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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, die in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, um einem elektrischen Antrieb Energie bereitzustellen. Häufig umfassen diese Batterien mehrere Zellen, zwischen denen Kühlkanäle angeordnet sind, um die beim Betrieb entstehende Wärme abzuleiten.
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Die
US 2006/0063067 A1 offenbart eine Batterie mit mehreren Batteriezellen. Die Seitenwände der Batteriezellen weisen eine Rippenstruktur auf, die jeweils an der benachbarten Batteriezelle anliegt. Die Rippenstrukturen begrenzen mehrere Kühlkanäle.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kompaktere Batterie zu schaffen. Außerdem soll ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterie gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 9 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Batterie umfasst eine erste Batteriezelle, eine zweite Batteriezelle, mehrere Kühlkanäle und ein Zwischenelement. Die Batteriezellen umfassen jeweils einen Energiespeicher und ein den Energiespeicher umgebendes Gehäuse. Unter einem Energiespeicher wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere eine elektrochemische Zelle verstanden, die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie abzugeben. Die erste Batteriezelle umfasst erste Vorsprünge, die an einem der zweiten Batteriezelle zugewandten Teil des Gehäuses der ersten Batteriezelle angeordnet sind und vom Gehäuse der ersten Batteriezelle in Richtung der zweiten Batteriezelle hervorragen. Die zweite Batteriezelle umfasst zweite Vorsprünge, die an einem der ersten Batteriezelle zugewandten Teil des Gehäuses der zweiten Batteriezelle angeordnet sind und vom Gehäuse der zweiten Batteriezelle in Richtung der ersten Batteriezelle hervorragen. Die ersten Vorsprünge und die zweiten Vorsprünge können beispielsweise die gleiche Form aufweisen.
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Die ersten Vorsprünge sind dabei relativ zu den zweiten Vorsprüngen versetzt. Hierunter wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass beispielsweise die ersten Vorsprünge in Zwischenräume zwischen den zweiten Vorsprüngen hineinragen können und/oder dass die zweiten Vorsprünge in Zwischenräume zwischen den ersten Vorsprüngen hineinragen können.
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Das Zwischenelement liegt jeweils, beispielsweise direkt, an den ersten Vorsprüngen und an den zweiten Vorsprüngen an. Die Kühlkanäle können jeweils durch einen der ersten Vorsprünge, das Zwischenelement und das Gehäuse der ersten Batteriezelle begrenzt sein. Dies kann beispielsweise für eine erste Gruppe der Kühlkanäle zutreffen. Die Kühlkanäle können alternativ dazu jeweils durch einen der zweiten Vorsprünge, das Zwischenelement und das Gehäuse der der zweiten Batteriezelle begrenzt sein. Dies kann beispielsweise für eine zweite Gruppe der Kühlkanäle zutreffen.
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Es gibt somit eine erste Gruppe der Kühlkanäle, die unter anderem durch die ersten Vorsprünge und das Gehäuse der ersten Batteriezelle begrenzt sind, und eine zweite Gruppe der Kühlkanäle, die unter anderem durch die zweiten Vorsprünge und das Gehäuse der zweiten Batteriezelle begrenzt sind. Da die ersten und die zweiten Vorsprünge versetzt zueinander angeordnet sind, sind somit auch die Kühlkanäle versetzt zueinander angeordnet. Auf diese Weise wird der zwischen den Batteriezellen für die Kühlkanäle benötigte Bauraum verkleinert, sodass die Batteriezelle kompakter ausgestaltet sein kann.
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Die ersten und die zweiten Vorsprünge haben außerdem den Vorteil, dass die gesamte Batterie versteift wird. Durch die Erhöhung der mechanischen Stabilität kann ein temperaturbedingtes Ausdehnen der Batteriezellen verringert werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Zwischenelement eine gewellte Form aufweisen. Unter der gewellten Form wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere eine Form verstanden, bei der sich Krümmungen in entgegengesetzte Richtungen abwechseln. Beispielsweise kann die gewellte Form eine Sinusform sein oder ihr ähneln. Durch die gewellte Form ist das Zwischenelement an die versetzt zueinander angeordneten ersten und zweiten Vorsprünge angepasst, sodass weiter Bauraum gespart wird.
