine Einsparung an Gewicht im Kraftfahrzeug. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Batterie ein erstes
Batteriemodul mit einer ersten Anzahl von Batteriezellen und ein separates zweites Batteriemodul mit einer zweiten Anzahl von Batteriezellen auf, wobei das erste
Batteriemodul eine erste flexible Spanneinrichtung und das zweite Batteriemodul eine zweite flexible Spanneinrichtung aufweisen und wobei sich die erste flexible
Spanneinrichtung und die zweite flexible Spanneinrichtung im verbauten Zustand im Kraftfahrzeug an dem Kraftfahrzeugbauteil abstützen. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Batterie zumindest zwei Batteriemodule aufweist, welche wiederum aus einer Vielzahl von Batteriezellen ausgebildet sind. Dadurch ist es ermöglicht, dass innerhalb der Batterie die Batteriekapazität erhöht werden kann.
Dadurch, dass jedes der Batteriemodule eine separate flexible Spanneinrichtung aufweist, kann jeweilig die vorgegebene Kraft auf das jeweilige Batteriemodul ausgeübt werden. Insbesondere durch die Volumenänderung vom geladenen Zustand des jeweiligen Batteriemoduls zum entladenen Zustand des jeweiligen Batteriemoduls kann diese Volumenänderung zuverlässig ausgeglichen werden. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass sich die erste flexible Spanneinrichtung sowie die zweite flexible Spanneinrichtung an dem gleichen Kraftfahrzeugbauteil abstützen. Beispielsweise kann dies eine Querverstrebung innerhalb des Kraftfahrzeugs, insbesondere eine
Querverstrebung am Kraftfahrzeugboden, sein. Dadurch ist es ermöglicht, dass bauteilreduziert die konstante Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt wird.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn im verbauten Zustand der Batterie im Kraftfahrzeug zumindest zwei Gehäusewände der Batterie als Kraftfahrzeugbauteile ausgebildet sind. Mit anderen Worten kann die Batterie derart im Kraftfahrzeug verbaut sein, dass die Batterie feststoffbatteriegehäuselos ist. Das Gehäuse wird insbesondere durch unterschiedliche Kraftfahrzeugbauteile gestellt. Mit anderen Worten stützen sich die Bauteile der Batterie jeweilig an den Kraftfahrzeugbauteilen ab. Dadurch kann gewichtsreduziert die Feststoffbatterie bereitgestellt werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn die zumindest erste flexible Spanneinrichtung derart ausgebildet ist, dass die vorgegebene Kraft regelbar ist. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die vorgegebene Kraft eingestellt werden kann. Insbesondere hat dies den Vorteil, dass beispielsweise im Laufe der Lebenszeit der Batterie eine unterschiedliche vorgegebene Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt werden muss. Durch die Regelbarkeit der vorgegebenen Kraft kann somit ein verbesserter Betrieb der Batterie, auch über ihre Lebenszeit hin, realisiert werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Batterie eine elektronische Recheneinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines
Entscheidungskriteriums die vorgegebene Kraft zu regeln. Die elektronische
Recheneinrichtung weist insbesondere entsprechende Schaltungen und Leitungen auf, um Steuersignale erzeugen zu können. Insbesondere kann die elektronische
Recheneinrichtung somit automatisch und auf den aktuellen Ladezustand hin die vorgegebene Kraft regeln. Dadurch ist ein verbesserter Betrieb der Batterie ermöglicht.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die elektronische Recheneinrichtung die vorgegebene Kraft in Abhängigkeit eines erfassten aktuellen Ladezustands der Vielzahl von
Batteriezellen und/oder in Abhängigkeit eines erfassten Druckwerts innerhalb der Batterie als Entscheidungskriterium regelt. Insbesondere kann hierzu vorgesehen sein, dass die Batterie beispielsweise entsprechende Spannungssensoren aufweist, mittels welchen der Ladezustand der Vielzahl von Batteriezellen oder einer jeweiligen
