EP4315467A1 - Batteriemodul und verfahren zum verspannen eines batteriemoduls - Google Patents

Batteriemodul und verfahren zum verspannen eines batteriemoduls

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EP4315467A1
EP4315467A1 EP22710542.6A EP22710542A EP4315467A1 EP 4315467 A1 EP4315467 A1 EP 4315467A1 EP 22710542 A EP22710542 A EP 22710542A EP 4315467 A1 EP4315467 A1 EP 4315467A1
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EP
European Patent Office
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battery module
pressure
battery
battery cells
pressure plate
Prior art date
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Pending
Application number
EP22710542.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Warkotsch
Robert Loch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP4315467A1 publication Critical patent/EP4315467A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/262—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders with fastening means, e.g. locks
    • H01M50/264—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders with fastening means, e.g. locks for cells or batteries, e.g. straps, tie rods or peripheral frames
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
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    • H01M10/052—Li-accumulators
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery module and a method for clamping a battery module, in particular a solid-state battery such as a lithium-ion battery with a solid-state electrolyte.
  • An at least partially electrically powered vehicle has a battery or a battery module for storing electrical energy for operating an electric drive motor of the vehicle.
  • the battery module typically has a large number of individual battery cells, in particular a large number of pouch cells, which are arranged next to one another in a housing of the battery module.
  • the battery module is repeatedly charged and discharged during operation of the vehicle, with the individual battery cells being able to have different spatial distributions in the discharged state and in the charged state. For reliable operation of the battery module, certain, in particular constant, conditions with regard to the tensioning of the individual battery cells should also be observed in different operating states of the battery module.
  • the present document deals with the technical task of enabling a precise setting of stress conditions of the individual battery cells of the battery module in different operating states of a battery module, in particular in order to provide a battery module with high performance.
  • a battery module for storing electrical energy can have a rated voltage of 60V or more, or 300V or more, in particular 800V or more.
  • the battery module can be designed to store electrical energy for the operation of a drive motor of a motor vehicle.
  • a motor vehicle can optionally include several battery modules which together form a battery for the motor vehicle.
  • the individual battery modules can be connected at least partially in series and/or at least partially in parallel with one another. For example, several battery modules can be connected in series in order to provide a vehicle battery with an increased overall nominal voltage.
  • the battery module comprises one or more battery cells (in particular 10 or more or 50 or more battery cells) which are arranged next to one another between two pressure plates along the transverse axis of the battery module.
  • a battery cell can be a pouch cell, with the transverse axis being perpendicular to the surface and/or to the layers of the pouch cell.
  • the transverse axis of the battery module can coincide with the transverse axis of the vehicle in which the battery module is arranged.
  • the battery module is designed in such a way that the distance between the two pressure plates can be changed within a specific distance range, so that a change in the spatial distribution (in particular an expansion and/or a contraction) of the one or more battery cells along the transverse axis is made possible.
  • the battery module can be designed such that the change (increase or decrease) in the spatial spread of the one or more battery cells along the transverse axis causes a corresponding change (increase or decrease) in the distance between the two pressure plates.
  • the battery module can be designed in such a way that a first pressure plate of the two pressure plates is movably mounted (on a carrier of the vehicle) and a second pressure plate of the two pressure plates is immovably mounted (on another carrier of the vehicle). In this way, a change in the distance between the two pressure plates can be made possible in a reliable manner.
  • the one or more battery cells may have minimal overall spread along the transverse axis in a discharged state. Furthermore, in a charged state, the one or more battery cells can have a maximum overall spread along the transverse axis.
  • the one or more battery cells can thus be designed in such a way that the one or more battery cells expand (along the transverse axis) during a charging process and/or contract (along the transverse axis) during a discharging process.
  • the expansion can be in the range of 10% of the total expansion.
  • the maximum total spread of the one or more battery cells may be between 5% and 15% greater than the minimum total spread of the one or more battery cells.
  • Such an expansion can be present in particular in an electrochemical battery cell with a solid electrolyte (a so-called All Solid State Battery, ASSB), in particular in a lithium-ion cell with a solid electrolyte.
  • ASSB All Solid State Battery
  • the distance range in which the distance between the two pressure plates changes can be limited below by the minimum total spread and above by the maximum total spread.
  • the battery module can also be designed in such a way that a compressive force is exerted on the one or more battery cells by the two pressure plates within the entire distance range.
  • the battery module can in particular be designed in such a way that the two pressure plates exert a compressive force on the one or more battery cells which varies by at most 20%, in particular by at most 10%, within the entire distance range.
  • the battery module can be designed in such a way that the two pressure plates exert a compressive force on the one or more battery cells, so that the pressure on the one or more battery cells does not drop below a minimum and/or a maximum pressure on the one or more battery cells within the entire distance range or several battery cells is not exceeded.
  • the minimum pressure can be eg 8 bar or more and/or the maximum pressure can be 12 bar or less.
  • a battery module is thus described which is designed to expand and/or contract along the transverse axis in order to enable a corresponding expansion and/or contraction of the one or more battery cells of the battery module, and in order to always achieve a specific (possibly essentially to cause constant) pressure on the one or more battery cells. In this way, a high level of performance of the battery module can be made possible in a reliable manner.
  • the battery module can have a frame that is movably mounted along the transverse axis between two battery cells that are arranged directly next to one another.
  • the battery cells can be guided through the individual frames during expansion or contraction in order to enable the battery module to be operated as gently as possible.
  • the battery module can comprise at least one pressure element, which is designed to move the first (movably mounted) pressure plate of the two pressure plates towards the second (non-movably mounted) pressure plate of the two pressure plates push and / or pull so that the compressive force on the one or more battery cells is effected by the two pressure plates.
  • the pressure element can include at least one elastic element (eg a spring). In this way, a compressive force can be applied to the one or more battery cells in a particularly efficient and reliable manner.
  • the pressure element can comprise at least one flat or band-shaped tensioning element, in particular a rubber tensioning band and/or a coiled spring, which is designed to pull the first pressure plate towards the second pressure plate.
  • the flat or band-shaped clamping element can, for. B. form an elastic anchor that connects the two pressure plates together and pulls them together. In this way, the compressive force on the one or more battery cells can be brought about in a particularly efficient and reliable manner.
  • the pressure element can comprise at least one spring, in particular a leaf spring, a compression spring, a torsion spring and/or a cup spring, which is designed to press the first pressure plate towards the second pressure plate.
  • the spring can be arranged between a carrier for the battery module and the first pressure plate. In this way, the compressive force on the one or more battery cells can be brought about in a particularly efficient and reliable manner.
  • the pressure element can be designed in such a way, in particular by arranging the spring obliquely with respect to the transverse axis and/or by using a lever, that the force exerted by the spring on the first pressure plate depends on the distance between the two Pressure plates is changed.
  • the pressure element can have a leg spring with one leg which acts on a cam connected to the first pressure plate.
  • the pressure element can comprise a pressure spring which acts on the first pressure plate via a toggle lever. In this way, the course of the force can be set in a particularly precise manner depending on the expansion of the one or more battery cells from the pressure element via the first pressure plate to the one or more battery cells, in order to further increase the performance of the battery module.