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Das Zwischenelement kann die gewellte Form beispielsweise schon aufweisen, bevor es zwischen den Batteriezellen angeordnet wird. Es ist auch möglich, dass es bei einer Annäherung der Batteriezellen aneinander durch die ersten und zweiten Vorsprünge in die gewellte Form gebracht wird.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Zwischenelement ein Kompressionselement und zwei Stabilisierungslagen umfassen. Unter dem Kompressionselement wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein Element verstanden, das bei einer Ausdehnung einer der Batteriezellen oder beider Batteriezellen, die beispielsweise thermisch induziert sein kann, komprimiert wird. Kompressionselemente werden insbesondere im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet, um ein Ausdehnen der Batteriezellen zu ermöglichen und gleichzeitig Bewegungen der Batteriezellen zu verhindern oder zu dämpfen.
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Das Kompressionselement kann zwischen den Stabilisierungslagen angeordnet sein. Die Kühlkanäle können jeweils durch die Stabilisierungslagen begrenzt sein. Die Stabilisierungslagen können beispielsweise durch den gesamten Zwischenraum zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle verlaufen. Es ist insbesondere möglich, dass die Stabilisierungslagen in direktem Kontakt mit den ersten und zweiten Vorsprüngen und mit den Gehäusen der ersten und der zweiten Batteriezelle stehen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Kompressionselement ein geringeres Kompressionsmodul als die Stabilisierungslagen aufweisen. Beispielsweise kann das Kompressionselement ein Kompressionsmodul zwischen 1 und 10 GPa aufweisen. Es ist möglich, dass das Kompressionsmodul der Stabilisierungslagen dreimal so groß ist wie das des Kompressionsmoduls.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Stabilisierungslagen jeweils als plattenförmige Festkörper ausgebildet sein. Unter dem Begriff „plattenförmig“ wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass das jeweilige Bauteil eine im Vergleich zu seiner Länge und Breite relativ geringe Dicke aufweist. Beispielsweise kann die Dicke weniger als ein Fünftel der Länge und/oder der Breite betragen. Die Stabilisierungslagen können beispielsweise jeweils als Blech, Wellblech, laminierte Platte und/oder Kunststoffplatte ausgebildet sein. Die Verwendung von Wellblech ist insbesondere vorteilhaft für die gewellte Form des Zwischenelements.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die erste Batteriezelle dritte Vorsprünge aufweisen, die an dem der zweiten Batteriezelle zugewandten Teil des Gehäuses der ersten Batteriezelle angeordnet sind und vom Gehäuse der ersten Batteriezelle in Richtung der zweiten Batteriezelle hervorragen. Die dritten Vorsprünge können dabei weniger weit vom Gehäuse hervorragen als die ersten Vorsprünge. Es ist insbesondere möglich, dass die dritten Vorsprünge in einer der beiden oder beiden anderen Dimensionen jeweils eine größere Ausdehnung aufweisen als die ersten Vorsprünge.
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Die zweite Batteriezelle kann vierte Vorsprünge aufweisen, die an dem der ersten Batteriezelle zugewandten Teil des Gehäuses der zweiten Batteriezelle angeordnet sind und vom Gehäuse der zweiten Batteriezelle in Richtung der ersten Batteriezelle hervorragen. Die vierten Vorsprünge können dabei weniger weit vom Gehäuse hervorragen als die zweiten Vorsprünge. Es ist insbesondere möglich, dass die vierten Vorsprünge in einer oder beiden anderen Dimensionen jeweils eine größere Ausdehnung aufweisen als die zweiten Vorsprünge. Beispielsweise können die vierten Vorsprünge die gleiche Form aufweisen wie die dritten Vorsprünge.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die dritten Vorsprünge den zweiten Vorsprüngen gegenüber angeordnet sein. Die vierten Vorsprünge können den ersten Vorsprüngen gegenüber angeordnet sein. Das Zwischenelement ist dann jeweils zwischen den ersten und vierten Vorsprüngen und zwischen den zweiten und dritten Vorsprüngen angeordnet. Auf diese Weise kann die freie Biegelänge des Zwischenelements verringert und damit die mechanische Stabilität der Batterie erhöht werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die ersten Vorsprünge mit dem Gehäuse der ersten Batteriezelle und die zweiten Vorsprünge mit dem Gehäuse der zweiten Batteriezelle jeweils einstückig und/oder einteilig ausgebildet sein. Beispielsweise können sowohl das jeweilige Gehäuse als auch die ersten beziehungsweise die zweiten Vorsprünge in einem einzigen Extrudier-Prozess hergestellt werden. Dies ist eine besonders einfache Herstellungsweise.
