DE102010019747B4

DE102010019747B4 - Batterieanordnungen

Info

Publication number: DE102010019747B4
Application number: DE102010019747.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Graban; Brian K. Bartnick
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2030-05-08
Also published as: US20100291428A1; US8389145B2; DE102010019747A1

Abstract

Batterieanordnung (400), umfassend:ein Gehäuse mit mehreren Wänden, die eine Kühlmittelkammer ausbilden; undmehrere in der Kühlmittelkammer angeordnete Batteriezellentaschen (404),wobei jede Batteriezellentasche (404) eine erste Hauptwärmeübertragungswand (452) und eine zweite Hauptwärmeübertragungswand (454), zwischen denen eine Batteriezelle (406) aufgenommen ist, umfasst;wobei die Hauptwärmeübertragungswände (452, 454) im oberen Bereich jeder Batteriezellentasche (404) von der Batteriezelle (406) weg nach außen gebogen sind, um an ihrem oberen Ende mit einer Hauptwärmeübertragungswand (452, 454) einer benachbarten Batteriezellentasche (404') in Kontakt zu stehen;wobei durch den nach außen gebogenen Bereich der Hauptwärmeübertragungswände (452, 454) unmittelbar unterhalb dessen ein Einbuchtungsabschnitt (464, 468) gebildet ist, der eine benachbarte Oberfläche der Batteriezelle (406) kontaktiert und eine Federkraft gegen die Batteriezelle (406) vorsieht, um dadurch die Batteriezelle (406) in einer gewünschten Position zu halten; undwobei die Batteriezellentasche (404) im unteren Bereich halbkugelförmige Abstandshalter (470, 472) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Anmeldung bezieht sich auf Batterieanordnungen und betrifft insbesondere Batterieanordnungen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen.
Hintergrund
In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Technologie sowie sich ständig verändernder Geschmack beim Design zu wesentlichen Änderungen der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Änderungen umfasst die Komplexität sowie den Energieverbrauch von elektrischen Systemen in Kraftfahrzeugen, insbesondere von mit alternativen Kraftstoffen betriebenen Fahrzeugen, wie Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen. Solche mit alternativen Kraftstoffen betriebene Fahrzeuge nutzen typischerweise einen Elektromotor kombiniert mit einer Batterie, um Räder des Fahrzeugs anzutreiben.
Zum Optimieren von Batterieleistung ist es wichtig, die Temperatur (sowohl kühlend als auch heizend) der Batterien, die in mit alternativen Kraftstoffen betriebenen Fahrzeugen verwendet werden, ordnungsgemäß zu regulieren. Herkömmlicherweise nutzen Temperaturregulierungssysteme Kühlkanäle, die in bearbeiteten oder gestanzten Bauteilen ausgebildet sind, die benachbart zu den Zellen platziert werden. Solche Systeme beschränken jedoch häufig den Flächeninhalt der Zellen, die effektiv gekühlt oder beheizt werden. Aufgrund der relativ hohen Anzahl an Teilen, beispielsweise Dichtungen, die verwendet werden, um die Systeme ordnungsgemäß zusammenzubauen, können ferner die Fertigungs- und Wartungskosten unerwünscht hoch sein.
Demgemäß ist es wünschenswert, ein System zum Regulieren von Batteriezellentemperatur mit verbesserter Leistung gegenüber denen herkömmlicher Temperaturregulierungssysteme vorzusehen. Ferner ist es wünschenswert, ein System vorzusehen, das gegenüber herkömmlichen Temperaturregulierungssystemen eine verringerte Anzahl von Teilen sowie verringerte Fertigungs- und Wartungskosten aufweist. Weiterhin gehen andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen sowie dem vorstehenden technischen Gebiet und Hintergrund hervor.
Herkömmliche Batterieanordnungen sind aus den Druckschriften DE 103 52 046 A1 , JP 2008 - 269 985 A , DE 102 23 782 B4 und US 6 586 132 B1 bekannt.
Kurze Zusammenfassung
Eine erfindungsgemäße Batterieanordnung umfasst ein Gehäuse mit mehreren Wänden, die eine Kühlmittelkammer ausbilden, und mehrere in der Kühlmittelkammer angeordnete Batteriezellentaschen. Jede Batteriezellentasche umfasst eine erste Hauptwärmeübertragungswand und eine zweite Hauptwärmeübertragungswand, zwischen denen eine Batteriezelle aufgenommen ist. Die Hauptwärmeübertragungswände sind im oberen Bereich jeder Batteriezellentasche von der Batteriezelle weg nach außen gebogen, um an ihrem oberen Ende mit einer Hauptwärmeübertragungswand einer benachbarten Batteriezellentasche in Kontakt zu stehen.
Durch den nach außen gebogenen Bereich der Hauptwärmeübertragungswände ist unmittelbar unterhalb dessen ein Einbuchtungsabschnitt gebildet, der eine benachbarte Oberfläche der Batteriezelle kontaktiert und eine Federkraft gegen die Batteriezelle vorsieht, um dadurch die Batteriezelle in einer gewünschten Position zu halten. Die Batteriezellentasche weist im unteren Bereich halbkugelförmige Abstandshalter auf.
Figurenliste
Der Gegenstand der Erfindung wird hierin nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, beschrieben, und

1 ist eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs;
2 ist eine Querschnittseitenansicht einer nicht erfindungsgemäßen Batterieanordnung;
3 ist eine Querschnittendansicht der nicht erfindungsgemäßen Batterieanordnung von 2; und
4 ist eine Querschnittseitenansicht einer Batterieanordnung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Eingehende Beschreibung
Die folgende Beschreibung verweist auf Elemente oder Merkmale, die miteinander „verbunden“ oder „gekoppelt“ sind. Wie hierin verwendet kann „verbunden“ auf ein Element/ Merkmal verweisen, das mit einem anderen Element/Merkmal mechanisch zusammengeschlossen ist (oder direkt mit diesem in Verbindung steht), und nicht unbedingt direkt. Analog kann sich „gekoppelt“ auf ein Element/Merkmal verweisen, das mit einem anderen Element/Merkmal direkt oder indirekt zusammengeschlossen ist (oder direkt oder indirekt mit diesem in Verbindung steht), und nicht unbedingt mechanisch. Es versteht sich aber, dass, auch wenn nachstehend zwei Elemente in einer Ausführungsform als „verbunden“ beschrieben sein können, in alternativen Ausführungsformen ähnliche Elemente „gekoppelt“ sein können und umgekehrt. Auch wenn die schematischen Diagramme hierin beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen, können somit in einer tatsächlichen Ausführungsform zusätzliche dazwischentretende Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Bauteile vorliegen.
