DE102023125810A1 - Method for producing a battery with round cells and battery for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Die Erfindung betrifft eine Batterie (10) für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Zellenanordnung (12) mit mehreren ersten Rundzellen (14), die einen jeweiligen gleichen ersten Zelldurchmesser (D1) aufweisen, und die gemäß einem ersten Muster zueinander angeordnet sind, wobei sich erste Zwischenräume (18) zwischen den ersten Rundzellen (14) befinden. Dabei umfasst die Batterie (10) mehrere zweite Rundzellen (16) mit einem jeweiligen gleichen zweiten Zelldurchmesser (D2), der vom ersten Zelldurchmesser (D1) verschieden ist, wobei die zweiten Rundzellen (16) in zumindest manchen der ersten Zwischenräume (18) angeordnet sind.The invention relates to a The invention relates to a battery (10) for a motor vehicle, comprising a cell arrangement (12) with a plurality of first round cells (14), each having the same first cell diameter (D1), and which are arranged relative to one another according to a first pattern, with first intermediate spaces (18) being located between the first round cells (14). The battery (10) comprises a plurality of second round cells (16), each having the same second cell diameter (D2), which is different from the first cell diameter (D1), with the second round cells (16) being arranged in at least some of the first intermediate spaces (18).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Zellenanordnung mit mehreren ersten Rundzellen, die einen jeweiligen gleichen ersten Zelldurchmesser aufweisen und die gemäß einem ersten Muster zueinander angeordnet sind, wobei sich erste Zwischenräume zwischen den ersten Rundzellen befinden. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie.The invention relates to a battery for a motor vehicle, comprising a cell arrangement with a plurality of first round cells, each of which has an identical first cell diameter and is arranged relative to one another according to a first pattern, with first gaps between the first round cells. Furthermore, the invention also relates to a method for producing a battery.
In einer Batterie, insbesondere einer Kraftfahrzeugbatterie, besteht das Bestreben, Batteriezellen möglichst dicht aneinander anzuordnen, sodass sich möglichst wenige Leerräume zwischen den Zellen ergeben. Gerade bei Rundzellen bleiben jedoch grundsätzlich immer Zwischenräume zwischen den Batteriezellen bestehen. Dabei haben sich grundsätzlich zwei Anordnungsmuster als vorteilhaft erwiesen, nämlich die hexagonale Kreispackung, gemäß welcher eine Rundzelle von sechs nächsten Nachbarzellen umgeben ist, und die quadratische Kreispackung, gemäß welcher die Zellen in nicht zueinander versetzten Reihen und Spalten angeordnet sind, sodass die Mittelpunkte von vier Zellen, je zwei von zwei zueinander benachbarten Zellreihen, die Ecken eines Quadrats bilden. Die theoretische, maximale Bauraumausnutzung gemäß der hexagonalen Kreispackung beträgt dabei maximal 90,7 %. Ist diese dichteste Kreispackung nicht möglich oder im vorgegebenen Bauraum nicht real, kommt die sogenannte quadratische Kreispackung zum Einsatz. Diese erreicht eine Packungsdichte von nur maximal 78,5 %. Strebt man die hexagonale Kreispackung an, müssen die Batteriezellen in der Regel klein gebaut werden. Dies bedeutet einen hohen Integrationsaufwand in der Batterie, was als erheblicher Nachteil von Rundzellen gegenüber prismatischen Batteriezellen und Pouch-Zellen bekannt ist. Mit größeren Zellen steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass auf die quadratische Packung ausgewichen werden muss, die jedoch zu einer deutlich geringeren Bauraumausnutzung führt.In a battery, especially a motor vehicle battery, the aim is to arrange battery cells as closely together as possible so that there are as few empty spaces between the cells as possible. However, especially with round cells, there will always be gaps between the battery cells. Two arrangement patterns have proven advantageous: hexagonal circular packing, in which a round cell is surrounded by six nearest neighboring cells, and square circular packing, in which the cells are arranged in non-offset rows and columns, so that the centers of four cells, two of each of two adjacent cell rows, form the corners of a square. The theoretical maximum space utilization according to hexagonal circular packing is a maximum of 90.7%. If this closest circular packing is not possible or not feasible in the given installation space, so-called square circular packing is used. This achieves a maximum packing density of only 78.5%. If hexagonal circular packing is the goal, the battery cells generally have to be built small. This requires a high level of integration into the battery, which is known to be a significant disadvantage of round cells compared to prismatic battery cells and pouch cells. However, with larger cells, the likelihood of having to resort to square packaging increases, which, however, results in significantly lower space utilization.
