存储电能的储能器装置、储能器装置制造方法以及机动车与流程

1.本发明涉及一种用于存储电能的储能器装置、一种用于制造储能器装置的方法以及一种包括至少一个储能器装置的机动车。


背景技术：

2.用于电动车辆的储能器装置具有层级构造。储能器装置包括多个电池单体，这些电池单体通常是锂离子电池单体。这些电池单体中的多个与控制模块一起在模块壳体中布置为电池模块。该电池模块被一起布置在也称为电池框架的电池壳体中，该电池壳体可保护电池模块免受外部机械负载的影响。为了减轻单体老化，特别是在锂离子单体的情况下，通常通过相应的模块壳体将单体压紧地预紧。在按照无模组层级(cell-to-pack-hierarchie)构造的储能器装置中，电池单体不布置在电池模块中。因此，省略了通常用于使电池单体预紧的模块壳体。取而代之的是，单个电池单体或者在没有机械预紧的情况下直接安装在电池壳体中，或者将其布置成也被称为垛的电池单体堆/电池单体组，其通过简单的拉紧带被压紧地预紧。
3.如果取消机械预紧，电池单体会经历更剧烈的电池单体老化。通过电池壳体对电池单体堆进行机械预紧只能在有限的范围内进行。电池壳体主要用于保护电池单体堆免受外部影响引起的机械变形，尤其是在发生事故时。该问题产生的原因是这两个任务对壳体提出的要求不同。要保护电池单体免受外部机械变形的电池壳体必须相对刚性，以避免电池壳体变形并因此在发生事故时损坏电池单体。在此需要注意的是，电池壳体被设计得能够承受突然作用的负载，例如120千牛顿的负载，而不会破裂。电池壳体的弯曲也必须保持得最小。
4.相比之下，为了通过电池壳体向电池单体堆上施加机械预紧力，则需要一定的灵活性，使其可以在一定程度上弯曲。之所以需要这样，是因为电池单体的体积在充电周期中以及由于电池单体寿命期间的老化过程而变化。电池单体体积由于老化过程而增加，由此电池单体施加在壳体上的压力增大。因此，电池壳体必须在一定程度上屈服以补偿变化的压力。电池壳体必须被设计得使充电周期中由于周期负载引起的材料疲劳尽可能低。
5.由于对壳体的这些不同要求，目前为止还没有找到能够同时令人满意地完成这两项任务的解决方案。
6.de 10 2017 216 782 a1描述了一种用于车辆的电池模块壳体。所示的电池模块壳体是包括电池模块的壳体。电池模块壳体包括用于容纳和固定拉紧带的至少一个凹部，由此使电池模块预紧。
7.de 10 2011 106 116 a1描述了一种由棱柱形蓄电池单体制成的蓄电池块。在此提出，该蓄电池块由布置在一个共同的壳体中的大量单个蓄电池单体组成。为了机械牢固地固定蓄电池块的这些蓄电池单体，使其在受到外力和振动时仅轻微移动，且另一方面，为了有足够的空间来吸收体积变化，该蓄电池块具有夹板，该夹板通过拉紧带形成弹性的夹紧装置，并使棱柱形蓄电池单体预紧为一个稳定的组。
8.de 10 2011 076 583 a1描述了一种由多个特别是棱柱形的存储单体构成的储能器模块和一种用于制造储能器模块的方法。储能器模块包括多个、特别是棱柱形的存储单体，这些存储单体堆成至少一排、一个接一个地布置并且通过至少一个拉柱(zuganker)或绕组夹紧在至少两个端板之间。在此，端板中的至少一个端板具有至少三层的层结构和/或拉柱由纤维复合材料构成。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种储能器装置，该储能器装置既满足对抗外部机械负载的要求又满足电池单体堆的充分预紧的要求。
