CN111834568B - 具有集成的冷却装置的底部防护设备、电池壳体、电池和机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种底部防护设备，其具有集成的冷却装置，该冷却装置用于冷却机动车的至少一个电池模块，底部防护设备提供电池壳体的底部，该底部具有用于接纳所述至少一个电池模块的接纳区。底部防护设备(20)构造成具有多层式塑料板(24)和塑料膜(30)，该多层式塑料板具有至少两层(34、36、38)，该至少两层具有不同的变形特性，该多层式塑料板在面对所述接纳区(26)的第一侧(24a)具有至少一个冷却剂沟槽(28)，该塑料膜以覆盖所述至少一个冷却剂沟槽(28)的方式布置在所述第一侧(24a)上，从而所述塑料膜(30)的一部分与所述至少一个冷却剂沟槽(28)一起形成能被冷却剂流过的至少一个冷却通道(32)。

Description

具有集成的冷却装置的底部防护设备、电池壳体、电池和机动车
技术领域
本发明涉及具有集成的冷却装置的底部防护设备，该冷却装置用于冷却机动车的至少一个电池模块，其中，底部防护设备提供了电池壳体的底部，该底部具有用于接纳至少一个电池模块的接纳区。本发明还涉及电池壳体、电池和机动车。
背景技术
在大多数情况下，在电动车中的动力电池的温度控制通过金属冷却板来进行，流体冷却介质(例如水-乙二醇混合物)在金属冷却板中流过。这种冷却板必须与电池的电池模块良好地热结合。为了在电池和冷却板之间建立公差补偿，通常在冷却板上施加有所谓的间隙填充物，其典型地以粘性导热膏的形式提供。引入间隙填充物为附加的工艺步骤，并且使用这种间隙填充物还显著降低了电池的可回收性，因为它部分地粘接模块。此外，这种间隙填充物非常昂贵，因此使车辆更昂贵，因为通常必须使用非常大的质量，尤其是在30kg至60kg之间的这种间隙填充物。然后，通常将这种高压电池连同布置在下侧的冷却设备一起布置在机动车的底部区域中。为了保护冷却装置以及保护高压电池，相应地通常在下侧还需要底部防护设备。因此，这些众多不同部件通常需要很大的安装空间，尤其是在车辆的高度方向上。此外，冷却板通常直接或间接地牢固地连接至车身结构，由此与车身结构和外界形成机械和热耦合。因为冷却板以及电池壳体和车身结构通常由金属材料制成，因此很大一部分的冷却能力也通过该热路径损失到环境中，于是它相应地不可用于冷却电池模块。
为了实现更紧凑的结构高度，还从现有技术中已知电池冷却装置，其集成到底部防护设备中或者同时提供底部防护设备。例如，DE 102015008942A1公开了一种用于电池的温度调节装置，其具有设置成接纳电池的至少一个温度调节室。在此，该温度调节室形成在底部防护设备中，该底部防护设备构造成用于布置在车辆底部的区域中。在此，底部防护设备可构造成多层的，其中，各层又可具有某种结构，以便例如形成通道结构，该通道结构可施加有温度调节介质。在此，为了调节温度，使用空气冷却。为此目的，各通道在车辆的纵向方向上取向。
然而，纯空气冷却对于典型的高压电池来说是不够的，从而即使冷却装置的这样的构造方案(其同时应提供底部防护设备)也没有简化，因为需要用于高压电池的附加冷却措施。在此，也同样存在的问题是：这样的冷却装置与电池模块的良好且高效的热结合、以及由于冷却功率释放到环境中的损失而导致的冷却系统效率低下。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种具有集成的冷却装置的底部防护设备、电池壳体、电池和机动车，它们能够以尽可能紧凑的设计实现对至少一个电池模块的高效冷却，其中，该冷却装置用于冷却机动车的至少一个电池模块。
该目的通过具有根据相应的独立权利要求的特征的底部防护设备、电池壳体、电池和机动车来实现。本发明的有利的设计方案为从属权利要求、说明书以及附图的对象。