Die
Zwischenräume zwischen den Zellen können dazu genutzt werden, um anderen Komponenten, wie Wärmetauscher unterzubringen, jedoch verbessert sich hierdurch die Bauraumausnutzung durch Batteriezellen selbst und damit die volumetrische Energiedichte nicht.Spaces between the cells can be used to accommodate other components, such as heat exchangers, but this does not improve the space utilization of the battery cells themselves and thus the volumetric energy density.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterie mit Rundzellen und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, eine möglichst große volumetrische Energiedichte der Zellenanordnung bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to provide a battery with round cells and a method which make it possible to provide the greatest possible volumetric energy density of the cell arrangement.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterie und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.This object is achieved by a battery and a method having the features according to the respective independent patent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent patent claims, the description, and the figures.
Eine erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Zellenanordnung mit mehreren ersten Rundzellen, die einen jeweiligen gleichen ersten Zellendurchmesser aufweisen, und die gemäß einem ersten Muster zueinander angeordnet sind, wobei sich erste Zwischenräume zwischen den ersten Rundzellen befinden. Dabei umfasst die Batterie mehrere zweite Rundzellen mit einem jeweiligen gleichen zweiten Zellendurchmesser, der vom ersten Zelldurchmesser verschieden ist, wobei die zweiten Rundzellen in zumindest manchen der ersten Zwischenräume angeordnet sind.A battery according to the invention for a motor vehicle comprises a cell arrangement with a plurality of first round cells, each having an identical first cell diameter, and arranged relative to one another according to a first pattern, with first spaces between the first round cells. The battery comprises a plurality of second round cells, each having an identical second cell diameter that differs from the first cell diameter, with the second round cells being arranged in at least some of the first spaces.
Zwischenräume zwischen den ersten Rundzellen können nun vorteilhafterweise genutzt werden, um dort weitere Rundzellen mit anderem Zelldurchmesser vorzusehen, nämlich die zweiten Rundzellen. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise die volumetrische Energiedichte erhöhen. Dies vereinfacht zudem auch die Verwendung von größeren Rundzellen, zum Beispiel als die ersten Rundzellen, da die daraus resultierenden entsprechend größeren Zwischenräume nicht ungenutzt bleiben, sondern dazu verwendet werden können, um dort ebenfalls weitere Rundzellen, nämlich die zweiten Rundzellen, vorzusehen. Dadurch lässt sich die Bauraumausnutzung insgesamt deutlich verbessern.The spaces between the first round cells can now be advantageously used to accommodate additional round cells with a different cell diameter, namely the second round cells. This advantageously increases the volumetric energy density. This also simplifies the use of larger round cells, for example, than the first round cells, since the resulting larger spaces do not remain unused but can be used to accommodate additional round cells, namely the second round cells. This significantly improves the overall utilization of the installation space.
Unter einer Rundzelle soll dabei im Allgemeinen eine Batteriezelle, z.B. eine Lithium-Ionen-Zelle, verstanden werden, die eine im Wesentlichen zylinderförmige Geometrie aufweist. Bezogen auf die Zylinderachse einer solchen zylinderförmigen Geometrie können die ersten und zweiten Rundzellen dabei mit einer wesentlichen gleichen Höhe ausgestaltet sein. Die Rundzellen, das heißt sowohl die ersten Rundzellen als auch die zweiten Rundzellen, können in der Zellenanordnung so zueinander angeordnet sein, dass sie sich an ihren Mantelflächen berühren oder sie können auch einen gewissen Abstand zueinander aufweisen, der dann jedoch vorzugsweise deutlich kleiner ist, als der erste und/oder zweite Zelldurchmesser, z.B. um ca. eine Größenordnung. Außerdem sind die Rundzellen, das heißt sowohl die ersten Rundzellen, als auch die zweiten Rundzellen, in der Zellenanordnung derart zueinander angeordnet, dass ihre jeweiligen Zylinderachsen im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.A round cell is generally understood to mean a battery cell, e.g., a lithium-ion cell, that has a substantially cylindrical geometry. Relative to the cylinder axis of such a cylindrical geometry, the first and second round cells can be configured with substantially the same height. The round cells, i.e., both the first round cells and the second round cells, can be arranged relative to one another in the cell arrangement such that they touch at their lateral surfaces, or they can also have a certain distance from one another, which is then preferably significantly smaller than the first and/or second cell diameter, e.g., by approximately one order of magnitude. Furthermore, the round cells, i.e., both the first round cells and the second round cells, are arranged relative to one another in the cell arrangement such that their respective cylinder axes are essentially aligned parallel to each other.
