DE102019217668A1

DE102019217668A1 - Vorrichtung zum Schutz mindestens einer zylindrischen Batteriezelle

Info

Publication number: DE102019217668A1
Application number: DE102019217668.2A
Authority: DE
Inventors: Volker Hohm; Helge Herten
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (14, 14',14") zum Schutz mindestens einer zylindrischen Batteriezelle (10), aufweisend einen Lastverteiler (16) aus einem deformierbaren Material (18), welcher die mindestens eine Batteriezelle (10) zumindest abschnittsweise entlang deren Außenumfang einfasst, wobei sich der Lastverteiler (16) über die axiale Länge der mindestens einen Batteriezelle (10) erstreckt, und wobei das Material (18) des Lastverteilers (16) so ausgelegt ist, dass wenn eine entlang einer Lateralrichtung (L) der Batteriezelle (10) orientierte Belastung auftritt, der Lastverteiler (16) an einer der Batteriezelle (10) abgewandten Außenseite (24) zumindest teilweise deformiert und/oder zerstört wird, und dadurch die Batteriezelle (10) an einer dieser zugewandten Innenseite (26) des Lastverteilers (16) entlang der Axialrichtung (A) im Wesentlichen homogen belastet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz mindestens einer zylindrischen Batteriezelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriemodul mit einer solchen Vorrichtung.
Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.
Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriezellmodul auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind.
Zur Verbesserung der Effizienz und Speicherkapazität ist es bei Fahrzeugbatterien beziehungsweise Batteriemodulen wünschenswert, dass das Volumen der Batteriezellen möglichst groß, und das Batterie- oder Modulgehäuse vom Bauvolumen möglichst platzsparend oder bauraumkompakt dimensioniert sind. Die Fahrzeugbatterie beziehungsweise die Batteriemodule müssen hierbei weiterhin hinsichtlich mechanischer Lastfälle ohne Brand und ohne Kurzschluss beständig ausgebildet sein.
Um eine maximale Leistungs- und Energiedichte zu erreichen, müssen Strukturbauteile der Batteriemodule insbesondere platzsparend und möglichst ohne Redundanzen ausgelegt werden. Gleichzeitig ist es notwendig, dass zusätzlich zu dem Bauraum für die Batteriezellen ein ausreichender Bauraum innerhalb des Gehäuses für die elektrischen Leitungen und Steuergeräte vorhanden ist. Zudem ist es beispielsweise möglich, Lastpfade für äußere Crashfälle (wie beispielsweise bei einem Seitenaufprall) direkt in das Gehäuseinnere zu verlagern oder zu integrieren. Diese Maßnahme kann sich positiv auf den Bauraum für die Batteriezellen auswirken.
Die Fahrzeugbatterie ist regelmäßig in einem Batteriebauraum im Bereich eines Fahrzeugunterbodens verbaut. Mit anderen Worten ist die Fahrzeugbatterie an einer Fahrzeugunterseite montiert oder eingebaut. Im Hinblick auf die Ausgestaltung des Gehäuses ist daher die sogenannte Z-Maßkette wichtig, also die Maß- oder Toleranzkette entlang einer Fahrzeughöhenrichtung (Z) bezogen auf ein Fahrzeugkoordinatensystem. Das Z-Maß der Fahrzeugbatterie soll hierbei weitestgehend reduziert werden, ohne die bestehenden Anforderungen zu vernachlässigen oder zu reduzieren. Durch eine solche Reduzierung der Baugröße entlang der Z-Richtung werden die Fahrdynamik und der Strömungswiderstand des Kraftfahrzeugs verbessert. Des Weiteren werden auch die Ergonomie und die Inklusionsfähigkeit, insbesondere hinsichtlich eines Einstiegs und/oder Ausstiegs in das/aus dem Kraftfahrzeug, verbessert. Weiterhin werden somit zusätzliche Freiheiten hinsichtlich des Fahrzeugdesigns ermöglicht. Durch die Reduzierung der Baugröße entlang der Z-Richtung wird zusätzlicher Bauraum geschaffen, welcher beispielsweise für Sicherheitsfunktionen nutzbar ist.
Die Batteriezellen können beispielsweise als sogenannte Rundzellen oder zylindrische (Batterie-)Zellen ausgeführt sein. Derartige Rundzellen weisen in der Regel eine zylindrische oder runde Bauform mit einem (kreis-)zylindrischen Zellengehäuse auf. Unter einer zylindrischen Batteriezelle ist hier und im Folgenden insbesondere eine Rundzelle zu verstehen. Derartige Rundzellen weisen eine robuste Bauweise sowie die Möglichkeit auf, bei einem Belastungsfall eine Verdrängung gezielt zu nutzen, und somit umliegende Bauteile, wie beispielsweise das Batteriemodul kostengünstiger und gewichtsreduzierter auszulegen und/oder die Z-Maßkette zu reduzieren.
Trotz der hohen mechanischen Beanspruchbarkeit dieser Rundzellen ist es entscheidend, wie diese Batteriezellen belastet werden, und dass insbesondere lokale Belastungsspitzen vermieden oder zumindest reduziert werden. Hierbei ist eine möglichst homogene Belastung entlang der Batteriezelle gewünscht, um die hohe Beanspruchbarkeit der Rundzellen gewinnbringend nutzen zu können.
