Herstellung einer Batterievorrichtung

B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung eine Schutzvorrichtung für eine Batterievorrichtung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Batterievorrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug.

Im Rahmen der Anmeldung kann die Batterievorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, ein Wasser- und/oder Unterwasserfahrzeug, insbesondere ein Boot, oder ein Flugzeug verwendet werden. Weiterhin ist es denkbar, dass die Batterievorrichtung in einem Anhänger verwendet werden kann. Die Batterievorrichtung kann beispielsweise als Antriebsbatterie oder Versorgungsbatterie verwendet werden.

Elektrische Energiespeicher, wie beispielsweise Batterien, werden in der modernen Technik weitläufig eingesetzt, insbesondere in Elektrofahrzeugen. Mögliche

Ausgestaltungsformen derartiger Energiespeicher sind beispielsweise Lithium- lonen-Batterien. Um eine Leistungsfähigkeit derartiger Batterien zu steigern ist es zum Beispiel bekannt, mehrere einzelne Batteriezellen in einer Batterieebene elektrisch parallel zu verschalten. Um eine weitere Steigerung zu erzielen, können zwei oder mehrere dieser Batterieebenen zu einem Batteriestapel seriell verschaltet werden. Dazu können insbesondere die einzelnen Batterieebenen aufeinander angeordnet und elektrisch leitend verbunden werden.

Im Falle eines Aufpralls auf ein Hindernis oder eines Unfalls bzw. Crash des Elektrofahrzeuges kann es passieren, dass sich die Batteriezelle oder die mehreren Batteriezellen derart verformen, dass sie teilweise irreversibel beschädigt werden. Der Reparaturaufwand für die beschädigten Batterien ist dementsprechend teuer und aufwändig. Bei der weiteren Verwendung von beschädigten Batterien kann die Sicherheit der Fahrzeuginsassen gefährdet sein.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen

Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine

Batterievorrichtung, eine Schutzvorrichtung für eine Batterievorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Batterievorrichtung bereitzustellen, durch die ein Schutz vor mechanischer Belastung und Beschädigung der Batteriezelle

ermöglicht werden kann.

Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Batterievorrichtung mit den

Merkmalen des Anspruchs 1 , durch eine Schutzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Batterievorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der

erfindungsgemäßen Batterievorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Batterievorrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit wenigstens einer Batteriezelle und wenigstens einer Schutzvorrichtung. Die Schutzvorrichtung ist zum Schutz der wenigstens einen Batteriezelle vor einer mechanischen Belastung an wenigstens einem Schutzabschnitt der wenigstens einen Batteriezelle angeordnet. Die Schutzvorrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem eine aus deformierbaren Partikeln gebildete Partikelschüttung angeordnet ist, wobei ein Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung kleiner ist als ein

Deformationsschwellenwert der wenigstens einen Batteriezelle. Die wenigstens eine Batteriezelle kann als Batterie ausgebildet sein, welche in einem elektrischen Fahrzeug elektrische Energie für einen Elektroantrieb zur Verfügung stellt, der beispielsweise einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs zur Leistungssteigerung unterstützt oder als alleiniger Antrieb für das Fahrzeug wirkt. Insbesondere können mehrere Batteriezellen vorgesehen sein.

Der Schutzabschnitt der Batteriezelle ist beispielhaft durch eine Seite der

Batteriezelle gebildet, auf welche bevorzugt eine äußere Kraft einwirken kann.

Insbesondere im Falle eines seitlichen Crash oder Aufprall des Fahrzeuges kann die äußere Seite der Batteriezelle bzw. die Seite der Batteriezelle, welche nicht ins Fahrzeuginnere ausgerichtet ist, einer hohen mechanischen Belastung unterliegen. Im Falle von mehreren Batteriezellen in einer Batterieebene kann der

Schutzabschnitt durch die Außenseite jener Batteriezelle gebildet sein, welche außen in der Batterieebene angeordnet ist. Der Schutzabschnitt kann vorzugsweise als Außenfläche einer Batteriezelle bzw. insgesamt flächig als Außenfläche eines Batteriemoduls mit mehrere Batteriezellen ausgebildet sein.

Im Rahmen der Anmeldung ist eine Partikelschüttung aus wenigstens zwei Partikeln gebildet. Unter der Partikelschüttung ist insbesondere eine lose Partikelschüttung zu verstehen, wobei sich die Partikel der Partikelschüttung in dem Gehäuse frei bewegen können und nicht anderweitig in ihrer Position gesichert sind. Die

Partikelschüttung liegt anders gesagt in einer schüttfähigen bzw. rieselfähigen Form vor. Dabei kann die Schüttung als eine Art gestapelte, bzw. übereinandergelagerte Anordnung von Partikeln angesehen werden, wobei die Partikel frei von einem Materialschluss aneinander angeordnet sind.