1 bis 4 veranschaulichen ein Kraftfahrzeug und Batterieanordnungen gemäß Ausführungsformen, bei denen Batteriezellentaschen, die zusammengeschweißt sind, in einem Gehäuse enthalten sind, um in den Batteriezellentaschen angeordnete Batteriezellen von einem Kühlmittel zu isolieren. Die Batteriezellentaschen können Einbuchtungsabschnitte umfassen, die genutzt werden, um die Batteriezellen in den Batteriezellentaschen ortsfest zu halten und um durch Vergrößern eines Flächeninhalts, bei dem die Wärmeübertragung auftreten kann, die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen und dem Kühlmittel zu verbessern. Es können verschiedene andere nachstehend angesprochene Merkmale genutzt werden, um Kühlmittelstrom durch das Gehäuse zu verbessern, um Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen und dem Kühlmittel weiter zu verbessern.
1 ist eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 100 (oder Fahrzeugs) nach einer Ausführungsform. In einer Ausführungsform umfasst das Fahrzeug 100 ein Fahrwerk 102, eine Karosserie 104, vier Räder 106 und ein elektronisches Steuersystem 108. Die Karosserie 104 ist auf dem Fahrwerk 102 angeordnet und schließt im Wesentlichen andere Bauteile des Kraftfahrzeugs 100 ein. Die Karosserie 104 und das Fahrwerk 102 können zusammen einen Rahmen bilden. Die Räder 106 sind in einer Ausführungsform nahe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 104 jeweils drehend mit dem Fahrwerk 102 verbunden.
Das Kraftfahrzeug 100 kann ein beliebiges einer Anzahl unterschiedlicher Kraftfahrzeugtypen sein, zum Beispiel eine Limousine, ein Kombi, ein Lastkraftwagen oder eine geländetaugliche Limousine (SUV), und kann ein Zweiradantrieb (2WD) (d.h. Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb), ein Vierradantrieb (4WD) oder Allradantrieb (AWD) sein. Das Kraftfahrzeug 100 kann auch einen einer Anzahl unterschiedlicher Arten von Motoren oder eine Kombination derselben enthalten, zum Beispiel einen mit Benzin oder Diesel betriebenen Verbrennungsmotor, einen Motor eines „kraftstoffflexiblen Fahrzeugs“ (FFV, kurz vom engl. Flex Fuel Vehicle) (d.h. ein Motor, der ein Gemisch aus Benzin und Alkohol verwendet), einen mit einer gasförmigen Verbindung (z.B. Wasserstoff und/oder Erdgas) betriebenen Motor, einen Hybridmotor mit Verbrennungsmotor/Elektromotor (d.h. wie zum Beispiel in einem Hybridelektrofahrzeug (HEV, kurz vom engl. Hybrid Electric Vehicle)), und einen Elektromotor.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 100 ein HEV und umfasst weiterhin einen Aktuatoranordnung 120, ein Batteriesystem 122, einen Wechselrichter 124 und einen Wärmetauscher 126. Die Aktuatoranordnung 120, das Batteriesystem 122 und die Wechselrichteranordnung 124 stehen in funktioneller Verbindung mit dem elektronischen Steuersystem 108. Das elektronische Steuersystem 108 kann verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeugsteuermodule oder elektronische Steuereinrichtungen (ECU), beispielsweise ein Wechselrichtersteuermodul und ein Fahrzeugsteuergerät, und mindestens einen Prozessor und/oder Speicher umfassen, der darauf (oder in einem anderen maschinenlesbaren Medium) gespeicherte Befehle zum Ausführen der nachstehend beschriebenen Prozesse und Verfahren umfasst.
Die Aktuatoranordnung 120 umfasst eine Brennkraftmaschine 128 und einen Elektromotor/Generator (oder Motor) 130. In einer Ausführungsform sind die Brennkraftmaschine 128 und/oder der Elektromotor 130 so integriert, dass eine/einer oder beide durch eine oder mehrere Antriebswellen 132 mit mindestens einigen der Rädern 106 mechanisch gekoppelt sind. In einer Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 100 ein „serielles HEV“, bei dem die Brennkraftmaschine 128 nicht direkt mit dem Getriebe gekoppelt ist, sondern mit einem (nicht gezeigten) Generator gekoppelt ist, der verwendet wird, um den Elektromotor 130 mit Energie zu versorgen. In einer anderen Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 100 ein „paralleles HEV“, bei dem die Brennkraftmaschine 128 direkt mit dem Getriebe gekoppelt ist, zum Beispiel indem es aufweist, dass ein Rotor des Elektromotors 130 mit der Antriebswelle 132 der Brennkraftmaschine 128 drehend gekoppelt ist.
Auch wenn dies nicht näher gezeigt ist, umfasst der Elektromotor 130 in einer Ausführungsform eine Statoranordnung (einschließlich leitender Spulen oder Wicklungen) und eine Rotoranordnung (einschließlich eines ferromagnetischen Kerns und/oder Magneten) sowie ein Getriebe. Die Statoranordnung und/oder die Rotoranordnung in dem Elektromotor 130 können mehrere elektromagnetische Pole (z.B. sechzehn Pole) umfassen, wie gemeinhin bekannt ist.
