DE102020130835A1

DE102020130835A1 - Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020130835A1
Application number: DE102020130835.3A
Authority: DE
Inventors: Tamas GYULAI
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2022-05-25
Also published as: US20220166101A1; CN114530661A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung (2) zur Speicherung elektrischer Energie, wobei ein Gehäuserahmen (3) der Energiespeichervorrichtung (2) an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuserahmens (3) jeweilige Gehäuseendwände (4) aufweist. Die Energiespeichervorrichtung (2) weist zumindest einen Batteriezellenstapel (5) auf, wobei an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten (8) des Batteriezellenstapels (5) jeweilige Stapelendplatten (9) angeordnet sind, die in dem Gehäuserahmen (3) der Energiespeichervorrichtung (2) befestigt sind und durch die der Batteriezellenstapel (5) mit einem kompressiven Druck beaufschlagt ist. Die Stapelendplatten (9) sind parallel zu den Gehäuseendwänden (4) ausgerichtet. Es ist vorgesehen, dass zumindest eine der Stapelendplatten (9) und eine dieser gegenüberliegenden Gehäuseendwand (4) durch einen batteriezellenstapelfreien Raum (10) voneinander getrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung und ein Kraftfahrzeug, umfassend zumindest eine Energiespeichervorrichtung.
Energiespeichervorrichtungen für elektrisch betriebene Fahrzeuge weisen einen hierarchischen Aufbau auf. Eine Energiespeichervorrichtung umfasst mehrere Batteriezellen, bei denen es sich in der Regel um Lithiumionenzellen handelt. Mehrere dieser Batteriezellen werden zusammen mit einem Steuermodul in einem Modulgehäuse als Batteriemodul angeordnet. Die Batteriemodule werden zusammen in einem Batteriegehäuse, auch Batterierahmen genannt, angeordnet, welches die Batteriemodule vor mechanischen Belastungen von außen schützt. Um eine Zellalterung, insbesondere bei Lithiumionenzellen zu reduzieren ist es üblich, diese durch das jeweilige Modulgehäuse kompressiv vorzuspannen. Bei Energiespeichervorrichtungen, die nach der Cell-to-Pack-Hierarchie aufgebaut sind, wird auf eine Anordnung der Batteriezellen in Batteriemodulen verzichtet. Folglich entfällt das Modulgehäuse, das üblicherweise zur Vorspannung der Batteriezellen verwendet wird. Stattdessen werden die einzelnen Batteriezellen entweder ohne mechanische Vorspannung direkt in das Batteriegehäuse eingebaut oder sie werden in einem Batteriezellenstapel angeordnet, welcher auch als Stack bezeichnet wird, der mit einem einfachen Zugband kompressiv vorgespannt wird.
Bei einem Verzicht auf die mechanische Vorspannung tritt bei Batteriezellen eine stärkere Zellalterung auf. Eine mechanischen Vorspannung des Batteriezellenstapels durch das Batteriegehäuse ist nur eingeschränkt möglich. Das Batteriegehäuse ist primär dafür vorgesehen, den Batteriezellenstapel vor mechanischer Deformation durch äußere Einflüsse, insbesondere bei einem Unfall zu schützen. Die Problematik hierbei besteht in den unterschiedlichen Anforderungen, welche durch beide Aufgaben an das Gehäuse gestellt werden. Ein Batteriegehäuse, welches die Batteriezellen vor einer äußeren mechanischen Verformung schützen soll muss relativ starr sein, um eine Deformation des Batteriegehäuses und somit eine Schädigung der Batteriezellen im Fall eines Unfalls zu vermeiden. Hierbei ist darauf zu achten, dass das Batteriegehäuse derart ausgelegt ist, dass es eine schlagartig wirkende Belastung von beispielsweise 120 Kilonewton aufnehmen kann ohne zu zerbrechen. Ein Biegen des Batteriegehäuses muss ebenfalls minimal bleiben.
Für eine Ausübung einer mechanischen Vorspannung auf den Batteriezellenstapel durch das Batteriegehäuse ist dagegen eine bestimmte Flexibilität gefordert, damit sich dieses in einem bestimmten Umfang Biegen kann. Dies ist erforderlich, weil sich das Volumen der Batteriezellen während eines Ladezyklus und aufgrund von Alterungsprozessen während der Lebenszeit der Batteriezellen ändert. Durch Alterungsprozesse nimmt das Batteriezellenvolumen zu, wodurch ein durch die Batteriezellen auf ein Gehäuse ausgeübter Druck steigt. Deshalb ist es erforderlich, dass das Batteriegehäuse in einem bestimmten Maß nachgibt, um den sich ändernden Druck zu kompensieren. Dabei muss das Batteriegehäuse derart ausgelegt sein, dass eine Materialermüdung durch die zyklische Belastung während der Ladezyklen möglichst gering ist.