  • a (road) motor vehicle in particular a passenger car or a truck or a bus or a motorcycle
  • the vehicle can comprise a plurality of battery modules, some of which can be arranged in series and/or parallel to one another, for example.
  • the vehicle can include at least one carrier to which the one or more battery modules are attached.
  • the vehicle may include a first battery module and a second battery module.
  • the first battery module and the second battery module can be arranged in the vehicle in such a way that the distance between the movably mounted pressure plate of the first battery module and the movably mounted pressure plate of the second battery module is reduced if there is a change in the first battery module and/or in the second battery module the distance between the two pressure plates of the respective battery module increases.
  • the first battery module and the second battery module can have a common pressure element which acts on the movably mounted pressure plate of the first battery module and on the movably mounted pressure plate of the second battery module in order to reduce the compressive force on the one or more battery cells of the first battery module and the compressive force on the to cause one or more battery cells of the second battery module.
  • a number of battery modules can be provided in a vehicle in a particularly efficient manner.
  • a method for clamping a battery module which comprises one or more battery cells. That The method includes arranging the one or more battery cells side by side along the transverse axis of the battery module between two pressure plates such that the distance between the two pressure plates can be changed within a distance range as a result of a change in the spatial spread of the one or more battery cells along the transverse axis. The method further includes applying a compressive force to the one or more battery cells within the entire standoff range. The pressure force can be brought about by the two pressure plates (and by means of one or more pressure elements). In other words, as part of the method, a compressive force can be applied to the one or more battery cells within the entire distance range. The compressive force can be applied to the one or more battery cells by means of the one or more pressure elements via the pressure plates.
  • FIG. 1a shows an exemplary vehicle with a battery or with a battery module for storing electrical energy
  • FIG. 1b shows an exemplary storage of a battery module in a vehicle
  • FIG. 2 shows an exemplary mounting of a battery module, which allows a spatial expansion of the battery cells of the battery module;
  • FIGS. 3a to 3c show different views of a battery module with an exemplary elastic pressure element; FIGS. 4a to 4e differently designed elastic pressure elements; and FIG. 5 shows a flowchart of an exemplary method for clamping a battery module.
  • FIG. 1a shows an exemplary vehicle 100 with a battery module 110 for storing electrical energy and an electric drive motor 105 that is operated with electrical energy from the battery module 110 .
  • a battery module 110 is typically installed within a battery housing (which optionally encloses a plurality of battery modules 110 ) in the vehicle 100 .
  • FIG. 1b illustrates an exemplary storage of a battery module 110 in a vehicle 100.
  • the vehicle 100 can (at least or precisely) have two side members 101, which are aligned along the longitudinal axis of the vehicle 100.
  • Cross members 102 which are aligned along the transverse axis of vehicle 100 , can be arranged between longitudinal members 101 .
  • the battery module 110 can be mounted on one or more longitudinal members 101 and/or on one or more cross members 102 of the vehicle 100 .
  • the battery module 110 includes one or more battery cells 111, in particular pouch cells.
  • the individual flat battery cells 111 can be arranged in the vehicle 100 in such a way that the surface of a battery cell 111, in particular that the individual layers of a battery cell 111, is arranged within a plane spanned by the longitudinal axis and the vertical axis of the vehicle 100.
  • the individual battery cells 111 are then arranged next to one another along the transverse axis of the vehicle 100 .
  • the fat a battery cell 111 thus extends along the transverse axis of vehicle 100
  • the battery module 110 has two pressure plates 112, 114, between which the one or more battery cells 111 are arranged.
  • the individual pressure plates 112, 114 are each arranged in a plane spanned by the longitudinal axis and the vertical axis of the vehicle 100.
  • the two pressure plates 112, 114 are connected to one another via anchors 113, with the individual anchors 113 extending along the transverse axis of the vehicle 100.
  • the pressure plates 112, 114 can be drawn together via the anchors 113 in order to bring about pressure on the one or more battery cells 111 lying in between.
  • the anchors 113 can exert a pressure of approximately 10 bar on the individual battery cells 111 .
  • the pressure on the individual battery cells 111 may be necessary for reliable operation of the battery cells 111 .
  • the individual battery cells 111 can be designed, as is the case in particular with lithium-ion cells with a solid electrolyte, to expand during a charging process and/or to contract during a discharging process.
  • the expansion and/or the contraction can in particular bring about a change in the thickness of the individual battery cells 111 (along the transverse axis of the vehicle 100 or of the battery module 110).
  • the thickness of the individual battery cells 111 can change by approximately 10% between the discharged state and the charged state.
  • the change in thickness leads to a corresponding change in the pressure or the voltage which is effected via the pressure plates 112, 114 on or in the individual battery cells 111.
  • the pressure or the voltage when charging the battery module 110 can increase, while the pressure or the voltage when discharging the battery module 110 reduced. Consequently, the mechanical stress conditions of the individual battery cells 111 change depending on the operating state of the battery module 110, which can lead to a deterioration in the performance of the battery module 110.
  • FIG. 2 shows an exemplary mounting of a battery module 110 that allows the volume of the battery module 110 to be changed during operation of the battery module 110 .
  • the mounting shown in FIG. 2 allows a change in the thickness of the individual battery cells 111 of the battery module 110 (along the transverse axis of the vehicle 100 or of the battery module 110).
  • a second pressure plate 114 of the battery module 110 is firmly connected to a carrier 101, 102 via one or more fixed bearings.
  • the opposite first pressure plate 112 of the battery module 110 is movably mounted on a support 102, in particular on a cross member, via one or more floating bearings, so that the movably mounted first pressure plate 112 can move toward the fixedly mounted second pressure plate 114 and/or from the fixedly mounted second pressure plate 114 can move away (thus allowing a change in the thickness of the individual battery cells 111).
  • the two pressure plates 112, 114 can be connected to one another via anchors 113 which have a variable length in order to allow the overall thickness of the battery module 110 to be changed (along the transverse axis).
  • the anchors 113 can be designed to expand in accordance with the expansion of the battery module 110 and, if necessary, to exert a substantially constant pressure on the individual battery cells 111 (which is ideally independent of the expansion of the anchors 113).
  • the individual anchors 113 can have one or more elastic tensioning elements (or be designed as such).
  • FIGS. 3a to 3c show different views of a battery module 110 in which the two pressure plates 112, 114 are connected to one another at two opposite edges via a clamping element 313, for example via an elastic (rubber) band.
  • the clamping elements 313 are configured to expand or contract in order to allow the battery cells 111 to expand.
  • the individual battery cells 111 are each arranged in a cell frame 311, with the cell frames 311 being able to move away from one another when the individual battery cells 111 expand and toward one another when the individual battery cells 111 shrink.
  • the individual battery cells 111 are electrically conductively connected to one another via cell contacts 315 (eg to form a series connection of the individual battery cells 111).
  • FIG. 3a shows a side view of the battery module 110 (i.e. the height axis corresponds to the vertical axis and the transverse axis corresponds to the horizontal axis in Figure 3a).
  • FIG. 3b shows the section through the battery module 110 indicated by the arrows in FIG. 3a.
  • FIG. 3c shows a section through the battery module 110, in which the vertical axis corresponds to the height axis and the horizontal axis to the longitudinal axis. 3c illustrates how the battery module 110 is movably mounted on cross members 102 of the vehicle 100 in order to allow an expansion and/or contraction of the battery module 110 along the transverse axis.