Die Partikel sind bevorzugt deformierbar, insbesondere brechbar, ausgebildet und können sich plastisch verformen. Dabei weisen die Partikel der Partikelschüttung einen charakterisierenden Deformationsschwellenwert auf. Im Rahmen der

Anmeldung bezeichnet der Deformationsschwellenwert jenen Grenzwert, ab dem sich die Partikel plastisch deformieren bzw. verformen. Unterhalb des Grenzwertes kann beispielsweise keine Verformung oder eine elastische Verformung auftreten. Beispielsweise kann der Deformationsschwellenwert jene Kraft in der Einheit Newton angeben, bei der die plastische Verformung der Partikel auftritt. Als Alternative könnte der Deformationsschwellenwert auch in der Einheit Newton/mm ² oder anderer Flächenangaben angegeben werden und stellt eine Art Spannung auf die Partikel dar. Wenn dabei die auf die Partikel einwirkende Kraft teilweise oder ganz von den Partikeln selbst absorbiert wird, werden die Partikel sozusagen unter Spannung gestellt. Dies bewirkt die Verformung der Partikel.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Deformationsschwellenwert der

Partikelschüttung kleiner ist als der Deformationsschwellenwert der Batteriezelle.

Das bedeutet, dass bereits bei einem geringeren Wert bzw. einer geringeren von außen einwirkenden Kraft eine plastische Verformung der Partikel der

Partikelschüttung im Vergleich zur Batteriezelle stattfindet. Die Partikel beginnen sich unter äußerer Krafteinwirkung eher zu verformen als die Batteriezelle, da diese einen höheren Deformationsschwellenwert aufweist. Dies hat den Vorteil, dass durch die früher stattfindende Deformation der Partikel die äußere Kraft aufgrund eines Crash oder Aufpralls bereits von den Partikeln zumindest teilweise absorbiert werden kann, bevor die Batterie beschädigt bzw. verformt wird. Mit anderen Worten dienen die Partikel der Partikelschüttung aufgrund ihrer Deformation als Crash- bzw.

Energieabsorber. Bei einem Unfall bzw. Aufprall des Fahrzeuges können die Partikel der Partikelschüttung in der Schutzvorrichtung deformiert werden, wobei bevorzugt die gesamte Aufprallenergie oder ein Großteil der Aufprallenergie für die

Deformierung der Partikel benötigt und daher absorbiert wird. Die Partikel können sich dabei insbesondere derart stark verformen, dass sie brechen und irreversibel deformiert werden und somit nahezu vollständig die Aufprallenergie aufnehmen. Die Partikelschüttung ist daher bevorzugt zwischen der Batteriezelle und der direkten Krafteinwirkung von außen in dem Schutzabschnitt angeordnet.

Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung vorgesehen sein, dass der Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung einen Wert zwischen mindestens 10% und höchstens 90% des Deformationsschwellenwerts der wenigstens einen Batteriezelle aufweist. Vorzugsweise kann dadurch der Zeitpunkt der Verformung der Partikel vor der Verformung der Batteriezelle maßgebend eingestellt werden, bzw. die Energiemenge, welche durch die Partikel absorbiert werden kann. Wenn das Verhältnis der Deformationsschwellenwerte zwischen der Partikelschüttung und der Batteriezelle zu klein, insbesondere unter 10%, gewählt wird, können beispielsweise die Partikel der Partikelschüttung während eines Crash oder Aufpralls zu früh irreversiblen Schaden nehmen und nicht genug

Aufprallenergie aufnehmen. Folglich kann die Batteriezelle ebenso beschädigt werden. Wenn der Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung und der

Batteriezelle annähernd gleich sind, kann möglicherweise nicht ausreichend

Aufprallenergie von der Partikelschüttung absorbiert werden, wodurch die

Batteriezelle beschädigt werden kann. Es ist daher von besonderem Vorteil den Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung an den

Deformationsschwellenwert der Batteriezelle spezifisch anzupassen und auf ein bestimmtes Verhältnis einzustellen.

Besonders bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Batterievorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass die Partikel der Partikelschüttung zumindest teilweise aus einem porösen Material gebildet und/oder hohl ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass das Material der Partikel einen kleineren Deformationsschwellenwert als das Material der Batterie aufweisen kann, wodurch die Aufprallenergie von den Partikeln zumindest teilweise absorbiert und eine Beschädigung der Batteriezelle verhindert werden kann. Da sich poröse oder hohle Partikel leicht deformieren lassen können, und daher generell einen geringeren Deformationsschwellenwert aufweisen, können sie bei einem Crash oder Aufprall eine große Menge an Aufprallenergie aufnehmen und eignen sich daher besonders gut als Crashabsorber. Poröse oder hohle Partikel können sich bevorzugt derart stark verformen, dass sie brechen und irreversibel deformiert werden und somit nahezu vollständig die Aufprallenergie aufnehmen.