Aus der DE 10 2012 017 879 A1 und der US 2016/0167544 A1 sind energie- oder stoßabsorbierende Schutzvorrichtungen für Fahrzeugbatterien bekannt, bei welchen ein deformierbares Gitter außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist. Durch das Gitter wird der Aufprallschutz der Fahrzeugbatterie, insbesondere hinsichtlich eines Seitenaufpralls, verbessert.
In der US 9,806,306 B2 ist eine Fahrzeugbatterie offenbart, bei welcher die Gehäuse der Batteriemodule eine sechseckige Wabenform aufweisen. Die Gehäuse sind hierbei aus einem energieabsorbierenden Material hergestellt, wobei eine Anzahl von beispielsweise zylindrischen Batteriezellen innerhalb der Gehäuse angeordnet ist. Die wabenförmigen Gehäuse sind beispielsweise innerhalb eines Batteriegehäuses nach Art eines Bienen- oder Honigwabengitters angeordnet. Durch die Gehäuse und deren Anordnung ist ein Schutz der Batteriezellen innerhalb des Batteriegehäuses der Fahrzeugbatterie realisiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Vorrichtung zum Schutz einer zylindrischen Batteriezelle anzugeben. Insbesondere soll im Falle einer Belastung eine möglichst homogene Belastung entlang der Batteriezelle realisiert werden. Weiterhin sollen hierbei lokale Belastungsspitzen vermieden oder zumindest reduziert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Batteriemodul anzugeben.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Batteriemoduls mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf die Vorrichtung angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Batteriemodul übertragbar und umgekehrt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Schutz mindestens einer zylindrischen Batteriezelle, also einer Batteriezelle mit einem zylindrischen Zellengehäuse (Rundzelle), vorgesehen, sowie dazu geeignet und eingerichtet. Die Vorrichtung weist einen Lastverteiler aus einem deformierbaren Material auf, welcher die mindestens eine Batteriezelle zumindest abschnittsweise entlang deren Außenumfang einfasst. Mit anderen Worten umgreift der Lastverteiler die Batteriezelle oder Rundzelle zumindest abschnittsweise. Der Lastverteiler erstreckt sich hierbei im Wesentlichen über die volle axiale Länge oder Höhe der mindestens einen Batteriezelle.
Erfindungsgemäß ist das Material, also der Werkstoff des Lastverteilers so ausgelegt, dass wenn eine entlang einer Lateralrichtung (Radialrichtung) der Batteriezelle orientierte Belastung auftritt, der Lastverteiler an einer der Batteriezelle abgewandten Außenseite zumindest teilweise oder partiell deformiert und/oder zerstört wird, und dadurch die Batteriezelle an einer dieser zugewandten Innenseite des Lastverteilers entlang der Axialrichtung im Wesentlichen homogen belastet wird. Dadurch ist eine besonders geeignete (Schutz-)Vorrichtung für die mindestens eine Batteriezelle realisiert.
Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
Unter „axial“ oder einer „Axialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung parallel (koaxial) zur zylindrischen Batteriezelle, also senkrecht zu den Stirnseiten der Rundzelle verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter „radial“ oder einer „Radialrichtung“ insbesondere eine senkrecht (quer) zur Längsachse der Rundzelle orientierte Richtung entlang eines Radius der Batteriezelle verstanden. Unter „tangential“ oder einer „Tangentialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs der Batteriezelle (Umfangsrichtung, Azimutalrichtung), also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung und zur Radialrichtung, verstanden.
Im Hinblick auf eine bevorzugte Einbausituation der Batteriezelle in einem Batteriemodul einer Fahrzeugbatterie ist die Axialrichtung in einem Koordinatensystem des Kraftfahrzeugs (Fahrzeugkoordinatensystem) im Wesentlichen parallel zu einer Ordinatenachse (Y-Achse, Y-Richtung) entlang der Fahrzeugquerrichtung orientiert. Die Lateralrichtung ist hierbei quer zur Axialrichtung orientiert, und ist insbesondere in einer XZ-Ebene angeordnet, welche durch eine Abszissenachse (X-Achse, X-Richtung) entlang der Fahrzeuglängsrichtung (Fahrrichtung), und durch eine Applikatenachse (Z-Achse, Z-Richtung) entlang der Fahrzeughöhe aufgespannt ist. Die Lateralrichtung ist hierbei im Wesentlichen parallel zur Radialrichtung der Batteriezelle orientiert.
Durch die Orientierung der Batteriezelle entlang der Fahrzeugquerrichtung, also durch die parallele Anordnung der Axialrichtung und der Y-Richtung, weisen die Batteriezellen aufgrund ihrer Ausführung als Rundzellen eine besonders hohe mechanische Beständigkeit und Stabilität gegenüber Beanspruchungen entlang der Y-Richtung, beispielsweise bei einem Seitenaufprall, auf. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Orientierung der Batteriezellen realisiert.
Unter einer „Deformation“ oder „deformieren“ wird hier und im Folgenden eine elastische oder unelastische Umformung oder Verformung, also eine Gestaltveränderung des Materials des Lastverteilers verstanden.