  • Flat clamping elements 313 made of a suitable material (eg rubber) can thus be used, which allow a 10% change in cell length or cell thickness with (possibly approximately) constant force (eg 10 bar pressure based on the cell area).
  • the clamping elements 313 can, for. B. be designed in such a way that the force caused by a 10% change in cell length or cell thickness deviates by at most 10% or at most 20% from a mean force value.
  • the clamping elements 313 can be positively and/or non-positively connected to the pressure plates 112, 114 arranged on a battery module 110 be.
  • the cell length or cell thickness change of 10% can be made possible by a fixed/floating bearing arrangement of a battery module 110 .
  • the cells 111 can be stored in frames 311, where the individual frames 311 can be stacked in such a way that they form a guide to one another.
  • a cell 111 can be arranged between two frames 311 in each case.
  • the number of frames 311 per module 110 can thus be 1 less than the number of cells 111 .
  • the two pressure plates 112, 114 can form the beginning and end frames, respectively.
  • an intermediate layer e.g. as an adhesive or as a loose intermediate layer
  • the shear stresses can be caused in particular by the fact that the individual cells 111 expand in all spatial directions.
  • the clamping elements shown in FIGS. 3a to 3c can generally be referred to as pressure elements 313, which are designed to apply pressure to the one or more cells 111 via the pressure plates 112, 114.
  • FIGS. 4a to 4e illustrate different configurations of pressure elements 313, which allow the battery 110 to expand with an (at least approximately) constant pressure on the battery module 110 or on the individual battery cells 111.
  • 4a shows the use of one or more serpentine springs as tensioning elements 313.
  • a serpentine spring can already have a specific pretension (eg 50% elongation) in the non-extended state of the battery module 110 in order to bring about a force on the battery cells 111.
  • Fig. 4b shows the use of a leaf spring as a pressure element 313 to bring about a tension within the battery cells 111.
  • the leaf spring can be arranged, for example, between a (longitudinal) support 101 and the loosely mounted first pressure plate 112 of the battery module 110 in order to exert pressure on the exercise loosely mounted first pressure plate 112.
  • the leaf spring is thus supported on one side against the carrier 101 and on the other side against the first pressure plate 112.
  • a fixed bearing 314 for mounting the battery module 110 in particular for mounting the second pressure plate 114 , can be arranged in the center of the vehicle 401 .
  • the battery arrangement shown in FIG. 4b can be arranged in the other half of the vehicle 100 in a mirrored manner.
  • a disc spring can be used as an alternative or in addition to a leaf spring.
  • FIG. 4c shows the use of compression springs 402 (as pressure element 313), which are arranged between a (longitudinal) support 101 and the loosely mounted first pressure plate 112 in order to exert pressure on the first pressure plate 112.
  • the compression springs 402 can be arranged in pairs obliquely to the transverse axis, so that the force vector changes when the battery module 110 expands and, if necessary, enables a degressive force curve (when the battery module 111 expands, the compression springs 402 tilt to the side , so that the proportion of force of the compression springs 402 is reduced in the direction of the expansion of the battery module 110).
  • the course of the force acting on the first pressure plate 112 can thus be adjusted by the angle of the compression springs 402 .
  • FIG. 4d illustrates an arrangement of battery modules 110 on both sides in relation to the center 401 of the vehicle.
  • the battery modules 110 expand towards the center 401 of the vehicle.
  • the loosely mounted first pressure plates 112 of the two battery modules 110 thus face the center 401 of the vehicle.
  • a (common) compression spring 402 is arranged between the two battery modules 110, which is designed to exert a force on the loosely mounted first pressure plates 112 of both batten emodules 110 via toggle levers 403.
  • the force vector can be changed in the path direction of the expansion of the battery module 110 via the toggle lever 403 depending on the extent of the expansion, in particular in order to provide a degressive course of the force as the extent of the expansion increases.
  • torsion springs 405 (as pressure element 313) are used to allow expansion of battery module 110 and thereby to exert a force on loosely mounted first pressure plate 112.
  • 4e shows an example of the position of the first pressure plate 112 in the expanded state of the battery module 110 (pressure plate 112 shown in dashed lines).
  • the leg of a leg spring 405 can be supported on a pressure plate-fixed cam 406 of the pressure plate 112. Via the lever length of the one or more torsion springs 405, which changes when the battery module 110 expands, a degressive course of force can be brought about as the extent of the expansion of the battery module 110 increases.
  • FIG. 5 shows a flow chart of an example method 500 for clamping a battery module 110 , wherein the battery module 110 comprises one or more (e.g. 10 or more or 50 or more) battery cells 111 .
  • the method 500 comprises arranging 501 the one or more battery cells 111 next to one another along the transverse axis of the battery module 110 between two pressure plates 112, 114 such that the distance between the two pressure plates 112, 114 as a result of a change in the spatial spread of the one or more battery cells 111 is variable along the transverse axis within a range of distances.
  • the spread of the one or more battery cells 111 can be increased by an expansion of the one or more battery cells 111 (during a charging process) and/or by a contraction of the one or more battery cells 111 (during a discharging process). be reduced.
  • the distance range may extend between the minimum spread (in the discharged state) and the maximum spread (in the charged state) of the one or more battery cells 111 .
  • the method 500 further includes causing 502, through or via the two pressure plates 112, 114, a compressive force on the one or more battery cells 111 within the entire distance range.
  • a (possibly essentially constant) pressure can thus be exerted on the one or more battery cells 111 over the entire distance range.
  • the measures described in this document make it possible to expand a battery module 110 with adjustable pressure or voltage ratios of the individual battery cells 111 . In this way, the performance of the battery module 110 can be increased.

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Abstract

Es wird ein Batteriemodul zur Speicherung von elektrischer Energie beschrieben, wobei das Batteriemodul ein oder mehrere Batteriezellen umfasst, die zwischen zwei Druckplatten entlang der Querachse des Batteriemoduls nebeneinander angeordnet sind. Das Batteriemodul ist derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen den zwei Druckplatten innerhalb eines Abstandsbereichs veränderbar ist, sodass eine Änderung einer räumlichen Ausbreitung der ein oder mehreren Batteriezellen entlang der Querachse ermöglicht wird. Das Batteriemodul ist ferner derart ausgebildet, dass durch die zwei Druckplatten innerhalb des gesamten Abstandsbereichs eine Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen bewirkt wird.

Description

Batteriemodul und Verfahren zum Verspannen eines Batteriemoduls
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul und ein Verfahren zum Verspannen eines Batteriemoduls, insbesondere einer Festkörperbatterie wie z.B. einer Lithium- Ionen Batterie mit einem Festkörperelektrolyt.
Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug weist eine Batterie bzw. ein Batteriemodul zur Speicherung von elektrischer Energie für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs auf. Das Batteriemodul weist typischerweise eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen, insbesondere eine Vielzahl von Pouch-Zellen, auf, die nebeneinander in einem Gehäuse des Batteriemoduls angeordnet sind. Das Batteriemodul wird während des Betriebs des Fahrzeugs wiederholt geladen und entladen, wobei die einzelnen Batteriezellen im entladenen Zustand bzw. im geladenen Zustand jeweils unterschiedliche räumliche Ausbreitungen aufweisen können. Für einen zuverlässigen Betrieb des Batteriemoduls sollten auch in unterschiedlichen Betriebszuständen des Batteriemoduls bestimmte, insbesondere gleichbleibende, Bedingungen in Bezug auf die Verspannung der einzelnen Batteriezellen eingehalten werden.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, in unterschiedlichen Betriebszuständen eines Batteriemoduls jeweils eine präzise Einstellung von Verspannungs-Bedingungen der einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls zu ermöglichen, insbesondere um ein Batteriemodul mit einer hohen Leistungsfähigkeit bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird daraufhingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird ein Batteriemodul zur Speicherung von elektrischer Energie beschrieben. Das Batteriemodul kann eine Nennspannung von 60V oder mehr, oder von 300V oder mehr, insbesondere von 800V oder mehr, aufweisen. Das Batteriemodul kann ausgebildet sein, elektrische Energie für den Betrieb eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs zu speichern. Ein Kraftfahrzeug kann ggf. mehrere Batteriemodule umfassen, die zusammen eine Batterie für das Kraftfahrzeug bilden. Die einzelnen Batteriemodule können zumindest teilweise in Reihe und/oder zumindest teilweise parallel zueinander geschaltet sein. Beispielsweise können mehrere Batteriemodule in Reihe geschaltet sein, um eine Fahrzeug-Batterie mit einer erhöhten Gesamt-Nennspannung bereitzustellen.
Das Batteriemodul umfasst ein oder mehrere Batteriezellen (insbesondere 10 oder mehr oder 50 oder mehr Batteriezellen), die zwischen zwei Druckplatten entlang der Querachse des Batteriemoduls nebeneinander angeordnet sind. Eine Batteriezellen kann eine Pouch-Zelle sein, wobei die Querachse senkrecht auf der Fläche und/oder auf den Schichten der Pouch-Zelle steht. Die Querachse des Batteriemoduls kann mit der Querachse des Fahrzeugs, in dem das Batteriemodul angeordnet ist, übereinstimmen.
Das Batteriemodul ist derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen den zwei Druckplatten innerhalb eines bestimmten Abstandsbereichs veränderbar ist, sodass eine Änderung der räumlichen Ausbreitung (insbesondere eine Ausdehnung und/oder eine Kontraktion) der ein oder mehreren Batteriezellen entlang der Querachse ermöglicht wird. Insbesondere kann das Batteriemodul derart ausgebildet sein, dass durch die Änderung (Vergrößerung oder Verkleinerung) der räumlichen Ausbreitung der ein oder mehreren Batteriezellen entlang der Querachse eine entsprechende Änderung (Vergrößerung oder Verkleinerung) des Abstands zwischen den zwei Druckplatten bewirkt wird.
Das Batteriemodul kann derart ausgebildet sein, dass eine erste Druckplatte der zwei Druckplatten beweglich (an einem Träger des Fahrzeugs) und eine zweite Druckplatte der zwei Druckplatten unbeweglich (an einem anderen Träger des Fahrzeugs) gelagert ist. So kann in zuverlässiger Weise eine Änderung des Abstands zwischen den beiden Druckplatten ermöglicht werden.
Die ein oder mehreren Batteriezellen können in einem entladenen Zustand entlang der Querachse eine minimale Gesamtausbreitung aufweisen. Ferner können die ein oder mehreren Batteriezellen in einem geladenen Zustand entlang der Querachse eine maximale Gesamtausbreitung aufweisen. Die ein oder mehreren Batteriezellen können somit derart ausgebildet sein, dass sich die ein oder mehreren Batteriezellen bei einem Ladevorgang (entlang der Querachse) ausdehnen und/oder bei einem Entladevorgang (entlang der Querachse) zusammenziehen. Die Ausdehnung kann z.B. im Bereich von 10% der Gesamtausdehnung liegen. Die maximale Gesamtausbreitung der ein oder mehrere Batteriezellen kann z.B. zwischen 5% und 15% über der minimalen Gesamtausbreitung der ein oder mehreren Batteriezellen liegen. Eine derartige Ausdehnung kann insbesondere bei einer elektrochemischen Batteriezelle mit einem Festkörperelektrolyt (einer sogenannten All Solid State Battery, ASSB), insbesondere bei einer Lithium-Ionen Zelle mit Festkörperelektrolyt, vorliegen.
Der Abstandsbereich, in dem sich der Abstand zwischen den zwei Druckplatten verändert, kann nach unten durch die minimale Gesamtausbreitung und nach oben durch die maximale Gesamtausbreitung begrenzt sein. Das Batteriemodul kann ferner derart ausgebildet sein, dass durch die zwei Druckplatten innerhalb des gesamten Abstandsbereichs eine Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen bewirkt wird. Das Batteriemodul kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass durch die zwei Druckplatten eine Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen bewirkt wird, die innerhalb des gesamten Abstandsbereichs um höchstens 20%, insbesondere um höchstens 10%, variiert. Alternativ oder ergänzend kann das Batteriemodul derart ausgebildet sein, dass durch die zwei Druckplatten eine Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen bewirkt wird, sodass innerhalb des gesamten Abstandsbereichs ein Mindestdruck auf die ein oder mehreren Batteriezellen nicht unterschritten wird und/oder ein Maximaldruck auf die ein oder mehreren Batteriezellen nicht überschritten wird. Der Mindestdruck kann z.B. 8 bar oder mehr sein und/oder der Maximaldruck kann 12 bar oder weniger sein.
Es wird somit ein Batteriemodul beschrieben, das ausgebildet ist, sich entlang der Querachse auszudehnen und/oder zusammenzuziehen, um eine entsprechende Ausdehnung und/oder Kontraktion der ein oder mehreren Batteriezellen des Batteriemoduls zu ermöglichen, und um dabei stets einen bestimmten (ggf. im Wesentlichen gleichbleibenden) Druck auf die ein oder mehreren Batteriezellen zu bewirken. So kann in zuverlässiger Weise eine hohe Leistungsfähigkeit des Batteriemoduls ermöglicht werden.
Das Batteriemodul kann zwischen zwei direkt nebeneinander angeordneten Batteriezellen jeweils einen entlang der Querachse beweglich gelagerten Rahmen aufweisen. Durch die einzelnen Rahmen können die Batteriezellen bei der Ausdehnung bzw. bei der Kontraktion geführt werden, um einen möglichst schonenden Betrieb des Batteriemoduls zu ermöglichen.
Das Batteriemodul kann zumindest ein Druckelement umfassen, das ausgebildet ist, die erste (beweglich gelagerte) Druckplatte der zwei Druckplatten zu der zweiten (nicht-beweglich gelagerten) Druckplatte der zwei Druckplatten hin zu drücken und/oder zu ziehen, so dass durch die zwei Druckplatten die Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen bewirkt wird. Das Druckelement kann dabei zumindest ein elastisches Element (z.B. eine Feder) umfassen. So kann in besonders effizienter und zuverlässiger Weise eine Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen bewirkt werden.
Das Druckelement kann zumindest ein flächen- oder bandförmiges Spannelement, insbesondere ein Gummispannband und/oder eine Schlangenfeder, umfassen, das ausgebildet ist, die erste Druckplatte zu der zweiten Druckplatte hin zu ziehen.
