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Die Erfindung betrifft einen Batteriezellenstapel mit zumindest einer Batteriezelle, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren.
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In elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen ist es üblich, Batteriezellen in Batteriezellenstapeln anzuordnen. Dabei sind die einzelnen Batteriezellen nebeneinander angeordnet und von einem Gehäuse oder einem Rahmen umschlossen. Bei einer Vielzahl von Batteriezellen kommt es während eines Lade- bzw. eines Entladevorgangs zu einer Volumenänderung. Um einen hierdurch verursachten Verschleiß der Batteriezellen zu minimieren, ist es üblich, mittels des Gehäuses oder des Rahmens einen Druck auf die Batteriezellen auszuüben. Dadurch kann die Volumenänderung der Batteriezellen, und somit der Verschleiß, aufgrund von Materialwanderung minimiert werden.
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Um dies zu erreichen, werden die Batteriezellen gewöhnlicher Weise zwischen sogenannten Druckplatten angeordnet, welche durch unter Zugspannung stehende Zuganker zusammengehalten werden. Die Druckplatten sind der Art ausgelegt, dass sie eine vorbestimmte Biegesteifigkeit aufweisen. Mit anderen Worten sind sie so gestaltet, dass sie sich nicht durchbiegen. Die erforderliche Biegesteifigkeit wird beispielsweise mittels Versteifungsstrukturen erreicht, welche an den Druckplatten angeordnet sind. Dabei handelt es sich beispielsweise um Aluminium-Strangpress-Profile mit Hohlstrukturen, welche auf ein geringes Gewicht optimiert sind. Nachteilig an der Verwendung der besagten Versteifungsstrukturen ist ein erhöhter Raumbedarf, wodurch die Anordnungsmöglichkeiten eines Batteriezellenstapels in einem Fahrzeug eingeschränkt sind.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Raumbedarf eines Batteriezellenstapels zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriezellenstapel mit zumindest einer Batteriezelle und mit zwei zueinander parallel angeordneten Druckplatten bereitgestellt. Die zumindest eine Batteriezelle ist zwischen den Druckplatten angeordnet und durch die Druckplatten zusammengehalten. Die Druckplatten sind hierzu mit zumindest einem unter Zugspannung stehenden Zuganker verbunden. Die Erfindung sieht vor, dass die jeweilige Druckplatte eine zumindest bereichsweise gehärtete Oberfläche aufweist.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung den Batteriezellenstapel, welcher dazu eingerichtet ist, die zumindest eine Batteriezelle mit einem mechanischen Druck zu beaufschlagen. Der Batteriezellenstapel weist hierfür zwei Druckplatten auf, welche kraftschlüssig mit der zumindest einen Batteriezelle verbunden und zueinander parallel ausgerichtet sind. Die Druckplatten sind durch den zumindest einen Zuganker miteinander verbunden. Der Zuganker steht dabei unter Zugspannung, welche mittels der Druckplatten auf die Batteriezelle als Druckkraft übertragen wird. Die Druckplatten drücken die zumindest eine Batteriezelle somit zusammen. Die Oberfläche der jeweiligen Druckplatte ist zumindest bereichsweise gehärtet. Die Druckplatte wurde somit einer Randschichthärtung unterzogen. Es ist somit ein Teilbereich einer Gesamtoberfläche der Druckplatte oder die Gesamtoberfläche der Druckplatte gehärtet. Dies kann man daran erkennen, dass die Druckplatte an der Oberfläche ein Martensitgefüge oder ein Gefüge mit Härtungsausscheidungen aufweist.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass ein Batteriezellenstapel bereitgestellt wird, dessen Druckplatten eine erforderliche Biegesteifigkeit bei einem geringeren Volumen als Aluminiumdruckplatten mit Versteifungsstrukturen nach dem Stand der Technik aufweisen können.