Bei den ersten und zweiten Rundzellen kann es sich zum Beispiel um Lithium Ionen Zellen handeln. Die Batterie kann zum Beispiel als eine Hochvoltbatterie ausgebildet sein. Insbesondere soll die Batterie bevorzugt eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, darstellen.The first and second round cells can be, for example, lithium-ion cells. The battery can be designed, for example, as a high-voltage battery. In particular, the battery should preferably be a traction battery for a motor vehicle, in particular an electric vehicle.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt das erste Muster ein regelmäßiges Muster dar. Das erste Muster kann beispielsweise durch eine der eingangsgenannten Kugelpackungen bereitgestellt sein. Ein regelmäßiges Muster wiederholt sich dabei periodisch, z.B. in eine oder auch in zwei Raumrichtungen. Dies vereinfacht die Anordnung der Batteriezellen zueinander und ermöglicht eine einfache Skalierbarkeit der Zellenanordnung.In a further advantageous embodiment of the invention, the first pattern represents a regular pattern. The first pattern can be provided, for example, by one of the sphere packings mentioned above. A regular pattern repeats itself periodically, e.g., in one or two spatial directions. This simplifies the arrangement of the battery cells relative to one another and enables easy scalability of the cell arrangement.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in jedem nicht an einen Randbereich der Zellenanordnung angrenzenden, ersten Zwischenraum eine der zweiten Rundzellen angeordnet. Somit können vorteilhafterweise zumindest alle „inneren“ Zwischenräume zwischen den Rundzellen genutzt werden, um dort jeweils eine der zweiten Rundzellen, insbesondere genau eine der zweiten Rundzellen, vorzusehen. Dadurch kann die Bauraumausnutzung optimiert werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, one of the second round cells is arranged in each first intermediate space not adjacent to an edge region of the cell arrangement. Thus, at least all "inner" intermediate spaces between the round cells can advantageously be used to provide one of the second round cells, in particular precisely one of the second round cells, therein. This allows for optimized space utilization.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die zweiten Rundzellen zueinander gemäß einem zweiten regelmäßigen Muster angeordnet. Werden die ersten Rundzellen gemäß dem ersten Muster, welches ein regelmäßiges Muster darstellt, angeordnet und in jedem der daraus resultierenden inneren Zwischenräume eine der zweiten Rundzellen angeordnet, so ergibt sich daraus automatisch auch ein regelmäßiges zweites Muster, gemäß welchem die zweiten Rundzellen zueinander angeordnet sind. Dies ist besonders vorteilhaft, da sich dann die Anordnungen der Aufbau der Batterie bzw. der Zellenanordnung sehr einfach gestaltet, sowohl für die ersten Batteriezellen, als auch für die zweiten Batteriezellen. Das erste Muster muss dabei nicht notwendigerweise zum zweiten Muster korrespondieren. Gerade wenn die ersten Rundzellen beispielsweise gemäß einer hexagonalen Kugelpackung zueinander angeordnet sind, ergibt sich für die zweiten Rundzellen ein anderes Anordnungsmuster. Sind die ersten Rundzellen beispielsweise gemäß der quadratischen Kugelpackung zueinander angeordnet, so ergibt sich das zweite Muster der zweiten Rundzellen ebenfalls in Form der quadratischen Kugelpackung, jedoch mit größerem Abstand zueinander als bei den ersten Rundzellen, wenn die ersten Rundzellen einen größeren Zelldurchmesser haben als die zweiten Rundzellen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the second round cells are arranged relative to one another according to a second regular pattern. If the first round cells are arranged according to the first pattern, which represents a regular pattern, and one of the second round cells is arranged in each of the resulting internal spaces, this automatically results in a regular second pattern according to which the second round cells are arranged relative to one another. This is particularly advantageous because the arrangement of the battery structure or cell arrangement is then very simple, both for the first battery cells and for the second battery cells. The first pattern does not necessarily have to correspond to the second pattern. Especially if the first round cells are arranged relative to one another according to a hexagonal sphere packing, for example, the second round cells will have a different arrangement pattern. If the first round cells are arranged relative to one another according to a square sphere packing, for example, the second pattern of the second round cells will also be in the form of a square sphere packing, but with a greater distance from one another than for the first round cells, if the first round cells have a larger cell diameter than the second round cells.