In einer bevorzugten Anwendung ist die Batteriezelle zusammen mit der Vorrichtung in einer Fahrzeugbatterie, beispielsweise in einem Batteriemodul, angeordnet. Bei einer Beschädigung der Fahrzeugbatterie, beispielsweise aufgrund eines Unfalls des Kraftfahrzeugs, kommt es häufig zu einer Verformung des Batterie- oder Modulgehäuses. Diese Gehäuseverformung ist in der Regel in das Gehäuseinnere gerichtet, und wirkt somit als ein Stoßkörper (Impactor), mittels welchem die Batteriezellen im Gehäuse beschädigt oder vollständig zerstört werden. Bezogen auf die Lateralrichtung weist der Stoßkörper in der Regel eine unebene Stoßkörpergeometrie (Impactorgeometrie) entlang der Axialrichtung auf, welche die Rundzelle direkt und inhomogen belasten und/oder deformieren würde. Dadurch würden lokale Belastungsspitzen an der Rundzelle entlang der Axialrichtung bewirkt.
Durch die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung wirken die lokalen Belastungsspitzen nicht direkt auf die Rundzelle sondern lediglich auf den Lastverteiler ein. Durch die lokalen Belastungsspitzen wird die Außenseite, also die der Batteriezelle abgewandte Oberfläche, des Lastverteilers partiell deformiert und/oder zerstört. Mit anderen Worten passt sich die Außenseite im Wesentlichen selbsttätig und individuell an die jeweilige Geometrie des Impactors oder Stoßkörpers an.
Durch die Deformierung und/oder teilweise Zerstörung wird einerseits die kinetische Energie des Stoßkörpers in Verformungsenergie gewandelt und somit effektiv zumindest teilweise absorbiert. Andererseits wird die von der Impactorgeometrie ausgehende Belastung geometrisch vergrößert oder verteilt. Dadurch bleibt die Innenseite, also die der Batteriezelle zugewandte Oberfläche, des Lastverteilers im Wesentlichen eben, wodurch eine im Wesentlichen homogene Belastung und/oder Deformierung der Rundzelle in Lateralrichtung entlang deren axialen Dimensionierung gewährleistet wird. Insbesondere wird die Belastung und/oder Deformierung der Rundzelle aufgrund der Energieabsorption des Lastverteilers reduziert oder vollständig vermieden. Durch die Vorrichtung wird somit eine besonders hohe Beanspruchbarkeit der Rundzelle gewährleistet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung tritt eine Deformierung und/oder Zerstörung des Materials des Lastverteilers auf, wenn ein vorgegebenes Überlastniveau erreicht oder überschritten ist. Dadurch ist eine besonders geeignete Schutzvorrichtung realisiert. Vorzugsweise ist das Überlastniveau hierbei orthotrop oder richtungsabhängig vorgebbar oder einstellbar. Beispielsweise wird hierzu die Dichte und/oder Wanddicke beziehungsweise Wandstärke des Materials variiert. Dadurch ist die Vorrichtung besonders flexibel an eine jeweilige Einbausituation anpassbar. Beispielsweise ist der Lastverteiler beziehungsweise dessen Material entlang der Fahrzeughöhe (Z) dichter oder dicker dimensioniert, so dass größere kinetische Stoßenergien entlang dieser Richtung absorbiert werden können. Dadurch ist es möglich, einen zusätzlichen Unterfahrschutz eines Batteriemoduls oder einer Fahrzeugbatterie entfallen zu lassen.
Ebenso denkbar ist es beispielsweise, dass das Überlastniveau positionsabhängig innerhalb des jeweiligen Batteriemoduls variiert wird. Mit anderen Worten ist es beispielsweise möglich, Batteriezellen am äußeren Rand stärker zu schützen, als die Batteriezellen im Inneren oder im Zentrum des Batteriemoduls. Geeigneterweise wird das Überlastniveau hierbei jedoch stets im Hinblick auf das schwächste Glied in der (kinematischen) Kette im Zuge einer Gehäusekompression oder einer Gehäusebeschädigung dimensioniert.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Material als ein Kunststoffmaterial ausgeführt. Durch die Ausführung des Materials aus einem Kunststoff weist die Vorrichtung ein besonders niedriges Baugewicht auf, wodurch bei einer Anwendung in einem Batteriemodul und/oder einer Fahrzeugbatterie keine nachteilige Beeinflussung von deren Baugewichte bewirkt wird. Dadurch ist eine besonders einfache Integration der Schutzvorrichtung sichergestellt.
Das Kunststoffmaterial ist beispielsweise ein Polypropylen (PP) oder ein Polyamid (PA). Bei einer Ausführung aus einem Polypropylen-Kunststoff weist das Kunststoffmaterial beispielsweise eine Dichte von 0,91 g/cm³ (Gramm pro Kubikzentimeter), eine Steifigkeit von etwa 1000 MPa (Megapascal) und eine Zugfestigkeit von etwa 33 MPa auf. Vorzugsweise wird ein Polyamid, insbesondere ein glasfaserverstärktes Polyamid, beispielsweise Polyamid 6 mit 30 % Glasfaser (PA6 GF30), als Kunststoffmaterial verwendet. Das Polyamid oder glasfaserverstärkte Polyamid weist beispielsweise eine Dichte von 1,34 g/cm³, eine Steifigkeit von etwa 8700 MPa, eine Zugfestigkeit von etwa 170 MPa und eine Biegefestigkeit von etwa 240 MPa auf.
In einer alternativen Ausgestaltungsform ist das Material beispielsweise aus einem Schaumstoff oder einem elastischen Gummimaterial hergestellt.