Vorzugsweise weisen die Partikel der Partikelschüttung jeweils zumindest teilweise eine Reibungsoberfläche zur Erhöhung des Reibwertes zwischen den Partikeln auf. Da die Partikel der Partikelschüttung frei beweglich im Gehäuse der

Schutzvorrichtung angeordnet sind, können sie sich im Falle einer mechanischen äußeren Belastung gegeneinander verschieben. Bei der relativen Bewegung der Partikel gegeneinander, tritt daher an den jeweiligen Reibungsoberflächen der Partikel ein Reibungswiderstand auf, wodurch die Bewegung der Partikel erschwert wird. Um die entgegengerichtete relative Bewegung der Partikel zu erzeugen, ist demnach Energie notwendig, welche insbesondere in Form der Aufprallenergie aufgrund eines Crash oder Aufprall des Fahrzeugs vorhanden ist und z.B. in

Reibungswärme oder Abrieb umgewandelt werden kann. Somit begünstigt und unterstützt die Reibungsoberfläche der Partikel zusätzlich die Absorption der

Aufprallenergie, wodurch eine Beschädigung der Batterie noch effizienter verhindert werden kann.

Auch kann bei einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung vorgesehen sein, dass die Partikel der Partikelschüttung durch gleichartige, insbesondere gleich große, vorzugsweise kugelförmige oder im Wesentlichen kugelförmige Partikel gebildet sind. Die Ausbildung der Partikel als Kugeln stellt eine sehr einfache Schüttung dar. Wenn alle Partikel der Partikelschüttung als gleichartige Partikel ausgebildet sind, ist der Fierstellungsaufwand der Partikelschüttung sehr gering. Unter gleichartigen Partikeln kann beispielhaft eine gleiche geometrische Form der einzelnen Partikeln, insbesondere kugelförmig, verstanden werden. Die Partikel können daher auch als Kugeln unterschiedlicher oder gleicher Größe ausgebildet sein. Generell sind weitere geometrische Formen der Partikel, wie beispielsweise eckige, regelmäßige oder unregelmäßige geometrische Formen denkbar. Es kann weiterhin eine körnige oder stückige Form der Partikelschüttung vorgesehen sein.

Besonders bevorzugt können die Partikel der Partikelschüttung unterschiedlich, insbesondere unterschiedlich groß, ausgebildet sein und einen unterschiedlichen Deformationsschwellenwert aufweisen. Unter einer unterschiedlichen Ausbildung der Partikel kann dabei ein Unterschied hinsichtlich geometrischer Form und/oder Partikelgröße verstanden werden. Aufgrund der unterschiedlichen Ausbildung der Partikel kann vorteilhafterweise eine unterschiedliche Absorptionsstärke der

Aufprallenergie bei einem Crash oder Aufprall realisiert werden. Dies kann

anwendungsspezifisch je nach Anzahl der Batteriezellen oder deren räumlichen Lage innerhalb des Fahrzeuges erfolgen. Durch die Variation der Ausbildung der Partikel lässt sich die Schutzvorrichtung variabel und flexibel an unterschiedliche Anforderungen und Belastungen anpassen. Beispielhaft kann bei unterschiedlich ausgebildeten Partikeln ein mittlerer Deformationsschwellenwert der Partikel ermittelt werden, wobei der mittlere Deformationsschwellenwert der unterschiedlich

ausgebildeten Partikelschüttung vorzugsweise kleiner ist als der

Deformationsschwellenwert der Batteriezelle. Insbesondere weisen alle Partikel der Partikelschüttung einen kleineren Deformationsschwellenwert als jenen der

Batteriezelle auf.

Vorteilhafterweise sind die Partikel der Partikelschüttung derart in dem Gehäuse an- geordnet, dass eine schichtartige Partikelverteilung gebildet ist, wobei die Partikel mit einem hohen Deformationsschwellenwert batteriezellennah und die Partikel mit einem geringen Deformationsschwellenwert batteriezellenfern angeordnet sind. Der Begriff batteriezellennah beschreibt hierbei die räumliche Lage der Partikel innerhalb des Gehäuses der Schutzvorrichtung. Die batteriezellennahen Partikel innerhalb des Gehäuses haben einen geringeren Abstand zur Batteriezelle als die

batteriezellenfernen Partikel. Im einfachsten Fall kann die schichtartige

Partikelverteilung in dem Gehäuse der Schutzvorrichtung beispielhaft zwei Schichten aus Partikeln umfassen. Dabei ist eine erste Schicht an der der Batteriezelle zugewandten Seite des Gehäuses, also batteriezellennah angeordnet. Eine zweite Schicht ist batteriezellenfern, also an der der Batteriezelle abgewandten Seite des Gehäuses angeordnet. Die beiden Schichten der Partikelschüttung stehen

vorzugsweise in Kontakt zueinander. Besonders bevorzugt weisen hierbei die

Partikel der ersten Schicht einen höheren Deformationsschwellenwert als die Partikel der zweiten Schicht auf. Da die batteriezellenferne Schicht Partikel mit einem niedrigeren Deformationsschwellenwert aufweist, können sich diese Partikel leicht deformieren und sehr schnell und effektiv eine auftretende Aufprallenergie bei einem Crash oder Aufprall absorbieren. In der batteriezellennahen Schicht mit den Partikeln mit einem höheren Deformationsschwellenwert kann anschließend bzw. zeitlich versetzt eine Absorption der restlichen Aufprallenergie erfolgen. Es lässt sich daher eine Progression der Kraft realisieren, wodurch die Absorption der Aufprallenergie präzise eingestellt werden kann, damit eine Beschädigung der Batteriezelle effizient verhindert wird. ln einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse in wenigstens zwei