Grundsätzlich können dabei entweder die ersten Rundzellen hinsichtlich des Zelldurchmessers größer sein als die zweiten Rundzellen oder umgekehrt. Außerdem sind gemäß der beschriebenen Anordnungsmöglichkeiten nicht nur die Rundzellen in den ersten Zwischenräumen zwischen den ersten Rundzellen angeordnet, sondern umgekehrt auch erste Rundzellen in zweiten Zwischenräumen zwischen den zweiten Rundzellen. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im Folgenden jedoch davon ausgegangen, dass der erste Zelldurchmesser größer ist als der zweite Zelldurchmesser. Die ersten Rundzellen stellen also die hinsichtlich ihres Zelldurchmessers größeren Rundzellen dar. Die ersten und zweiten Rundzellen sind gemäß der Zellenanordnung dann vorzugsweise so zueinander angeordnet, dass sich minimalen Abstände zwischen je zwei zueinander benachbarten ersten Rundzellen ergeben. Die ersten Rundzellen können also so zueinander angeordnet sein, dass diese zueinander möglichst nah platziert sind, während die zweiten Rundzellen dann in den zur Verfügung stehenden, verbleibenden ersten Zwischenräumen angeordnet werden bzw. sind.In principle, either the first round cells can be larger than the second round cells in terms of cell diameter, or vice versa. Furthermore, according to the arrangement options described, not only are the round cells arranged in the first spaces between the first round cells, but conversely, first round cells are also arranged in second spaces between the second round cells. To simplify the description, however, it is assumed below that the first cell diameter is larger than the second cell diameter. The first round cells therefore represent the round cells with the larger cell diameter. The first and second round cells are then preferably arranged in such a way that minimal distances result between any two adjacent first round cells. The first round cells can therefore be arranged in such a way that they are placed as close to one another as possible, while the second round cells are then arranged in the available, remaining first spaces.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Rundzellen gemäß dem ersten Muster derart zueinander angeordnet, dass jede der ersten Rundzellen, die keine Randzelle darstellt, vier erste Rundzellen als erste nächste Nachbarzellen aufweist. Bei der Beschreibung des ersten Musters bleiben dabei die zweiten Rundzellen außer Betracht. Mit anderen Worten kann eine erste Rundzelle auch zweite Rundzellen als nächste Nachbarzellen haben, die dann zweite nächste Nachbarzellen genannt werden können, die vorliegend jedoch bei der Beschreibung des ersten Musters unberücksichtigt bleiben sollen. Die ersten Rundzellen können demgemäß also in Form der eingangs beschriebenen quadratischen Kugelpackung zueinander angeordnet sein. Dieses erste Muster lässt sich auch so beschreiben, dass einem jeweiligen „inneren“ Zwischenraum ein erstes Zentrum zugeordnet ist, wobei die ersten Rundzellen gemäß dem ersten Muster derart zueinander angeordnet sind, dass ein jeweiliges erstes Zentrum von vier an den dem ersten Zentrum zugeordneten Zwischenraum angrenzenden ersten Rundzellen einen gleichen Abstand hat. Die ersten Rundzellen können also in Reihen und Spalten angeordnet sein, die nicht zueinander versetzt sind. Die Mittelpunkte der ersten Rundzellen einer gleichen Reihe, bezogen auf eine Draufsicht auf die ersten Rundzellen auf ihre Stirnseiten, liegen also auf einer theoretischen bzw. gedachten Linie. Weiterhin können mehrere Reihen solcher ersten Rundzellen derart nebeneinander angeordnet sein, dass senkrecht zu den Reihen Spalten gebildet sind, wobei die Mittelpunkte der ersten Rundzellen einer gleichen Spalte ebenfalls auf einer geraden, gedachten Linie liegen, die senkrecht zur oben genannten gedachten Linie entlang der Reihe ist. Die Mittelpunkte der ersten Rundzellen bilden, wenn sie durch gedachte Linien miteinander verbunden werden, sozusagen ein quadratisches Gitternetz.According to a further advantageous embodiment of the invention, the first round cells are arranged relative to one another according to the first pattern such that each of the first round cells that does not represent an edge cell has four first round cells as the first nearest neighboring cells. In the description of the first pattern, the second round cells are disregarded. In other words, a first round cell can also have second round cells as the nearest neighboring cells, which can then be called second nearest neighboring cells, but which are not considered here in the description of the first pattern. The first round cells can therefore be arranged relative to one another in the form of the square sphere packing described above. This first pattern can also be described such that a first center is assigned to each respective "inner" space, with the first round cells being arranged relative to one another according to the first pattern such that each first center of four first round cells adjacent to the space assigned to the first center is equidistant. The first round cells can therefore be arranged in rows and columns that are not offset from one another. The centers of the first round cells of a same row, based on a top view of the first round cells on their front sides, thus lie on a theoretical or imaginary line. Furthermore, several rows of such first round cells can be arranged next to each other in such a way that perpendicular to the rows Columns are formed, with the centers of the first round cells of the same column also lying on a straight, imaginary line perpendicular to the aforementioned imaginary line along the row. The centers of the first round cells, when connected by imaginary lines, form a square grid, so to speak.
