DE102011085042A1

DE102011085042A1 - Fahrzeug mit einem elektrochemischen Energiespeicher

Info

Publication number: DE102011085042A1
Application number: DE201110085042
Authority: DE
Inventors: Eva Vietze; Stephan Weileder
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Fahrzeug mit einem elektrochemischen Energiespeicher, bei welchem der Energiespeicher ein Gehäuse umfasst, in welchem zumindest ein Zellmodul enthalten ist, welches zumindest eine elektrochemische Zelle umfasst, und bei welchem der Energiespeicher über ein Flüssigkeitskühlsystem verfügt, wobei durch zumindest einen zwischen einer Wand des Gehäuses und dem Zellmodul befindlichen Abstandshalter (3) ein Freiraum (4) zwischen der Gehäusewand und dem Zellmodul befindlich ist, wobei das Flüssigkeitskühlsystem zumindest ein Kühlrohr (5) umfasst, und wobei der Energiespeicher zumindest eine dem Kühlrohr zugeordnete Federschiene (6) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem elektrochemischen Energiespeicher, bei welchem der Energiespeicher ein Gehäuse umfasst, in welchem zumindest ein Zellmodul enthalten ist, welches zumindest eine elektrochemische Zelle umfasst, und bei welchem der Energiespeicher über ein Flüssigkeitskühlsystem verfügt.
Im modernen Personennahverkehr und Güterverkehr werden verbrennungsmotorische Antriebe zunehmend und zumindest teilweise durch elektrifizierte Antriebe ersetzt. Hierfür wird die Antriebsenergie meist in Form von elektrochemischer Energie im Fahrzeug gespeichert. Als Energiespeicher kommen häufig Hochvoltbatterien zum Einsatz.
Eine Hochvoltbatterie besteht üblicherweise aus Zellen als kleinster elektrochemischer Einheit. Mehrere Zellen können zu einem Zellmodul zusammengefasst sein. Gegebenenfalls werden mehrere Zellmodule in einem Batteriegehäuse zusammengeschlossen.
Als elektrochemische Zelltechnologie werden nach dem Stand der Technik Zellen in Lithium-Ionen-Technologie genutzt. Der Durchsatz von Ladung kann bei dieser Technologie zu starker Eigenerwärmung führen. Um eine hohe Lebensdauer einzelner Zellen (und damit eines Zellmoduls oder gar des gesamten Energiespeichers) zu gewährleisten, werden die Zellen nach dem Stand der Technik, siehe beispielsweise die Schrift DE 10 2008 032 086 A1 , aktiv gekühlt.
In der Schrift DE 10 2008 032 086 A1 ist etwa ein Lamellen-Fluidkühlsystem beschrieben, bei dem Kühllamellen an das Gehäuse einer Zelle gepresst werden. Hierbei umgreift eine Kühllamelle zumindest mehrere Zellgehäuse, so dass die Zellen von zwei Seiten zwischen zwei Schenkel der Kühllamelle geklemmt sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einem verbesserten elektrochemischen Energiespeicher anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug mit einem elektrochemischen Energiespeicher gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß weist der Energiespeicher zwischen einer Wand des Gehäuses und dem Zellmodul einen Abstandshalter auf, der einen Freiraum zwischen der Wand des Gehäuses und dem Zellmodul erhält. Ferner umfasst nach der Erfindung das Flüssigkeitskühlsystem zumindest ein Kühlrohr und der Energiespeicher zumindest eine dem Kühlrohr zugeordnete Federschiene.
Mit anderen Worten sind die Zellmodule in das Gehäuse weitgehend berührungsfrei mit Teilen des Gehäuses integriert. Die entstehenden Zwischenräume zwischen den Zellmodulen und dem Gehäuse werden genutzt, um ein Kühlsystem aufzunehmen. Dieses besteht aus einem oder mehreren Rohren, dem oder denen jeweils eine Federschiene zugeordnet ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die Zuordnung der Federschiene zu dem Kühlrohr in einer im Wesentlichen parallelen Ausrichtung der Federschiene entlang dem Kühlrohr, wobei die Federschiene in einer senkrecht zur Ausrichtung der Federschiene stehenden Richtung eine bestimmte Federkraft-Weg-Charakteristik aufweist.