Kammern mittels einer Trennwand unterteilt, wodurch in dem Gehäuse wenigstens zwei Schüttungsbereiche ausgebildet sind. Dabei kann die Trennwand integral im Gehäuse ausgeformt sein oder in das Gehäuse eingesetzt werden. Mittels der Trennwand kann insbesondere ein Ausweichen der Partikel bei einem Crash oder einem Aufprall des Fahrzeuges vermieden werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass das Gehäuse wenigstens zwei einsetzbare Kammermodule aufweist, wobei die Partikelschüttung jeweils in dem Kammermodul angeordnet ist. Die Verwendung von Kammermodulen hat den Vorteil, dass sie eine leichte Montage sowie ein leichtes Austauschen bei Bedarf ermöglichen. Die Module können dabei in das Gehäuse eingesetzt werden. Die Partikelschüttung kann vorzugsweise über eine

entsprechende Ausnehmung in das jeweilige Kammermodul eingebracht werden.

Weiter vorzugsweise können in dem Gehäuse wenigstens zwei verschiedene Schüttungsbereiche mit unterschiedlicher Partikeldichte und/oder Partikelgröße ausgebildet sein. Die Schüttungsbereiche können beispielhaft gleichartige oder unterschiedliche Partikelschüttungen hinsichtlich der geometrischen Form und/oder Partikelgröße aufweisen. Ferner kann sich die Schüttungsdichte der

Schüttungsbereiche unterschieden oder gleich sein. Die Schüttungsbereiche sind vorzugsweise mittels der Trennwand voneinander separiert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bildet das Gehäuse zumindest abschnittsweise einen Kühlkanal zur Kühlung der Batteriezelle aus. Dies hat den Vorteil, dass sowohl eine Kühlung der Batteriezelle als auch gleichzeitig ein Schutz der Batteriezelle vor einer mechanischen Belastung innerhalb eines einzigen Bauteils realisiert werden kann. Es kann daher auf weitere Bauteile verzichtet werden. Beispielhaft kann der Kühlkanal durch die Zwischenräume zwischen den Partikeln der Partikelschüttung ausgebildet sein. Es ist weiterhin denkbar, dass der Kühlkanal als separates Bauteil innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Somit lässt sich insgesamt eine platzsparende Anordnung der Batteriekühlung innerhalb der Schutzvorrichtung realisieren. Weiter vorteilhafterweise sind die Partikel der Partikelschüttung in dem Kühlkanal angeordnet. Beispielhaft sind die Partikel als poröse Kugeln ausgebildet, wobei eine Kühlflüssigkeit durch die Kugeln strömen kann. Alternativ kann die Kühlflüssigkeit durch die Zwischenräume zwischen den Partikeln strömen.

Bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Batterievorrichtung dahingehend

ausgebildet sein, dass die Schutzvorrichtungen zur Verhinderung einer

mechanischen Belastung an mehreren Seiten, insbesondere an gegenüberliegenden Seiten, der Batteriezelle angeordnet sind. Aufgrund der Anordnung an mehreren Seiten erweitert sich vorteilhafterweise der Schutzabschnitt der Batteriezelle.

Insbesondere sind die Schutzvorrichtungen an jenen Seiten der Batteriezelle angeordnet, welche nicht bereits durch andere Fahrzeugkomponenten ausreichend vor einer mechanischen Belastung geschützt sind, beispielsweise an den

Außenseiten der Batteriezelle. Es kann daher ein Schutz gegen eine vielseitig auftretende Krafteinwirkung von außen erzielt werden. Bevorzugt können dabei die Schutzvorrichtungen an jeder Seite der Batteriezelle angeordnet sein, wodurch ein vollständiger Schutz ermöglicht wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine

Schutzvorrichtung für eine Batterievorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Schutzvorrichtung zum Schutz einer wenigstens einen Batteriezelle vor einer mechanischen Belastung an wenigstens einem

Schutzabschnitt der wenigstens einen Batteriezelle anordenbar ist. Die

Schutzvorrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem eine aus deformierbaren Partikeln gebildete Partikelschüttung angeordnet ist, wobei ein Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung kleiner ist als ein Deformationsschwellenwert der wenigstens einen Batteriezelle. Die deformierbaren Partikel können sich unter äußerer Krafteinwirkung eher verformen als die Batteriezelle, da diese einen höheren