Aufgrund dieser unterschiedlichen Anforderungen an das Gehäuse ist bisher keine Lösung gefunden worden, welche beide Aufgaben zugleich in einem zufriedenstellendem Umfang erfüllt.
In der DE 10 2017 216 782 A1 ist ein Batteriemodulgehäuse für ein Fahrzeug beschrieben. Bei dem dargestellten Batteriemodulgehäuse handelt es sich um ein Gehäuse, welches ein Batteriemodul umfasst. Das Batteriemodulgehäuse umfasst mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme und Fixierung eines Zugbandes, wodurch das Batteriemodul vorgespannt wird.
In der DE 10 2011 106 116 A1 ist ein Akkublock aus prismatischen Akkuzellen beschrieben. Es ist vorgesehen, dass der Akkublock aus einer Vielzahl einzelner Akkuzellen besteht, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Um diese Akkuzellen des Akkublocks mechanisch sicher zu fixieren, damit sie sich bei äußerer Kraft- und Vibrationseinwirkung nur wenig bewegen und andererseits ausreichend Freiraum haben, um Volumenänderungen aufzufangen, weist der Akkublock Spannplatten auf, die mittels Zugbändern eine elastische Spannvorrichtung bilden und die prismatischen Akkuzellen zu einem stabilen Paket vorspannen.
Die DE 10 2011 076 583 A1 beschreibt ein Energiespeichermodul aus mehreren insbesondere prismatischen Speicherzellen und ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls. Das Energiespeichermodul umfasst mehrere, insbesondere prismatische Speicherzellen, die mindestens in einer Reihe gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen mindestens zwei Endplatten über mindestens einen Zuganker oder eine Wicklung verspannt sind. Dabei weist zumindest eine der Endplatten eine Schichtstruktur aus mindestens drei Schichten auf und/oder der Zuganker besteht aus einem Faserverbundmaterial.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, welche sowohl die Anforderung gegen eine äußere mechanische Belastung, als auch für eine ausreichende Vorspannung des Batteriezellenstapels erfüllt.
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie. Die Energiespeichervorrichtung kann beispielsweise ein Traktionsakkumulator sein, der dafür vorgesehen ist, Energie zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs zu speichern. Die Energiespeichervorrichtung weist einen Gehäuserahmen auf. Dieser kann beispielsweise Stahl oder eine Aluminiumlegierung enthalten und dazu vorgesehen sein, die funktionellen Komponenten der Energiespeichervorrichtung vor mechanischen Schäden zu schützen. Der Gehäuserahmen der Energiespeichervorrichtung weist an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuserahmens jeweilige Gehäuseendwände auf. Der Gehäuserahmen kann beispielsweise als quaderförmiger Rahmen gestaltet sein, der an seinen Längsenden die beiden Gehäuseendwände aufweisen kann. Die Energiespeichervorrichtung weist zumindest einen Batteriezellenstapel auf, wobei an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Batteriezellenstapels jeweilige Stapelendplatten angeordnet sind, die in dem Gehäuserahmen der Energiespeichervorrichtung befestigt sind und durch die der Batteriezellenstapel mit einem kompressiven Druck beaufschlagt ist. Mit anderen Worten ist der zumindest eine Batteriezellenstapel zwischen den Gehäuseendwänden angeordnet, sodass durch den Gehäuserahmen über die zwei Stapelendplatten ein kompressiver Druck auf dem Batteriezellenstapel lastet. Mit anderen Worten wird der Batteriezellenstapel durch die zwei Stapelendplatten zusammengedrückt. Die Stapelendplatten des zumindest einen Batteriezellenstapels sind parallel zu den Gehäuseendwänden ausgerichtet. Es ist vorgesehen, dass zumindest eine der Stapelendplatten von einer dieser gegenüberliegenden Gehäuseendwand durch einen batteriezellezellenstapelfreien Raum voneinander getrennt ist. Mit anderen Worten liegt zumindest eine der Stapelendplatten nicht an einer dieser gegenüberliegenden Gehäuseendwand an, sondern wird durch einen Freiraum von dieser räumlich getrennt. Zwischen dieser Stapelendplatte und der gegenüberliegenden Gehäuseendwand befindet sich somit kein Batteriezellenstapel. Stattdessen kann sich in diesem Bereich ein Hohlraum oder eine Crashstruktur befinden, welche zur plastischen Aufnahme von Verformungen vorgesehen sein kann. Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Energiespeichervorrichtung sowohl die Anforderungen gegenüber einer von außen wirkenden mechanischen Belastung erfüllt, als auch eine Vorspannung des Batteriezellenstapels ermöglicht. Der Gehäuserahmen und die Gehäuseendwände können dabei zum Schutz des Batteriestapels bei Unfällen ausgelegt sein. Dagegen können die Stapelendplatten dazu ausgelegt sein, einen Vordruck auf den Batteriezellenstapel auszuüben und gegenüber Volumenschwankungen des Batteriezellenstapels in einem bestimmten Maß nachzugeben. Die Stapelendplatten können hierbei auf eine zyklische Belastung ausgelegt sein, um eine Materialermüdung durch die zyklischen Volumenänderung des Batteriezellenstapels zu beschränken. Die Gehäuseendwand kann dagegen dazu ausgelegt sein, besonders hohen äußeren, schlagartig wirkenden mechanischen Belastungen standzuhalten und nur in einem geringeren Maß nachzugeben. Durch die Bereitstellung eines Zwischenraums zwischen der Stapelendplatte und der Gehäuseendwand kann sich kann die Stapelendplatte zu einem gewissen nach Maß nachgeben, ohne dabei durch die Gehäuseendwand behindert zu werden. Zudem kann durch den Zwischenraum eine Knautschzone eingerichtet sein, sodass eine nachgebende Gehäuseendwand nicht direkt auf die Stapelendplatte einwirkt und diese schädigt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Stapelendplatten als Kompositplatten mit zumindest zwei Schichten ausgebildet sind. Mit anderen Worten handelt es sich bei den Stapelendplatten um Platten mit einer Kompositstruktur aus zumindest zwei aufeinander angeordneten Schichten. Eine solche Anordnung ist auch als Sandwichstruktur bekannt. Die zwei Schichten bestehen aus unterschiedlichen Materialien oder Phasen, welche unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass die mechanischen Eigenschaften von zwei unterschiedlichen Schichten miteinander kombiniert werden können. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine erste Schicht einer Stapelendplatte nachgiebiger gegenüber einer Verformung des Batteriezellenstapels ist als eine zweite der zumindest zwei Schichten. Dadurch kann beispielsweise die erste Schicht für leichte Deformationen ausgelegt sein, während die zweite Schicht für stärkere Deformationen ausgelegt ist, welche nicht durch die erste Schicht aufgefangen werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Stapelendplatten als Kompositplatten mit einer Stahlschicht, einer Aluminiumschicht und einer Kunststoffschicht ausgebildet sind. Mit anderen Worten umfasst die Stapelendplatte zumindest eine Schicht aus Stahl, eine Schicht aus Aluminium und eine Schicht aus Kunststoff. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Wahl eines Kunststoffes ein Material gewählt ist, welches sehr nachgiebig gegenüber Verformungen ist, während mit Aluminium und Stahl relativ starre Materialien gewählt sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Stapelendplatten eine Deformationsstruktur aufweisen. Mit anderen Worten weist die Stapelendplatte eine geometrische Struktur auf, welche zur plastischen Aufnahme von Verformungen vorgesehen ist. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Deformationsstruktur zwischen der Aluminiumschicht und der Stahlschicht angeordnet ist. die Deformationsstruktur kann beispielsweise einen Hohlraum aufweisen, der eine Ausnehmung in der Stahlschicht ist. In diesen Hohlraum kann eine Auswölbung der Aluminiumschicht hineinragen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass bei einer Verformung der Aluminiumschicht der Hohlraum in der Stahlschicht durch Material der Aluminiumschicht aufgefüllt wird. Dadurch liegt die Aluminiumschicht dort direkt an der Stahlschicht an, wodurch die Stapelendplatte dort lokal verstärkt wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine der Stapelendplatten zwischen zwei Batteriezellenstapeln angeordnet ist. Mit anderen Worten stellt zumindest eine der Stapelendplatten gleichzeitig eine Endplatte von zwei Batteriezellenstapeln dar. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass zwei der Batteriezellenstapel durch die Stapelendplatte vorgespannt werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zwei Batteriezellenstapel hintereinander angeordnet sind und jeweilige Stirnseiten der Batteriezellenstapel an der Stapelendplatte anliegen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine Stapelendplatte Langlöcher aufweist, über welche sie in dem Gehäuserahmen verschraubt ist. Mit anderen Worten weist die Stapelendplatte Langlöcher auf, die dazu vorgesehen sind, Schrauben zur Verschraubung der Stapelendplatte in dem Gehäuserahmen aufzunehmen. Die Langlöcher verlaufen mit ihrer Längsrichtung parallel zur Wirkrichtung des Drucks und können insbesondere als Durchgangslöcher ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Fertigung der Energiespeichervorrichtung erleichtert wird. Der Batteriezellenstapel kann während der Fertigung zusammengepresst werden, bis ein vorbestimmtes Stapelmaß erreicht ist. Bei Erreichen des Stapelmaß kann die Stapelendplatte durch die Langlöcher verschraubt werden. Durch die Wahl von Langlöchern kann eine gewünschte Vorspannung bei der Fertigung gewählt werden, wodurch eine flexiblere Auswahl möglich ist, als bei einem gewöhnlichen Loch.