Batteriezelle ermittelt werden kann, wodurch in Abhängigkeit des erfassten
Ladezustands die Kraft entsprechend eingestellt werden kann. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass ein Drucksensor innerhalb der Batterie verbaut ist, welcher den internen Druck innerhalb der Batterie misst und entsprechend dieses erfassten
Druckwerts die Einstellung beziehungsweise Regelung der mindestens einen flexiblen Spanneinrichtung vornimmt. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass durch entsprechende Sensoren oder Ableitungen des Ladezustands der Batteriezellen der benötigte aufzubringende Druck, insbesondere der vorgegebene Kraftwert, bestimmt und permanent so eingestellt wird, dass die Batteriezellen über deren jeweiliger Fläche einen konstanten Druck erfahren und die Volumenänderung stattfinden kann, beziehungsweise dass auch bei der Volumenänderung ein konstanter Druck auf die Zelle einwirkt. Der Druck beziehungsweise die Verspannung wird derart eingestellt, dass an einer Seite der Zellenaneinanderreihung von einer jeweiligen Gehäusewand oder der dahinterliegenden Fahrzeugstruktur getragen wird. Somit ist ein verbesserter Betrieb der Batterie innerhalb des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Batterie, insbesondere die Feststoffbatterie zumindest eine Stromschiene auf, an welcher die Vielzahl von Batteriezellen beweglich angeordnet ist. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Batteriezellen entweder als Hardcasezellen ausgeführt sind oder als
Pouchzellen ausgeführt sind. Der Spannungsabgriff erfolgt über entsprechende
Terminals, die über die Stromführungsschiene, mit anderen Worten die Stromschiene, gleiten und somit auch bei der Zellverschiebung durch die Volumenänderung mitgehen können. Dadurch kommt es nicht zu entsprechenden mechanischen Belastungen der Ableiter bei Verschiebungen der Batteriezellen durch deren Volumenänderung. Die Stromschiene ist beispielsweise durch Federn an die Zellableiter gedrückt, um den Kontakt sicherstellen zu können. Die Anordnung der Zellableiter und Stromschiene kann entweder seitlich oder auf einer Oberseite oder Unterseite der Batteriezellen erfolgen. Dadurch ist ein verbesserter Betrieb der Batterie ermöglicht.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als hydraulische Spanneinrichtung ausgebildet ist. Insbesondere wird hierbei der Druck durch eine Flüssigkeit aufgebracht. In der flexiblen Spanneinrichtung kann dann durch die Flüssigkeit die Ausdehnung der Batteriezellen insbesondere in Längsrichtung kompensiert werden. Beispielsweise kann hierzu durch ein Kissen oder durch einen Zylinder als Hydraulikelement die Volumenänderung und die vorgegebene Kraft realisiert werden.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die zumindest erste flexible
Spanneinrichtung als pneumatische Spanneinrichtung ausgebildet ist. Insbesondere wird bei der Pneumatik die entsprechende vorgegebene Kraft beziehungsweise der Druck durch ein Gas aufgebracht und beispielsweise in der flexiblen Spanneinrichtung durch ein Kissen oder durch einen Zylinder wird für die Veränderung der Ausdehnung in der Fahrzeuglängsrichtung kompensiert. Dies ist insbesondere eine bevorzugte Variante der flexiblen Spanneinrichtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als federbasierte Spanneinrichtung ausgebildet. Mit anderen Worten wird mittels einer Federkraft die vorgegebene Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt. Insbesondere stützt sich dann ein jeweiliges Federelement der flexiblen
Spanneinrichtung an dem zumindest einen Kraftfahrzeugbauteil ab, um die vorgegebene Kraft auf die Batteriezellen ausüben zu können. Dadurch ist mit wenig Aufwand ein verbesserter Betrieb der Batterie ermöglicht.