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Beim Verfahren gemäß Anspruch 9 können das Gehäuse der ersten Batteriezelle und das Gehäuse der zweiten Batteriezelle hergestellt werden, indem zunächst ein plattenförmiges Material bereitgestellt wird, in das dann die Vorsprünge eingebracht werden. Dies kann beispielsweise durch Pressen, Rollieren oder Tiefziehen erfolgen. Dabei können in das Gehäuse der ersten Batteriezelle die ersten Vorsprünge und in das Gehäuse der zweiten Batteriezelle die zweiten Vorsprünge eingebracht werden. Das plattenförmige Material wird in die Gehäuseform gebogen. Die Gehäuseform kann beispielsweise ein Quader sein. Die beiden aneinander anstoßenden Kanten können miteinander verschweißt werden. Dieses Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, da mit diesem auch relativ komplexe erste und zweite Vorsprünge hergestellt werden können und somit relativ komplexe Kühlkanäle hergestellt werden können.
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Das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 umfasst einen elektrischen Antrieb und eine Batterie nach einer Ausführungsform der Erfindung. Die Batterie ist dabei dazu ausgebildet, den Antrieb mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Antrieb kann dazu ausgebildet sein, das Kraftfahrzeug anzutreiben.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigen
- 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Batterie mit drei Batteriezellen mit ersten und zweiten Vorsprüngen nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Schnittansicht durch eine Batterie mit drei Batteriezellen mit ersten, zweiten, dritten und vierten Vorsprüngen nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Blechs mit eingebrachten Vorsprüngen zum Zusammenbau eines Gehäuses einer Batteriezelle;
- 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines Gehäuses einer Batteriezelle, gebogen aus dem Blech aus 3; und
- 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Gehäuses einer Batteriezelle mit komplex geformten Vorsprüngen.
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Die in 1 dargestellte Batterie umfasst eine erste Batteriezelle 100 und eine zweite Batteriezelle 101. Am Gehäuse der ersten Batteriezelle 100 sind an der der zweiten Batteriezelle 101 zugewandten Seite erste Vorsprünge 102 angeordnet, die in Richtung der zweiten Batteriezelle 101 vom Gehäuse hervorragen. Am Gehäuse der zweiten Batteriezelle 101 sind an der der ersten Batteriezelle 100 zugewandten Seite zweite Vorsprünge 107 angeordnet. Die ersten Vorsprünge 102 und die zweiten Vorsprünge 107 sind versetzt zueinander angeordnet, sodass die ersten Vorsprünge 102 jeweils in Richtung eines Zwischenraums zwischen zwei der zweiten Vorsprünge 107 ragen und die zweiten Vorsprünge 107 jeweils in Richtung eines Zwischenraums zwischen zwei der ersten Vorsprünge 102 ragen.
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Zwischen der ersten Batteriezelle 100 und der zweiten Batteriezelle 101 ist ein Zwischenelement 103 angeordnet, das zwei Stabilisierungslagen 104 und ein Kompressionselement 108 umfasst. Dabei ist das Kompressionselement 108 zwischen den Stabilisierungslagen 104 angeordnet. Das Kompressionselement 108 erfüllt den Zweck bei einer Ausdehnung der Batteriezellen 100 und 101 komprimiert zu werden und so diese Ausdehnung zu erlauben. Dabei ist das Kompressionselement 108 auch im nicht ausgedehnten Zustand der Batteriezellen 100 und 101 zwischen den Batteriezellen 100 und 101 eingeklemmt. Auf diese Weise wird die mechanische Stabilität der Batterie erhöht.
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Das Zwischenelement 103 berührt jeweils direkt das Gehäuse der ersten Batteriezelle 100, das Gehäuse der zweiten Batteriezelle 101, die ersten Vorsprünge 102 und die zweiten Vorsprünge 107. Da die ersten Vorsprünge 102 relativ zu den zweiten Vorsprüngen 107 versetzt angeordnet sind, ergibt sich hieraus eine gewellte Form des Zwischenelements.