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Bei dem Batteriezellenstapel kann es sich beispielsweise um ein für ein Kraftfahrzeug vorgesehenes Modul handeln, welches zumindest die eine Batteriezelle aufweisen kann. Die zumindest eine Batteriezelle kann beispielsweise eine prismatische Form aufweisen und eine Lithiumionenzelle sein. Es können auch mehrere Batteriezellen aneinander angeordnet sein und einen quaderförmigen Stapel bilden. Es kann beispielsweise an einer Längsseite des Stapels ein Zuganker oder eine Zugstange angeordnet sein. Der Zuganker kann beispielsweise Stahl aufweisen. An Querseiten des Stapels, welche an Längsenden des Quaders angeordnet sein können, können die Druckplatten angeordnet sein. Die Druckplatten können druckübertragend an der zumindest einen Batteriezelle anliegen. Die beiden Druckplatten können mit dem Zuganker verbunden sein und an gegenüberliegenden Flächen der zumindest einen Batteriezelle anliegen. Der Zuganker kann unter einer Zugspannung stehen. Die Druckplatten können der Art mit dem zumindest einen Zuganker verbunden sein, dass die Zugspannung des Zugankers auf die zumindest eine zwischen den Druckplatten angeordnete Batteriezelle übertragen wird. Um eine erforderliche Biegesteifigkeit der Druckplatten zu erlangen, kann die jeweilige Druckplatte eine Oberfläche aufweisen, welche zumindest bereichsweise gehärtet ist. Dadurch kann die Dehnsteifigkeit der Oberfläche erhöht sein. Gehärtet kann beispielsweise bedeuten, dass Bereiche der Oberfläche der Art wärmebehandelt wurden, dass beispielsweise Stahl in Oberflächennähe während der Wärmebehandlung austenitisiert wurde. Nach der Austenitisierung kann die Wärmezufuhr beendet worden sein. Aufgrund eines Wärmeabflusses kann ein Abschrecken des Stahls erfolgt sein, wodurch beispielsweise eine Härtung aufgrund einer martensitischen Transformation in zumindest einem Bereich der Oberfläche stattfand. Ein Material der Druckplatte kann somit an der Oberfläche beispielsweise ein Martensitgefüge oder Ausscheidungen aufweisen und sich somit von dem Gefüge der restlichen Druckplatte unterscheiden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweilige Druckplatte eine mittels eines Lasers gehärtete Oberfläche aufweist. Mit anderen Worten wurde die Oberfläche der Druckplatte mittels eines Lasers lokal erhitzt, sodass sich an der Oberfläche während eines Abkühlens ein vorbestimmtes Gefüge ausbildete. Die Oberfläche kann insbesondere ein Martensitgefüge oder Ausscheidungen aufweisen. Eine lasergehärtete Oberfläche weist gegenüber Oberflächen, welche auf eine andere Weise gehärtet sind, den Vorteil auf, dass die Druckplatte aufgrund der lokal begrenzten Erhitzung durch den Laser einen geringen Materialverzug aufweist. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zur Härtung der Druckplatte ein Laserstrahl über die Oberfläche der Druckplatte geführt wurde.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die gehärtete Oberfläche ein Muster aufweist. Mit anderen Worten ist die Oberfläche keine zusammenhängende gehärtete Fläche, sondern eine Fläche, welche ein vorbestimmtes Muster oder eine vorbestimmte Struktur mit gehärteten und nicht-gehärteten Teilflächen aufweist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Oberfläche der Art strukturiert sein kann, dass die Biegesteifigkeit in einer gewünschten Richtung erhöht ist, jedoch in kürzerer Zeit als eine durchgängig gehärtete Oberfläche bereitgestellt ist. Somit kann beispielsweise die Bearbeitungszeit reduziert werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Muster in einer Längsrichtung der Druckplatte stärker ausgeprägt ist, als in einer Querrichtung der Druckplatte.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Muster als Linienmuster ausgebildet ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Muster um eine parallele Anordnung durchgängiger, zueinander beabstandet angeordneter länglicher Bereiche, welche gehärtet sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Muster zur Erhöhung der Biegesteifigkeit derart gestaltet sein kann, dass es parallel zu einer Zugrichtung orientiert ist. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Linien in einer Längsrichtung der Druckplatte verlaufen. Damit kann dem Sachverhalt Rechnung getragen werden, dass beispielsweise eine maximale Zugbelastung in der Oberfläche der Druckplatte in der Längsrichtung orientiert ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Muster als Wabenstruktur ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist die Oberfläche ein Muster aus gleichmäßigen Sechsecken auf, welche auch als Bienenwabenstruktur bekannt ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein optimales Verhältnis zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche und einer mechanischen Stabilisierung erreicht werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Druckplatte eine Oberfläche aufweist, welche eine Wabenstruktur aufweist, wobei die Linien der Waben gehärtet sind.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweilige Druckplatte eine Stahldruckplatte mit einer Druckplattendicke von 2 bis 5 mm ist. Mit anderen Worten besteht die Druckplatte ganz oder teilweise aus Stahl, wobei eine dünnste Abmessung des Volumens 2 bis 5 mm beträgt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Druckplatte eine geringere Dicke aufweist als übliche Druckplatten, welche eine Druckplattendicke von 15 mm aufweisen können.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweilige Druckplatte eine Aluminiumlegierung aufweist. Mit anderen Worten besteht die Druckplatte ganz oder teilweise aus einer Aluminiumlegierung. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Druckplatte ein geringeres Gewicht aufweist als Stahl. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Druckplatte aus einer Aluminiumlegierung besteht, welches Aushärten kann. Es kann sich beispielsweise um eine Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung oder eine Aluminium-Kupfer-Legierung, insbesondere Duraluminium handeln.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die gehärtete Oberfläche eine Schichtdicke in einem Bereich von 10 Prozent der Druckplattendicke aufweist. Mit anderen Worten hat die gehärtete Schicht der Oberfläche eine Schichtdicke, welche bis zu einem Zehntel der Druckplattendicke der Druckplatte beträgt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass lediglich der Bereich, welcher bei einer Biegung die höchste Zug bzw. Kompressionsspannung aufweist gehärtet ist. Der übrige Bereich der Druckzelle bleibt dagegen elastischer als die Oberfläche. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Druckplatte eine Dicke von 7 mm hat und beidseitig mit einer gehärteten Schicht der Schichtdicke 0,7 mm bedeckt ist.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, welches einen Batteriezellenstapel aufweist. Dabei kann es sich insbesondere um einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen handeln.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ausübung einer mechanischen Zugspannung auf zumindest eine Batteriezelle in einem Batteriezellenstapel. Der Batteriezellenstapel weist zwei zueinander parallel angeordnete Druckplatten auf. Die zumindest eine Batteriezelle wird zwischen den Druckplatten angeordnet und durch die Druckplatten aufgrund der Zugspannung zusammengedrückt. Dazu werden die Druckplatten mit zumindest einem unter Zugspannung stehenden Zuganker verbunden, wobei die jeweilige Druckplatte eine zumindest bereichsweise gehärtete Oberfläche aufweist.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 einen Batteriezellenstapel nach dem Stand der Technik;
- 2 zeigt eine Ausführungsform des Batteriezellenstapels.
- 3 zeigt eine Ausführungsform einer gehärteten Oberfläche einer Druckplatte.
- 4 zeigt eine Ausführungsform einer gehärteten Oberfläche einer Druckplatte.