Das flächen- oder bandförmige Spannelement kann z. B. einen elastischen Anker bilden, der die beiden Druckplatten miteinander verbindet und zusammenzieht. So kann die Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen in besonders effizienter und zuverlässiger Weise bewirkt werden.
Alternativ oder ergänzend kann das Druckelement zumindest eine Feder, insbesondere eine Blattfeder, eine Druckfeder, eine Schenkelfeder und/oder eine Tellerfeder, umfassen, die ausgebildet ist, die erste Druckplatte zu der zweiten Druckplatte hin zu drücken. Die Feder kann dabei zwischen einem Träger für das Batteriemodul und der ersten Druckplatte angeordnet sein. So kann die Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen in besonders effizienter und zuverlässiger Weise bewirkt werden.
Das Druckelement kann derart ausgebildet sein, insbesondere durch eine in Bezug auf die Querachse schräge Anordnung der Feder und/oder durch Verwendung eines Hebels, dass die Kraft, die von der Feder auf die erste Druckplatte bewirkt wird, in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den zwei Druckplatten verändert wird. Beispielsweise kann das Druckelement eine Schenkelfeder mit einem Schenkel aufweisen, der auf einen mit der ersten Druckplatte verbundenen Nocken einwirkt. Alternativ oder ergänzend kann das Druckelement eine Druckfeder umfassen, die über einen Kniehebel auf die erste Druckplatte einwirkt. So kann in besonders präziser Weise der Verlauf der Kraft eingestellt werden, die je nach Ausdehnung der ein oder mehreren Bateriezellen von dem Druckelement über die erste Druckplate auf die ein oder mehreren Batteriezellen bewirkt wird, um die Leistungsfähigkeit des Batteriemoduls weiter zu erhöhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das zumindest eines der in diesem Dokument beschriebenen Batteriemodule umfasst. Das Fahrzeug kann insbesondere mehrere Batteriemodule umfassen, die z.B. teilweise in Reihe und/oder parallel zueinander angeordnet sein können. Des Weiteren kann das Fahrzeug zumindest einen Träger umfassen, an dem die ein oder mehreren Batteriemodule befestigt sind.
Das Fahrzeug kann ein erstes Bateriemodul und ein zweites Batteriemodul umfassen. Das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul können derart in dem Fahrzeug angeordnet sein, dass sich der Abstand zwischen der beweglich gelagerten Druckplatte des ersten Batteriemoduls und der beweglich gelagerten Druckplatte des zweiten Batteriemoduls reduziert, wenn sich in dem ersten Batteriemodul und/oder in dem zweiten Batteriemodul der Abstand zwischen den zwei Druckplatten des jeweiligen Batteriemoduls erhöht.
Das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul können ein gemeinsames Druckelement aufweisen, das auf die beweglich gelagerte Druckplatte des ersten Batteriemoduls und auf die beweglich gelagerte Druckplatte des zweiten Batteriemoduls einwirkt, um die Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen des ersten Batteriemoduls und die Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen des zweiten Batteriemoduls zu bewirken. So können in besonders effizienter Weise mehrere Batteriemodule in einem Fahrzeug bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Verspannen eines Batteriemoduls beschrieben, das ein oder mehrere Batteriezellen umfasst. Das Verfahren umfasst das Anordnen der ein oder mehreren Batteriezellen derart nebeneinander entlang der Querachse des Batteriemoduls zwischen zwei Druckplatten, dass der Abstand zwischen den zwei Druckplatten infolge einer Änderung der räumlichen Ausbreitung der ein oder mehreren Batteriezellen entlang der Querachse innerhalb eines Abstandsbereichs veränderbar ist. Das Verfahren umfasst ferner das Bewirken einer Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen innerhalb des gesamten Abstandsbereichs. Die Druckkraft kann dabei durch die zwei Druckplatten (und anhand von ein oder mehreren Druckelementen) bewirkt werden. Mit anderen Worten, im Rahmen des Verfahrens kann innerhalb des gesamten Abstandsbereichs eine Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen bewirkt werden. Die Druckkraft kann dabei anhand der ein oder mehreren Druckelemente über die Druckplatten auf die ein oder mehreren Batteriezellen bewirkt werden.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur la ein beispielhaftes Fahrzeug mit einer Batterie bzw. mit einem Batteriemodul zur Speicherung von elektrischer Energie;
Figur lb eine beispielhafte Lagerung eines Batteriemoduls in einem Fahrzeug; Figur 2 eine beispielhafte Lagerung eines Batteriemoduls, das eine räumliche Ausdehnung der Batteriezellen des Batteriemoduls ermöglicht;
Figuren 3a bis 3c unterschiedliche Ansichten eines Batteriemoduls mit einem beispielhaften elastischen Druckelement; Figuren 4a bis 4e unterschiedlich ausgebildete elastische Druckelemente; und Figur 5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Verspannen eines Batteriemoduls.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten und präzisen Einstellung von Bedingungen für die mechanischen Spannungen der Batteriezellen eines elektrischen Batteriemoduls, insbesondere einer Festkörperbatterie, in unterschiedlichen Betriebszuständen des Batteriemoduls. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. la ein beispielhaftes Fahrzeug 100 mit einem Batteriemodul 110 zur Speicherung von elektrischer Energie und einem elektrischen Antriebsmotor 105, der mit elektrischer Energie aus dem Batteriemodul 110 betrieben wird. Dabei ist ein Batteriemodul 110 typischerweise innerhalb eines Batteriegehäuses (das ggf. mehrere Batteriemodule 110 umschließt) in dem Fahrzeug 100 verbaut.
Fig. lb veranschaulicht eine beispielhafte Lagerung eines Batteriemoduls 110 in einem Fahrzeug 100. Das Fahrzeug 100 kann (zumindest oder genau) zwei Längsträger 101 aufweisen, die entlang der Längsachse des Fahrzeugs 100 ausgerichtet sind. Zwischen den Längsträgern 101 können Querträger 102 angeordnet sein, die entlang der Querachse des Fahrzeugs 100 ausgerichtet sind. Das Batteriemodul 110 kann an ein oder mehreren Längsträgern 101 und/oder an ein oder mehreren Querträgern 102 des Fahrzeugs 100 gelagert sein.
Das Batteriemodul 110 umfasst ein oder mehrere Batteriezellen 111, insbesondere Pouch-Zellen. Die einzelnen flächigen Batteriezellen 111 können derart im Fahrzeug 100 angeordnet sein, dass die Fläche einer Batteriezelle 111, insbesondere dass die einzelnen Schichten einer Batteriezellen 111, innerhalb einer von der Längsachse und von der Höhenachse des Fahrzeugs 100 aufgespannten Ebene angeordnet ist. Die einzelnen Batteriezellen 111 sind dann entlang der Querachse des Fahrzeugs 100 nebeneinander angeordnet. Die Dicke einer Batteriezelle 111 erstreckt sich somit entlang der Querachse des Fahrzeugs 100
Das Batteriemodul 110 weist zwei Druckplatten 112, 114 auf, zwischen denen die ein oder mehreren Batteriezellen 111 angeordnet sind. Die einzelnen Druckplatten 112, 114 sind dabei jeweils in einer von der Längsachse und von der Höhenachse des Fahrzeugs 100 aufgespannten Ebene angeordnet. Die beiden Druckplatten 112, 114 werden über Anker 113 miteinander verbunden, wobei sich die einzelnen Anker 113 entlang der Querachse des Fahrzeugs 100 erstrecken. Über die Anker 113 können die Druckplatten 112, 114 zusammengezogen werden, um einen Druck auf die ein oder mehreren dazwischenliegenden Batteriezellen 111 zu bewirken. Beispielsweise kann durch die Anker 113 ein Druck von ca. lObar auf die einzelnen Batteriezellen 111 bewirkt werden. Der Druck auf die einzelnen Batteriezellen 111 kann für einen zuverlässigen Betrieb der Batteriezellen 111 erforderlich sind.