10.本发明涉及一种用于储存电能的储能器装置。该储能器装置例如可以是牵引蓄电池，其被设置用于存储用于驱动机动车的能量。储能器装置具有壳体框架。例如，该壳体框架可以包含钢或铝合金，并且设置用于保护储能器装置的功能部件免受机械损坏。储能器装置的壳体框架在壳体框架的两个彼此对置的端面上分别具有壳体端壁。壳体框架例如可以设计为长方体形框架，其可以在其纵向端部具有两个壳体端壁。所述储能器装置具有至少一个电池单体堆，其中，在所述至少一个电池单体堆的两个彼此对置的端面上分别布置有堆端板，堆端板被紧固在所述储能器装置的壳体框架中，通过堆端板向电池单体堆施加压紧压力。换言之，至少一个电池单体堆布置在壳体端壁之间，从而由壳体框架通过两个堆端板对电池单体堆施加压紧压力。换句话说，电池单体堆被两个堆端板压紧在一起。所述至少一个电池单体堆的堆端板与壳体端壁平行地取向。在此提出，堆端板中的至少一个和与该堆端板对置的壳体端壁通过无电池单体堆的空间彼此分隔开。换言之，堆端板中的至少一个不贴靠在与其对置的壳体端壁上，而是通过自由空间与壳体端壁在空间上分隔开。因此在该堆端板和与之对置的壳体端壁之间没有电池单体堆。取而代之的是，可以在该区域中设置空腔或碰撞结构，其可以设置用于塑性地吸收变形。本发明的优点在于，储能器装置既满足抵抗从外部作用的机械负荷的要求，又使电池单体堆能够被预紧。壳体框架和壳体端壁在此可以设计用于在发生事故时保护电池堆。相反，堆端板可以设计成在电池单体堆上施加预压力并且在一定程度上屈服于电池单体堆的体积波动。在此，堆端板可以针对周期性的负荷而设计，以限制由于电池单体堆的周期性的体积变化所引起的材料疲劳。另一方面，壳体端壁可以被设计成承受特别高的、突然作用的外部机械负荷并且仅在较小程度上屈服。通过在堆端板和壳体端壁之间提供间隙，堆端板可以在一定程度上屈服而不受壳体端壁的阻碍。此外，可以通过间隙建立起缩皱区，使得屈服的壳体端壁不会直接作用在堆端板上并损坏它。
11.本发明的改进方案规定，堆端板设计为具有至少两层的复合板。换句话说，堆端板是具有由上下布置的至少两个层组成的复合结构的板。这种布置也称为三明治结构/夹层结构。这两层由具有不同机械特性的不同材料或相组成。该改进方案的优点是：能够将两个不同层的机械特性相互结合。例如可以设置成，面对电池单体堆的变形，堆端板的第一层比至少两个层中的第二层更易于屈服。由此例如可以将第一层设计成针对轻微变形，而将第二层设计成针对不能被第一层吸收的较大变形。
12.本发明的改进方案规定，堆端板设计为具有钢层、铝层和塑料层的复合板。换言之，堆端板包括至少一层钢层、一层铝层和一层塑料层。这样做的优点是，通过选择塑料，选
择了面对变形非常容易屈服的材料，而通过铝和钢则选择了相对刚性的材料。
13.本发明的改进方案规定，堆端板具有变形结构。换言之，堆端板具有几何结构，该几何结构设置用于塑性地吸收变形。例如可以规定，变形结构布置在铝层和钢层之间。变形结构可以例如具有空腔，该空腔是钢层中的凹部。铝层的拱曲部可以伸入到该空腔中。这样做的好处是，当铝层变形时，钢层中的空腔被铝层的材料填充。因此，铝层在那里直接贴靠在钢层上，由此局部地加强了堆端板。
14.本发明的改进方案规定，至少一个堆端板布置在两个电池单体堆之间。换句话说，至少一个堆端板同时是两个电池单体堆的端板，由此得到的优点是，通过该堆端板将电池单体堆中的两个电池单体堆预紧。例如可以规定，相继布置两个电池单体堆并且使这两个电池单体堆各自的端面都贴靠在该堆端板上。
15.本发明的改进方案规定，至少一个堆端板具有长孔，通过长孔将堆端板拧紧在壳体框架中。换句话说，堆端板具有长孔，长孔被设置用于容纳用于将堆端板拧紧在壳体框架中的螺钉。长孔的纵向方向平行于压力的作用方向并且长孔尤其可以设计为通孔。由此得到了便于制造储能器装置的优点。电池单体堆可以在制造过程中被压紧在一起，直到达到预定的堆尺寸。当达到堆尺寸时，可通过长孔将堆端板拧紧。通过选择长孔，可以在制造过程中选择所需的预紧力，由此相比于普通孔能够使选择更灵活。