In einer bevorzugten Ausbildung ist der Lastverteiler ein Spritzgussteil. Dadurch ist eine besonders einfacher und kostengünstig herstellbarer Lastverteiler realisiert, welcher flexibel und individuell an die mindestens eine Batteriezelle und/oder an eine Einbausituation anpassbar ist. Der Lastverteiler ist hierbei insbesondere einteilig, also einstückig oder monolithisch, hergestellt.
In einer geeigneten Ausbildungsform ist der Lastverteiler ein Kunststoff-Spritzgussteil. Durch die Ausbildung als Kunststoff-Spritzgussteil ist eine hohe Präzision bei der Herstellung ermöglicht, so dass der Lastverteiler einfach und präzise in den geringen Bauraum innerhalb eines Batteriemoduls einbringbar ist, wodurch die Funktion des Batteriemoduls weiter verbessert wird. Im Gegensatz zu einer Ausbildung als ein Metallelement oder als ein Kunststoff-Metall-Hybridelement ermöglicht die Ausbildung als reines Kunststoffbauteil eine einfache und individuelle sowie eigenständige Anpassung an die Impactorgeometrie im Crashlastfall. Dies bedeutet, dass der Lastverteiler geeigneterweise eine integrierte Morphingeigenschaft aufweist.
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Material eine gitterförmige Mikrostruktur aufweist. Mit anderen Worten weist das Material ein Gefüge auf, dessen Beschaffenheit oder räumliche Anordnung etwa gitterartig oder gitterförmig ist. Dies bedeutet, dass das Material nicht vollständig ausgefüllt ist, sondern in dessen Volumen eine Vielzahl von Poren oder Freiräumen als Gitteröffnungen aufweist. Dadurch ist das Material einerseits besonders stabil und andererseits besonders gewichtsreduziert.
Unter einer „gitterförmigen Mikrostruktur“ sind hierbei sowohl Mikrostrukturen mit einem im Wesentlichen regelmäßigen oder fachwerkartigen Gitteraufbau als auch poröse Mikrostrukturen mit einer Porosität zu verstehen, bei welcher die Poren im Wesentlichen statistisch verteilt angeordnet sind. Wesentlich ist, dass die Mikrostruktur eine Vielzahl an Hohlräumen oder Vertiefungen aufweist, so dass eine einfache und individuelle sowie eigenständige Anpassung an die Impactorgeometrie gewährleistet ist.
Die Mikrostruktur ist hierbei insbesondere eine mikroskopische oder mesoskopische oder makroskopische Formgebung des Gefüges. Insbesondere ist die Mikrostruktur hierbei auf einer Längenskala im Millimeterbereich dimensioniert. Mit anderen Worten weisen die Freiräume oder Poren Abmessungen im Millimeterbereich auf.
Im Hinblick auf die Mikrostruktur ist es insbesondere bei Mikrostrukturen mit einem regelmäßigen Gitteraufbau beispielsweise möglich, dass der Lastverteiler als ein Druckteil, insbesondere als ein dreidimensionales Druckteil (3D-Druckteil), ausgeführt ist. Mit anderen Worten ist es möglich, dass der Lastverteiler in einem 3D-Druckverfahren oder additiven Fertigungsverfahren hergestellt ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Mikrostruktur als ein beispielsweise kubisches, tetragonales, oder orthorhombisches Waben- oder Rechteckgitter ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Mikrostruktur insbesondere im Querschnitt als ein rechtwinkeliges, quadratisches oder rechteckförmiges Gitter ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Gitterzellen im Querschnitt etwa quadratisch oder rechteckförmig mit zwei senkrecht zueinander orientierten Gitterachsen ausgeführt sind, wobei vorzugsweise eine Gitterachse im Wesentlichen entlang der Lateralrichtung orientiert ist.
Durch die Orientierung der Gitterachse entlang der Lateral- oder Radialrichtung wird sichergestellt, dass die auf den Lastverteiler einwirkenden Belastungen im Wesentlichen senkrecht auf die Gitterzellen einwirkt, so dass eine gleichmäßige und sukzessive Deformierung und/oder Zerstörung der Gitterzellen entlang der Gitterachse beziehungsweise Lateralrichtung gewährleistet ist. Mit anderen Worten sind durch die Mikrostruktur einerseits eine lastverteilende Funktion sowie eine Energieabsorption realisiert. Dadurch wird sichergestellt, dass eine möglichst hohe Energieabsorption und Belastungsreduzierung durch den Lastverteiler realisiert ist.
Vorzugsweise wird das gewünschte Überlastniveau hierbei durch die Geometrie und/oder Wandstärke der Gitterzellen individuell eingestellt. Durch die gezielte Deformierung und/oder Zerstörung passt sich die Geometrie des Materials beziehungsweise der Mikrostruktur besonders einfach und effektiv an die auftretende Belastung an, so dass lokale Spannungsspitzen an der mindestens einen Batteriezelle reduziert oder vollständig vermieden werden.
In einer alternativen Ausführung weist das Material des Lastverteilers anstelle einer Mikrostruktur einen geschichteten oder sandwichartigen Aufbau auf. Das Material weist hierbei beispielsweise zwei Decklagen und einen dazwischen angeordneten Kern auf. Die Decklagen sind beispielsweise aus eine Kunststoffmaterial oder einem Faserverbundkunststoffmaterial (FVK) hergestellt. Der Kern ist beispielsweise als ein Schaummaterial, eine Papierwabenstruktur oder ein Kunststoffmaterial ausgeführt. Der Kern weist hierbei beispielsweise eine gitterartige oder fachwerkartige Struktur auf, welche eine einfache und individuelle sowie eigenständige Anpassung an die Impactorgeometrie ermöglicht.