Deformationsschwellenwert aufweist. Dies hat den Vorteil, dass durch die früher stattfindende Deformation der Partikel eine äußere Kraft aufgrund eines Crash oder Aufpralls bereits von den Partikeln zumindest teilweise absorbiert werden kann, bevor die Batteriezelle beschädigt bzw. verformt wird. Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Batterievorrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach einem der vorhergehenden

Ausführungsformen, umfassend die folgenden Schritte:

- Bereitstellen wenigstens einer Batteriezelle und wenigstens einer

Schutzvorrichtung mit einem Gehäuse;

- Einbringen einer Partikelschüttung aus deformierbaren Partikeln in das

Gehäuse der Schutzvorrichtung;

- Anordnen der Schutzvorrichtung an wenigstens einem Schutzabschnitt der wenigstens einen Batteriezelle.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird zur Herstellung einer Batterievorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durchgeführt. Sämtliche Vorteile, die ausführlich in Bezug auf die Batterievorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, können somit auch durch ein Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bereitgestellt werden. Dabei können die

Verfahrensschritte in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Die Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der

Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Darin zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem fünften Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 einen schematischen Kurvenverlauf jeweils einer Verformung der Partikel der Partikelschüttung und der Batteriezelle.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Batterievorrichtung 10 kann für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug verwendet werden.

Die Batterievorrichtung 10 weist eine Batteriezelle 20 und zwei Schutzvorrichtungen 30 auf. Dabei sind die beiden Schutzvorrichtungen 30 an gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle 20 angeordnet. Die gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle 20 bzw. deren Außenflächen bilden jeweils einen Schutzabschnitt 32 der Batteriezelle 20. Demnach sind die Schutzvorrichtungen 30 zum Schutz der Batteriezelle 20 vor einer mechanischen Belastung an zwei Schutzabschnitten 32 der Batteriezelle 20 angeordnet. Die Schutzvorrichtungen 30 weisen jeweils ein Gehäuse 34 auf. Das Gehäuse 34 ist jeweils beispielhaft rechteckig ausgebildet und erstreckt sich über die gesamte Länge der Batteriezelle 20. In dem Gehäuse 34 ist jeweils eine aus deformierbaren Partikeln 42 gebildete Partikelschüttung 40 angeordnet. Die

Partikelschüttung 40 kann beispielsweise in das Gehäuse 34 über eine entsprechende nicht dargestellte Ausnehmung eingeschüttet werden. Die Partikel 40 sind beispielhaft als gleichartige hohle Kugeln ausgebildet und weisen alle die gleiche Größe auf. Die Partikel 40 sind frei beweglich in dem Gehäuse 34

angeordnet und nicht anderweitig in ihrer Position gesichert. Dadurch bildet die Partikelschüttung 40 eine lose Partikelschüttung.

Weiterhin ist ein Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung 40 kleiner als ein Deformationsschwellenwert der Batteriezelle 20. Das bedeutet, dass sich die Partikel 42 der Partikelschüttung 40 schneller plastisch verformen können, als die

Batteriezelle 20. Die Partikel 42 können insbesondere ab einer bestimmten

Krafteinwirkung von außen brechen. Die Krafteinwirkung von außen auf die

Batteriezelle ist beispielhaft durch die Kraft F und den zugehörigen Kraftpfeil dargestellt. Die Kraft F kann durch einen Aufprall oder Crash verursacht werden. Sie stellt eine mechanische Belastung dar, welche auf die Batterievorrichtung 10 einwirkt.

Aufgrund der zeitlich früher stattfindenden Deformation der Partikel 42 kann die äußere Kraft F bereits von den Partikeln 42 zumindest teilweise absorbiert werden, bevor die Batteriezelle 20 beschädigt bzw. verformt wird. Mit anderen Worten dienen die Partikel 42 der Partikelschüttung 40 aufgrund ihrer Deformation als Crash- bzw. Energieabsorber. Wegen der von außen einwirkenden Kraft F werden die Partikel 42 der Partikelschüttung 40 in dem Gehäuse 34 deformiert, wobei bevorzugt die gesamte Aufprallenergie des Aufpralls oder Crash für die Deformierung der Partikel 42 benötigt und daher absorbiert wird. Die Partikelschüttung 40 ist daher bevorzugt zwischen der Batteriezelle 20 und der direkten Krafteinwirkung F in dem

Schutzabschnitt 32 angeordnet.