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Energiespeichervorrichtung zumindest ein Zugband aufweist, das in zumindest zwei Stapelendplatten verschraubt ist. Mit anderen Worten weist die Energiespeichervorrichtung zumindest ein Zugband auf, welches an den Stapelendplatten befestigt ist, um über diese eine kompressiven Kraft auf die Batteriezellenstapel auszuüben.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine Zugband an dem Gehäuserahmen befestigt ist. Mit anderen Worten ist das Zugband mechanisch mit dem Gehäuserahmen fest verbunden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass dieses an zwei Enden in dem Gehäuserahmen verschraubt ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Zugband in seiner Lage fixiert ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Gehäuserahmen Sacklöcher aufweist, die mittels Verstärkungselementen verstärkt sind. Mit anderen Worten weist der Gehäuserahmen Sacklöcher auf, um ein Verschrauben der Stapelendplatten und/oder der Zugbänder in dem Gehäuserahmen mittels Schrauben zu ermöglichen. Der Gehäuserahmen weist im Bereich der Sacklöcher Verstärkungselemente auf. Die Verstärkungselemente können ein anderes Material als der restliche Gehäuserahmen aufweisen, um eine stärkere lokale Belastung zu ermöglichen. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass Der Gehäuserahmen gezielt an lokalen Bereichen zur Befestigung verstärkt werden kann.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Fertigung einer Energiespeichervorrichtung. Dabei wird in einem Gehäuserahmen der Energiespeichervorrichtung, der an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuserahmens jeweilige Gehäuseendwände aufweist, zumindest eine Stapelendplatte parallel zu einer der Gehäuseendwände und durch einen batteriezellenstapelfreien Raum von dieser getrennt in dem Gehäuserahmen befestigt wird. Ein Batteriezellenstapel wird mit einer Stirnseite an der Stapelendplatte angeordnet. An einer zweiten Stirnseite des Batteriezellenstapels wird eine zweite Stapelendplatte angeordnet. Der Batteriezellenstapel wird mit einem kompressiven Druck beaufschlagt und die Stapelendplatte in dem Gehäuserahmen verschraubt.
Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Energiespeichervorrichtung. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 ein mögliches erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugs 1 ;
2 einen Schnitt durch die in der 1 markierte Linie A-A;
3 einen Schnitt durch die in der 1 markierte Linie A-A;
4 einen Schnitt durch die in der 1 markierte Linie B-B;
5 den in der 1 markierte Bereich X;
6 einen Schnitt durch die in der 1 markierte Linie C-C;
7 einen Schnitt durch die in der 1 markierte Linie C-C.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt ein mögliches erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugs 1 mit einer Energiespeichervorrichtung 2. Bei der Energiespeichervorrichtung 2 kann es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie handeln, die in einem hybriden oder vollelektrischem Kraftfahrzeug 1 verbaut ist. Um die Energiespeichervorrichtung 2 vor mechanischer Belastung, insbesondere im Fall eines Unfalls zu schützen, kann es vorgesehen sein, dass die Energiespeichervorrichtung 2 einen Gehäuserahmen 3 aufweist, durch welchen das Innere der Energiespeichervorrichtung 2 zumindest teilweise umschlossen ist. Der Gehäuserahmen 3 kann beispielsweise aus Stahl gefertigt sein. Der Gehäuserahmen 3 kann in seinen Abmessungen und in der Art des Stahls derart gewählt sein, dass selbst bei höheren spontanen Belastungen keine signifikante Deformation des Gehäuserahmens 3 auftritt. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuserahmens 3 können jeweilige Gehäuseendwände 4 angeordnet sein. Die Gehäuseendwände 4 können beispielsweise durch zumindest zwei Längswände miteinander verbunden sein. In einem von dem Gehäuserahmen 3 umschlossenen Volumen können zumindest ein oder mehrere Batteriezellenstapel 5 angeordnet sein. Die Batteriezellenstapel 5 können mehrere Batteriezellen 6, welche beispielsweise eine prismatische Form haben und in einem Hilfsgehäuse angeordnet sein und durch Trennschichten 7 voneinander getrennt sein. Die Batteriezellenstapel 5 können an ihren Längsenden jeweilige Stirnseiten 8 aufweisen, an welchen Stapelendplatten 9 angeordnet sein können. Die Stapelendplatten 9 können in dem Gehäuserahmen 3 befestigt sein und einen kompressiven Druck auf die Batteriezellenstapel 5 ausüben. Zumindest eine der Stapelendplatten 9 kann durch einen Freiraum 10 von einer der Gehäuseendwände 4 räumlich getrennt sein. Der Freiraum 10 kann ein Raum sein, in welchem sich keine Batteriezelle 6 befindet. Dieser Freiraum 10 kann leer sein, um eine mechanische Verformung der Stapelendplatte 9 zu ermöglichen. Durch den Freiraum 10 kann eine Beschränkung der Verformung der Stapelendplatte 9 durch die starre Gehäuseendwand 4 vermieden werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Bauraum im Fall eines Nachgebens der Gehäuseendwand 4 im Fall eines Unfalls eine Verformung der Stapelendplatte 9 durch eine der Gehäuseendwände 4 verhindert. In dem Freiraum 10 kann auch eine sogenannte Crashstruktur angeordnet sein. Dabei kann es sich um eine Struktur handeln, welches dazu ausgelegt ist, mechanische Verformungsenergie plastisch aufzunehmen. Damit die Stapelendplatten 9 in dem Gehäuserahmen 3 befestigt werden können, kann es vorgesehen sein, dass Verschraubungen 11 der Stapelendplatten 9 in dem Gehäuserahmen 3 erfolgen. Es kann auch eine Verschraubung 11 einer Stapelendplatte 9 mit einem Zugband 12 vorliegen, welches sowohl in dem Gehäuserahmen 3 als auch in den Stapelendplatten 9 verschraubt sein kann. Das Zugband 12 kann dafür vorgesehen sein, eine zusätzliche Vorspannung auf die Stapelendplatten 9 zu übertragen. Die Stapelendplatten 9 können derart beschaffen sein, dass durch die Volumenvariationen des Batteriezellenstapels 5 während eines Ladezyklus oder während der Lebenszeit einer Batteriezelle 6 eine geringe Materialermüdung auftritt.
2 zeigt einen Schnitt durch die in der 1 markierte Linie A-A in einer vereinfachten Darstellung. 2 kann einen Schnitt durch eine Stapelendplatte 9 zeigen, welche an einer Stirnseite 8 eines Batteriezellenstapels 5 angeordnet sein kann. Der Batteriezellenstapel 5 kann zumindest zwei prismatische Batteriezellen umfassen, die durch eine Trennwand 7 voneinander getrennt sein können. Der Batteriezellenstapel 5 kann durch ein Füllelement 13 von dem Gehäuserahmen 3 getrennt sein. Im Querschnitt ist zu erkennen, dass sich zwischen der Stapelendplatte 9 und der Gehäuseendwand 4 der Freiraum 10 befindet, in welchem keine Batteriezelle 6 angeordnet ist. In diesem Bereich kann beispielsweise die bereits erwähnte Crashstruktur angeordnet sein. Die Stapelendplatte 9 kann als Kompositplatte ausgebildet sein und beispielsweise drei Schichten aufweisen, wobei eine erste, an dem Batteriezellenstapel 5 anliegende Schicht 14 Kunststoff, eine zweite Schicht 15 Aluminium und eine Dritte 16 Stahl aufweisen kann. Eine solche Struktur ist auch als Sandwichstruktur bekannt. Die Aufteilung der Schichten kann ausgehend von der Stirnseite 8 des Batteriezellenstapels 5 zu dem Freiraum 10 verlaufen. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Schicht 14 aus Kunststoff dem Batteriezellenstapel 5 am nächsten ist und an diesem direkt anliegt. Die zweite Schicht 15 kann eine Aluminiumlegierung aufweisen und beispielsweise an der Schicht aus Kunststoff 14 anliegen. Die letzte Schicht 16 kann Stahl aufweisen und an der Aluminiumschicht 15 anliegen. Mit zunehmendem Alter des Batteriezellenstapels 5 kann das Volumen der Batteriezellen 6 und somit das Volumen des Batteriezellenstapels 5 zunehmen. Hierbei ist es erforderlich, dass die Stapelendplatte 9 in einem gewissen Umfang nachgibt. Die erste Schicht 14 aus Kunststoff weist eine im Vergleich zu den anderen Schichten höhere Nachgiebigkeit auf. Dies führt dazu, dass zu Beginn des Druckanstiegs die Volumenzunahme zuerst durch die Kunststoffschicht 14 aufgefangen wird. Die Aluminiumschicht 15 und die Stahlschicht 16 sind im Vergleich zu dieser relativ starr. In einem weiteren Verlauf kann bei höheren Werten des Drucks die Kunststoffschicht 14 nachgeben und der Druck durch die Aluminiumschicht 15 aufgenommen werden. In einer letzten Lebensphase des Batteriezellenstapels 5, in welcher die höchsten Werte des Drucks P auftreten, kann die Verformung durch die Stahlschicht 16 aufgenommen werden.