Das Batteriesystem 122 kann ausgelegt sein, um Hochspannungs-Gleichstrom(DC)-Leistung zu dem Wechselrichter 124 zu liefern, der einen mit dem Motor 130 gekoppelten Dreiphasenkreis umfassen kann, um die DC-Leistung in Wechselstrom(AC)-Leistung umzuwandeln. Diesbezüglich kann der Wechselrichter 124 ein Schalternetz mit einem mit dem Batteriesystem 122 gekoppelten ersten Eingang (d.h. eine Spannungsquelle (V_dc)) und einem mit dem Motor 130 gekoppelten Ausgang umfassen. Das Schalternetz kann drei Paar (a, b und c) von Reihenschaltern (z.B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) in auf Halbleitersubstraten ausgebildeten integrierten Schaltungen) mit antiparallelen Dioden (d.h. antiparallel zu jedem Schalter), die jeder der Phasen des Motors 130 entsprechen, umfassen.
Der Wärmetauscher (z.B. ein Kühler und/oder Kühlmittelsumpf) 126 ist mit dem Rahmen an einem Außenteil desselben verbunden und umfasst, wenngleich dies nicht näher veranschaulicht ist, mehrere Kühlkanäle darin, die ein Kühlfluid (d.h. Kühlmittel) wie Wasser und/oder Ethylenglykol (d.h. „Frostschutzmittel“) darin enthalten, und ist mit der Aktuatoranordnung 120, dem Batteriesystem 122 und dem Wechselrichter 124 durch Fluidleitungen 131 gekoppelt. Es versteht sich, dass der Wärmetauscher 126 verwendet werden kann, um die verschiedenen Komponenten, mit denen er gekoppelt ist, sowohl zu kühlen als auch zu erwärmen. Gemäß einer Ausführungsform nimmt der Wechselrichter 124 Kühlmittel auf und teilt es mit dem Elektromotor 130 und dem Batteriesystem 122. Andere Ausführungsformen können aber separate Kühlmittel für das Batteriesystem 122, den Wechselrichter 124 und/oder den Elektromotor 130 verwenden.
2 ist eine Querschnittseitenansicht einer Batterieanordnung 200 gemäß einer Ausführungsform, und 3 ist eine Querschnittendansicht der Batterieanordnung 200 gemäß einer Ausführungsform. Die Batterieanordnung 200 kann in 1 als das Batteriesystem 122 oder als ein Teil des Batteriesystems 122 umgesetzt sein. Auch wenn nur eine Batterieanordnung 200 gezeigt ist, versteht sich somit, dass das Batteriesystem 122 mehrere Batterieanordnungen 200 (z.B. zwischen 5 und 10) umfassen kann. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Batterieanordnung 200 ein Gehäuse 202, mehrere Batteriezellentaschen 204, mehrere Batteriezellen 206 und eine Abdeckanordnung.
Das Gehäuse 202 kann eine Kühlmittelkammer 210 ausbilden und kann zum Beispiel ein Verbundmaterial oder ein Metall, beispielsweise Aluminium, umfassen, das zum Fassen von Kühlmittel 212 geeignet ist. In einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse 202 Seitenwände 214, 216 ( 3), Endwände 218, 220 (2) und eine Bodenwand 222. Gemäß einer Ausführungsform kann das Gehäuse 202 zum Beispiel eine Länge in dem Bereich von etwa 45 cm bis etwa 90 cm, ein Breite in einem Bereich von etwa 20 cm bis etwa 35 cm und eine Höhe in einem Bereich von etwa 30 cm bis etwa 50 cm aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann das Gehäuse 202 Maße aufweisen, die größer oder kleiner als die vorstehend erwähnten Bereiche sind. In manchen Ausführungsformen können die jeweilige Länge, Breite und/oder Höhe des Gehäuses 202 von einer erwünschten Anzahl und von erwünschten Maßen von Batteriezellentaschen 204 abhängen, die in der Kühlmittelkammer 210 anzuordnen sind. Auch wenn das Gehäuse 202 als kastenförmig beschrieben ist, können in jedem Fall in einer anderen Ausführungsform andere Formen geeignet sein. In einer Ausführungsform kann die Kühlmittelkammer 210 eine Form haben, die im Wesentlichen der von Gehäuse 202 ähnelt (z.B. in dieser Ausführungsform dem Innenraum eines Kastens). In anderen Ausführungsformen kann die Kühlmittelkammer 210 eine andere Form aufweisen.
Das Gehäuse 202 kann auch eine Einlassöffnung (oder erste Öffnung) 224 und einen Auslass (oder zweite Öffnung) 226 umfassen, die sich in einer Ausführungsform durch die Seitenwände 214, 216 erstrecken. In anderen Ausführungsformen können die Einlass- und Auslassöffnung 224, 226 durch die Endwände 218, 220 ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform sind die Öffnungen 224, 226 ausgelegt, um zwischen der Kühlmittelkammer 210 und dem Wärmetauscher 126 (1) durch die Fluidleitungen 131 (1) Fluidverbindung vorzusehen. In einer Ausführungsform können die Öffnungen 224, 226 Durchflussquerschnitte in dem Bereich von etwa 2 cm² bis etwa 6 cm² aufweisen. In anderen Ausführungsformen können die Durchflussquerschnitte der Öffnungen 224, 226 größer oder kleiner als der vorstehend erwähnte Bereich sein. Die Einlassöffnung 224 kann in einer Ausführungsform einen kleineren Durchflussquerschnitt als die Auslassöffnung 226 haben. In einer anderen Ausführungsform kann die Einlassöffnung 224 einen größeren Durchflussquerschnitt als die Auslassöffnung 226 haben. In noch anderen Ausführungsformen können die Öffnungen 224, 226 im Wesentlichen gleiche Durchflussquerschnitte haben. Da die Bemessung der Öffnungen 224, 226 in einen relativ breiten Bereich von Maßen fallen kann, kann die exakte Positionierung der Öffnungen 224, 226 von der Bemessung des Öffnungsquerschnitts verbunden mit einem jeweiligen erwünschten Strommuster des Kühlmittels durch die Kühlmittelkammer 210 abhängen. Diesbezüglich kann die Einlassöffnung 224 durch eine Ecke 228 des Gehäuses 202 ausgebildet sein, während die Auslassöffnung 226 durch eine andere gegenüberliegende Ecke 230 des Gehäuses 202 ausgebildet sein kann. In anderen Beispielen können die Einlass- und Auslassöffnungen 224, 226 entlang einer gemeinsamen Achse ausgebildet sein, die parallel zu einer Mittellinie des Gehäuses 202 ist. In noch anderen Beispielen können die Öffnungen 224, 226 in anderen Abschnitten des Gehäuses 202 ausgebildet sein.