In einer denkbaren Ausführung ist der Lastverteiler als eine gitterförmige Stützstruktur mit einer Anzahl von Gitteröffnungen ausgeführt, wobei die oder jede Batteriezelle in jeweils eine Gitteröffnung axial eingesetzt ist. Mit anderen Worten weist der Lastverteiler eine makroskopische Gitterstruktur als Stützstruktur auf. Die Stützstruktur nimmt hierbei geeigneterweise die zu schützenden Batteriezellen auf. Geeigneterweise ist die Stützstruktur hierbei zumindest abschnittsweise an einem Gehäuse, insbesondere einem Modulgehäuse, abgestützt. Dadurch ist ein besonders geeigneter Lastverteiler realisiert.
Die Stützstruktur ist hierbei einerseits äußerst leichtbauend, da die Wandstärken aufgrund der Mikrostruktur besonders klein dimensionierbar sind, und andererseits besonders stabil bei den zu erwartenden Beanspruchungen, insbesondere Druckbeanspruchungen. Die Wandstärken sind hierbei beispielsweise an das jeweils gewünschte Überlastniveau anpassbar.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Stützstruktur als ein Kreuzgitter ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Stützstruktur im Querschnitt, insbesondere in einer XZ-Schnittebene, eine kreuzförmige Gitterstruktur auf, wobei die beiden Gitterachse senkrecht zueinander orientiert sind. Beispielsweise sind die Gitterachsen hierbei mit einem Neigungswinkel gegenüber den Seitenwänden des Gehäuses geneigt. Insbesondere weisen die Gitterachsen hierbei einen Neigungswinkel von etwa 45° gegenüber der Fahrzeuglängsrichtung (X) auf.
Durch das Kreuzgitter der Stützstruktur (Kreuzstruktur) werden alle darin aufgenommenen Batteriezellen im Wesentlichen gleichartig von dem Lastverteiler umschlossen und geschützt. Dadurch ist eine besonders geeignete Stützstruktur für den Lastverteiler realisiert.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Lastverteiler beispielsweise als ein Hohlzylinder ausgebildet, wobei die zu schützende Batteriezelle koaxial in den Lastverteiler eingesetzt ist. In dieser Ausführungsform weist die Vorrichtung vorzugsweise eine der Anzahl der Batteriezellen entsprechende Anzahl von Lastverteilern auf. Dies bedeutet, dass der Lastverteiler als eine beispielsweise kreisrunde Einzelumfassung für die Rundzelle ausgebildet ist.
In einer ebenso denkbaren alternativen Ausführungsform weist der Lastverteiler mehrere schlangenförmig oder mäanderförmig um die Batteriezellen geführte Wände auf, welche sich in Kreuzungspunkten schneiden oder kreuzen. Die Batteriezellen sind hierbei jeweils abschnittsweise in einem Schlangen- oder Mäanderbogen der jeweils zugeordneten Wand eingefasst oder umschlossen. Dadurch ist eine besonders materialsparende Ausführung des Lastverteilers ermöglicht.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist eine biegesteife Struktur zwischen der Innenseite des Lastverteilers und dem Außenumfang der Batteriezelle vorgesehen. Mit anderen Worten ist an der zellzugewandten Innenseite des Lastverteilers eine zusätzliche biegesteife Struktur für eine weitere Lastverteilung vorgesehen. Die biegesteife Struktur ist beispielsweise als ein Metallring ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul ist beispielsweise für einen stationären Energiespeicher geeignet und eingerichtet. Vorzugsweise ist das Batteriemodul für einen fahrzeuginternen Energiespeicher, also für eine Fahrzeugbatterie eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, geeignet und eingerichtet. Das Batteriemodul weist ein Modulgehäuse und mindestens eine darin angeordnete zylindrische Batteriezelle auf. Das Batteriemodul weist weiterhin eine vorstehend beschriebene Vorrichtung auf, welche zweckmäßigerweise mit der mindestens einen Batteriezelle innerhalb des Modulgehäuses angeordnet ist.
Vorzugsweise ermöglicht die Vorrichtung beispielsweise durch eine großflächige (gezielte) Zerstörung des Lastverteilers eine Verdrängung der darin angeordneten Rundzellen, so dass der Einsatz der Vorrichtung beziehungsweise des Lastverteilers mit oder ohne Verschiebung der Batteriezellen im Modulgehäuse ermöglicht ist.