Wie eingangs beschrieben hat eine solche quadratische Kugelpackung zwar eine geringere Packungsdichte als die hexagonale Kugelpackung, jedoch lässt sich die Bauraumausnutzung durch das Vorsehen der zusätzlichen zweiten Batteriezellen bei der quadratischen Kugelpackung deutlich effizienter steigern, als beispielsweise bei der hexagonalen Kugelpackung. Dadurch steigert sich insbesondere die theoretische Packungsdichte von ursprünglich 78,5 % auf 92,0 %. Dadurch kann bei der quadratischen Kugelpackung eine Packungsdichte erreicht werden, die die der herkömmlichen hexagonalen Kugelpackung sogar übersteigt.As described above, such a square sphere packing has a lower packing density than the hexagonal sphere packing. However, by providing the additional second battery cells, the space utilization can be significantly increased more efficiently in the square sphere packing than, for example, in the hexagonal sphere packing. This increases, in particular, the theoretical packing density from the original 78.5% to 92.0%. As a result, a packing density can be achieved with the square sphere packing that even exceeds that of the conventional hexagonal sphere packing.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der zweite Zelldurchmesser zwischen einschließlich 30,0 % und einschließlich 55,0 % des ersten Zelldurchmessers. Gemäß einem theoretischen Modellbild, gemäß welchem die ersten Rundzellen gemäß der quadratischen Kugelpackung sich berührend zueinander angeordnet sind und die zweiten Rundzellen in den sich ergebenden Zwischenräumen ebenfalls jeweils berührend an den vier, eine jeweilige zweite Rundzelle umgebenden ersten Rundzellen angeordnet sind, ergibt dies einen maximal möglichen zweiten Zelldurchmesser von 41,0 % des ersten Zelldurchmessers. Bei der realen Zellenanordnung können die ersten Rundzellen einen gewissen Abstand zueinander aufweisen. Außerdem müssen auch die zweiten Rundzellen nicht notwendigerweise kontaktierend an den ersten Rundzellen angeordnet sein, sodass auch hier mehr oder weniger große Abstände vorgesehen sein können. Entsprechend kann der zweite Zelldurchmesser auch etwas mehr oder weniger als 41,0 % des ersten Zelldurchmessers betragen. Sehr vorteilhaft ist es beispielsweise auch, wenn der zweite Zelldurchmesser zwischen einschließlich 35,0 % und 45,0 % des ersten Zelldurchmessers beträgt. Bei diesen Durchmesserverhältnissen lässt sich eine sehr hohe Packungsdichte bereitstellen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the second cell diameter is between 30.0% and 55.0% of the first cell diameter. According to a theoretical model, according to which the first round cells are arranged in contact with one another according to the square sphere packing, and the second round cells are also arranged in the resulting spaces in contact with the four first round cells surrounding a respective second round cell, this results in a maximum possible second cell diameter of 41.0% of the first cell diameter. In the actual cell arrangement, the first round cells can be spaced apart by a certain distance. Furthermore, the second round cells do not necessarily have to be arranged in contact with the first round cells, so that more or less large distances can be provided here as well. Accordingly, the second cell diameter can also be slightly more or less than 41.0% of the first cell diameter. It is also very advantageous, for example, if the second cell diameter is between 35.0% and 45.0% of the first cell diameter. With these diameter ratios, a very high packing density can be achieved.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Rundzellen gemäß dem ersten Muster derart zueinander angeordnet, dass jede der ersten Rundzellen, die keine Randzelle darstellt, sechs der ersten Rundzellen als erste nächste Nachbarzellen aufweist. Dies entspricht im Wesentlichen der eingangs beschriebenen hexagonalen Kugelpackung. Das erste Muster kann dabei so definiert sein, dass wiederum einem jeweiligen ersten Zwischenraum ein erstes Zentrum zugeordnet ist, wobei die ersten Rundzellen gemäß dem ersten Muster derart zueinander angeordnet sind, dass ein jeweiliges erstes Zentrum von drei an den ersten, dem ersten Zentrum zugeordneten Zwischenraum angrenzenden ersten Rundzellen einen gleichen Abstand hat. Die ersten Rundzellen können demgemäß also in mehreren zueinander parallelen Reihen angeordnet sein, wobei je zwei in einer bestimmten ersten Richtung benachbart zueinander angeordnete Zellreihen zueinander in einer zur ersten senkrechten zweiten Richtung versetzt sind, insbesondere um mindestens den ersten Zelldurchmesser, und insbesondere um den halben Abstand der Mittelpunkte zweier, in einer gleichen Zellreihe zueinander benachbart angeordneter erster Rundzellen. An einen ersten Zwischenraum grenzen damit im Wesentlichen nur drei der ersten Rundzellen. Berühren sich die drei ersten Rundzellen dabei, so wird der erste Zwischenraum von diesen drei Rundzellen eingeschlossen. Auch bei der hexagonalen Kugelpackung kann, wenn gleich auch nicht in solchem Ausmaß wie bei der quadratischen Kugelpackung, die Packungsdichte erhöht werden, wenn die zweiten Rundzellen wie beschriebenen in den ersten Zwischenräumen zwischen den ersten Rundzellen angeordnet sind. Auch dadurch kann letztendlich eine Steigerung der volumetrischen Energiedichte der Zellanordnung erreicht werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, the first round cells are arranged relative to one another according to the first pattern such that each of the first round cells that does not represent an edge cell has six of the first round cells as the first nearest neighboring cells. This essentially corresponds to the hexagonal sphere packing described above. The first pattern can be defined such that a first center is assigned to a respective first intermediate space, wherein the first round cells are arranged relative to one another according to the first pattern such that a respective first center of three first round cells adjacent to the first intermediate space assigned to the first center is at the same distance. The first round cells can therefore be arranged in several parallel rows, wherein two cell rows arranged adjacent to one another in a specific first direction are offset from one another in a second direction perpendicular to the first direction, in particular by at least the first cell diameter, and in particular by half the distance between the centers of two first round cells arranged adjacent to one another in the same cell row. Thus, essentially only three of the first round cells border a first intermediate space. If the first three round cells touch each other, the first gap is enclosed by these three round cells. Even with hexagonal sphere packing, the packing density can be increased, albeit not to the same extent as with square sphere packing, if the second round cells are arranged in the first gaps between the first round cells as described. This can also ultimately lead to an increase in the volumetric energy density of the cell arrangement.