Weiterhin weisen die Partikel 42 der Partikelschüttung 40 jeweils eine

Reibungsoberfläche 44 zur Erhöhung des Reibwertes zwischen den Partikeln 42 auf. Da die Partikel 42 der Partikelschüttung 40 frei beweglich im Gehäuse 34 der Schutzvorrichtung 30 angeordnet sind, können sie sich aufgrund der von außen einwirkenden Kraft F gegeneinander verschieben. Bei der relativen Bewegung der Partikel 42 gegeneinander, tritt an den jeweiligen Reibungsoberflächen 44 der Partikel 42 ein Reibungswiderstand auf. Um die relative Bewegung der Partikel 42 zu erzeugen, ist demnach Energie notwendig, welche in Form der Aufprallenergie aufgrund der von außen einwirkenden Kraft F vorhanden ist und beispielhaft in Reibungswärme oder Abrieb umgewandelt werden kann. Somit begünstigt und unterstützt die Reibungsoberfläche 44 der Partikel 42 zusätzlich die Absorption der Aufprallenergie, wodurch eine Beschädigung der Batteriezelle 20 noch effizienter verhindert werden kann. Die Partikel 42 weisen innerhalb der Partikelschüttung 40 bei Kontakt einen Reibschluss auf und sind frei von einer materialschlüssigen Verbindung.

Zur Fierstellung der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung gemäß Fig. 1 werden beispielhaft zunächst die Batteriezelle 20 und die Schutzvorrichtungen 30 mit dem jeweiligen Gehäuse 34 bereitgestellt. Die Partikelschüttung 40 aus deformierbaren Partikeln 42 wird jeweils in das Gehäuse 34 eingebracht bzw. eingeschüttet. Dies geschieht vorzugsweise durch eine entsprechende Ausnehmung in dem Gehäuse 34. Danach können die Schutzvorrichtungen 30 an gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle 20 an jeweils einem Schutzabschnitt 32 angeordnet werden. Dabei können die Schutzvorrichtungen 30 insbesondere an der Batteriezelle befestigt werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der Aufbau und die Funktion der einzelnen Komponenten ist analog zu Fig. 1. Im Gegensatz zu Fig. 1 sind anstatt einer einzigen Batteriezelle 20 in Fig. 2 drei Batteriezellen 20 in einer Batterieebene angeordnet und elektrisch miteinander verbunden. Es ist eine erste Batteriezelle 21 , eine zweite mittig angeordnete Batteriezelle 22 und eine dritte Batteriezelle 23 vorgesehen. Dabei ist die Anzahl an Batteriezellen variabel anzusehen und es können weitere Batteriezellen verwendet und elektrisch miteinander in einer

Batterieebene verbunden werden.

An der ersten Batteriezelle 21 ist an einer äußeren Seite eine Schutzvorrichtung 30 angeordnet. Dabei ist die Schutzvorrichtung 30 an jener äußeren Seite der ersten Batteriezelle 21 angeordnet, welche nach außen von der Batterieebene gerichtet ist. Der Schutzabschnitt 32 wird demnach durch die äußere Seite der Batteriezelle 21 gebildet, an dem die Schutzvorrichtung 30 angeordnet ist.

An der dritten Batteriezelle 23 ist an einer äußeren Seite eine weitere

Schutzvorrichtung 30 angeordnet. Dabei ist die weitere Schutzvorrichtung 30 an jener äußeren Seite der dritten Batteriezelle 23 angeordnet, welche nach außen von der Batterieebene gerichtet ist. Generell können die Schutzvorrichtungen bevorzugt an den Außenseiten der außen liegenden Batteriezellen einer Batterieebene angeordnet sein.

Aufgrund der zeitlich früher stattfindenden Deformation der Partikel 42 kann die äußere Kraft F bereits von den Partikeln 42 der Schutzvorrichtung 30 zumindest teilweise absorbiert werden, bevor die Batteriezellen 21 , 22, 23 beschädigt bzw. verformt werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Aufbau und die Funktion der einzelnen Komponenten ist analog zu Fig. 1. Im Gegensatz zu Fig. 1 sind in dem jeweiligen Gehäuse 34 der Schutzvorrichtungen 30 jeweils zwei Trennwände 38 angeordnet.

Das jeweilige Gehäuse 34 ist dadurch in drei separate Kammern 36 unterteilt, wodurch in dem Gehäuse 34 drei Schüttungsbereiche 41 ausgebildet sind. Dabei kann die jeweilige Trennwand 38 integral im Gehäuse 34 ausgeformt sein oder in das Gehäuse 34 eingesetzt werden. Die Trennwände 38 und die Unterteilung in verschiedene Schüttungsbereiche 41 in den Kammern 36 haben den Vorteil, dass ein Ausweichen der Partikel 42 bei einem Crash oder einem Aufprall des Fahrzeuges vermieden werden kann. Die Schüttungsbereiche 41 weisen beispielhaft jeweils gleichartige Partikel 42 mit der gleichen Partikelgröße auf, unterscheiden sich jedoch in der Schüttungsdichte. Insbesondere können weiterhin die Kammern 36 des Gehäuses mit einem gleich großen oder unterschiedlich großen Volumen

ausgebildet sein. Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel. Die Batterievorrichtung 10 weist eine Batteriezelle 20 und eine Schutzvorrichtung 30 auf. Dabei ist die Schutzvorrichtung 30 an einer Außenseite der Batteriezelle 20 angeordnet. Die Außenseite der