Durch die integrierte Vorrichtung sind die Batteriezellen des Batteriemoduls einfach und zuverlässig vor einer inhomogenen Beanspruchung geschützt. Dadurch ist es möglich das Batteriemodul lasttragend auszubilden, also Lastpfade für äußere Crashfälle in das Modulgehäuse zu integrieren. Durch die Vorrichtung ist es möglich robuste Rundzellen zu verwenden, wobei die Vorrichtung eine inhomogene Belastung im Crashfall vorteilhaft und einfach verhindert oder zumindest reduziert. Dadurch ist ein besonders kostengünstiges und gewichtreduziertes Batteriemodul realisiert, welches eine Reduzierung der Z-Maßkette ermöglicht.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:

1 ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie,
2 in einer Draufsicht ein Batteriemodul der Fahrzeugbatterie mit einer Anzahl von Batteriezellen,
3 in Frontansicht das Batteriemodul mit einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen in einer ersten Ausführungsform,
4 ausschnittsweise einen Lastverteiler der Vorrichtung mit einer Batteriezelle,
5 in Seitenansicht ausschnittsweise den Lastverteiler und die Batteriezelle,
6 in Seitenansicht ausschnittsweise den Lastverteiler und die Batteriezelle bei einem Seitenaufprall,
7 in Frontansicht das Batteriemodul mit einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen in einer zweiten Ausführungsform, und
8 in Frontansicht das Batteriemodul mit einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen in einer dritten Ausführungsform.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt in einer schematischen und vereinfachten Darstellung ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug 2, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Das Kraftfahrzeug 2 weist einen internen elektrochemischen Energiespeicher in Form einer als Traktionsbatterie ausgeführten Fahrzeugbatterie 4 auf. Die Fahrzeugbatterie 4 weist hierbei eine Anzahl von miteinander verschalteten Batteriemodulen 6 auf, wobei in der 1 schematisch beispielhaft lediglich vier Batteriemodule 6 gezeigt sind.
Zur (Auf-) Ladung der Fahrzeugbatterie 4 beziehungsweise der Batteriemodule 6 ist eine Ladeschnittstelle 8 des Kraftfahrzeugs 2 vorgesehen, mittels welcher das Kraftfahrzeug 2 beispielsweise an ein Ladekabel elektrisch anschließbar ist. Im Zuge eines Ladevorgangs wird die Fahrzeugbatterie 4 mittels eines Ladestroms aufgeladen.
Im Nachfolgenden sind Angaben hinsichtlich der Raumrichtungen auch insbesondere in einem Koordinatensystem des Kraftfahrzeugs (Fahrzeugkoordinatensystem) angegeben. Die Abszissenachse (X-Achse, X-Richtung) ist hierbei entlang der Fahrzeuglängsrichtung (Fahrrichtung) und die Ordinatenachse (Y-Achse, Y-Richtung) entlang der Fahrzeugquerrichtung sowie die Applikatenachse (Z-Achse, Z-Richtung) entlang der Fahrzeughöhe orientiert.
Die 2 zeigt in schematischer und vereinfachter Darstellung in Draufsicht ein Batteriemodul 6 in der XY-Ebene. Das Batteriemodul 6 weist eine Anzahl von zylindrischen Batteriezellen oder Rundzellen 10 auf, welche miteinander elektrisch verschaltet sind. Die Batteriezellen 10 sind in einem Modulgehäuse 12 des Batteriemoduls 6 aufgenommen. Die Batteriezellen 10 sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
In der 3 ist eine Frontansicht des Batteriemoduls 6 in einer XZ-Ebene gezeigt. Wie in der 3 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weist das Batteriemodul 6 eine Vorrichtung 14 zum Schutz der Rundzellen 10 auf.
Die Vorrichtung 14 weist einen Lastverteiler 16 aus einem deformierbaren Material 18 auf, welcher die Batteriezellen 10 entlang deren Außenumfang einfasst. Mit anderen Worten sitzen die Batteriezellen 10 entlang deren Axialrichtung A in dem Lastverteiler 16 ein.
Der Lastverteiler 16 ist als eine gitterförmige Stützstruktur, insbesondere als ein Kreuzgitter, mit einer Anzahl von Gitteröffnungen 20 ausgeführt, wobei die oder jede Batteriezelle 10 in jeweils eine Gitteröffnung 20 axial eingesetzt oder eingeschoben ist. Die Stützstruktur des Lastverteilers 16 ist hierbei über einen einstückig angeformten, also monolithisch oder einteilig angeformten, Rahmen 22 umfangsseitig an den Innenwänden des Modulgehäuses 12 abgestützt.
Wie in der Darstellung der 3 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist weist der Lastverteiler 16 eine kreuzförmige Gitterstruktur (Kreuzgitter) als Stützstruktur auf, wobei die beiden Gitterachsen senkrecht zueinander orientiert sind. Die Gitterachsen sind hierbei um einen Neigungswinkel gegenüber den Seitenwänden des Gehäuses 12, also gegenüber der X- und Z-Richtung, geneigt angeordnet. Insbesondere weisen die Gitterachsen hierbei einen Neigungswinkel von etwa 45° auf. Durch das somit realisierte Kreuzgitter der Stützstruktur (Kreuzstruktur) werden alle darin aufgenommenen Batteriezellen 10 im Wesentlichen gleichartig von dem Lastverteiler 16 umschlossen und geschützt.
Das Material beziehungsweise der Werkstoff 18 des Lastverteilers 16 und des Rahmens 22 ist hierbei derart ausgelegt, dass wenn eine entlang einer Lateralrichtung (Radialrichtung) L der Batteriezellen 10 orientierte Belastung auftritt, der Lastverteiler 16 an einer der Batteriezelle 10 abgewandten Außenseite 24 zumindest teilweise oder partiell deformiert und/oder zerstört wird, und dadurch die Batteriezelle 10 an einer dieser zugewandten Innenseite 26 des Lastverteilers 16 entlang der Axialrichtung A im Wesentlichen homogen belastet wird (4). Dies bedeutet, dass die Vorrichtung 14 einen morphenden Lastverteiler 16 für Rundzellen 10 in dem Batteriemodul 6 aufweist.