16.本发明的另一改进方案规定，储能器装置具有至少一个拉紧带，该拉紧带拧紧在至少两个堆端板中。换言之，储能器装置具有至少一个拉紧带，该拉紧带紧固在堆端板上，以便通过堆端板对电池单体堆施加压紧压力。
17.本发明的改进方案规定，至少一个拉紧带紧固在壳体框架上。换句话说，拉紧带与壳体框架机械地牢固连接。例如可以规定，该拉紧带在两端拧紧在壳体框架中。由此得到将拉紧带固定在其位置上的优点。
18.本发明的改进方案规定，壳体框架具有借助于加强元件加强的盲孔。换言之，壳体框架具有盲孔，以便能够通过螺钉将堆端板和/或拉紧带拧紧在壳体框架中。壳体框架在盲孔的区域中具有加强元件。加强元件可以具有与壳体框架的其余部分不同的材料，以实现更强的局部负载。通过改进方案得到的优点是，壳体框架可以在局部区域有针对性地被加强以实现紧固。
19.本发明还包括一种用于制造储能器装置的方法。在此，在储能器装置的在两个彼此对置的端面上分别具有壳体端壁的壳体框架中，将至少一个堆端板平行于壳体端壁之一且通过无电池单体堆的空间与该壳体端壁分隔开地紧固在壳体框架中。将电池单体堆的一个端面布置在该堆端板处。在该电池单体堆的第二端面处布置第二堆端板。对该电池单体堆施加压紧压力且将堆端板拧紧在壳体框架中。
20.本发明还包括一种具有至少一个储能器装置的机动车。根据本发明的机动车优选设计为汽车，特别是轿车或卡车，或者客车或摩托车。
21.本发明还包括根据本发明的方法和根据本发明的机动车的改进方案，这些改进方案具有已经结合根据本发明的储能器装置的改进方案描述的特征。为此，这里不再再次描述根据本发明的方法和根据本发明的机动车的相应的改进方案。
22.本发明还包括所述实施方案的特征的组合。因此，本发明还包括将过个所述实施方式的未被互斥描述的特征相组合的实现方案。
附图说明
23.下面描述本发明的实施例。附图示出：
24.图1示出了根据本发明的可能的机动车1；
25.图2是沿图1中标记线a-a的剖面图；
26.图3是沿图1中标记线a-a的剖面图；
27.图4是沿图1中标记线b-b的剖面图；
28.图5示出图1中标记的区域x；
29.图6是沿图1中标记线c-c的剖面图；
30.图7是沿图1中标记线c-c的剖面图。
31.下面解释的实施例是本发明的优选实施例。在实施例中，实施方案的所描述的部件各自代表本发明的单独特征，这些特征将被相互独立地考虑并且还在每种情况下彼此独立地进一步改进本发明。因此，本公开还旨在包括除了所示出的那些之外的实施方案的特征的组合。此外，所描述的实施方案还可以由已经描述的本发明的其他特征来补充。
32.在图中，相同的附图标记表示具有相同功能的元件。
具体实施方式
33.图1示出了根据本发明的具有储能器装置2的可能的机动车1。储能器装置2例如可以是安装在混合动力机动车1或全电动机动车1中的牵引电池。为了保护储能器装置2免受机械负荷的影响，尤其是在发生事故时，可以规定，储能器装置2具有壳体框架3，通过该壳体框架，储能器装置2的内部至少部分封闭。例如，壳体框架3可以由钢制成。壳体框架3的尺寸和所用钢的类型可以这样选择，使得即使在较高的突然载荷下壳体框架3也不会发生明显的变形。在壳体框架3的彼此对置的两侧处可分别设置壳体端壁4。壳体端壁4例如可以通过至少两个纵向壁彼此连接。至少一个或多个电池单体堆5可以布置在由壳体框架3围出的体积空间中。电池单体堆5可以具有多个电池单体6，这些电池单体例如具有棱柱形形状并且布置在副壳体中并且通过分隔层7彼此分隔开。电池单体堆5在其纵向端部处可以具有相应的端面8，堆端板9可以布置在该端面上。堆端板9可以固定在壳体框架3中并对电池单体堆5施加压紧压力。堆端板9中的至少一个可以通过自由空间10与壳体端壁4之一在空间上间隔开。自由空间10可以是其中不存在电池单体6的空间。该自由空间10可以是空的，以便能够允许堆端板9机械变形。