Alternativ kann beispielsweise mittels Spannmatten, die zwischen den Batteriezellen und der flexiblen Spanneinrichtung angeordnet sind, die vorgegebene Kraft realisiert werden. Nochmals alternativ kann beispielsweise über elastische Kunstsoffbauteile oder
Gummibauteile, insbesondere über superelastische Gummis, der Druck aufgebracht werden, wobei die elastischen Gummibauteile insbesondere entsprechend verformbar sind. Nochmals alternativ oder ergänzend kann durch entsprechende Schäume innerhalb der flexiblen Spanneinrichtung die vorgegebene Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als elektrische Spanneinrichtung ausgebildet. Insbesondere kann dadurch eine elektrische Verschiebung durch beispielsweise einen Steuerungsmotor angetrieben werden, wodurch dann wiederum die flexible Spanneinrichtung im Ganzen verschoben wird, und insbesondere ist der Steuerungsmotor dann an dem
Kraftfahrzeugbauteil, beispielsweise durch eine Gewindestange abgestützt. Alternativ oder ergänzend kann im Inneren durch einen Zylinder oder das Verschieben einer Wand der flexiblen Spanneinrichtung die konstante Kraft aufgebaut werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die elektrische Spanneinrichtung
selbsthemmend, insbesondere eine Gewindespindel der elektrischen Spanneinrichtung selbsthemmend, ausgebildet. Dadurch ist es ermöglicht, dass die vorgegebe Kraft zuverlässig auf die Batteriezellen ausgeübt werden kann, wobei durch die
selbsthemmende Ausgestaltungsform energiereduziert die Kraft gehalten werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als kunststoff- oder gummibasierte Spanneinrichtung ausgebildet. Dies kann beispielsweise über elastische Kunststoffbauteile oder Gummibauteile,
insbesondere über superelastische Gummis, realisiert werden, wobei die elastischen Gummibauteile insbesondere entsprechend verformbar sind. Dadurch kann einfach und dennoch zuverlässig die vorgegebene Kraft auf die Batteriezellen ausgeübt werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, sollte die Batterie über zumindest zwei flexible Spanneinrichtungen, insbesondere über eine Vielzahl von flexiblen Spanneinrichtungen, verfügen, dass die flexiblen Spanneinrichtungen bevorzugt gleich ausgebildet sind, jedoch ist es auch möglich, dass die jeweiligen Spanneinrichtungen unterschiedlich zueinander ausgebildet sind. Beispielsweise kann die erste flexible Spanneinrichtung als elektrische Spanneinrichtung ausgebildet sein, wobei eine zweite flexible
Spanneinrichtung als pneumatische Spanneinrichtung ausgebildet sein kann. Diese Aufzählung ist rein beispielhaft und keinesfalls abschließend zu betrachten und dient lediglich der Veranschaulichung dieser Ausführungsform.
Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach dem vorhergehenden Aspekt, und mit zumindest einem Kraftfahrzeugbauteil, wobei sich eine zumindest erste flexible Spanneinrichtung der Batterie an dem
Kraftfahrzeugbauteil abstützt. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als
Personenkraftwagen ausgebildet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines
Kraftfahrzeugs mit einer Batterie;
Fig. 2 eine weitere schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform des
Kraftfahrzeugs mit einer weiteren Ausführungsform einer Batterie;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Batterie;
und
Fig. 4 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der
Batterie.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine Ausführungsform eines
Kraftfahrzeugs 10 mit einer Ausführungsform einer Batterie 12. Die Batterie 12, die insbesondere eine Feststoffbatterie sein kann, ist insbesondere für das zumindest teilweise elektrisch betreibbare Kraftfahrzeug 10 ausgebildet. Die Batterie 12 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 14 auf. Jede der Batteriezellen 14 weist in einem entladenen Zustand der Batteriezelle 14 ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle 14 ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen auf. Diese Volumenveränderung ist insbesondere durch die Pfeile 16 und 18 in der Fig. 1 dargestellt. Durch den ersten Pfeil 16 ist insbesondere eine Volumenvergrößerung dargestellt und durch den zweiten Pfeil 18 ist eine Volumenverkleinerung dargestellt. Insbesondere ist im geladenen Zustand eine jeweilige Batteriezelle 14 größer, weist also ein größeres Volumen auf, als im entladenen Zustand.
Die Batterie 12 weist ferner eine flexible Spanneinrichtung 20 zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft K im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die
Vielzahl von Batteriezellen 14 auf.