Die einzelnen Batteriezellen 111 können ausgebildet sein, wie dies insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen mit einem Festkörperelektrolyt der Fall ist, sich während eines Ladevorgangs auszudehnen und/oder sich während eines Entladevorgangs zusammenzuziehen. Das Ausdehnen und/oder das Schrumpfen können dabei insbesondere eine Änderung der Dicke der einzelnen Batteriezellen 111 (entlang der Querachse des Fahrzeugs 100 bzw. des Batteriemoduls 110) bewirken. Beispielsweise kann sich die Dicke der einzelnen Batteriezellen 111 zwischen dem entladenen Zustand und dem geladenen Zustand um ca. 10% ändern.
Die Änderung der Dicke führt zu einer entsprechenden Änderung des Drucks bzw. der Spannung, der bzw. die über die Druckplatten 112, 114 auf die bzw. in den einzelnen Batteriezellen 111 bewirkt wird. Insbesondere können sich der Druck bzw. die Spannung beim Laden des Batteriemoduls 110 erhöhen, während sich der Druck bzw. die Spannung beim Entladen des Batteriemoduls 110 reduziert. Folglich ändern sich die mechanischen Spannungs-Bedingungen der einzelnen Batteriezellen 111 in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Batteriemoduls 110, was zu einer Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des Batteriemoduls 110 führen kann.
Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Lagerung eines Batteriemoduls 110, das eine Änderung des Volumens des Batteriemoduls 110 während des Betriebs des Batteriemoduls 110 ermöglicht. Insbesondere ermöglicht die in Fig. 2 dargestellte Lagerung eine Änderung der Dicke der einzelnen Batteriezellen 111 des Batteriemoduls 110 (entlang der Querachse des Fahrzeugs 100 bzw. des Batteriemoduls 110). In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist eine zweite Druckplatte 114 des Batteriemoduls 110 über ein oder mehrere Festlager fest mit einem Träger 101, 102 verbunden. Andererseits ist die gegenüberliegende erste Druckplatte 112 des Batteriemoduls 110 über ein oder mehrere Loslager beweglich an einem Träger 102, insbesondere an einem Querträger, gelagert, so dass sich die beweglich gelagerte erste Druckplatte 112 zu der fest gelagerten zweiten Druckplatte 114 hin und/oder von der fest gelagerten zweiten Druckplatte 114 weg bewegen kann (und somit eine Änderung der Dicke der einzelnen Batteriezellen 111 ermöglicht).
Die beiden Druckplatten 112, 114 können über Anker 113 miteinander verbunden sein, die eine veränderbare Länge aufweisen, um eine Änderung der Gesamtdicke des Batteriemoduls 110 (entlang der Querachse) zu ermöglichen. Insbesondere können die Anker 113 ausgebildet sein, sich entsprechend zu der Ausdehnung des Batteriemoduls 110 auszudehnen und dabei ggf. einen im Wesentlichen konstanten Druck auf die einzelnen Batteriezellen 111 auszuüben (der im Idealfall unabhängig von der Ausdehnung der Anker 113 ist). Die einzelnen Anker 113 können zu diesem Zweck ein oder mehrere elastische Spannelemente aufweisen (bzw. als solche ausgebildet sein). Figuren 3a bis 3c zeigen unterschiedliche Ansichten eines Batteriemoduls 110, bei dem die beiden Druckplatten 112, 114 an zwei gegenüberliegenden Kanten über jeweils ein Spannelement 313, z.B. über jeweils ein elastisches (Gummi-) Band, miteinander verbunden sind. Die Spannelemente 313 sind ausgebildet, sich auszudehnen bzw. sich zusammenzuziehen, um eine Ausdehnung der Batteriezellen 111 zu ermöglichen. Die einzelnen Batteriezellen 111 sind in dem in den Figuren 3a bis 3c dargestellten Beispiel jeweils in einem Zellenrahmen 311 angeordnet, wobei sich die Zellenrahmen 311 bei einem Ausdehnen der einzelnen Batteriezellen 111 voneinander weg und bei einem Schrumpfen der einzelnen Batteriezellen 111 zueinander hin bewegen können. Die einzelnen Batteriezellen 111 sind über Zellkontaktierungen 315 elektrisch leitend miteinander verbunden (z.B. zu einer Reihenschaltung der einzelnen Batteriezellen 111).
Fig. 3 a zeigt eine Ansicht von der Seite auf das Batteriemodul 110 (d.h. die Höhenachse entspricht der vertikalen Achse und die Querachse entspricht der horizontalen Achse in Fig. 3a). Fig. 3b zeigt den durch die Pfeile in Fig. 3a angezeigten Schnitt durch das Batteriemodul 110. Fig. 3c zeigt einen Schnitt durch das Batteriemodul 110, bei dem die vertikale Achse der Höhenachse und die horizontale Achse der Längsachse entspricht. In Fig. 3c wird verdeutlicht, wie das Batteriemodul 110 beweglich an Querträgern 102 des Fahrzeugs 100 gelagert ist, um eine Ausdehnung und/oder Kontraktion des Batteriemoduls 110 entlang der Querachse zu ermöglichen.
Es können somit flächige Spannelemente 313 aus einem geeigneten Material (z.B. Gummi) verwendet werden, die eine 10% Zelllängen- bzw. Zelldickenänderung bei (ggf. annähernd) konstanter Kraft (z.B. 10 bar Druck bezogen auf die Zellfläche) ermöglichen. Die Spannelemente 313 können z. B. derart ausgebildet sein, dass die bei einer 10% Zelllängen- bzw. Zelldickenänderung bewirkte Kraft um höchstens 10% oder um höchstens 20% von einem Kraft-Mittelwert abweicht. Die Spannelemente 313 können mit den an einem Batteriemodul 110 angeordneten Druckplatten 112, 114 form- und/oder kraftschlüssig verbunden sein. Die Zelllängen- bzw. Zelldickenänderung von 10% kann durch eine Fest- /Loslageranordnung eines Batteriemoduls 110 ermöglicht.