通过自由空间10可以防止堆端板9的变形受到刚性的壳体端壁4的限制。也可以实现，当壳体端壁4在事故情况下屈服时，该结构空间防止堆端板9由于壳体端壁4之一变形。在自由空间10中也可以布置所谓的碰撞结构。该碰撞结构可以是设计用于塑性地吸收机械变形能量的结构。为了能够将堆端板9固定在壳体框架3中，可以规定，在壳体框架3中实现堆端板9的螺纹连接件11。还可以实现堆端板9的带有拉紧带12的螺纹连接件11，该拉紧带12既可以拧紧在壳体框架3中，又可以拧紧在堆端板9中。该拉紧带12可以设置用于，向堆端板9上传递附加的预紧力。堆端板9可以这样设计，使得在充电周期期间或在电池单体6的寿命期间由于电池单体堆5的体积变化而出现的材料疲劳较小。
34.图2简化地示出了沿图1中的标记线a-a的剖面。图2可以示出堆端板9的剖面，该堆端板可以布置在电池单体堆5的端面8上。电池单体堆5可以包括至少两个棱柱形电池单体，它们可以通过分隔壁7彼此分隔开。电池单体堆5可以通过填充元件13与壳体框架3分隔开。
在横截面中可以看出，其中在该堆端板9与壳体端壁4之间存在未布置电池单体6的自由空间10。在该区域中可以布置如已经提到的碰撞结构。该堆端板9可以设计为复合板并且具有例如三层，其中贴靠在电池单体堆5上的第一层14可以具有塑料，第二层15可以具有铝并且第三层16可以具有钢。这种结构也称为夹层结构。层的划分可以从电池单体堆5的端面8延伸至自由空间10。可以规定，由塑料制成的第一层14最靠近电池单体堆5并且直接贴靠在其上。第二层15可以具有铝合金并且例如贴靠在由塑料制成的层14上。最后一层16可以具有钢并且贴靠在铝层15上。随着电池单体堆5的老化，电池单体6的体积进而电池单体堆5的体积会增加。在此需要堆端板9在一定程度上屈服。由塑料制成的第一层14具有比其他层更大的屈服度。这导致了，在压力增加之初，体积增加首先被塑料层14吸收。与该塑料层相比，铝层15和钢层16相对刚性。在进一步的发展过程中，在更高的压力值下，塑料层14会屈服并且压力可以被铝层15吸收。在电池单体堆5使用寿命的最后阶段，出现压力p的最高值，变形可以被钢层16吸收。
35.图3再次示出沿图1中标记为a-a的线的横截面。在此示出了已经结合图2描述的过程。除了图2中的图示之外，图3示出了具有可能的变形结构17的可能的堆端板9。变形结构17可以由钢层16中的凹部18组成，铝层15的构成部分/拱曲部分(ausbildung)伸入到该凹部中。如果电池单体堆5施加的压力p使铝层15变形，则变形结构17中的凹部可以被铝层15的材料填充。由此能够提高堆端板9的刚性。
36.图4示出了沿图1中标记为b-b的线的可能的横截面。作为示例，此处示出了，如何能将相应的堆端板9拧入壳体框架3中。壳体框架3可以具有伸入到壳体框架3内部空间中的突出部20。盲孔21可以布置在相应的突出部20中。堆端板9可以具有作为通孔的长孔22，该长孔在盲孔21的拧紧状态下设置在盲孔21上方。由此产生的优点是，当在制造期间加载电池单体堆5时，可以将堆端板9灵活地拧紧在壳体框架3中。在盲孔21的区域内，壳体框架可以具有加强元件23。该加强元件可以是在材料方面与壳体框架3的其余部分不同且更抗变形的元件。
37.图5示出了在图1中设有标记x的区域。可以看到已经在图4中描述的堆端板9的长孔22，该长孔可以例如被加工到铝层15或钢层16中。
38.图6简化地示出了沿图1中c-c标记的剖面。该剖面穿过布置在电池单体堆5中的两个之间的堆端板9。堆端板9也可以由三层14、15、16组成。在此包括塑料层14、铝层15和钢层16。塑料层14可以直接贴靠在电池单体堆5上的端面8处。
39.图7示出了具有可能的变形结构17的图6中所示的剖面。在此，钢层16也可以具有凹部18，铝层15的外伸部19伸入到凹部18中。