Es können Schwallbleche 227 enthalten sein, um eine Richtung des Stroms von der Einlassöffnung 224 zu der Auslassöffnung 226 zu beeinflussen. In einer Ausführungsform können sich ein oder mehrere Schwallbleche 227 von einer oder beiden der Seitenwände 214, 216 erstrecken. Die Schwallbleche 227 können ein steifes Material, beispielsweise Aluminium oder Kunststoff, umfassen und können ein oder mehrere Platten enthalten, die rechteckig, halbkugelförmig oder von anderer Form sind, die eine Oberfläche ausbildet, die geeignet ist, um Kühlmittel 212 entlang derselben strömen zu lassen. Die Schwallbleche 227 können sich von der Seitenwand 214, 216 entlang der Bodenwand 222 erstrecken oder können sich von der Bodenwand 222 entlang der Seitenwand 214, 216 erstrecken. In anderen Ausführungsformen können sich die Schwallbleche alternativ oder zusätzlich von oder entlang der Endwände 218, 220 erstrecken. Gemäß einer Ausführungsform sind ein oder mehrere der Schwallbleche 227 ausgelegt, um eine der Batteriezellentaschen 204 zu kontaktieren, wenn die Batteriezellentasche 204 in dem Gehäuse 202 angeordnet ist. In einer anderen Ausführungsform kontaktieren die Schwallbleche 227 andere Bauteile in der Batterieanordnung 200 nicht.
Um die Abdeckanordnung an dem Gehäuse 202 zu befestigen, können in einer Ausführungsform Befestigungsflansche 232, 234 enthalten sein. In einer Ausführungsform können sich die Befestigungsflansche 232, 234 von den Endwänden 218, 220 des Gehäuses 202 erstrecken und können ein oder mehrere Befestigungsöffnungen 236, 238 zum Aufnehmen von Befestigungsmitteln 240, 242 umfassen. Die Befestigungsflansche 232, 234 können integral als Teil der Endwände 218, 220 ausgebildet sein oder können getrennte Teile sein, die an dem Gehäuse 202 angebracht sind. In anderen Ausführungsformen können sich die Befestigungsflansche 232, 234 von den Seitenwänden 214, 216 erstrecken. Die Befestigungsmittel 240, 242 können in verschiedenen Ausführungsformen Bolzen, Schrauben, Nieten oder dergleichen sein. In einer Ausführungsform kann ein Befestigungswinkel 244 an dem Gehäuse 202 enthalten sein und kann verwendet werden, um die Batterieanordnung 200 an einer erwünschten Stelle in dem Kraftfahrzeug 100 zu befestigen. Der Befestigungswinkel 244 kann in einer Ausführungsform integral als Teil der Bodenwand 222 ausgebildet sein oder mit dieser gekoppelt sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Befestigungswinkel 244 mit den Seitenwänden 214, 216 oder den Endwänden 218, 220 ausgebildet oder gekoppelt sein.
Die mehreren Batteriezellentaschen 204 sind in der Kühlmittelkammer 210 angeordnet und ausgelegt, um entsprechende Batteriezellen 206 an bestimmten Stellen in der Kühlmittelkammer 210 festzuhalten. Jede Batteriezellentasche 204 kann Aluminium, Magnesium oder ein anderes Material umfassen, das Wärme thermisch leiten kann. Gemäß einer Ausführungsform sind die Batteriezellentaschen 204 in einer Konfiguration Seite an Seite positioniert und sind aneinander geschweißt, gelötet oder anderweitig gekoppelt. Auch wenn vier Batteriezellentaschen 204 in der Kühlmittelkammer 210 angeordnet gezeigt sind, können in anderen Ausführungsformen mehr Batteriezellentaschen 204 enthalten sein. Zum Beispiel können in einer Ausführungsform zehn oder mehr Batteriezellentaschen 204 enthalten sein. Jede Batteriezellentasche 204 bildet einen Taschenhohlraum 246 aus, in dem ein oder mehrere Batteriezellen 206 oder andere Bauteile angeordnet sein können. In einer Ausführungsform umfassen die Batteriezellen 206 prismatische Lithiumionenbatteriezellen, wie gemeinhin bekannt ist. In anderen Ausführungsformen können andere Arten von Batteriezellen genutzt werden. In jedem Fall können die Batteriezellen 206 Längen und Breiten aufweisen, die im Wesentlichen identisch oder etwas klein als die des Batteriezellentaschenhohlraums 246 sind. Gemäß einer Ausführungsform können die Batteriezellen 206 zum Beispiel Längen im Bereich von etwa 12 cm bis etwa 20 cm, Höhen in einem Bereich von etwa 20 cm bis etwa 40 cm und Dicken in einem Bereich von etwa 0,5 cm bis etwa 1,0 cm haben. In anderen Ausführungsformen können die Batteriezellen 206 Maße haben, die größer oder kleiner als die vorstehend erwähnten Bereiche sind. In einer Ausführungsform umfassen die Batteriezellen 206 auch erste und zweite (z.B. positive und negative) Anschlüsse 248, die sich von einem oberen Bereich der Batteriezelle 206 erstrecken. Die Anschlüsse 248 können sich von der Kühlmittelkammer 210 und dem Batteriezellentaschenhohlraum 246 erstrecken.