3 zeigt erneut ein Querschnitt entlang der in 1 mit A-A markierten Linie. Dargestellt wird der bereits im Zusammenhang mit 2 beschriebene Verlauf. Zusätzlich zu der Darstellung in 2 zeigt 3 eine mögliche Stapelendplatte 9 mit einer möglichen Deformationsstruktur 17. Die Deformationsstruktur 17 kann aus einer Ausnehmung 18 in der Stahlschicht 16 bestehen, in welche eine Ausbildung aus der Aluminiumschicht 15 hineinragt. Wenn der durch den Batteriezellestapel 5 ausgeübte Druck P die Aluminiumschicht 15 deformiert, kann die Ausnehmung der Deformationsstruktur 17 durch Material der Aluminiumschicht 15 aufgefüllt sein. Dadurch kann die Steifigkeit der Stapelendplatte 9 erhöht werden.
4 zeigt einen möglichen Querschnitt entlang der in 1 mit B-B markierten Linie. Exemplarisch wird hier gezeigt, wie eine jeweilige Stapelendplatte 9 in dem Gehäuserahmen 3 verschraubt werden kann. Der Gehäuserahmen 3 kann einen Vorsprünge 20 aufweisen welche in einen Innenraum des Gehäuserahmens 3 hineinragen. In einem jeweiligen Vorsprung 20 kann ein Sackloch 21 angeordnet sein. Die Stapelendplatte 9 kann ein Langloch 22 als Durchgangsloch aufweisen, welches über den Sackloch 21 in einem verschraubten Zustand angeordnet ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Beaufschlagen des Batteriezellenstapels 5 während der Fertigung eine flexible Verschraubung der Stapelendplatte 9 in den Gehäuserahmen 3 ermöglicht wird. In dem Bereich des Sacklochs 21 kann der Gehäuserahmen ein Verstärkungselement 23 ausweisen. Dabei kann es sich um ein Element handeln, welches ein anderes Material aufweist, das sich von dem des restlichen Gehäuserahmens 3 unterscheidet und welches widerstandsfähiger ist gegenüber Verformungen.
5 zeigt einen Bereich, der in 1 mit der Bezeichnung X versehen ist. Zu erkennen ist das bereits in 4 beschriebene Langloch 22 der Stapelendplatte 9 dieses Langloch kann beispielsweise in der Aluminiumschicht 15 oder der Stahlschicht 16 eingearbeitet sein.
6 zeigt einen in 1 mit C-C markierten Schnitt in einer vereinfachten Darstellung. Der Schnitt verläuft durch eine Stapelendplatte 9 welche zwischen zwei der Batteriezellenstapeln 5 angeordnet ist. Diese Stapelendplatte 9 kann ebenfalls aus drei Schichten 14, 15, 16 bestehen. Und dabei eine Schicht 14 aus Kunststoff eine aus Aluminium 15 und einer aus Stahl 16 aufweisen. Dabei kann die Kunststoffschicht 14 direkt an den Batteriezellenstapeln 5 an den Stirnseiten 8 anliegen.
7 zeigt den in 6 dargestellten Schnitt mit einer möglichen Deformationsstruktur 17. Hierbei kann die Stahlschicht 16 ebenfalls Ausnehmungen 18 aufweisen, in welche Ausstülpungen 19 der Aluminiumschicht 15 hineinragen.
In den aktuellen Cell-to-Pack-Konstruktionen werden die Batteriezellen entweder ohne definierte Vorspannung in das Gehäuse eingebaut oder sie werden vorher als Batteriezellenstapel, auch Stack genannt, zum Beispiel mit einem einfachen Band zusammengehalten.
Aktuell haben alle Konstruktionen das Defizit, dass die Batteriezellen zu schnell altern, weil eine Vorspannung des Batteriezellenstapels in einer Cell-to-Pack-Konstruktion komplizierter zu bewerkstelligen ist, als in Konstruktionen, in denen die Batteriezellen in einem Batteriemodul angeordnet sind.
Die Erfindung beschreibt eine Batteriekonstruktion, die die nötige Flexibilität im Batteriegehäuse mit sich bringt, wobei keine weiteren Teile, wie beispielsweise eine Feder oder Platten erforderlich sind. Die Flexibilität wird mit unterschiedlichen Materialeigenschaften erreicht.