- 5 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Druckplatte.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 beschreibt einen Batteriezellenstapel 1' nach dem Stand der Technik. Der Aufbau von Batterien für Fahrzeuge mit unterschiedlichen Elektrifizierungsgraden (insbesondere ein Mild-Hybrid Electric Vehicle, Full-Hybrid Electric Vehicle, Plug-in-Hybrid Electric Vehicle, Fuel-Cell Electric Vehicle Battery Electric Vehicle) wird in drei Systemlevel eingeteilt. Batteriezellen 2' werden zu Modulen verbunden, die zu einem Batteriesystem verschaltet werden. Nach dem aktuellen Stand der Technik können die Batteriezellen 2' Lithium-Ionen-Sekundärzellen sein. Zukünftig können es beispielsweise Lithium-Schwefel, Lithium-luft, All-Solid-State Lithium-Sekundärzellen, Magnesium- Sekundärzellen, oder Aluminium-Sekundärzellen sein. Jeder Level ist für verschiedene Funktionen verantwortlich. Aufgrund der Systemspannung von unter 60 VDC sind bei Mild-Hybrid Electric Vehicle die Modul- und Systemlevel nicht getrennt. Die Batteriezellen 2' speichern die Energie, das Modul überwacht die Zellen elektronisch und fixiert sie mechanisch gegen Vibration und Schock. Das System integriert das Thermomanagement, die Crashanforderungen, die mechanische Anbindung an das Fahrzeug und verantwortet die Hochvoltsicherheit des Bauteils. Aktuelle Batteriezellen erreichen durch einen äußeren Druck von 0,5 bis 5 bar ihre maximale Lebensdauer. Es ist vorgesehen, den Druck auf 0,5-40 zu steigern. Dies gilt insbesondere für sogenannte prismatische Batteriezellen 2' (Hardcase) und Pouchzellen (Softcase) wobei diese aufgrund ihrer großen Abmessungen und Gehäusematerial keinen ausreichenden Druck über ihr Gehäuse auf den Elektrodenstapel übertragen bzw. unterstützen können. Dies steht im Gegensatz zu zylindrischen Zellen, die allerdings eine geringere Packungsdichte aufweisen. Der Druck auf die Zellen wird aktuell im Modul über Druckplatten 3' und Zuganker 4' ausgeübt. Für die Druckplatten ist es erforderlich, dass diese eine Versteifungsstruktur aufweisen, damit die Druckplatten 3' unter der Kraft der Zuganker nicht durchbiegen. Stand der Technik wird dafür aktuell ein Aluminiumstrangpressprofilen mit Hohlstrukturen verwendet. Aufgrund der hohen Struktur und des geringen Elastizitätsmoduls von Aluminium, für das Design zu einer leichten aber voluminösen Struktur. Außerdem sind beim Herstellungsprozess die Werkzeuge Materialkosten relativ hoch.
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2 zeigt eine Ausführungsform des Batteriezellenstapels 1. Der Batteriezellenstapel 1 kann in einem Kraftfahrzeug Kfz angeordnet sein. Der Batteriezellenstapel 1 kann mehrere Batteriezellen 2 aufweisen. Die Batteriezellen können Hochvoltbatteriezellen sein. Die Batteriezellen 2 können aufeinander gestapelt sein und zwischen den Druckplatten 3 angeordnet sein. Die Druckplatten 3 können durch 2 Zuganker 4 miteinander verbunden sein. Die Zuganker 4 können unter einer Zugspannung 5 stehen, durch welche die Druckplatten 3 zueinander gedrückt werden können. Die Druckplatten 3 können einen Druck 6 auf die Batteriezellen 2 ausüben. Zu diesem Zweck können die Druckplatten 3 direkt an Batteriezellen 2 anliegen oder beispielsweise über eine Zwischenschicht kraftübertragend mit den Batteriezellen 2 verbunden sein. Aufgrund des auf die Druckplatten 3 einwirkenden Drucks 6, kann die Gefahr eines durch Biegen der Druckplatten 3 bestehen. Um dies zu vermeiden können die Druckplatten 3 an ihrer Oberfläche 7 gehärtet sein. Die Druckplatten 3 können beispielsweise aus Stahl bestehen. Die Oberfläche 7 kann gehärtet