40.在当今的无模组设计中，电池单体要么在没有以限定方式被预紧的情况下被内置于壳体中，要么事先作为电池单体堆(也称为栈)例如借助于简单的带子被紧固到一起。
41.当今所有设计方案都具有电池单体老化过快的缺陷，因为在无模组设计方案中对电池单体堆的预紧比在将电池单体布置在电池模块中的设计方案中更复杂。
42.本发明描述了一种电池设计方案，该电池设计方案带来了电池壳体中所需的弯曲性，同时不需要其他部件，例如弹簧或板。该弯曲性是通过不同的材料特性实现的。
43.无模组设计方案的电池壳体必须同时满足两个重要要求：
44.在发生事故时，电池壳体不得因作用在电池壳体上的外力而破裂。因此，电池壳体
必须承受和吸收突然的、极高的负荷。在此起作用的力可以例如为120kn。这促使了刚性、鲁棒的设计，这种设计使电池单体不能有移动空间。
45.同时，电池壳体的内部必须是柔韧且可弯曲性的，并始终允许电池单体发生预定的变形。电池壳体承受不断增加的且因充电周期而波动的力，该力在电池的整个使用寿命期间可能会超过30kn。
46.目前为止，由于在设计方案中电池单体的老化总是高于许可，所以尚未有任何设计方案充分满足了所述相互冲突的要求。
47.本发明的构思在于，在电池壳体中安装堆端板和拉紧带。
48.堆端板的作用是：
49.调整堆尺寸以及在生产过程中借助长孔调整对电池单体的预紧——参见剖面b-b，以及通过堆端板的“三明治”结构(塑料-铝-钢)影响单体老化。堆端板的这种“三明治”结构可以随着单体老化确保必要的刚度。参见剖面a-a。出现的力和变形被局部吸收，并且力没有在多个位置向电池壳体中传导。堆端板利用螺钉固定在电池壳体中。
50.拉紧带的作用是限制电池内部的变形，从而能够更好地控制电池单体堆的老化。由于单体膨胀产生的力仅在预定位置处向电池壳体中传导，因此仅局限在壳体的关联位置处局部地发生变形。拉紧带用螺钉紧固在电池壳体中。
51.在变形和力在确定位置处被传导到电池壳体中的情况下，壳体可以在这些位置处被专门加固。也可以设置更简单的密封，因为密封面仅在已知的位置处承受变形的负荷。
52.由于堆端板由多种材料组成，所以基于不同的材料特性产生不同的刚度。因此，电池单体的变形可以在不同的老化阶段被不同地控制和吸收，通过刚度的变化对电池单体总是产生适配的压力:
53.在电池单体寿命初始，如果仅发生轻微老化，则需要相对较低的预紧力。在这个阶段，电池单体需要具有相对较小刚性的堆端板。
54.塑料确保了这种低刚性。随着老化加剧，电池单体中的压力增加。因此，从电池单体作用在端板上的电池单体力增加。对此起抵抗作用的是比塑料更刚性的铝。如果铝被弯曲变形，那么可以作为自由空间(气隙)设置在钢层与铝层之间的变形结构被填充，通过该钢插入结构进一步增加了堆端板的刚度。见剖面a-a。
55.在生产过程中必须将电池单体堆预紧。
56.在组装过程中，堆端板之一固定在电池壳体中。然后将电池单体与电池单体分隔元件一起装入电池中。安装完最后一个电池单体后，将第二堆端板安装在电池中。在将第二堆端板拧紧之前，必须使用辅助工具将整个堆压紧到预定尺寸——此时会产生大约1500n的力，这对于初始老化阶段是必需的。当堆具有预定的长度尺寸时，堆端板可以通过长孔和螺钉在壳体中固定在位置上。
57.本发明的优点在于，由于单体老化而产生的电池单体力不是在多个位置上对电池壳体施加负荷，而是借助于堆端板被吸收。这促使将电池单体碰撞所引起的变形与电池壳体脱离开来。在电池壳体上的局部负荷允许实现电池壳体的按重要性优化的设计。如果尽可能由堆端板吸收力，则可以产生一种可以使电池单体的老化受控且也可以满足高碰撞要求的设计。
58.总体而言，这些示例展示了如何能够在无模组设计中借助于堆端板实现单体预紧。

技术特征：