根据本发明的、具有用于冷却机动车的至少一个电池模块的集成的冷却装置的底部防护设备提供电池壳体的底部，该底部具有接纳区以接纳至少一个电池模块。在此，所述底部防护设备构造成具有多层式塑料板和塑料膜，该多层式塑料板具有至少两层，该至少两层具有不同的变形特性，该多层式塑料板在面对接纳区的第一侧具有至少一个冷却剂沟槽，该塑料膜以覆盖所述至少一个冷却剂沟槽的方式布置在第一侧上，从而所述塑料膜的一部分与所述至少一个冷却剂沟槽一起形成能被冷却剂流过的至少一个冷却通道。
在此，本发明基于以下认识：一方面，将塑料膜用作冷却剂通道的壁部还同时能够实现提供在z方向上的公差补偿，即，在从塑料板到至少一个电池模块的方向上。通常，膜的特征在于厚度非常小。因此可通过塑料膜有利地提供一定程度的弹性，这使得当冷却剂流经冷却剂通道时，膜在冷却剂压力的作用下延展/膨胀，并且因此压靠到电池模块的侧面上。由此还可以通过这种塑料膜同时承担间隙填充物的功能，因此可有利地取消间隙填充物。还能够实现的是，这种塑料膜由于其薄的构造还使得电池模块的热量被特别高效地散热到在至少一个冷却剂通道流动的冷却剂中，尤其在无需金属材料的情况下。因此可同时取消金属构件。这同样具有很多优点。将其上布置有所述膜的塑料板用作底部防护设备一方面具有的优点是，膜在塑料板的第一侧的固定特别简单，因为可简单地选择能够与塑料膜简单地实现紧密连接/密封连接的塑料。同时，通过使用塑料板尤其代替金属冷却板，可以使与其他部件(尤其是电池壳体、车身的部件)以及与环境的热结合受到明显更大的热阻，由此可显著降低散失到环境中的冷却功率。同时，从现有技术中已知的各种不同的塑料使得塑料板的配置特别简单，以提供尽可能好的底部防护设备。在此，塑料板构造为具有有不同的变形特性的至少两层的多层式塑料板就特别有利于优化下部防护功能。此时，塑料板的不同的层的变形特性可有利地如此来设计，即，通过底部防护设备可提供特别有效的措施来防止物体或对象的侵入，以及防止对冷却装置和/或至少一个电池模块的损坏。在此，不同的变形特性例如可通过不同的塑料来提供，和/或通过不同或相同塑料的不同的塑料结构来提供。例如，其中一层可构造为均质塑料层，另一层例如可构造为塑料泡沫。即使在使用相同的塑料时，也由此得到不同的变形特性。在此，包括一种或多种塑料的复合材料(其还附加地包括至少一种不同于塑料的其他材料)应同样可理解为塑料板的塑料层。因此，针对对于底部防护设备所需的变形特性，有利地提供了多种可行方案来优化塑料板。由此，可以尽可能紧凑的方式提供集成到底部防护设备中的冷却装置，其还能够实现电池模块的明显更高效的冷却。
冷却剂例如可以是液态冷却剂，例如开头提到的水-乙二醇混合物，也可以使用其他的液态冷却剂。使用液态冷却剂的可行方案可特别有效地冷却至少一个电池模块。
此外，可在塑料板的第一侧布置有多个冷却剂沟槽，和/或至少一个冷却剂沟槽例如可蜿蜒延伸或蛇形延伸地构造在塑料板的第一侧，从而第一侧至少大部分地被一个或多个冷却剂沟槽穿过。此外，一个或多个冷却剂沟槽如此构造，即，在冷却剂沟槽之间、更确切地说在冷却剂沟槽壁部的垂直于伸延方向彼此相邻的区段之间仅存在最小间距。由此可提供至少一个电池模块的特别高效且大面积的冷却。这样提供的冷却面尤其可以不仅用于冷却尤其具有仅仅一个或多个电池单体的电池模块，而且可以同时用于冷却多个这种电池模块，它们例如可并排布置在这种冷却面上。
此外，特别有利的是，所述塑料板的至少两层中的距第一侧更远地布置的层与所述至少两层中的更靠近第一侧的层相比具有更低的硬度和/或强度和/或厚度/密度和/或更高的弹性。由此可有利地实现的是，当底部防护设备以其按规定的安装位置处在机动车中时，比起塑料板的离第一侧更远并且因此更靠近地面的层，更靠近第一侧的层不易变形。因此可特别有效地衰减、拦截和减低撞击到底部防护设备上的物体或对象的碰撞能，从而可实现特别有效地防止这种对象的侵入。
还可考虑的是，塑料板还具有不是由塑料制成的层，例如用空气填充的空腔或金属层或部件。然而，特别有利的是，塑料板的所有层都由塑料(涵盖包括塑料的复合材料)构成。换句话说，底部防护设备可完全由塑料制成，尤其由不同的塑料制成。这能够实现底部防护设备的特别高效的制造。
因此，本发明的一种有利的设计方案在于，塑料板具有第二塑料层和提供所述第一侧的至少一层第一塑料层，该第二塑料层提供底部防护设备的与第一侧相对而置的下侧塑。这两层塑料层可如上所述地由不同的塑料材料形成和/或具有不同的结构。这两层尤其可在其变形特性方面不同。