sein und beispielsweise ein Martensitgefüge aufweisen. Die Oberfläche 7 kann über ihre gesamte Fläche gehärtet sein oder das Muster 8 aufweisen. Das Muster 8 kann beispielsweise ein Linienmuster sein, welches eine alternierende Anordnung von gehärteten und nicht gehärteten Linien sein kann. Das Muster 8 kann so orientiert sein, dass die Linien in einer Längsrichtung der Druckplatte 3 verlaufen. Mit anderen Worten können die Linien des Musters 8 parallel zu einer Richtung der Druckplatte 3 ausgerichtet sein, welcher eine maximale Abmessung der Druckplatte 3 aufweist. Das Laserhärten erhöht das E-Modul lokal um einen Faktor von 2 bis 4. Berechnungen ergaben, dass damit ein 15 mm dickes Aluminium-strangpress-Profil durch eine 3,5 mm dicke Stahlplatte ersetzt werden kann. Bei einer erwarteten Gewichtszunahme zwischen 0 bis 25% (gehärtete Stahlplatte vs. Alu-Profil) ergibt sich eine Volumenreduzierung um 50 bis 75 %.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer gehärteten Oberfläche 7 einer Druckplatte 3. Die Druckplatte 3 kann an einer Stirnseite des Batteriezellenstapels 1 angeordnet sein. Die Druckplatte 3 kann mit zwei unter Zugspannung stehenden Zugankern 4 verbunden sein. Die Druckplatte 3 kann aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Die gehärtete Oberfläche 7 kann eine Linienstruktur 8 aufweisen. Entlang der Linienstruktur kann die Aluminiumlegierung lasergehärtet sein und somit ein anderes Gefüge aufweisen als in einem Rest der Druckplatte 3.
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4 zeigt eine Ausführungsform einer gehärteten Oberfläche 7 einer Druckplatte 3. Die Druckplatte 3 kann an einer Stirnseite des Batteriezellenstapels 1 angeordnet sein. Die Druckplatte 3 kann mit zwei unter Zugspannung stehenden Zugankern 4 verbunden sein. Die gehärtete Oberfläche 7 der Druckplatte 3 kann ein Muster 8 aufweisen, welches als Wabenmuster ausgebildet sein kann. Die einzelnen Waben können an ihren Rändern gehärtet sein.
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5 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Druckplatte 3. Die Druckplatte 3 kann mit zwei Zugankern 4 verbunden sein und eine Gesamtdicke 12 von 10 mm aufweisen. Die Druckplatte 3 kann auf gegenüberliegenden Seiten die gehärteten Oberflächen 7 aufweisen. Eine jeweilige gehärtete Oberfläche 7 kann eine Schichtdicke 13 aufweisen, welche bis zu 10 % der Gesamtdicke 12 beträgt. Mit anderen Worten kann die Druckplatte 3 bis zu einer Schichtdicke 13 von 1 mm gehärtet sein. Ein innerer Kern 9 der Druckplatte 3 kann nicht gehärtet sein. Aufgrund des Drucks kann sich die Druckplatte 3 biegen, wodurch auf einer Seite der Druckplatte 3 eine Kompressionsspannung 10 und auf der gegenüberliegenden Seite der Druckplatte 3 eine Zugspannung 11 wirkt. Aufgrund der gehärteten Oberflächen 7 kann der Druckplatte 3 steifer gegen ein Verbiegen sein, als eine Druckplatte 3, welche keine gehärtete Oberfläche aufweist. So kann das Elastizitätsmodul durch das Laserhärten lokal um einen Faktor von 2 bis 4 erhöht sein. Ein 15 mm dickes Aluminiumstrangpressprofil kann somit durch eine Druckplatte der Druckplattendichte 3,5 mm ersetzt werden. In diesem Fall würde eine Gewichtszunahme von 25% erfolgen. Das Volumen würde sich jedoch um 50 bis 75% reduzieren. Die Materialkosten wären um ca. 30 bis 60%, die Prozesskosten um 10 bis 30% reduziert. Alsternativ oder zusätzlich kann auch eine Bodenkühlstruktur des Batteriezellenstapels eine gehärtete Oberfläche aufweisen.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein Raumbedarf eines Batteriezellenstapels reduziert wird.