Das Batteriegehäuse einer Cell-to-Pack-Konstruktion muss zwei wichtige Anforderungen gleichzeitig erfüllen:

Bei einem Unfall darf das Batteriegehäuse aufgrund der von außen auf das Batteriegehäuse wirkenden Kraft nicht brechen. Das Batteriegehäuse muss somit die schlagartige, sehr hohe Belastung aushalten und aufnehmen. Dabei können Kräfte von beispielsweise 120 kN wirken. Das führt zu einer starren, robusten Konstruktion, die keinen Bewegungsraum der Batteriezellen ermöglicht.

Gleichzeitig muss das Batteriegehäuse von innen weich und flexibel sein und immer eine vorherbestimmte Deformation der Batteriezellen erlauben. So wird das Batteriegehäuse mit einer ständig steigenden und durch die Ladezyklen pulsierenden Kraft belastet, die über die Lebenszeit der Batterie über 30 kN betragen kann.
Diese gegensätzlichen Anforderungen konnte bis jetzt durch keine Konstruktion ausreichend erfüllt werden, weil die Alterung der Batteriezellen bei diesen Konstruktionen immer höher als erlaubt ist.
Die Idee der Erfindung besteht darin, Stapelendplatten und ein Zugband in das Batteriegehäuse einzubauen.
Die Funktionen der Stapelendplatte sind:
Eine Einstellung des Stackmaßes und der Vorspannung der Batteriezellen während der Fertigung mit Hilfe von Langlöchern - Siehe Schnitt B-B und die Beeinflussung der Zellalterung durch eine „Sandwich“-Konstruktion (Kunststoff-Aluminium-Stahl) der Stapelendplatte. Diese „Sandwich“-Konstruktion der Stapelendplatte kann immer die nötige Steifigkeit, in Abhängigkeit von der Zellalterung sicherstellen. Siehe Schnitt A-A. Die auftretenden Kräfte und Deformationen werden lokal aufgenommen und die Kräfte werden nicht an vielen Stellen in das Batteriegehäuse eingeleitet. Die Stapelendplatte wird mit Schrauben im Batteriegehäuse befestigt.
Die Funktionen des Zugbandes sind die Verformung innerhalb der Batterie zu begrenzen und somit die Alterung des Batteriezellenstapels besser kontrollieren zu können. Die auftretenden Kräfte durch Zellwachstum nur an vorbestimmten Stellen in das Batteriegehäuse einzuleiten, wodurch Deformationen nur lokal begrenzt an den Kopplungsstellen des Gehäuses auftreten. Das Zugband wird mit Schrauben im Batteriegehäuse befestigt.
Wenn die Deformationen und die Kräfte an bestimmten Stellen in das Batteriegehäuse eingeleitet werden, kann das Gehäuse an diesen Stellen gezielt verstärkt werden. Es wird auch einfacher Dichtungen auszulegen, weil die Dichtungsflächen von den Deformationen nur an bekannten Stellen belastet werden.
Dadurch, dass die Stapelendplatten aus mehreren Materialien bestehen, entstehen unterschiedliche Steifigkeiten aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften. Somit kann die Verformung der Batteriezelle in den verschiedenen Alterungsphasen unterschiedlich kontrolliert und aufgenommen werden und durch die Änderung der Steifigkeit entsteht immer ein angepasster Druck auf die Batteriezelle:

Am Anfang der Lebenszeit der Batteriezelle, wenn nur eine geringe Alterung erfolgt ist, ist eine relativ geringe Vorspannung erforderlich. In dieser Phase braucht die Batteriezelle Stapelendplatten mit einer relativ geringen Steifigkeit.

Diese geringe Steifigkeit wird von einem Kunststoff sichergestellt. Mit fortschreitender Alterung steigt der Druck in der Batteriezelle. Somit steigt die von der Batteriezelle auf die Endplatte wirkende Zellkraft an. Dagegen wirkt das gegenüber dem Kunststoff steifere Aluminium. Wenn dieses Aluminium verbogen wird, wird die Deformationsstruktur, welche als freier Raum (Luftspalt) zwischen der Stahl- und der Aluminiumschicht angeordnet sein kann, ausgefüllt und die Steifigkeit der Stapelendplatte wird durch das Stahlinsert weiter erhöht. Siehe Schnitt A-A.
Während der Fertigung muss der Batteriezellenstapel vorgespannt werden.