Die Batteriezellentaschen 204 weisen jeweils einen Behälterabschnitt 250 und eine Lippe 276 auf. Der Behälterabschnitt 250 enthält die Batteriezelle 206 und umfasst zwei Hauptwärmeübertragungswände 252, 254 ( 2), zwei Nebenwärmeübertragungswände 256, 258 (3) und eine Bodenwand 260. Die Hauptwärmeübertragungswände 252, 254 weisen Längen auf, die eine Länge der Batteriezellentasche 204 ausbilden können, und die Hauptwärmeübertragungswände 252, 254 sind so ausgelegt, dass sie sich im Wesentlichen parallel zu den Endwänden 218, 220 des Gehäuses 202 erstrecken. In einer Ausführungsform können die Hauptwärmeübertragungswände 252, 254 Längen in einem Bereich von etwa 40 cm bis etwa 85 cm, Höhen in einem Bereich von etwa 25 cm bis etwa 50 cm und Dicken in einem Bereich von etwa 0,1 cm bis etwa 0,15 cm aufweisen. In anderen Ausführungsformen können die Maße der Hauptwärmeübertragungswände 252, 254 größer oder kleiner als die vorstehend erwähnten Bereiche sein. In einer Ausführungsform kann die Höhe der Hauptwärmeübertragungswände 252, 254 so ausgelegt sein, dass die Bodenwand 260 von dem Gehäuse 202 beabstandet ist, aber eine minimale Menge Kühlmittel dazwischen strömen lässt. Zum Beispiel kann ein Spalt zwischen der Bodenwand 260 und dem Gehäuse 202 einen Abstand in einem Bereich von etwa 0,0 cm bis etwa 1,0 cm haben. In anderen Ausführungsformen kann der Spalt abhängig von einem erwünschten Strömpfad, entlang dessen sich das Kühlmittel um die Batteriezellentaschen 204 fortzubewegen hat, breiter oder schmäler sein. In einer Ausführungsform kann der Spalt schmäler sein, wenn der Strömpfad auf einen Verlauf um die Haupt- und Nebenwärmeübertragungswände 252, 254, 256, 258 zu beschränken ist. In anderen Ausführungsformen kann der Spalt breiter sein, wenn der Strömpfad entlang der Bodenwand 260 verlaufen soll.
In jedem Fall sind die Oberflächen jeder Hauptwärmeübertragungswand 252, 254, die benachbart zu der Batteriezelle 206 konfiguriert sind, größer als die benachbarten Oberflächen der Batteriezelle 206. Auf diese Weise kann die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen 206 und den Hauptwärmeübertragungswänden 252, 254 optimiert werden. In einem Beispiel können die Hauptwärmeübertragungswände 252, 254 im Wesentlichen flach sein und können zueinander parallel sein. Gemäß einer Ausführungsform sind die Hauptwärmeübertragungswände 252, 254 beabstandet, um ein Anordnen von einer oder mehreren Batteriezellen 206 zwischen den Wänden 252, 254 zu ermöglichen. Gemäß einer Ausführungsform sind zwei Batteriezellen 206, 206' in der Batteriezellentasche 204 enthalten, und jede Hauptwärmeübertragungswand 252, 254 kontaktiert eine Oberfläche einer benachbarten Batteriezelle 206, 206'. In einem solchen Fall kann zum Verbessern von Reibkontakt zwischen den Batteriezellen 206, 206' und den Hauptwärmeübertragungswänden 252, 254 ein Zwischenstück 262 zwischen den Batteriezellen 206, 206' angeordnet sein. Zum Beispiel kann das zwischen befindliche Stück 262 Schaum oder ein Elastomer umfassen. In jedem Fall ist das Zwischenstück 262 vorzugsweise ein nicht elektrisch leitendes Material, das thermisch leitend sein kann, aber nicht sein muss.
4 ist eine Querschnittseitenansicht einer Batterieanordnung 400 nach der Erfindung. Hier umfasst die Batterieanordnung 400 eine Batteriezellentasche 404 mit Hauptwärmeübertragungswänden 452, 454, die nicht flach sind. In einer Ausführungsform erstreckt sich ein oberer Bereich der Hauptwärmeübertragungswände 452, 454 hin zueinander, und jede Wand 452, 454 umfasst einen Einbuchtungsabschnitt 464, 468, der eine benachbarte Oberfläche einer Batteriezelle 406 kontaktiert. In einer Ausführungsform können die Hauptwärmeübertragungswände 452, 454 Bereiche umfassen, die sich hin zueinander biegen oder abschrägen und dann weg voneinander biegen oder abschrägen, um die Einbuchtungsabschnitte 464, 468 zu bilden. In einer anderen Ausführungsform können die Hauptwärmeübertragungswände 452, 454 Bereiche umfassen, die sich nur hin zueinander biegen oder abschrägen, oder Bereiche die sich weg voneinander biegen oder abschrägen, um die Einbuchtungsabschnitte 464, 468 zu bilden. In jedem Fall sieht der Einbuchtungsabschnitt 464, 468 jeder Hauptwärmeübertragungswand 452, 454 eine Federkraft gegen die Batteriezelle 406 vor, um dadurch die Batteriezelle 406 in einer erwünschten Position in der Batteriezellentasche 404 zu halten. In einer Ausführungsform können die Hauptwärmeübertragungswände 454, 454 so ausgelegt sein, dass der Einbuchtungsabschnitt 464, 468 einen Großteil der Batteriezelle 406 kontaktiert, was die thermische Übertragung von Wärme von der Batteriezelle 406 auf das Kühlmittel verbessern kann. Auch wenn beide Hauptwärmeübertragungswände 452, 454 mit einem Einbuchtungsabschnitt 464, 468 dargestellt sind, können andere Ausführungsformen eine Hauptwärmeübertragungswand mit einem Einbuchtungsabschnitt umfassen, und die anderen Hauptwärmeübertragungswände können im Wesentlichen flach sein. In einer anderen Ausführungsform können die Hauptwärmeübertragungswände 452, 454 dafür ausgelegt sein, dass sich ein Abschnitt der Batteriezelle 406 über dem Einbuchtungsabschnitt 464, 468 erstreckt, um dadurch für das Entnehmen aus der Batteriezellentasche 404 mühelosen Zugriff auf die Batteriezelle 406 zu erlauben. Auch wenn eine einzige Batteriezelle 406 in der Batteriezellentasche 404 gezeigt ist, können in anderen Ausführungsformen mehr als eine Batteriezelle 406 enthalten sein.