Gerade bei dieser Ausgestaltung ist es sehr vorteilhaft, wenn der zweite Zelldurchmesser zwischen einschließlich 10,0 % und 30,0 % des ersten Zelldurchmessers beträgt. Theoretisch beträgt der maximal mögliche zweite Zelldurchmesser, wenn die ersten und zweiten Rundzellen so zueinander angeordnet sind, dass sie sich gegenseitig berühren, 15,5 % des ersten Zelldurchmessers. Auch hier können aber mehrere oder weniger große Abstände zwischen den ersten Rundzellen und/oder den zweiten Rundzellen vorgesehen sein. Vorteilhaft ist es beispielsweise auch, wenn der zweite Zelldurchmesser zwischen einschließlich 10,0 % und einschließlich 20,0 % des ersten Zelldurchmessers beträgt. Auch hierdurch lässt sich die Bauraumausnutzung insgesamt steigern und eine sehr hohe volumetrische Energiedichte, insbesondere von rechnerisch maximal 92,7 %, erreichen.Especially with this design, it is very advantageous if the second cell diameter is between 10.0% and 30.0% of the first cell diameter. Theoretically, the maximum possible second cell diameter, when the first and second round cells are arranged in such a way that they touch each other, is 15.5% of the first cell diameter. Here, too, however, more or less large distances can be provided between the first round cells and/or the second round cells. It is also advantageous, for example, if the second cell diameter is between 10.0% and 20.0% of the first cell diameter. This also makes it possible to increase the overall use of installation space and achieve a very high volumetric energy density, in particular a calculated maximum of 92.7%.
In jedem Fall ist es bevorzugt, das heißt unabhängig vom gewählten ersten Muster, gemäß welchem die ersten Rundzellen zueinander angeordnet sind, dass der zweite Zelldurchmesser mindestens 8 mm beträgt. Ab diesem sehr kleinen Zelldurchmesser von mindestens 8 mm lässt sich bereits ein sehr wirtschaftliches Kosten-Nutzen-Verhältnis darstellen. Ein solch kleiner zweiter Zelldurchmesser ermöglicht zudem auch die Integration der zweiten Rundzellen in die Zwischenräume von ersten Rundzellen, die gemäß der hexagonalen Kugelpackung angeordnet sind, ohne dabei die ersten Rundzellen übermäßig groß dimensionieren zu müssen. Dadurch wird gerade auch in Randbereichen eine effiziente Bauraumausnutzung bereitgestellt. Außerdem wird hierdurch eine häufigere Nutzung der hexagonalen Kugelpackung der ersten Rundzellen ermöglich, selbst in Situationen, in denen sonst aufgrund der Ineffizienz im Randbereich auf die quadratische Kugelpackung ausgewichen werden müsste.In any case, it is preferred, i.e. regardless of the selected first pattern according to which the first round cells are arranged relative to one another, that the second cell diameter is at least 8 mm. Starting with this very small cell diameter of at least 8 mm, a very economical cost-benefit ratio can be achieved. Such a small second cell diameter also enables the integration of the second round cells into the spaces between the first ten round cells arranged according to the hexagonal sphere packing, without having to dimension the first round cells excessively large. This ensures efficient use of space, especially in the edge regions. Furthermore, it enables more frequent use of the hexagonal sphere packing of the first round cells, even in situations where the square sphere packing would otherwise have to be used due to the inefficiency in the edge region.