Es ist vorgesehen, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung 20 derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft K auf die Vielzahl von Batteriezellen 14 die zumindest erste flexible Spanneinrichtung 20 zumindest an einem Kraftfahrzeugbauteil 22 des Kraftfahrzeugs 10 abgestützt ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Kraftfahrzeugbauteil 22 um ein strukturgebendes Element. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das strukturgebende Element beispielsweise eine Querstrebe oder Achse des Kraftfahrzeugs 10 sein. Insbesondere zeigt die Fig. 1 , dass im verbauten Zustand der Batterie 12 im Kraftfahrzeug 10 zumindest zwei
Gehäusewände der Batterie 12 als Kraftfahrzeugbauteile 22, 24 ausgebildet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stützt sich als Gehäusewand beispielsweise die Batterie 12, beziehungsweise die Batteriezellen 14, sich am zweiten Kraftfahrzeugbauteil 24 ab, welches vorliegend ebenfalls als Achse, beispielsweise als Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10, ausgebildet sein kann. Ferner kann durch Schweller 26 des
Kraftfahrzeugs 10 eine entsprechende Gehäusewand für die Batterie 12 ausgebildet sein.
Fig. 1 zeigt insbesondere das Kraftfahrzeug 10, welches sich in einer Hauptfahrrichtung des Kraftfahrzeugs 10 befindet. Der Pfeil X zeigt dabei insbesondere die
Kraftfahrzeuglängsrichtung des Kraftfahrzeugs 10 und insbesondere die
Hauptfahrrichtung des Kraftfahrzeugs 10 an. Der Pfeil Y zeigt insbesondere eine
Kraftfahrzeugquerrichtung des Kraftfahrzeugs 10 an.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine weitere Ausführungsform des
Kraftfahrzeugs 10 mit einer Ausführungsform der Batterie 12. Im folgenden
Ausführungsbeispiel weist die Batterie 12 ein erstes Batteriemodul 28 mit einer ersten Anzahl von Batteriezellen 14 und ein separates zweites Batteriemodul 30 mit einer zweiten Anzahl von Batteriezellen 14 auf. Das erste Batteriemodul 28 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch drei Batteriesubmodule 32 ausgebildet, wobei jedes der Batteriesubmodule 32 die Batteriezellen 14 aufweist. Das zweite Batteriemodul 30 ist im vorliegenden Beispiel lediglich durch die Batteriezellen 14 gebildet. Insbesondere zeigt dies, dass die Batterie 12 modular aufgebaut ist und insbesondere an einen
Nutzerwunsch, insbesondere bezüglich der Batteriekapazität, angepasst werden kann. Des Weiteren zeigt Fig. 2, dass das erste Batteriemodul 28 die erste flexible
Spanneinrichtung 20 aufweist und das zweite Batteriemodul 30 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zweite flexible Spanneinrichtung 34 auf. Es ist vorgesehen, dass sich die erste flexible Spanneinrichtung 20 und die zweite flexible Spanneinrichtung 34 im verbauten Zustand im Kraftfahrzeug 10 an dem Kraftfahrzeugbauteil 22 abstützen.
Des Weiteren zeigt die Fig. 2, dass die Batterie 12 zumindest eine Stromschiene 36 aufweist, an welcher die Vielzahl von Batteriezellen 14, im vorliegenden
Ausführungsbeispiel die Batteriesubmodule 32, beweglich angeordnet sind.
Fig. 3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform der Batterie 12. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere gezeigt, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung 20 derart ausgebildet ist, dass die vorgegebe Kraft K regelbar ist. Beispielsweise kann hierzu vorgesehen sein, dass die Batterie 12 eine elektronische Recheneinrichtung 38 aufweist, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Entscheidungskriteriums die vorgegebene Kraft K zu regeln. Die elektronische
Recheneinrichtung 38 kann wiederum die vorgegebene Kraft K in Abhängigkeit eines erfassten aktuellen Ladezustands der Vielzahl von Batteriezellen 14 und/oder in
Abhängigkeit eines erfassten Druckwerts innerhalb der Batterie 12 als
Entscheidungskriterium regeln. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine entsprechende Erfassungseinrichtung 40 zum Erfassen des Drucks beziehungsweise des Ladezustands innerhalb der Batterie 12 angeordnet ist.