Erfindungsgemäß umfasst eine oder umfassen beide der Wände 252, 254, 452, 454 einen oder mehrere Abstandshalter 270, 272, 470, 472. In der Ausführungsform von 2 erstrecken sich ein oder mehrere Abstandshalter 270, 272 von dem Behälterabschnitt 250 und sind dafür ausgelegt, einen Abstand zwischen den Hauptwärmeübertragungswänden 252, 254 von zwei benachbarten Batteriezellentaschen 204, 204' beizubehalten, wodurch Kühlmittel in gewünschter Weise entlang der Hauptwärmeübertragungswände 252, 254 strömen kann. In der Ausführungsform von 4 erstrecken sich ein oder mehrere Abstandshalter 470, 472 von dem Behälterabschnitt 450 und sind ausgelegt, um einen Abstand zwischen den Hauptwärmeübertragungswänden 452, 454 von zwei benachbarten Batteriezellentaschen 404, 404' beizubehalten, wodurch Kühlmittel in erwünschter Weise entlang der Hauptwärmeübertragungswände 452, 454 strömen kann. Der einfachen Erläuterung halber werden die Abstandshalter 270, 272 und andere Merkmale der Batteriezellentaschen 204, 204' in Verbindung mit der Batteriezellentasche 204 in der in 2 und 3 gezeigten Batterieanordnung beschrieben. Es versteht sich aber, dass der Abstandshalter (z.B. Abstandshalter 470, 472) und andere Merkmale mit einer beliebigen anderen Ausführungsform der Batterieanordnung (z.B. Batterieanordnung 400 oder einer anderen Batterieanordnung, die nicht veranschaulicht sein könnte) integriert werden könnten.
In einer Ausführungsform ist ein erster Abstandshalter 270 an der ersten Hauptwärmeübertragungswand 252 ausgebildet und erstreckt sich von einem unteren Bereich der Hauptwärmeübertragungswand 252, und ein zweiter Abstandshalter 272 ist an der zweiten Hauptwärmeübertragungswand 254 ausgebildet und erstreckt sich von einem oberen Bereich der zweiten Hauptwärmeübertragungswand 254. Gemäß einer Ausführungsform kann jeder Abstandshalter 270, 272 eine oder mehrere längliche ovulare erhabene Flächen umfassen, die sich entlang eines Großteils der Länge einer Hauptwärmeübertragungswand 252, 254 nach außen erstrecken. Erfindungsgemäß können die Abstandshalter 270, 272 eine oder mehrere Linien von halbkugelförmigen Vorsprüngen umfassen, die sich entlang mindestens eines Bereichs der Längen der Hauptwärmeübertragungswände 252, 254 erstrecken. In noch anderen Ausführungsformen kann der Abstandshalter 270, 272 eine Strecke weg von den Wänden 252, 254 abstehen, und die Vorsprungsstrecken jedes Abstandshalters 270, 272 können im Wesentlichen gleich zueinander sein. In einer anderen Ausführungsform müssen die Vorsprungsstrecken der Abstandshalter 270, 272 nicht gleich zueinander sein. In einer noch anderen Ausführungsform können die Vorsprungsstrecken der Abstandshalter 270, 272 in einem Bereich von etwa 0,1 cm bis etwa 0,5 cm liegen. In einer anderen Ausführungsform können die Vorsprungstrecken größer oder kleiner als der vorstehend erwähnte Bereich sein. In jedem Fall können die jeweiligen Positionierungen, Maße und Konfigurationen der Abstandshalter 270, 272 von einem erwünschten Strömpfad abhängen, entlang dessen das Kühlmittel 212 strömen kann. In Ausführungsformen, in denen der erwünschte Strömpfad zum Beispiel die Strömgeschwindigkeit maximieren und die Kühlmittelmasse minimieren soll, können mehrere geradlinige Grate mit geringen Vorsprunghöhen verwendet werden.
Die Abstandshalter 270, 272 können in einer Ausführungsform integral als Teil ihrer entsprechenden Hauptwärmeübertragungswand 252, 254 ausgebildet sein. In einer anderen Ausführungsform können die Abstandshalter 270, 272 separate Teile sein, die an ihren jeweiligen Hauptwärmeübertragungswänden 252, 254 angeschweißt, angelötet oder anderweitig angekoppelt sind. Auch wenn die Abstandshalter 270, 272 wie vorstehend angedeutet mit halbkugelförmiger Gestalt gezeigt sind, können sie eine beliebige andere Form haben, die zum Wahren von Abstand zwischen benachbarten Taschen 206, 206' geeignet ist. Gemäß einer Ausführungsform können alle Abstandshalter 270, 272 von im Wesentlichen ähnlicher Form sein (z.B. halbkugelförmig, rechteckig, etc.) und können im Wesentlichen ähnliche Maße haben. In anderen Ausführungsformen könnten die Abstandshalter 270, 272 keine im Wesentlichen ähnliche Formen und/oder Maße haben. Zudem können sich in Ausführungsformen, in denen Einbuchtungsabschnitte (z.B. Einbuchtungsabschnitt 464, 468) enthalten sind, die Abstandshalter (z.B. Abstandshalter 470, 472) in einer Ausführungsform von den gleichen Wänden erstrecken, an denen sich die Einbuchtungsabschnitte befinden. In anderen Ausführungsformen könnten sich die Abstandshalter nicht von den gleichen Wänden erstrecken, an denen sich die Einbuchtungsabschnitte befinden.