Eine Randzelle stellt dabei insbesondere eine Rundzelle dar, die in einem Randbereich der Zellenanordnung angeordnet ist. Sind die Rundzellen zum Beispiel in mehreren Reihen angeordnet, wobei diese Reihen zueinander versetzt sein können, oder auch nicht, so befindet sich bei einer Randzelle bezogen auf die Richtung, in welche die Zellreihe definiert ist, nur eine Nachbarzelle in dieser Zellenreihenrichtung neben der Randzelle, während bei inneren Rundzellen jede dieser Rundzellen zwei Nachbarn bezogen auf die Zellreihenrichtung aufweist.An edge cell is, in particular, a round cell arranged at the edge of the cell arrangement. If the round cells are arranged, for example, in several rows, where these rows may or may not be offset from one another, then an edge cell has only one neighboring cell in the cell row direction relative to the direction in which the cell row is defined. In the case of inner round cells, each of these round cells has two neighbors relative to the cell row direction.
Dies gilt analog auch für die oben genannten an den Randbereich grenzenden Zwischenräume. Diese äußeren Zwischenräume werden dabei zumindest teilweise zwischen Randzellen gebildet, insbesondere ausschließlich zwischen Randzellen.This also applies analogously to the above-mentioned spaces adjacent to the edge region. These outer spaces are formed at least partially between edge cells, in particular exclusively between edge cells.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen.Furthermore, the invention also relates to a motor vehicle with a battery according to the invention or one of its embodiments.
Die für die erfindungsgemäße Batterien und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.The advantages described for the batteries according to the invention and their configurations apply equally to the motor vehicle according to the invention.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or truck, or as a passenger bus or motorcycle.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei eine Zellenanordnung mit mehreren ersten Rundzellen bereitgestellt wird, die einen jeweiligen gleichen ersten Zelldurchmesser aufweisen, und die gemäß einem ersten Muster zueinander angeordnet werden, so dass sich erste Zwischenräume zwischen den ersten Rundzellen ergeben. Dabei werden mehrere zweite Rundzellen mit einem jeweiligen gleichen zweiten Zelldurchmesser bereitgestellt, der vom ersten Zelldurchmesser verschieden ist, wobei die zweiten Rundzellen in zumindest manchen der ersten Zwischenräume angeordnet werden.Furthermore, the invention also relates to a method for producing a battery for a motor vehicle, wherein a cell arrangement is provided with a plurality of first round cells, each having an identical first cell diameter, and which are arranged relative to one another according to a first pattern, resulting in first spaces between the first round cells. A plurality of second round cells, each having an identical second cell diameter that differs from the first cell diameter, is provided, wherein the second round cells are arranged in at least some of the first spaces.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterie beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the method according to the invention that have features already described in connection with the further developments of the battery according to the invention. For this reason, the corresponding further developments of the method according to the invention are not described again here.
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.The invention also encompasses combinations of the features of the described embodiments. The invention therefore also encompasses implementations that each have a combination of the features of several of the described embodiments, unless the embodiments are described as mutually exclusive.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Batterie gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2 eine schematische Darstellung einer Batterie gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 a schematic representation of a battery according to a first embodiment of the invention, -
2 a schematic representation of a battery according to a second embodiment of the invention.
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.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that can be considered independently of one another, each of which also develops the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to encompass combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention already described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.
In diesem Beispiel sind die ersten Batteriezellen 14 gemäß einer quadratischen Kugelpackung als Beispiel für das erste Muster zueinander angeordnet. Die Mittelpunkte M1 der ersten Rundzellen 14 bilden somit ein quadratisches Gitternetz, welches vorliegend durch gestrichelte Linien veranschaulicht ist. Zwischen je vier ersten Rundzellen 14 ist ein entsprechender erster Zwischenraum 18 gebildet, in welchem jeweils eine der zweiten Rundzellen 16 angeordnet ist. Für einen jeweiligen, nicht an einen Randbereich R grenzenden, innenliegenden Zwischenraum 18 kann entsprechend ein Zentrum Z definiert sein, das von den vier an den zugeordneten Zwischenraum 18 angrenzenden ersten Rundzellen 14 den gleichen Abstand hat. Die zweiten Rundzellen 16 sind dabei bevorzugt derart in den jeweiligen Zwischenräumen 18 angeordnet, dass ihre Mittelpunkte M2 mit dem Zentrum Z des jeweiligen Zwischenraums 18 übereinstimmen. Der Randbereich R kann zum Beispiel durch einen Rahmen 20 eines Batteriegehäuses 22 der Batterie 10 definiert sein.In this example, the