Die Zellen 111 können in Rahmen 311 gelagert werden, wobei die einzelnen Rahmen 311 so gestapelt sein können, dass sie zueinander eine Führung bilden. Zwischen zwei Rahmen 311 kann jeweils eine Zelle 111 angeordnet sein. Die Anzahl der Rahmen 311 pro Modul 110 kann somit um 1 niedriger als die Anzahl der Zellen 111 sein. Die beiden Druckplatten 112, 114 können jeweils den Anfangs- und den Endrahmen bilden. Ggf. kann zwischen den einzelnen Zellen 111 jeweils eine Zwischenlage (z.B. als Kleber oder als lose Zwischenlage) angeordnet sein, die ausgebildet ist, Scherspannungen aufgrund der Relativbewegungen der Zellen 111 aufzunehmen und/oder eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung zu ermöglichen. Die Scherspannungen können dabei insbesondere dadurch bewirkt werden, dass die Ausdehnung der einzelnen Zellen 111 in alle räumlichen Richtungen erfolgt.
Die in Figuren 3a bis 3c gezeigten Spannelemente können allgemein als Druckelemente 313 bezeichnet werden, die ausgebildet sind, über die Druckplatten 112, 114 einen Druck auf die ein oder mehreren Zellen 111 zu bewirken.
Figuren 4a bis 4e veranschaulichen unterschiedliche Ausgestaltungen von Druckelementen 313, die eine Ausdehnung der Batterie 110 bei einem (zumindest annähernd) gleichbleibenden Druck auf das Batteriemodul 110 bzw. auf die einzelnen Batteriezellen 111 ermöglichen. Fig. 4a zeigt die Verwendung von ein oder mehreren Schlangenfedern als Spannelemente 313. Eine Schlangenfeder kann dabei bereits im nicht-ausgedehnten Zustand des Batteriemoduls 110 eine bestimmte Vorspannung (z.B. 50% Dehnung) aufweisen, um eine Kraft auf die Batteriezellen 111 zu bewirken. Fig. 4b zeigt die Verwendung einer Blattfeder als Druckelement 313 zum Bewirken einer Spannung innerhalb der Batteriezellen 111. Die Blattfeder kann z.B. zwischen einem (Längs-) Träger 101 und der lose gelagerten erste Druckplatte 112 des Batteriemoduls 110 angeordnet sein, um einen Druck auf die lose gelagerte erste Druckplatte 112 auszuüben. Die Blattfeder stützt sich somit auf einer Seite gegen den Träger 101 und auf der anderen Seite gegen die erste Druckplatte 112 ab. In dem in Fig. 4b dargestellten Beispiel kann in der Fahrzeugmitte 401 ein Festlager 314 zur Lagerung des Batteriemoduls 110, insbesondere zur Lagerung der zweiten Druckplatte 114, angeordnet sein. Die in Fig. 4b dargestellte Batterie- Anordnung kann in gespiegelter Weise in der anderen Hälfte des Fahrzeugs 100 angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend zu einer Blattfeder kann eine Tellerfeder verwendet werden.
Fig. 4c zeigt die Verwendung von Druckfedern 402 (als Druckelement 313), die zwischen einem (Längs-) Träger 101 und der lose gelagerten erste Druckplatte 112 angeordnet sind, um einen Druck auf die erste Druckplatte 112 auszuüben.
Die Druckfedern 402 können, wie in Fig. 4c dargestellt, paarweise schräg zu der Querachse angeordnet sein, so dass sich bei Ausdehnung des Batteriemoduls 110 der Kraftvektor verändert und ggf. einen degressiven Kraftverlauf ermöglicht (bei Ausdehnung des Batteriemoduls 111 kippen die Druckfedem 402 zur Seite, so dass sich der Kraftanteil der Druckfedern 402 in Wegrichtung zu der Ausdehnung des Batteriemoduls 110 verkleinert). Durch den Winkel der Druckfedern 402 kann somit der Verlauf der auf die erste Druckplatte 112 wirkenden Kraft eingestellt werden.
Fig. 4d veranschaulicht eine Anordnung von Batteriemodulen 110 auf beiden Seiten bezogen auf die Fahrzeugmitte 401. Bei den in Fig. 4d gezeigten Batteriemodulen 110 erfolgt die Ausdehnung der Batteriemodule 110 zu der Fahrzeugmitte 401 hin. Die lose gelagerten ersten Druckplatten 112 der beiden Batteriemodule 110 sind somit der Fahrzeugmitte 401 zugewandt. Zwischen den beiden Batteriemodulen 110 ist eine (gemeinsame) Druckfeder 402 angeordnet, die ausgebildet ist, über Kniehebel 403 jeweils eine Kraft auf die lose gelagerten ersten Druckplatten 112 beider Batten emodule 110 auszuüben. Über die Kniehebel 403 kann der Kraftvektor in Wegrichtung der Ausdehnung der Batteri emodule 110 in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Ausdehnung verändert werden, insbesondere um einen degressiven Kraftverlauf mit steigendem Ausmaß der Ausdehnung bereitzustellen.
Fig. 4e zeigt ein Beispiel, bei dem Schenkelfedern 405 (als Druckelement 313) dazu verwendet werden, eine Ausdehnung des Batteriemoduls 110 zu ermöglichen und dabei eine Kraft auf die lose gelagerte erste Druckplatte 112 auszuüben. Fig. 4e zeigt beispielhaft die Lage der ersten Druckplatte 112 im ausgedehnten Zustand des Batteriemoduls 110 (gestrichelt dargestellte Druckplatte 112). Der Schenkel einer Schenkelfeder 405 kann sich an einem druckplattenfesten Nocken 406 der Druckplatte 112 abstützen. Über die sich bei Ausdehnung des Batteriemoduls 110 ändernde Hebellänge der ein oder mehreren Schenkelfedern 405 kann ein degressiver Kraftverlauf bei zunehmendem Ausmaß der Ausdehnung des Batteriemoduls 110 bewirkt werden.
Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zum Verspannen eines Batteriemoduls 110, wobei das Batteriemodul 110 ein oder mehrere (z.B. 10 oder mehr oder 50 oder mehr) Batteriezellen 111 umfasst.
Das Verfahren 500 umfasst das Anordnen 501 der ein oder mehreren Batteriezellen 111 derart nebeneinander entlang der Querachse des Batteriemoduls 110 zwischen zwei Druckplatten 112, 114, dass der Abstand zwischen den zwei Druckplatten 112, 114 infolge einer Änderung der räumlichen Ausbreitung der ein oder mehreren Batteriezellen 111 entlang der Querachse innerhalb eines Abstandsbereichs veränderbar ist. Die Ausbreitung der ein oder mehreren Batteriezellen 111 kann durch eine Ausdehnung der ein oder mehreren Batteriezellen 111 (bei einem Ladevorgang) erhöht und/oder durch eine Kontraktion der ein oder mehreren Batteriezellen 111 (bei einem Entladevorgang) reduziert werden. Der Abstandsbereich kann sich zwischen der Minimalausbreitung (im entladenen Zustand) und der Maximalausbreitung (im geladenen Zustand) der ein oder mehreren Batteriezellen 111 erstrecken. Das Verfahren 500 umfasst ferner das Bewirken 502, durch bzw. über die zwei Druckplatten 112, 114, einer Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen 111 innerhalb des gesamten Abstandsbereichs. Es kann somit über den gesamten Abstandsbereich ein (ggf. im Wesentlichen gleichbleibender) Druck auf die ein oder mehreren Batteriezellen 111 bewirkt werden.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann eine Ausdehnung eines Batteriemoduls 110 mit einstellbaren Druck- bzw. Spannungsverhältnissen der einzelnen Batteriezellen 111 ermöglicht werden. So kann die Leistungsfähigkeit des Batteriemoduls 110 erhöht werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Ansprüche
1) Batteriemodul (110) zur Speicherung von elektrischer Energie; wobei
- das Batteriemodul (110) ein oder mehrere Batteriezellen (111) umfasst, die zwischen zwei Druckplatten (112, 114) entlang einer
Querachse des Batteriemoduls (110) nebeneinander angeordnet sind; und
- das Batteriemodul (110) derart ausgebildet ist, dass
- ein Abstand zwischen den zwei Druckplatten (112, 114) innerhalb eines Abstandsbereichs veränderbar ist, sodass eine
Änderung einer räumlichen Ausbreitung der ein oder mehreren Batteriezellen (111) entlang der Querachse ermöglicht wird; und
- durch die zwei Druckplatten (112, 114) innerhalb des gesamten Abstandsbereichs eine Druckkraft auf die ein oder mehreren
Batteriezellen (111) bewirkt wird.