Während der Montage wird eine der Stapelendplatten im Batteriegehäuse befestigt. Dann werden die Batteriezellen zusammen mit den Zelltrennelementen in die Batterie eingebaut. Nach dem Einbau der letzten Batteriezelle wird die zweite Stapelendplatte in die Batterie eingebaut. Bevor die zweite Stapelendplatte verschraubt wird, muss mit einem Hilfswerkzeug der ganze Stack auf ein vorbestimmtes Maß zusammengedrückt werden - dabei entsteht eine Kraft von circa 1500 N, die für die anfängliche Phase der Alterung nötig ist. Wenn der Stacks das vorbestimmte Längenmaß aufweist, kann die Stapelendplatte über Langlöcher und Schrauben in dieser Position in dem Gehäuse fixiert werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Zellkräfte, die durch die Zellalterung entstehen, nicht an vielen Stellen das Batteriegehäuse belasten, sie werden mit Hilfe von Stapelendplatten aufgenommen. Das führt dazu, dass die Deformation, die durch das Zellwachstum entsteht, wird vom Batteriegehäuse entkoppelt. Die lokalen Belastungen am Batteriegehäuse erlauben eine gewichtoptimierte Auslegung des Batteriegehäuses. Wenn die Kräfte möglichst mit den Stapelendplatten aufgenommen werden, kann eine Konstruktion entwickelt werden, welche eine kontrollierte Alterung der Batteriezellen möglich macht, und dabei die hohen Crash-Anforderungen auch erfüllen kann.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine Zellvorspannung mittels Stapelendplatten in einer Cell-to-Stack-Konstruktion ermöglicht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017216782 A1 [0006]
DE 102011106116 A1 [0007]
DE 102011076583 A1 [0008]

Claims

Energiespeichervorrichtung (2) zur Speicherung elektrischer Energie, wobei - ein Gehäuserahmen (3) der Energiespeichervorrichtung (2) an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuserahmens (3) jeweilige Gehäuseendwände (4) aufweist, - die Energiespeichervorrichtung (2) zumindest einen Batteriezellenstapel (5) aufweist, wobei an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten (8) des Batteriezellenstapels (5) jeweilige Stapelendplatten (9) angeordnet sind, die in dem Gehäuserahmen (3) der Energiespeichervorrichtung (2) befestigt sind und durch die der Batteriezellenstapel (5) mit einem kompressiven Druck beaufschlagt ist, und - die Stapelendplatten (9) parallel zu den Gehäuseendwänden (4) ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass -zumindest eine der Stapelendplatten (9) und eine dieser gegenüberliegenden Gehäuseendwand (4) durch einen batteriezellenstapelfreien Raum (10) voneinander getrennt sind.
Energiespeichervorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelendplatten (9) als Kompositplatten mit zumindest zwei Schichten ausgebildet sind.
Energiespeichervorrichtung (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelendplatten (9) als Kompositplatten mit zumindest einer Stahlschicht (16), einer Aluminiumschicht (15) und einer Kunststoffschicht (14) ausgebildet sind.
Energiespeichervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Stapelendplatten (9) eine Deformationsstruktur (17) aufweist.
Energiespeichervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Stapelendplatten (9) an Stirnseiten (8) von zwei Batteriezellenstapeln (5) anliegt.
Energiespeichervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Stapelendplatten (9) Langlöcher (22) aufweist, wobei die Stapelendplatte (9) durch die Langlöcher (22) in dem Gehäuserahmen (3) verschraubt ist.
Energiespeichervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Energiespeichervorrichtung (2) zumindest ein Zugband (12) aufweist, das in zumindest zwei Stapelendplatten (9) verschraubt ist.
Energiespeichervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuserahmen (3) Sacklöcher (21) aufweist, die mittels Verstärkungselementen (22) verstärkt sind.
Verfahren zur Fertigung einer Energiespeichervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - in einem Gehäuserahmen (3) der Energiespeichervorrichtung (2), der an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuserahmens (3) jeweilige Gehäuseendwände (4) aufweist, zumindest eine Stapelendplatte (9) parallel zu einer der Gehäuseendwände (4) und durch einen batteriezellenstapelfreien Raum (10) von dieser getrennt in dem Gehäuserahmen (3) befestigt wird, - ein Batteriezellenstapel (5) mit einer Stirnseite (8) an der Stapelendplatte (9) angeordnet wird, - an einer zweiten Stirnseite (8) des Batteriezellenstapels (5) eine zweite Stapelendplatte (9) angeordnet wird, - der Batteriezellenstapel (5) mit einem kompressiven Druck beaufschlagt wird, und - die Stapelendplatte (9) in dem Gehäuserahmen (3) verschraubt wird.
Kraftfahrzeug (1) dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) zumindest eine Energiespeichervorrichtung (2) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 aufweist.