尤其特别有利的是，塑料板具有至少一层另外的第三层、尤其是布置在第一层与第二层之间的至少一层第三塑料层。该中间层例如可以以注入方式在第一塑料层和第二塑料层之间的间隔中形成，或者也可以作为单独制成的层被放入到第一层和第二层之间。第一层和第二层例如可制成具有盖子的基体的形式，其中，在由第二塑料层提供的基体的凹处中放入第三塑料层，接着放置作为盖子的、其中提供有冷却沟槽的第一塑料层。
这种中间层还可以特别有利的方式用作减振层/缓冲层。它可由塑料、发泡材料或任何材料制成。通常特别有利的是，多层式塑料板具有由长纤维强化的热塑性塑料构成的至少一层或多层。因此可对于用作底部防护设备的功能提供特别高的程度的稳定性。通常，为了提供对于底部防护设备有利的特性，尤其有利的机械特性，纤维复合材料特别适合。
多种已知的制造方法适合于提供塑料板，尤其还适合于提供各个塑料层，例如注模或压制方法，或用于生产长纤维强化的热塑性塑料的方法，诸如D-LFT方法或G-LFT方法。
关于塑料膜特别有利的是，至少是塑料膜的与所述至少一个冷却剂沟槽一起形成至少一个冷却通道的部分是可弹性延展的。膜尤其可如此弹性地形成，即，当具有确定的冷却剂压力的冷却剂流经冷却剂沟槽、更确切地说流经至少一个由冷却剂沟槽和膜的一部分形成的冷却剂通道时，膜延展并且由于冷却剂压力而压靠在至少一个电池模块的一侧上。因此，由于冷却剂压力，塑料膜可有利地紧贴至少一个电池模块的下侧，并且因此补偿各种公差。塑料膜还可具有多层式构造。优选地，膜如此构造，即，在例如2bar的冷却剂压力下已经可以引起膜的弹性变形。这是有利的，因为在运行中优选地在约2.5bar压力下的冷却剂流经冷却装置。此外，塑料膜可具有在例如0.15mm至0.5mm(包括端点)的范围内的厚度。已经显示出，具有在该范围内的厚度的弹性膜一方面稳定到足以承受冷却剂压力，另一方面还具有特别好的弹性特性，以便特别柔性地紧贴电池模块的下侧。
因此，膜可以特别好地紧贴并适配于电池模块的表面形状、更确切地说是电池模块的面对膜的下侧。因此，至少一个电池模块可直接布置在膜上，并且有利地在膜与电池模块之间无需其他用于补偿公差的物质。
同样特别有利的是，如上所述，膜构造为具有多个膜层的多层复合膜。这具有的很大的优点是，各个膜层可针对不同的目的来优化。例如有利的是，在满足相应不同的功能方面优化各个膜层。在此情况下，各个层例如可以分别满足防水功能、阻燃功能和抗侵入功能。总体上，该膜可因此有利地既防水又阻燃地来构造，这特别是关系到安全性，特别是与中压或高压电池组合使用时，以及还抗撕裂和/或扛刺穿并且因此特别可靠地抵抗外部影响。因此，这可显著降低膜损坏以及由此导致冷却剂流出的风险。
冷却剂输送和导出管线例如可通过与具有上面布置有塑料膜的塑料板结合的、可同样由塑料制成的集模块来提供。此外，这种集模块还可承担其他的任务，例如引导电气线路(其例如用于布置在电池模块上的一个或多个传感器)等等。因此，具有这种集模块和根据本发明的实施方式的底部防护设备的布置方案应同样属于本发明。
本发明还涉及电池壳体，其具有壳体底部，该壳体底部由根据本发明的底部防护设备或其设计方案之一来提供，其中，电池壳体具有框架，底部防护设备固定在该框架处。例如，底部防护设备可螺纹连接在电池壳体的框架下侧。此外，优选地将密封装置设置在底部防护设备和电池壳体的框架之间。因此有利地保护电池壳体的内部，以避免环境影响并且尤其避免水的侵入。电池壳体的框架优选地由金属材料形成。此外，电池壳体的框架优选地固定在机动车的车身处，例如螺纹连接或熔接等等。
本发明还涉及一种电池，该电池具有根据本发明的电池壳体或其设计之一，其中，电池具有至少一个布置在电池壳体中的电池模块。电池模块可包括至少一个电池单体，例如锂离子单体。优选地，电池模块包括多个电池单体。此外，电池还可构造为高压电池，并且例如具有布置在电池壳体中的多个电池模块。如上所述，此时通过底部防护设备可相应地为布置在电池壳体中的所有电池模块提供公共的冷却。