Zu diesem Zwecke ist das Material 18 insbesondere als ein Kunststoffmaterial ausgeführt. Insbesondere sind der Lastverteiler 16 und der Rahmen 22 als ein Kunststoff-Spritzgussteil ausgeführt. Der Lastverteiler 16 beziehungsweise das Material 18 ist hierbei mit einer Mikrostrukturierung 28 versehen.
Das mikrostrukturierte Gefüge beziehungsweise die mikrostrukturierte Beschaffenheit des Materials 18 ist nachfolgend anhand der 4 und 5 näher erläutert.
Die 4 zeigt einen Ausschnitt IV gemäß 3 in einer vergrößerten Darstellung. In der 5 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie V-V gemäß 3 gezeigt. Wie anhand der 4 und 5 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, ist die Mikrostruktur beziehungsweise Mikrostrukturierung 28 als ein Waben- oder Rechteckgitter ausgeführt. Die dreidimensionale Gitterstruktur der Mikrostruktur 28 ist hierbei insbesondere im Wesentlichen kubisch, orthorhombisch oder tetragonal mit drei im Wesentlichen zueinander senkrecht orientierten Gitterachsen a, b, c ausgeführt.
Die Gitterachse a ist hierbei vorzugsweise im Wesentlichen entlang der Lateralrichtung L beziehungsweise entlang einer Radialrichtung der Batteriezelle 10 orientiert. Mit anderen Worten ist die Mikrostruktur 28 im Querschnitt als ein rechtwinkeliges, quadratisches oder rechteckförmiges Gitter ausgeführt, wobei zumindest eine Seitenkante beziehungsweise die Gitterachse b senkrecht zu einer Hauptrichtung einer auftretenden Belastung orientiert ist. Die Gitterachse c ist hierbei insbesondere entlang der Axialrichtung A beziehungsweise Z-Richtung orientiert (5).
Nachfolgend ist anhand der 6 der Schutz der Batteriezellen 10 mittels der Vorrichtung 14 näher erläutert.
In dem Beispiel der 6 wirkt eine Belastung, insbesondere Druckbelastung entlang der Lateralrichtung L auf das Batteriemodul 6 ein. Dadurch kommt es zu einer Verformung des Modulgehäuses 12, welche sich als Stoßkörper oder Impactor 30 in das Gehäuseinnere und somit in Richtung der Vorrichtung 14 und der Batteriezellen 10 erstreckt.
Bezogen auf die Lateralrichtung L weist der Stoßkörper 30 hierbei eine unebene Stoßkörpergeometrie (Impactorgeometrie) entlang der Axialrichtung A auf, welche die Rundzelle 10 direkt und inhomogen belasten und/oder deformieren würde. Durch den Lastverteiler 16 der Schutzvorrichtung 14 wirken die lokalen Belastungsspitzen nicht direkt auf die Rundzelle 10 sondern insbesondere auf die Außenseite 24 des Lastverteilers 16 ein. Durch die lokalen Belastungsspitzen wird die Außenseite 24 partiell deformiert und/oder zerstört. Mit anderen Worten passt sich die Außenseite 24 im Wesentlichen selbsttätig und individuell an die jeweilige Geometrie des Impactors oder Stoßkörpers 30 an.
Durch die Deformierung und/oder teilweise Zerstörung wird einerseits die kinetische Energie des Stoßkörpers 30 in Verformungsenergie gewandelt und somit effektiv zumindest teilweise absorbiert. Andererseits wird die von der Impactorgeometrie ausgehende Belastung geometrisch vergrößert oder verteilt. Dadurch bleibt die Innenseite 26 des Lastverteilers 16 im Wesentlichen eben, wodurch eine im Wesentlichen homogene Belastung und/oder Deformierung der Rundzelle 10 in Lateralrichtung L entlang deren axialen Dimensionierung gewährleistet wird. Die zerstörten Bereiche des Lastverteilers 16 sind in der 6 mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichnet.
In dem Ausführungsbeispiel der 6 ist an der Innenseite 26 des Lastverteilers 16 zusätzlich ein Metallring als biegesteife Struktur 34 vorgesehen.
Durch die fachwerkartige Ausgestaltung des Lastverteilers 16 ist eine besonders sichere und stabile Halterung der Batteriezellen 10 bei auftretenden Belastungen entlang der X- oder Z-Richtung realisiert. Des Weiteren weisen die Batteriezellen 10 aufgrund ihrer Ausgestaltung als zylindrische Rundzellen eine besonders hohe Beständigkeit entlang der Y-Richtung auf. Dadurch ist ein besonders stoßsicheres oder belastungsresistentes Batteriemodul 6 realisiert.
Bei einer Belastung entlang der Z-Richtung wird zunächst der Rahmen 22 deformiert und/oder zerstört und somit die einwirkende Kraft möglichst gleichmäßig auf die Querstreben oder Gitterstreben des kreuzgitterförmigen Lastverteilers 16 verteilt. Die Gitterstreben des Kreuzgitters wirken hierbei als Kraft- oder Lastpfade auf welche sich die Belastung verteilt. Bei einer (starken) Belastung wird der Lastverteiler 16 hierbei sukzessive entlang der Z-Richtung deformiert und/oder zerstört. Dadurch werden die einsitzenden Batteriezellen 10 effektiv verdrängt oder verschoben, insbesondere weichen die Batteriezellen hierbei entlang der X-Richtung aus, so dass die einwirkende Energie über die Z-Abmessung des Batteriemoduls 6 weiter reduziert wird. Dadurch ist es möglich, einen zusätzlich integrierten Unterfahrschutz (UFS) des Batteriemoduls 6 beziehungsweise der Fahrzeugbatterie 4 entfallen zu lassen, da diese Schutzfunktion durch die Vorrichtung 14 realisiert wird.