Gemäß einer Ausführungsform können die Nebenwärmeübertragungswände 256, 258 eine Breite der Batteriezellentasche 204 festlegen. In einer Ausführungsform sind die Breiten jeder Nebenwärmeübertragungswand 256, 258 mindestens so breit wie eine Breite einer Batteriezelle 206. In einer Ausführungsform können die Nebenwärmeübertragungswände 256, 258 Längen in einem Bereich von etwa 0,5 cm bis etwa 1,0 cm, Höhen in einem Bereich von etwa 25 cm bis etwa 50 cm und Dicken in einem Bereich von etwa 0,1 cm bis etwa 0,15 cm haben. In anderen Ausführungsformen können die Maße der Nebenwärmeübertragungswände 256, 258 größer oder kleiner als die vorstehend erwähnten Bereiche sein.
Jede Batteriezellentasche 204 umfasst eine Lippe 276, die sich von ihrem oberen Bereich so erstreckt, dass bei Anordnung der Batteriezellentaschen 204 in dem Gehäuse 202 in einer Weise Seite an Seite die Lippen 276 eine im Wesentlichen flache Fläche mit darin ausgebildeten Schlitzen bilden. In einer Ausführungsform kann die Lippe 276 an das Gehäuse angrenzende Abschnitte 278, 280 (3) und an die Tasche angrenzende Abschnitte 282, 284 (2) umfassen. In einer Ausführungsform umfassen die an das Gehäuse angrenzenden Abschnitte 278, 280 (3) und die an die Tasche angrenzenden Abschnitte 282, 284 (2) Laschen, die sich von der Batteriezellentasche 204 erstrecken. In anderen Ausführungsformen sind die an das Gehäuse angrenzenden Abschnitte 278, 280 (3) und die an die Tasche angrenzenden Abschnitte 282, 284 (2) so ausgebildet, dass die Lippe 276 eine Gesamtheit der Batteriezellentasche 204 umgibt. In jedem Fall sind die an das Gehäuse angrenzenden Abschnitte 278, 280 ausgelegt, um sich mindestens von einer Gehäuseseitenwand 214, 216 zu der anderen zu erstrecken, wenn die Batteriezellentasche 204 in dem Gehäuse 202 angeordnet ist.
Um das Kühlmittel 212 in dem Gehäuse 202 zurückzuhalten, können die an das Gehäuse angrenzenden Abschnitte 278, 280 an den Seitenwänden 214, 216 des Gehäuses 202 angelötet oder anderweitig damit dichtend gekoppelt sein, und die an die Tasche angrenzenden Abschnitte 282, 284 sind ausgelegt, um an einer Lippe 276' einer benachbarten Tasche 204' und/oder an den Endwänden 218, 220 des Gehäuses 202 angekoppelt, angelötet oder anderweitig dichtend angebracht zu werden.
Die Abdeckanordnung wird ebenfalls genutzt, um das Kühlmittel 212 in dem Gehäuse 202 zu halten. In einer Ausführungsform umfasst die Abdeckanordnung eine Plattenkomponente 288, die lose oder fest über dem Gehäuse 202 angeordnet werden kann. Die Plattenkomponente 288 kann Kunststoff, Magnesium, Aluminium oder ein anderes Material umfassen, das bei Einwirken des Kühlmittels 212 nicht degradiert. In einer Ausführungsform ist die Plattenkomponente 288 an den Befestigungsflanschen 232, 234 mit dem Gehäuse 202 gekoppelt. Zum Beispiel kann die Plattenkomponente 288 an das Gehäuse 202 geschraubt sein. In einem anderen Beispiel kann die Plattenkomponente 288 an das Gehäuse 202 angenietet sein.
Um sicherzustellen, dass die Batteriezellen 206 in den Batteriezellentaschen 204 ortsfest gehalten werden, und um zu verhindern, dass die Batteriezellen 206 die Bodenwand 260 der Batteriezellentasche 204 kontaktieren, kann ein Rahmen 286 einen Bereich der Batteriezelle 206 umgeben. In Ausführungsformen, in denen die Batteriezelle 206 kleiner als die Batteriezellentasche 204 ist, kann zum Beispiel der Rahmen 286 so bemessen sein, dass er einen Innenhohlraum, in dem die Batteriezelle 206 platziert werden kann, und einen Außenumfang mit Maßen vorsieht, die im Wesentlichen gleich oder etwas kleiner als ein Hohlraum 246 der Batteriezellentasche 204 sind. Der Rahmen 286 kann ein Kunststoffgewebe, einen geformten Kunststoff, Schaum oder ein anderes nicht leitendes Material umfassen, das zumindest zeitweilig eine Struktur zum Halten der Batteriezelle 206 in einer erwünschten Position in der Batteriezellentasche 204 halten kann.
In anderen Ausführungsformen kann eine Zellenhalterungskomponente 292 zusätzlich genutzt werden, um die Batteriezelle 206 in der Batteriezellentasche 204 zu halten. Die Zellenhalterungskomponente 292 kann eine steife Struktur sein, die sich in einer Ausführungsform über eine Länge des Gehäuses 202 erstreckt. In einer Ausführungsform kann die Zellenhalterungskomponente 292 Kunststoff, Gummi oder ein anderes Material umfassen, das zu einer ausreichend steifen Struktur zum Festhalten der Zellen in einer erwünschten Position ausgebildet werden kann. Die Zellenhalterungskomponente 292 kann einen Stab, eine Platte oder eine andere Struktur umfassen und kann weiterhin Vorsprünge umfassen, die sich von dem Stab oder der Platte erstrecken, um die Batteriezellen 206 zu kontaktieren. Auch wenn die Zellenhalterungskomponente 292 mit einer wellenförmigen Struktur gezeigt ist, können alternativ andere Konfigurationen genutzt werden. Zum Beispiel kann die Zellenhalterungskomponente 292 einen geraden Stab mit mehreren geraden Flanschen umfassen, die sich im Wesentlichen senkrecht oder unter einem Winkel zu dem Stab erstrecken.