此外，特别有利的是，至少一个电池模块直接固定在框架处，并且不固定在底部防护设备上。如果现在将电池模块直接固定在框架处，例如螺纹连接，框架又与车身直接连接，则有利地电池模块本身与底部防护设备脱耦。为此，比起固定在底部防护设备处，可明显更简单地实现电池模块在优选地金属框架处的固定。此时，尤其不必在底部防护设备处在至少一个电池模块的一侧保留用于固定电池模块的区域，并且用于冷却的面积可更大且更有效地来设计。
本发明还涉及一种机动车，该机动车具有根据本发明的电池模块或其设计方案之一；本发明还涉及一种机动车，其具有根据本发明的电池壳体和/或根据本发明的电池或其设计方案之一。
针对根据本发明的底部防护设备及其设计方案提到的优点同样适用于根据本发明的电池壳体、根据本发明的电池和根据本发明的机动车。
根据本发明的机动车优选地为汽车(尤其是乘用车或商用车)，或者为大客车或摩托车。
本发明还包括所述实施方式的各特征的组合。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的电池10的示意图。
具体实施方式
下面描述本发明的示例性实施例。下面解释的示例性实施例是本发明的优选实施例。在示例性实施例中，所描述的实施例的组成部分各自代表本发明的各个特征，这些特征被认为是彼此独立的，并且这些特征彼此独立地进一步发展了本发明。因此，本发明旨在包括除了所示实施例之外的实施例特征的组合。此外，所描述的实施例还可以由已经描述的本发明的其他特征来补充。
在此，图1示出了根据本发明的实施例的电池10的示意图，其具有：电池模块12，电池模块在本示例中包括多个电池单体14，尤其是四个电池单体14；以及壳体16，电池模块12布置在该壳体中。同样，即使这里没有明确示出，也可以在壳体16中接纳有更多个这种电池模块12。壳体16又具有壳体底部18，该壳体底部同时作为具有集成的冷却装置22的底部防护设备20来提供。在电池壳体16上也还可以放置有在此未示出的盖子。此外，底部防护设备18构造成具有塑料板24，尤其多层式塑料板24，其具有第一侧24a，该第一侧面对底部18的接纳区26，该接纳区用于接纳电池模块12。在此，在第一侧24a上有冷却剂沟槽28，其被布置在第一侧24a上的塑料膜30覆盖，从而塑料膜30的相应的部分与相应的冷却剂沟槽28一起形成至少一个能被冷却剂流过的冷却通道32。在此，膜30可粘接、层压或熔接到由多层式塑料板24提供的结构件上，和/或附加地，由膜30和塑料板24构成的组件可以被包覆注塑以一种塑料框，以在边缘处进行密封。在此，膜30是可延展的/可膨胀的或者是弹性的，从而当具有确定的冷却剂压力的冷却剂流经相应的冷却剂通道32时，该膜延展/膨胀，这在图1中通过虚线示出。由于该延展，膜30或它的至少一部分由于冷却剂压力而压靠在电池模块12的下侧12a上。在此，膜30可基于其弹性特性而适配于电池模块12的下侧12a的几何结构，并且因此有利地补偿在电池模块12的下侧12a与壳体底部18的在此由膜30形成的上侧之间的公差。因此可有利地取消在电池模块12和壳体底部18之间的间隙填充物或任何其他的补偿物质。由此又可减小在此处示出的z方向上的结构空间。同时，结构空间还可由此减小，即，将冷却装置22同时集成到底部防护设备20中。
为了提供下部防护功能，塑料板24优选地多层式地建造。在本示例中，塑料板24具有三层34、36、38。在此，层34、36、38可具有不同的变形特性，并且因此特别好地以如下方式来优化，以便降低从下方(即，沿示出的z方向)撞击到底部防护设备20上的对象或物体的变形能并且防止这种物体或对象穿透。
在此，层34、36、38中的第一层34提供底部防护设备20的下侧20a，并且相应地离第一侧24a最远。而第二层38是提供第一侧24a的层38。在第一层34和第二层38之间的是第三层36。层34、36、38可以在其分布方向上、即在z方向上的可变形性越来越小和/或越来越硬。因此，例如第一层34是最容易变形的层，因此该层34可通过变形(例如压缩和/或弯曲)最大地降低冲击能。相反，第二层38是最难变形的层，并且因此保护冷却装置22以及至少一个电池模块12，以防变形和物体的侵入。相应的层34、36、38的变形特性可通过相应的塑料或塑料复合物的合适的材料选择和/或通过结构(例如均质的或泡沫式的结构)来调节。