2) Batteriemodul (110) gemäß Anspruch 1, wobei
- die ein oder mehreren Batteriezellen (111) entlang der Querachse in einem entladenen Zustand eine minimale Gesamtausbreitung aufweisen;
- die ein oder mehreren Batteriezellen (111) entlang der Querachse in einem geladenen Zustand eine maximale Gesamtausbreitung aufweisen; - die maximale Gesamtausbreitung insbesondere zwischen 5% und 15% über der minimalen Gesamtausbreitung liegt; und
- der Abstandsbereich nach unten durch die minimale Gesamtausbreitung und nach oben durch die maximale Gesamtausbreitung begrenzt wird. 3) Batteriemodul (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodul (110) derart ausgebildet ist, dass durch die zwei Druckplatten (112, 114) eine Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen (111) bewirkt wird, die innerhalb des gesamten Abstandsbereichs um höchstens 20%, insbesondere um höchstens 10%, variiert.
4) Batteriemodul (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- das Batteriemodul (110) derart ausgebildet ist, dass durch die zwei Druckplatten (112, 114) eine Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen (111) bewirkt wird, sodass innerhalb des gesamten Abstandsbereichs ein Mindestdruck auf die ein oder mehreren Batteriezellen (111) nicht unterschritten wird und/oder ein Maximaldruck auf die ein oder mehreren Batteriezellen (111) nicht überschritten wird; und
- der Mindestdruck insbesondere 8bar ist und/oder der Maximaldruck insbesondere 12bar ist.
5) Batteriemodul (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodul (110) zumindest ein Druckelement (313) umfasst, das ausgebildet ist, eine erste Druckplatte (112) der zwei Druckplatten (112, 114) zu einer zweiten Druckplatte (114) der zwei Druckplatten (112, 114) hin zu drücken und/oder zu ziehen, so dass durch die zwei Druckplatten (112, 114) die Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen (111) bewirkt wird.
6) Batteriemodul (110) gemäß Anspruch 5, wobei das Druckelement (313) zumindest ein flächen- oder bandförmiges Spannelement, insbesondere ein Gummispannband und/oder eine Schlangenfeder, umfasst, das ausgebildet ist, die erste Druckplatte (112) zu der zweiten Druckplatte (114) hin zu ziehen.
7) Batteriemodul (110) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei das Druckelement (313) zumindest eine Feder, insbesondere eine Blattfeder, eine Druckfeder, eine Schenkelfeder und/oder eine Tellerfeder, umfasst, die ausgebildet ist, die erste Druckplatte (112) zu der zweiten Druckplatte (114) hin zu drücken.
8) Batteriemodul (110) gemäß Anspruch 7, wobei das Druckelement (313) derart ausgebildet ist, insbesondere durch eine in Bezug auf die Querachse schräge Anordnung der Feder und/oder durch Verwendung eines Hebels (403), dass eine Kraft, die von der Feder auf die erste Druckplatte (112) bewirkt wird, in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den zwei Druckplatten (112, 114) verändert wird.
9) Batteriemodul (110) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei das Druckelement (313) eine Schenkelfeder mit einem Schenkel aufweist, der auf einen mit der ersten Druckplatte (112) verbundenen Nocken (406) einwirkt.
10) Batteriemodul (110) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Druckelement (313) eine Druckfeder umfasst, die über einen Kniehebel (403) auf die erste Druckplatte (112) einwirkt.
11) Batteriemodul (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodul (110) derart ausgebildet ist, dass eine erste Druckplatte (112) der zwei Druckplatten (112, 114) beweglich und eine zweite Druckplatte
(114) der zwei Druckplatten (112, 114) unbeweglich gelagert ist.
12) Batteriemodul (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodul (110) zwischen zwei direkt nebeneinander angeordneten Batteriezellen (111) jeweils einen entlang der Querachse beweglich gelagerten Rahmen (311) aufweist.
13) Fahrzeug (100), das umfasst,
- zumindest einen Träger (101, 102); und - zumindest ein Batteriemodul (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das an dem Träger (101, 102) gelagert ist.
14) Fahrzeug (100) gemäß Anspruch 13, wobei
- das Fahrzeug (100) ein erstes Batteriemodul (110) und ein zweites Batteriemodul (110) umfasst; und
- das erste Batteriemodul (110) und das zweite Batteriemodul (110) derart in dem Fahrzeug (100) angeordnet sind, dass sich ein Abstand zwischen einer beweglich gelagerten Druckplatte (112) des ersten Batteriemoduls (110) und einer beweglich gelagerten Druckplatte
(112) des zweiten Batteriemoduls (110) reduziert, wenn sich in dem ersten Batteriemodul (110) und/oder in dem zweiten Batteriemodul (110) der Abstand zwischen den zwei Druckplatten (112, 114) des jeweiligen Batteriemoduls (110) erhöht.
15) Fahrzeug (100) gemäß Anspruch 14, wobei das erste Batteriemodul (110) und das zweite Batteriemodul (110) ein gemeinsames Druckelement (313) aufweisen, das auf die beweglich gelagerte Druckplatte (112) des ersten Batteriemoduls (110) und auf die beweglich gelagerte Druckplatte (112) des zweiten Batteriemoduls (110) einwirkt, um die Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen (111) des ersten Batteriemoduls (110) und die Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen (111) des zweiten Batteriemoduls (110) zu bewirken.
16) Verfahren (500) zum Verspannen eines Batteriemoduls (110); wobei das Batteriemodul (110) ein oder mehrere Batteriezellen (111) umfasst; wobei das Verfahren (500) umfasst,
- Anordnen (501) der ein oder mehreren Batteriezellen (111) derart nebeneinander entlang einer Querachse des Batteriemoduls (110) zwischen zwei Druckplatten (112, 114), dass ein Abstand zwischen den zwei Druckplatten (112, 114) infolge einer Änderung einer räumlichen Ausbreitung der ein oder mehreren Batteriezellen (111) entlang der Querachse innerhalb eines Abstandsbereichs veränderbar ist; und
- Bewirken (502), durch die zwei Druckplatten (112, 114), einer Druckkraft auf die ein oder mehreren Batteriezellen (111) innerhalb des gesamten Abstandsbereichs.
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