Bevorzugterweise tritt die Deformierung und/oder Zerstörung des Materials 18 beziehungsweise der Mikrostruktur 28 erst auf, wenn ein vorgegebenes Überlastniveau erreicht oder überschritten ist. Vorzugsweise ist das Überlastniveau hierbei orthotrop oder richtungsabhängig vorgebbar oder einstellbar.
Beispielsweise weist die in 3 gezeigte Vorrichtung 14 einen Lastverteiler 16 auf, welcher entlang einer parallel zu einer der Gitterachsen des Kreuzgitters gerichteten Belastung 36 ein erstes, vergleichsweise niedriges Überlastniveau auf, bei welchem die Mikrostruktur 28 entlang der Gitterachse a deformiert und/oder zerstört wird. Entlang einer parallel zur Z-Richtung orientierten Belastung 38 weist der Lastverteiler 16 durch die Kreuzungspunkte der Mikrostruktur 28 und der makroskopischen Stützstruktur ein vergleichsweise hohes Überlastniveau auf. Mit anderen Worten ist der Lastverteiler 16 entlang der Z-Richtung besonders stabil ausgebildet.
Die 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 14', bei welcher eine der Anzahl der Batteriezellen 10 entsprechende Anzahl von Lastverteilern 16 vorgesehen sind. Die Lastverteiler 16 sind in dieser Ausführungsform im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgeführt, wobei die jeweils zu schützende Batteriezelle 10 koaxial in den zugehörigen Lastverteiler 16 eingesetzt ist.
Bei dem in 8 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 14" sind eine Anzahl von schlangenförmigen oder mäanderförmigen Lastverteilern 16 vorgesehen, welche als um die Batteriezellen 10 geführte Wände ausgebildet sind. Die Batteriezellen 10 sind hierbei jeweils abschnittsweise in einem Schlangen- oder Mäanderbogen der jeweils zugeordneten Wand eingefasst oder umschlossen.
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Kraftfahrzeug
4: Fahrzeugbatterie
6: Batteriemodul
8: Ladeschnittstelle
10: Batteriezelle/Rundzelle
12: Modulgehäuse
14, 14', 14": Vorrichtung
16: Lastverteiler
18: Material
20: Gitteröffnung
22: Rahmen
24: Außenseite
26: Innenseite
28: Mikrostruktur
30: Stoßkörper/Impactor
32: Bereich
34: Struktur
36, 38: Belastung
X, Y, Z: Richtung
A: Axialrichtung
L: Lateralrichtung
a, b, c: Gitterachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012017879 A1 [0009]
US 2016/0167544 A1 [0009]
US 9806306 B2 [0010]

Claims

Vorrichtung (14, 14',14") zum Schutz mindestens einer zylindrischen Batteriezelle (10), aufweisend einen Lastverteiler (16) aus einem deformierbaren Material (18), welcher die mindestens eine Batteriezelle (10) zumindest abschnittsweise entlang deren Außenumfang einfasst, - wobei sich der Lastverteiler (16) über die axiale Länge der mindestens einen Batteriezelle (10) erstreckt, und - wobei das Material (18) des Lastverteilers (16) so ausgelegt ist, dass wenn eine entlang einer Lateralrichtung (L) der Batteriezelle (10) orientierte Belastung (36, 38) auftritt, der Lastverteiler (16) an einer der Batteriezelle (10) abgewandten Außenseite (24) zumindest teilweise deformiert und/oder zerstört wird, und dadurch die Batteriezelle (10) an einer dieser zugewandten Innenseite (26) des Lastverteilers (16) entlang der Axialrichtung (A) im Wesentlichen homogen belastet wird.
Vorrichtung (14, 14',14") nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Deformierung und/oder Zerstörung des Materials (18) des Lastverteilers (16) auftritt, wenn ein vorgegebenes Überlastniveau erreicht oder überschritten ist.
Vorrichtung (14, 14',14") nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) ein Kunststoffmaterial ist.
Vorrichtung (14, 14',14") nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastverteiler (16) ein Spritzgussteil ist.
Vorrichtung (14, 14',14") nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) eine gitterförmige Mikrostruktur (28) aufweist.
Vorrichtung (14, 14',14") nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (28) als ein Waben- oder Rechteckgitter ausgeführt ist.
Vorrichtung (14, 14',14") nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastverteiler (16) als eine gitterförmige Stützstruktur mit einer Anzahl von Gitteröffnungen (20) ausgeführt ist, wobei die oder jede Batteriezelle (10) in jeweils eine Gitteröffnung (20) axial eingesetzt ist.
Vorrichtung (14, 14',14") nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur als ein Kreuzgitter ausgebildet ist.
Vorrichtung (14, 14',14") nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine biegesteife Struktur (34) zwischen der Innenseite (26) des Lastverteilers (16) und dem Außenumfang der Batteriezelle (10) vorgesehen ist.
Batteriemodul (6) für eine Fahrzeugbatterie (4), aufweisend ein Modulgehäuse (12) und mindestens eine darin angeordnete zylindrische Batteriezelle (10) sowie eine Vorrichtung (14, 14',14") nach einem der Ansprüche 1 bis 9.