1.用于储存电能的储能器装置(2)，其中-储能器装置(2)的壳体框架(3)在壳体框架(3)的两个彼此对置的端面上分别具有壳体端壁(4),-储能器装置(2)具有至少一个电池单体堆(5)，其中，在所述至少一个电池单体堆(5)的两个彼此对置的端面(8)上分别布置有堆端板(9)，堆端板被紧固在储能器装置(2)的壳体框架(3)中，通过堆端板向电池单体堆(5)施加压紧压力，以及-堆端板(9)与壳体端壁(4)平行地取向，其特征在于，-堆端板(9)中的至少一个堆端板和与该堆端板对置的壳体端壁(4)通过无电池单体堆的空间(10)彼此分隔开。2.根据权利要求1所述的储能器装置(2)，其特征在于，所述堆端板(9)设计为具有至少两层的复合板。3.根据权利要求2所述的储能器装置(2)，其特征在于，所述堆端板(9)设计为具有至少一层钢层(16)、一层铝层(15)和一层塑料层(14)的复合板。4.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，所述堆端板(9)中的至少一个堆端板具有变形结构(17)。5.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，所述堆端板(9)中的至少一个堆端板贴靠在两个电池单体堆(5)的端面(8)上。6.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，所述堆端板(9)中的至少一个堆端板具有长孔(22)，其中，该堆端板(9)通过该长孔(22)被拧紧在壳体框架(3)中。7.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，该储能器装置(2)具有至少一个拉紧带(12)，该至少一个拉紧带被拧紧在至少两个堆端板(9)中。8.根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)，其特征在于，壳体框架(3)具有通过加强元件(22)加强的盲孔(21)。9.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的储能器装置(2)的方法，其中-在储能器装置(2)的在两个彼此对置的端面上分别具有壳体端壁(4)的壳体框架(3)中，将至少一个堆端板(9)平行于壳体端壁(4)之一且与该壳体端壁通过无电池单体堆的空间(10)分隔开地紧固在壳体框架(3)中，-将电池单体堆(5)的一个端面(8)布置在该堆端板(9)处，-在电池单体堆(5)的第二端面(8)处布置第二堆端板(9)，-对电池单体堆(5)施加压紧压力，以及-将堆端板(9)拧紧在壳体框架(3)中。10.一种机动车(1)，其特征在于，该机动车(1)具有至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的储能器装置(2)。

技术总结
本发明涉及一种用于储存电能的储能器装置(2)，其中该储能器装置(2)的壳体框架(3)在壳体框架(3)的两个彼此对置的端面上分别具有壳体端壁(4)。该储能器装置(2)具有至少一个电池单体堆(5)，其中，在所述至少一个电池单体堆(5)的两个彼此对置的端面(8)上分别布置有堆端板(9)，该堆端板被紧固在储能器装置(2)的壳体框架(3)中且通过堆端板对电池单体堆(5)加载压紧压力。堆端板(9)与壳体端壁(4)平行地取向。在此提出，堆端板(9)中的至少一个堆端板和与该堆端板对置的壳体端壁(4)通过无电池单体堆的空间(10)彼此分隔开。堆的空间(10)彼此分隔开。堆的空间(10)彼此分隔开。


技术研发人员：T
受保护的技术使用者：奥迪股份公司
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2022/5/25