Batteriezelle 20 bzw. deren Außenfläche bildet einen Schutzabschnitt 32 der

Batteriezelle 20. Demnach ist die Schutzvorrichtung 30 zum Schutz der Batteriezelle 20 vor einer mechanischen Belastung an dem Schutzabschnitt 32 der Batteriezelle 20 angeordnet. Die Schutzvorrichtung 30 weist ein Gehäuse 34 auf. Das Gehäuse 34 ist jeweils beispielhaft rechteckig ausgebildet und erstreckt sich über die gesamte Länge der Batteriezelle 20. In dem Gehäuse 34 ist eine aus deformierbaren Partikeln 42 gebildete Partikelschüttung 40 angeordnet. Die Partikelschüttung 40 kann beispielsweise in das Gehäuse 34 über eine entsprechende Ausnehmung

eingeschüttet werden.

Die Partikel 40 sind frei beweglich in dem Gehäuse 34 angeordnet und nicht anderweitig in ihrer Position gesichert. Dadurch bildet die Partikelschüttung 40 eine lose Partikelschüttung. Die Partikel 42 der Partikelschüttung 40 sind als hohle Kugeln ausgebildet.

Die Partikel 42 der Partikelschüttung 40 sind weiterhin derart in dem Gehäuse 34 angeordnet, dass eine schichtartige Partikelverteilung gebildet ist. Es sind

beispielhaft drei Schichten von Partikeln 42 mit jeweils unterschiedlicher Größe der Kugeln ausgebildet. Dabei ist eine erste Schicht an der der Batteriezelle 20 zugewandten Seite des Gehäuses 34, also batteriezellennah angeordnet. Eine zweite Schicht ist mittig und eine dritte Schicht batteriezellenfern, also an der der Batteriezelle abgewandten Seite des Gehäuses 34 angeordnet. Die Schichten der Partikelschüttung 40 stehen in Kontakt zueinander.

Die Partikel 42 der ersten Schicht weisen einen höheren Deformationsschwellenwert als die Partikel der zweiten Schicht auf. Die Partikel 42 der zweiten Schicht weisen einen höheren Deformationsschwellenwert als die Partikel der dritten Schicht auf. Die Partikel der dritten Schicht können sich leicht deformieren lassen und können daher sehr schnell und effektiv eine auftretende Aufprallenergie bei einem Crash oder Aufprall absorbieren. In der zweiten und ersten Schicht mit den Partikeln mit einem höheren Deformationsschwellenwert kann anschließend bzw. zeitlich versetzt eine Absorption der restlichen Aufprallenergie erfolgen. Es lässt sich daher eine Progression der von außen einwirkenden Kraft F realisieren, wodurch die Absorption der Aufprallenergie präzise eingestellt werden kann, damit eine Beschädigung der Batteriezelle 20 effizient verhindert wird.

Die Partikel 42 können insbesondere ab einer bestimmten Krafteinwirkung von außen brechen. Die Krafteinwirkung von außen auf die Batteriezelle ist beispielhaft durch die Kraft F und den zugehörigen Kraftpfeil dargestellt. Die Kraft F kann durch einen Aufprall oder Crash verursacht werden. Sie stellt eine mechanische Belastung dar, welche auf die Batterievorrichtung 10 einwirkt.

Aufgrund der progressiven Deformation der Partikel 42 der drei Schichten kann die äußere Kraft F bereits von den Partikeln 42 der drei Schichten zumindest teilweise absorbiert werden, bevor die Batteriezelle 20 beschädigt bzw. verformt wird. Mit anderen Worten dienen die Partikel 42 der Partikelschüttung 40 aufgrund ihrer Deformation als Crash- bzw. Energieabsorber.

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterievorrichtung nach einem fünften Ausführungsbeispiel. Die Batterievorrichtung 10 weist eine Batteriezelle 20 und eine Schutzvorrichtung 30 auf. Dabei ist die Schutzvorrichtung 30 an einer Außenseite der Batteriezelle 20 angeordnet. Die Außenseite der

Batteriezelle 20 bzw. deren Außenfläche bildet einen Schutzabschnitt 32 der Batteriezelle 20. Demnach ist die Schutzvorrichtung 30 zum Schutz der Batteriezelle 20 vor einer mechanischen Belastung an dem Schutzabschnitt 32 der Batteriezelle 20 angeordnet. Die Schutzvorrichtung 30 weist ein Gehäuse 34 auf. Das Gehäuse 34 ist beispielhaft rechteckig ausgebildet und erstreckt sich über die gesamte Länge der Batteriezelle 20. In dem Gehäuse 34 ist eine aus deformierbaren Partikeln 42 gebildete Partikelschüttung 40 angeordnet. Die Partikelschüttung 40 kann beispielsweise in das Gehäuse 34 über eine entsprechende Ausnehmung eingeschüttet werden.

Die Partikel 40 sind frei beweglich in dem Gehäuse 34 angeordnet und nicht anderweitig in ihrer Position gesichert. Dadurch bildet die Partikelschüttung 40 eine lose Partikelschüttung. Die Partikel 42 der Partikelschüttung 40 sind als hohle Kugeln ausgebildet.