Durch Aufnehmen der Batteriezellentaschen 204 in die Batterieanordnung 200 kann das Kühlen der Batteriezellen 206 in der vorstehend beschriebenen Batterieanordnung 200 gegenüber herkömmlichen Batterieanordnungen verbessert werden. Zum Beispiel wird während Betrieb unter Bezug auf 1 das Kraftfahrzeug 100 durch Liefern von Leistung zu den Rädern 106 mit der Brennkraftmaschine 128 und dem Elektromotor 130 in abwechselnder Weise und/oder mit der Brennkraftmaschine 128 und dem Elektromotor 130 gleichzeitig vorgesehen. Um den Elektromotor 130 anzutreiben, wird von dem Batteriesystem 112 Gleichstromleistung zu dem Wechselrichter 124 geliefert, der die Gleichstromleistung in Wechselstrom(AC)-Leistung umwandelt, bevor die Leistung zu dem Elektromotor 130 übermittelt wird. Wie für den Fachmann ersichtlich ist, wird die Umwandlung von Gleichstromleistung zu Wechselstromleistung im Wesentlichen durch Betreiben (d.h. wiederholtes Schalten) der Transistoren in dem Wechselrichter 124 bei einer „Schaltfrequenz“ (F_sw), beispielsweise 12 Kilohertz (kHh), ausgeführt. Im Allgemeinen erzeugt das Steuergerät 136 ein Pulsweitenmodulations(PWM)-Signal zum Steuern des Schaltvorgangs des Wechselrichters 124. Der Wechselrichter 124 wandelt dann das PWM-Signal zu einer modulierten Spannungswellenform zum Betreiben des Motors 130 um.
Um die Temperatur der Batteriezellen 206, 206' zu regulieren, wird dem Batteriesystem 122 von dem Wärmetauscher 126 (1) Kühlmittel (und/oder Frostschutzmittel) geliefert. Unter Bezug auf 2 und 3 strömt das Kühlmittel durch die Einlassöffnung 224 an dem Gehäuse 202 in die Kühlmittelkammer 210. Wenn das Kühlmittel durch die Kühlmittelkammer 210 tritt, umgibt das Kühlmittel die Wände 252, 254, 256, 258, 260 der Batteriezellentaschen 204, 204'. Durch Aufnehmen der Abstandshalter 270, 272 und der Schwallbleche 227 sowie durch Ausbilden eines Abstands zwischen der Bodenwand 260 der Batteriezellentaschen 204, 204' und der Bodenwand 222 des Gehäuses 202 kann ein festgelegter Strömpfad durch die Batterieanordnung 200 individuell hergestellt werden, um Kühlen der Batteriezellen 206 zu verbessert. Da ferner die Batteriezellentaschen 204, 204' aneinander und an das Gehäuse 202 geschweißt sind, bleibt das Kühlmittel von den Batteriezellen 206 isoliert und der Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel und den Batteriezellen 206 erfolgt durch die Oberflächen der Batteriezellentaschen 204, 204'. Durch Anordnen der Batteriezellen 206 in einzelnen Taschen 204, 204' und Auslegen der Batteriezellentaschen 204, 204' wie vorstehend beschrieben können ferner einzelne Batteriezellen 206 entnommen und ersetzt werden, falls Reparatur erforderlich ist, statt eine gesamte Batterieanordnung 200 zu ersetzen.
Durch das Ermöglichen, dass Kühlmittel 212 die Bereiche der Batteriezellen 206 in der Kühlmittelkammer 210 vollständig umgibt, wird der Wärmetausch zwischen den Batteriezellen 206 und dem Kühlmittel 212 verstärkt und somit können Temperaturregulierung sowie Batterieleistung verbessert werden. Ferner vereinfacht das Verwenden der Batteriezellentaschen 204, 204' wie vorstehend beschrieben die Batterieanordnung 200 durch Verringern der Anzahl an Teilen, die verwendet werden, um die Batterieanordnung 200 zu bilden. Ferner kann die Lebensdauer der Batterieanordnung 200 verbessert werden, da die Nutzung von Elastomerdichtungen, die im Laufe der Zeit dazu neigen können zu degradieren, eliminiert werden. Folglich können Fertigungs- und Reparaturkosten verringert werden.

Claims

Batterieanordnung (400), umfassend: ein Gehäuse mit mehreren Wänden, die eine Kühlmittelkammer ausbilden; und mehrere in der Kühlmittelkammer angeordnete Batteriezellentaschen (404), wobei jede Batteriezellentasche (404) eine erste Hauptwärmeübertragungswand (452) und eine zweite Hauptwärmeübertragungswand (454), zwischen denen eine Batteriezelle (406) aufgenommen ist, umfasst; wobei die Hauptwärmeübertragungswände (452, 454) im oberen Bereich jeder Batteriezellentasche (404) von der Batteriezelle (406) weg nach außen gebogen sind, um an ihrem oberen Ende mit einer Hauptwärmeübertragungswand (452, 454) einer benachbarten Batteriezellentasche (404') in Kontakt zu stehen; wobei durch den nach außen gebogenen Bereich der Hauptwärmeübertragungswände (452, 454) unmittelbar unterhalb dessen ein Einbuchtungsabschnitt (464, 468) gebildet ist, der eine benachbarte Oberfläche der Batteriezelle (406) kontaktiert und eine Federkraft gegen die Batteriezelle (406) vorsieht, um dadurch die Batteriezelle (406) in einer gewünschten Position zu halten; und wobei die Batteriezellentasche (404) im unteren Bereich halbkugelförmige Abstandshalter (470, 472) aufweist.
Batterieanordnung (400) nach Anspruch 1, wobei die Batterieanordnung (400) eine weitere in der Batteriezellentasche (404) angeordnete Batteriezelle umfasst und zwischen den beiden Batteriezellen ein Zwischenstück angeordnet ist.
Batterieanordnung (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse ein sich von der Batteriezellentasche (404) in die Kühlmittelkammer erstreckendes Schwallblech umfasst.
Batterieanordnung (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: eine mit dem Gehäuse gekoppelte Abdeckanordnung, wobei die Abdeckanordnung eine Kunststoffplatte umfasst.
Batterieanordnung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle (406) einen Anschluss aufweist, der sich aus der Batteriezellentasche (404) hinaus erstreckt.