Insbesondere zeigt die Fig. 3, dass die zumindest erste flexible Spanneinrichtung als elektrische Spanneinrichtung ausgebildet ist. Hierzu weist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel die elektrische Spanneinrichtung einen elektrischen Motor 42 auf, über welchen eine Spindel 44 angetrieben werden kann. Insbesondere ist ein Gewinde 46 an dem Kraftfahrzeugbauteil 22 angeordnet, sodass durch Drehen der Spindel 44 die Kraft K auf eine Druckplatte 48 ausgeübt werden kann, welche wiederum die Kraft K konstant auf die Batteriezellen 14 verteilt. Alternativ zu der elektrischen Spanneinrichtung kann die flexible Spanneinrichtung 20,
34 auch als federbasierte Spanneinrichtung oder als kunststoff- oder gummibasierte Spanneinrichtung bereitgestellt werden.
Insbesondere ist es durch die Spanneinrichtungen 20, 34 ermöglicht, dass sich die Dicke der Batteriezellen 14 durch Auf- beziehungsweise Entladung oder Alterung ändern kann. Hierzu kann beispielsweise die flächige Druckplatte 48 entsprechend der
Dickenänderung aktiv vor- beziehungsweise zurückbewegt werden, sodass sich eine konstante axiale Verpressung ergibt. Insbesondere weist die zumindest erste flexible Spanneinrichtung 20 zur Kompensation der Dickenänderung ein aktiv gesteuertes Konstantkraftsystem mit vorzugsweise horizontaler Kraft-Weg-Kennlinie auf.
Mit anderen Worten wird die Kraft K im vorliegenden Ausführungsbeispiel elektro mechanisch ausgeführt. Die Bewegungsenergie wird dabei vorzugsweise durch den Elektromotor 42 erzeugt und beispielsweise über den Zahnstrang beziehungsweise über die Spindel 44 direkt über Rampen- beziehungsweise Hebelsysteme mit einer
Übersetzung in die Druckplatte 48 eingeleitet. Um keine Halteenergie aufbringen zu müssen, wird bei Varianten mit Spindel 44 diese selbsthemmend ausgeführt. Bei Varianten mit Zahnstange wird eine stromlos aktive Verriegelung oder Bremse vorgesehen. Um ein ständiges Nachstellen des Scheibensystems zu verhindern, kann es wiederum sinnvoll sein, zusätzlich ein elastisches Element wie zum Beispiel eine dünne Spannmatte zwischen den Batteriemodulen 28, 30 und der Druckplatte 48 anzuordnen.
Durch insbesondere die horizontale Kraft-Weg-Kennlinie der flexiblen Spanneinrichtung 20, 34 wird immer nur die nötige Mindestvorspannkraft angelegt, sodass die Batteriezelle 14 beziehungsweise die Batteriemodule 28, 30 beziehungsweise die Batteriesubmodule 32 leichter sowie kosten- und bauraumgünstiger ausgeführt werden können. Da der Elektrodenstapel stets mit der vorgegebenen Kraft K verpresst wird, kommt es nicht zur negativen Beeinflussung von Zellperformance und -lebensdauer. Die Aktivregelung der vorgegebenen Kraft K ermöglicht es weiterhin, diese in Abhängigkeit vom
Betriebszustand gezielt zu variieren. So könnte man zum Beispiel beim Transport, bei ruhendem Betrieb oder im Gefahrfall, beispielsweise bei einem Fahrzeugcrash, die Kraft K auf 0 zurückfahren. Die flexible Spanneinrichtung 20, 34 kann einmalig in die
Batteriezelle 14 oder in das Batteriemodul 28, 30 verbaut werden oder mehrmalig. Wird im Batteriemodul 28, 30 nach jeder Batteriezelle 14 eine entsprechende flexible
Spanneinrichtung 20, 34 angeordnet, dann bleiben die Batteriezellen 14 trotz
Dickenänderung in ihrer axialen Position gleich. Alternativ zu dem in Fig. 3 Gezeigten kann die elektrisch betriebene flexible
Spanneinrichtung 20 beispielsweise mittels des Elektromotors 42, einer Spindel 44 sowie einem Rampensystem bereitgestellt werden. Alternativ kann ferner vorgesehen sein, dass die elektrisch betriebene flexible Spanneinrichtung 20 mittels eines Elektromotors 42, der Spindel 44 sowie eines Hebelsystems ausgeführt wird.