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Zwischen einer ersten der Stabilisierungslagen 104, den ersten Vorsprüngen 102 und dem Gehäuse der ersten Batteriezelle 100 sind erste Kühlkanäle 105 angeordnet Zwischen einer zweiten der Stabilisierungslagen 104, den zweiten Vorsprüngen 107 und dem Gehäuse der zweiten Batteriezelle 101 sind zweite Kühlkanäle 106 angeordnet. Aufgrund der gewellten Form der Stabilisierungslagen 104 als Bestandteil des Zwischenelements 103 und der versetzten Anordnung der ersten Vorsprünge 102 relativ zu den zweiten Vorsprüngen 107 sind die ersten Kühlkanäle 105 versetzt zu den zweiten Kühlkanälen 106 angeordnet. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Kühlung der Batteriezellen 100 und 101 bei gleichzeitig kompakter Bauweise der Batterie erreicht.
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Die ersten Vorsprünge 102 und die zweiten Vorsprünge 107 erhöhen außerdem die Stabilität der Batteriezelle.
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Die ersten Vorsprünge 102 können beispielsweise bei der Herstellung der ersten Batteriezelle 100 am Gehäuse der ersten Batteriezelle 100 angeformt sein. Die zweiten Vorsprünge 107 können bei der Herstellung der zweiten Batteriezelle 101 am Gehäuse der zweiten Batteriezelle 101 angeformt sein.
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Die Batterie in 1 umfasst außerdem eine dritte Batteriezelle, auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet wird, da sie baugleich zur ersten Batteriezelle 100 ausgeführt ist. Zwischen der zweiten Batteriezelle 101 und der dritten Batteriezelle ist ebenfalls ein Zwischenelement angeordnet, das baugleich zum anderen Zwischenelement und analog angeordnet ist.
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Die in 2 dargestellte Ausführungsform der Batterie unterscheidet sich im Wesentlichen von der in 1 dargestellten Ausführungsform durch dritte Vorsprünge 201 und vierte Vorsprünge 200. Dabei sind die dritten Vorsprünge 201 gegenüber den zweiten Vorsprüngen 107 angeordnet. Die vierten Vorsprünge 200 sind gegenüber den ersten Vorsprüngen 102 angeordnet. Die dritten Vorsprünge 201 ragen dabei weniger weit vom Gehäuse der ersten Batteriezelle 100 in Richtung der zweiten Batteriezelle 101 als die ersten Vorsprünge 102. Die vierten Vorsprünge 200 ragen weniger weit vom Gehäuse der zweiten Batteriezelle 101 in Richtung der ersten Batteriezelle 100 als die zweiten Vorsprünge 107. Somit weist das Zwischenelement 103 - ähnlich wie bei der Batterie aus 1 - eine gewellte Form auf.
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Die ersten Kühlkanäle 105 werden bei der Batterie in 2 somit durch das Gehäuse der ersten Batteriezelle 100, die ersten Vorsprünge 102, die dritten Vorsprünge 201 und das Zwischenelement 103 begrenzt. Die zweiten Kühlkanäle 106 werden bei der Batterie in 2 durch das Gehäuse der zweiten Batteriezelle 101, die zweiten Vorsprünge 107, die vierten Vorsprünge 200 und das Zwischenelement 103 begrenzt. Im Vergleich zur Batterie aus 1 verkleinern also die dritten Vorsprünge 201 und die vierten Vorsprünge 200 jeweils die Kühlkanäle 105 bzw. 106. Vorteilhaft sind die dritten Vorsprünge 201 und die vierten Vorsprünge 200 hingegen zur Steigerung der mechanischen Stabilität der Batterie, da die freie Biegelänge des Zwischenelements 103 reduziert wird. Die dritten Vorsprünge 201 und die vierten Vorsprünge 200 stützen das Zwischenelement 103 zusätzlich ab.
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Das in 3 dargestellte Blech 300 weist erste Vorsprünge 102 auf und kann zur Herstellung eines Gehäuses der ersten Batteriezelle verwendet werden. Zu diesem Zweck wird es entlang der Biegelinien 301 in den mit Pfeilen in 3 dargestellten Richtungen gebogen. Nach dem Biegevorgang weist das Blech 300 die in 4 dargestellte Quaderform auf. Die ersten Vorsprünge 102 stehen nach außen hervor. Zwei aneinander anstoßende Kanten des Gehäuses werden mit einer Schweißnaht 400 verschweißt.
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Mit diesem Verfahren lassen sich ganz unterschiedliche erste Vorsprünge 102 herstellen, sodass auch sehr komplex geformte Kühlkanäle möglich sind. Ein Beispiel komplex geformter Vorsprünge 501 ist beim Gehäuse 500 in 5 dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0063067 A1 [0003]