In dem Gehäuse 34 der Schutzvorrichtung 30 sind zwei Trennwände 38 angeordnet. Das Gehäuse 34 ist dadurch in drei separate Kammern 36 unterteilt, wodurch in dem Gehäuse 34 drei Schüttungsbereiche 41 ausgebildet sind. Dabei kann die jeweilige Trennwand 38 integral im Gehäuse 34 ausgeformt sein oder in das Gehäuse 34 eingesetzt werden. Die Trennwände 38 und die Unterteilung in verschiedene

Schüttungsbereiche 41 in den Kammern 36 haben den Vorteil, dass ein Ausweichen der Partikel 42 bei einem Crash oder einem Aufprall des Fahrzeuges vermieden werden kann.

Insbesondere sind in der mittig angeordneten Kammer 36 Partikel 42 mit einem größeren Durchmesser als in den anderen beiden Kammern 36 angeordnet.

Aufgrund der unterschiedlichen Ausbildung der Partikel 42 hinsichtlich der Größe kann eine unterschiedliche Absorptionsstärke der Aufprallenergie bei einem Crash oder Aufprall zwischen den verschiedenen Schüttungsbereichen 41 realisiert werden. Durch die Variation der Ausbildung der Partikel 42 lässt sich die

Schutzvorrichtung 30 variabel und flexibel an unterschiedliche Anforderungen und Belastungen anpassen.

Fig. 6 zeigt einen schematischen Kurvenverlauf jeweils einer Verformung der Partikel der Partikelschüttung und der Batteriezelle. Auf der Abszisse ist der

Deformationsweg eines Materials in mm aufgetragen. Alternativ kann auf der

Abszisse die Dehnung in % angegeben werden. Auf der Ordinate ist die dabei wirkende Kraft F in der Einheit Newton aufgetragen. Die gestrichelte Linie zeigt beispielhaft den Verformungsverlauf für die Partikel der Partikelschüttung. Die durchgezogene Linie zeigt den Verformungsverlauf für die Batteriezelle. Auf der Abszisse ist weiterhin der Deformationsschwellenwert DSW der Partikelschüttung und der Batteriezelle eingezeichnet. Der Deformationsschwellenwert DSW der Batteriezelle ist höher als der Deformationsschwellenwert der Partikelschüttung.

Der Kurvenverlauf der Partikelschüttung und der Batteriezelle zeigt jeweils unterhalb des zugehörigen Deformationsschwellenwertes einen Bereich einer elastischen Verformung. Dabei ist die von außen einwirkende Kraft noch gering genug, dass sich das jeweilige Material nicht dauerhaft bzw. plastisch verformt. Mit steigendem

Deformationsweg bzw. Dehnung erhöht sich auch der Kraftbetrag F. Oberhalb des jeweiligen Deformationsschwellenwertes findet eine plastische Verformung statt.

Dabei sind die Belastungen und die aufgrund der von außen einwirkenden Kraft F ausgelösten Spannungen im jeweiligen Material der Partikelschüttung und der Batteriezelle derart groß, dass es zur einer plastischen Verformung kommt. Bei der plastischen Verformung kehrt das Material nicht wieder in die ursprüngliche Form zurück und bleibt dauerhaft beschädigt. Ist die Kraft, die auf das Material wirkt zu groß, kann es auch zu einem Bruch des Materials kommen. Das Material kann dann nicht weiter gedehnt werden. Der Bruch wird durch die Endpunkte des jeweiligen Kurvenverlaufs dargestellt.

Im Vergleich der beiden Kurvenverläufe lässt sich erkennen, dass sich die Partikel der Partikelschüttung bereits bei einer geringen Kraft stärker verformen bzw. eine größere Dehnung aufweisen, als die Batteriezelle. Des Weiteren lässt sich erkennen, dass die Partikel der Partikelschüttung bereits bei einer geringeren Kraft im Vergleich zur Batteriezelle plastisch verformen bzw. brechen. Dadurch kann vorteilhafterweise die Aufprallenergie bei einem Crash durch die Deformation der Partikelschüttung zumindest teilweise absorbiert werden, bevor eine plastische irreversible Verformung der Batteriezelle stattfindet.

Es sei darauf hingewiesen, dass Fig. 6 lediglich eine schematische Darstellung ist, und der Kurvenverlauf je nach Material der Batteriezelle bzw. der Partikelschüttung variieren kann. Bezuqszeichen

10 Batterievorrichtung

20 Batteriezelle

21 erste Batteriezelle

22 zweite Batteriezelle

23 dritte Batteriezelle 30 Schutzvorrichtung 32 Schutzabschnitt 34 Gehäuse

36 Kammer

38 Trennwand

40 Partikelschüttung

41 Schüttungsbereich

42 Partikel

44 Reibungsoberfläche F Kraft