Fig. 4 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine weitere Ausführungsform der Batterie 12. Insbesondere zeigt die Fig. 4 beispielsweise die Ausführungsform des zweiten Batteriemoduls 30 gemäß Fig. 2. Im folgenden Ausführungsbeispiel ist die zweite flexible Spanneinrichtung 34 als pneumatische Spanneinrichtung ausgebildet. Alternativ können die flexiblen Spanneinrichtungen 20, 34 auch als hydraulische
Spanneinrichtungen ausgebildet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die zweite flexible Spanneinrichtung 34 gezeigt. Analoges Ausführungsbeispiel gilt für die erste flexible Spanneinrichtung 20. Bei der Ausführungsform der flexiblen Spanneinrichtung 20, 34 als pneumatische flexible Spanneinrichtung handelt es sich um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Das zweite Batteriemodul 30 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 14 auf, welche beispielsweise mittels Festkörperchemie ausgebildet sein können. Der pneumatische Steller ist nach dem Faltenbalgprinzip mit im vorliegenden
Ausführungsbeispiel drei verbundenen, in Reihe geschalteten Luftkammern ausgeführt. Zur Sicherstellung der rechteckigen Form sind die Kammerwände beispielsweise aus Kunststoff oder Gummi stirnseitig auf metallische Trägerplatten geklebt beziehungsweise vulkanisiert. Durch die flächige Ausbildung der Stirnseiten des pneumatischen Stellers muss zwischen Steller und Elektrodenstapel keine kraftverteilende Druckplatte angeordnet werden. Pneumatiksteller und Elektrodenstapel werden in ein allseitig geschlossenes Metallgehäuse 50 eingesetzt, dessen stirnseitige Wand in Richtung der Vorspannkraft insbesondere mit der vorgegebenen Kraft K aufgedickt ist und sich beispielsweise direkt an dem Kraftfahrzeugbauteil 20 abstützt. Die Druckluftversorgung 52 der Faltenbalge erfolgt durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor und über Regelventile. Um den benötigten Druck über längere Zeit auch ohne Betrieb des Kompressors aufrecht zu erhalten, kann im pneumatischen System ein Speicherkessel angeordnet werden. Der zusätzlich für entsprechend ausgeführte Batteriezellen 14 oder Batteriemodule 28, 30 nötige Aufwand reduziert sich deutlich, wenn das Kraftfahrzeug 10 bereits mit einem Luftfederungssystem ausgerüstet ist, welches über einen eigenen Kompressor verfügt. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft (K) auf die Vielzahl von Batteriezellen (14) die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) zumindest an einer Innenseite des Batteriegehäuses oder an einem Zellgehäuse abgestützt ist.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Spanneinrichtung nicht nur in einer Batterie bzw einem Zellblock, sondern auch innerhalb einer einzelnen Batteriezelle verbaut werden. Der Druck wird in diesem Fall im Zellblock auf Zellen mit elastischem Gehäuse oder in der Zelle direkt auf die Elektroden ausgeübt.
Bezugszeichenliste
10 Kraftfahrzeug
12 Feststoffbatterie
14 Batteriezelle
16 Pfeil
18 Pfeil
20 erste flexible Spanneinrichtung
22 erstes Kraftfahrzeugbauteil
24 zweites Kraftfahrzeugbauteil
26 Schweller
28 erstes Batteriemodul
30 zweites Batteriemodul
32 Batteriesubmodul
34 zweite flexible Spanneinrichtung
36 Stromschiene
38 elektronische Recheneinrichtung
40 Erfassungseinrichtung
42 elektrischer Motor
44 Spindel
46 Gewinde
48 Druckplatte
50 Gehäuse
52 Druckluftversorgung
K vorgegebene Kraft
X Kraftfahrzeuglängsrichtung
Y Kraftfahrzeugquerrichtung

Claims

Daimler AG Patentansprüche
1. Batterie (12), insbesondere Feststoffbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug (10), mit einer Vielzahl von Batteriezellen (14), wobei jede der Batteriezellen (14) in einem entladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung (20) zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft (K) im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen (14),
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft (K) auf die Vielzahl von Batteriezellen (14) die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) zumindest an einem
Kraftfahrzeugbauteil (22, 24, 26) des Kraftfahrzeugs (10) abgestützt ist.