因此，通过多层式塑料板24的多层式构造可提供特别有效的底部防护设备20。同时，塑料对冷却装置22的冷却效率有特别积极的影响，这是因为明显更少的冷却功率通过塑料板24散失到壳体16的框架40，在该壳体上布置底部防护设备20。
在底部防护设备20与框架40之间还可以布置有密封装置，其在该示例中未示出，并且防止水的侵入。此外，电池壳体16可通过框架40与机动车的车身结合，并且电池模块12又可以通过合适的固定方式、例如通过螺纹连接与框架40连接。由此使电池模块12有利地与底部防护设备20脱耦。
通过具有集成的冷却装置22的底部防护设备20的该有利的设计方案提供了特别有利的、节省空间的并且因此高效的电池温度调节。有利地可取消非常昂贵的间隙填充物，公差波动可通过所述的膜30来补偿，并且尤其是可节省在z方向上的安装空间，因为冷却装置22集成在底部防护设备20中，并且因此可取消附加的底部。最终，在这种结构中不使用粘合材料或间隙填充剂，不同于传统结构，由此可完全保证可回收性。
总的来说，这些实施例显示了本发明如何提供具有主动电池壳体冷却的集成的底部防护设备，由此可以提供廉价、节省空间和有效的电池温度调节。

Claims (6)

1.一种电池(10)，其具有电池壳体(16)和布置在电池壳体(16)中的至少一个电池模块(12)，该电池壳体具有壳体底部(18)和框架(40)，该壳体底部由底部防护设备(20)提供，所述底部防护设备(20)固定在该框架处，底部防护设备(20)具有集成的冷却装置(22)，该冷却装置用于冷却机动车的所述至少一个电池模块(12)，该底部防护设备具有用于接纳所述至少一个电池模块(12)的接纳区(26)，其中，所述底部防护设备(20)构造成具有多层式塑料板(24)和塑料膜(30)，该多层式塑料板具有至少两层，该至少两层具有不同的变形特性，该多层式塑料板在面对所述接纳区(26)的第一侧(24a)上具有至少一个冷却剂沟槽(28)，该塑料膜以覆盖所述至少一个冷却剂沟槽(28)的方式布置在所述第一侧(24a)上，从而所述塑料膜(30)的一部分与所述至少一个冷却剂沟槽(28)一起形成能被冷却剂流过的至少一个冷却通道(32)，
其特征在于，
所述至少一个电池模块(12)直接固定在所述框架(40)处，并且不固定在底部防护设备(20)处，从而使电池模块本身与底部防护设备脱耦，在壳体底部(18)与所述至少一个电池模块(12)之间没有布置粘合材料，由塑料膜(30)同时还承担间隙填充物的功能，
所述塑料板(24)具有布置在第一层(38)与第二层(34)之间的至少一层第三层(36)，
第一层(38)和第二层(34)制成具有盖子的基体的形式，其中，在由第二层(34)提供的基体的凹处中放入第三层(36)，接着放置作为盖子的、其中提供有冷却沟槽的第一层(38)，
塑料膜(30)构造为具有多个膜层的多层复合膜，各个膜层分别满足防水功能、阻燃功能和抗侵入功能。
2.根据权利要求1所述的电池(10)，其特征在于，所述塑料板(24)的至少两层中的距第一侧(24a)更远地布置的层与所述至少两层中的更靠近第一侧(24a)的层相比具有更低的硬度和/或强度和/或厚度和/或更高的弹性。
3.根据权利要求1或2所述的电池(10)，其特征在于，塑料板(24)具有第二塑料层和提供所述第一侧(24a)的至少一层第一塑料层，该第二塑料层提供底部防护设备(20)的与第一侧(24a)相对而置的下侧(20a)。
4.根据权利要求1或2所述的电池(10)，其特征在于，所述第三层(36)是塑料层。
5.根据权利要求1或2所述的电池(10)，其特征在于，至少是塑料膜(30)的与所述至少一个冷却剂沟槽(28)一起形成至少一个冷却通道(32)的部分是可弹性延展的。
6.一种机动车，其具有根据权利要求1至5中任一项所述的电池(10)。
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