Außerdem weist jede Rundzelle 14, 16 eine zugeordnete Mantelfläche 15, 17 auf. Die Mantelflächen der ersten Rundzellen 14 sind dabei mit 15 bezeichnet und die der zweiten Rundzellen 16 mit 17. Die ersten Rundzellen 14 können dabei derart zueinander angeordnet sein, dass sich ihre jeweiligen Mantelflächen 15 berühren oder sie können auch einen kleinen Abstand zueinander aufweisen, der vorliegend jedoch nicht explizit dargestellt ist. Auch die zweiten Rundzellen 16 können in den Zwischenräumen 18 so angeordnet sein, dass sie die umgebenden ersten vier Rundzellen 14 bzw. deren Mantelflächen 15 kontaktieren oder einen Abstand zu diesen aufweisen.In addition, each
Der zweite Durchmesser D2 einer jeweiligen zweiten Rundzelle 16 beträgt dabei bevorzugt mindestens 8 mm. Außerdem bemisst der zweite Durchmesser D2 zwischen einschließlich 30,0 % und 55,0 % des ersten Zelldurchmessers D1. In diesem Beispiel, nämlich bei kontaktierender Anordnung, beträgt der zweite Zelldurchmesser D2 ca. 41,0 % des ersten Zelldurchmessers D1. Dadurch kann die Packungsdichte der quadratischen Kugelpackung, die ohne die zweiten Rundzellen 16 ca. 78,5 % betragen würde, auf ca. 92,0 % gesteigert werden. Somit kann durch das zusätzliche Vorsehen der zweiten Rundzellen 16 in den Zwischenräumen 18 zwischen den ersten Rundzellen 14 die volumetrische Energiedichte des Batteriepacks, nämlich der Zellanordnung 12, deutlich gesteigert werden.The second diameter D2 of each second
Die jeweiligen Zellen 14, 16 können dabei eine jeweilige, im Wesentlichen gleiche Höhe in der dargestellten z-Richtung aufweisen. Grundsätzlich können die Zellen 14, 16 aber auch mit unterschiedlichen Höhen ausgestaltet sein. Durch einen Misch-Verbau zweier Rundzellen 14, 16 mit definiertem Durchmesserverhältnis kann entsprechend eine Packungsdichtemaximierung erreicht werden. In der Praxis kann das Durchmesserverhältnis von den genannten theoretischen Werten leicht abweichen.The
In diesem Beispiel ist es bevorzugt, dass der zweite Zelldurchmesser D2 zwischen 10,0 % und 30,0 % des ersten Zelldurchmessers D1 beträgt. Bei einem idealen Durchmesserverhältnis zwischen erstem und zweitem Zelldurchmesser D1, D2 von 1 : 0,155 lässt sich auch für diese hexagonale Kreispackung die Packungsdichte von ca. 90,7 % auf ca. 92,7 % und damit um 2,0 % steigern. Auch in diesem Beispiel ist es bevorzugt, dass der zweite Zelldurchmesser D2 mindestens 8 mm beträgt.In this example, it is preferred that the second cell diameter D2 be between 10.0% and 30.0% of the first cell diameter D1. With an ideal diameter ratio between the first and second cell diameters D1, D2 of 1:0.155, the packing density for this hexagonal circular packing can also be increased from approximately 90.7% to approximately 92.7%, or by 2.0%. In this example, it is also preferred that the second cell diameter D2 be at least 8 mm.
Die ersten und zweiten Rundzellen 14, 16 mit den unterschiedlichen Zelldurchmessern D1, D2, können auch gemäß beliebig anderen Kreispackungen und Anordnungsmustern zueinander angeordnet sein. Außerdem ist denkbar, dass die Zellenanordnung 12 noch weitere Batteriezellen mit anderem Zelldurchmesser, zum Beispiel dritte Batteriezellen mit einem dritten Zelldurchmesser, der vom ersten und zweiten Zelldurchmesser D1, D2 verschieden ist, umfasst.The first and
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Misch-Verbau zweier Rundzellen, d.h. von Rundzellen mit zwei unterschiedlichen Abmessungen, und mit definiertem Durchmesserverhältnis zur Packungsdichtemaximierung bereitgestellt werden kann. Durch den Misch-Verbau zweier Rundzellen, das heißt von Rundzellen mit zwei unterschiedlichen Durchmessern, kann die Packungsdichte maximiert werden und entsprechend die volumetrische Energiedichte des Batteriepacks gesteigert werden. Außerdem können größere Rundzellen einfacher genutzt werden, da vor allem auch Zwischenräume in Randbereichen durch das Vorsehen weiterer kleinerer Rundzellen effizienter ausgefüllt und genutzt werden können.Overall, the examples demonstrate how the invention can provide a mixed installation of two round cells, i.e., round cells with two different dimensions and a defined diameter ratio, to maximize packing density. By mixed installation of two round cells, i.e., round cells with two different diameters, the packing density can be maximized and the volumetric energy density of the battery pack can be increased accordingly. Furthermore, larger round cells can be used more easily, especially since gaps in edge areas can be filled and utilized more efficiently by providing additional smaller round cells.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 10 2010 043 716 A1 [0003]
DE 10 2010 043 716 A1 [0003]
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2023
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