2. Feststoffbatterie (12) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Feststoffbatterie (12) ein erstes Batteriemodul (28) mit einer ersten Anzahl von Batteriezellen (14) und ein separates zweites Batteriemodul (30) mit einer zweiten Anzahl von Batteriezellen (14) aufweist, wobei das erste Batteriemodul (28) eine erste flexible Spanneinrichtung (20) und das zweite Batteriemodul (30) eine zweite flexible Spanneinrichtung (34) aufweisen, und wobei sich die erste flexible
Spanneinrichtung (20) und die zweite flexible Spanneinrichtung (34) im verbauten Zustand im Kraftfahrzeug (10) an dem Kraftfahrzeugbauteil (22, 24, 26) abstützen.
3. Feststoffbatterie (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
im verbauten Zustand der Feststoffbatterie (12) im Kraftfahrzeug (10) zumindest zwei Gehäusewände der Feststoffbatterie (12) als Kraftfahrzeugbauteile (22, 24, 26) ausgebildet sind.
4. Batterie (12), insbesondere Feststoffbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug (10), mit einer Vielzahl von Batteriezellen (14), wobei jede der Batteriezellen (14) in einem entladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, und mit zumindest einer ersten flexiblen Spanneinrichtung (20) zum Ausüben einer vorgegebenen Kraft (K) im entladenen Zustand und im geladenen Zustand auf die Vielzahl von Batteriezellen (14),
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass zum Ausüben der vorgegebenen Kraft (K) auf die Vielzahl von Batteriezellen (14) die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) zumindest an einer Innenseite des Batteriegehäuses oder an einem Zellgehäuse abgestützt ist.
5. Batterie (12), insbesondere Feststoffbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug (10), mit einer Vielzahl von Batteriezellen (14), wobei jede der Batteriezellen (14) in einem entladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein erstes Volumen und in einem geladenen Zustand der Batteriezelle (14) ein zum ersten Volumen unterschiedliches zweites Volumen aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass
eine erste flexible Spanneinrichtung (20) innerhalb zumindest einer Batteriezelle verbaut ist, womit ein Druck im Zellblock auf Zellen mit elastischem Gehäuse oder in der Zelle direkt auf die Elektroden ausgeübt wird.
6. Feststoffbatterie (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass die vorgegebene Kraft (K) regelbar ist.
7. Feststoffbatterie (12) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Feststoffbatterie (12) eine elektronische Recheneinrichtung (38) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Entscheidungskriteriums die vorgegebene Kraft (K) zu regeln.
8. Feststoffbatterie (12) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektronische Recheneinrichtung (38) die vorgegebene Kraft (K) in
Abhängigkeit eines erfassten aktuellen Ladezustands der Vielzahl von
Batteriezellen (14) und/oder in Abhängigkeit eines erfassten Druckwerts innerhalb der Feststoffbatterie (12) als Entscheidungskriterium regelt.
9. Feststoffbatterie (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Feststoffbatterie (12) zumindest eine Stromschiene (36) aufweist, an welcher die Vielzahl von Batteriezellen (14) beweglich angeordnet ist.
10. Feststoffbatterie (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) als hydraulische
Spanneinrichtung ausgebildet ist.
11. Feststoffbatterie (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) als pneumatische
Spanneinrichtung ausgebildet ist.
12. Feststoffbatterie (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) als federbasierte
Spanneinrichtung ausgebildet ist.
13. Feststoffbatterie (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) als elektrische Spanneinrichtung ausgebildet ist.
14. Feststoffbatterie (12) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Spanneinrichtung selbsthemmend, insbesondere eine Spindel (44) der elektrischen Spanneinrichtung selbsthemmend, ausgebildet ist.
15. Feststoffbatterie (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) als kunststoffbasierte oder gummibasierte Spanneinrichtung ausgebildet ist.
16. Kraftfahrzeug (10) mit einer Batterie (12), insbesondere einer Feststoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 15, und mit zumindest einem Kraftfahrzeugbauteil (22, 24, 26), wobei sich eine zumindest erste flexible Spanneinrichtung (20) der Feststoffbatterie 12 an dem Kraftfahrzeugbauteil (22, 24, 26) abstützt.
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