Dies bedeutet, dass die Federschiene eine elastische Kraft aufweist, die nicht entlang der Federschiene, sondern senkrecht zur longitudinalen Ausdehnung der Schiene wirkt.
Zusätzlich sind das Kühlrohr und die Federschiene in dem Freiraum so angeordnet, dass das Kühlrohr dem Zellmodul zugewandt und die Federschiene der Gehäusewand zugewandt ist, die Federkraft der Federschiene gemäß der Federkraft-Weg-Charakteristik zwischen dem Kühlrohr und der Gehäusewand und senkrecht zur Gehäusewand wirkt, und die Federschiene das Kühlrohr in zumindest einem Abschnitt des Kühlrohrs mit einer Druckkraft gegen das Zellmodul drückt.
Das Kühlrohr und die Federschiene sind also derart in den Zwischenraum eingepasst, dass die Federschiene aufgrund seiner Federkraft das Kühlrohr gegen das Zellmodul presst. Dies gewährleistet dauerhaft einen thermischen Übergang zwischen dem Zellmodul und dem Kühlrohr für einen effektiven Wärmeabtransport von den Zellen.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung umfasst das Zellmodul ein die zumindest ein Zelle zumindest teilweise umgebendes Wärmeleitblech und ein Wärmeleitmaterial. Das Wärmeleitmaterial stellt einen thermischen Kontakt zwischen der zumindest einen Zelle und dem Wärmeleitblech her.
Diese Variante bietet den Vorteil, dass das Kühlrohr an einem Wärmeleitblech des Zellmoduls anliegt. Dies bedeutet, dass der Wärmeübergang von einer Zelle über das Wärmeleitmaterial und das Wärmeleitblech auf das Kühlrohr führt. Das Wärmeleitblech sorgt für einen verbesserten thermischen Übergang zwischen dem Zellmodul und dem Kühlrohr.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beruht darauf, dass das Kühlrohr als Flachrohr ausgebildet ist, das Kühlrohr mehrere Kühlkanäle umfasst, und das Flüssigkeitskühlsystem als Kältemittelkühlsystem ausgebildet ist.
Eine Flachrohrgeometrie begünstigt den Wärmeübergang auf das im Kühlrohr befindliche Kühlmittel. Als Kältemittel kann etwa R134a eingesetzt sein.
Vorteilhaft ist es, wenn die Federschiene aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk gefertigt ist. Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk ist in einem großen Temperaturbereich formstabil, elastizitätserhaltend und robust. Die Langlebigkeit und die geringen Kosten wirken sich positiv auf die Anwendung im Automobilbau aus.
Außerdem kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der Querschnitt der Federschiene ein Schienenprofil aufweist, das Schienenprofil der Federschiene die Federkraft-Weg-Charakteristik verleiht, wobei die Kraft senkrecht zum Gehäuse gerichtet ist, und durch die Kraft-Weg-Charakteristik eine Druckkraft einstellbar ist, die den thermischen Übergangswiderstand zwischen dem Zellmodul und dem Kühlrohr minimiert.
Eine über das Schienenprofil einstellbare Federkraft-Weg-Charakteristik gewährleistet bei gegebenen Abmaßen des Zwischenraums, des Kühlrohrs und der Federschiene eine im Wesentlichen definierte Anpresskraft des Kühlrohrs an die Zellen des Zellmoduls bzw. an das Wärmeleitblech des Zellmoduls.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse aus Aluminium-Druckguss gefertigt.
Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Gehäuses werden durch die Federschiene bezüglich der Anpressung des Kühlrohrs an das Zellmodul im Wesentlichen ausgeglichen.
Außerdem kann das Flüssigkeitskühlsystem an ein Kühlsystem des Fahrzeugs anschließbar sein.
Auf diese Weise ist das Flüssigkeitskühlsystem des Energiespeichers als Teilsystem des Fahrzeugkühlsystems integrierbar.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Federschienen für einen Kühlrohrsystem einer Hochvoltbatterie, z.B. mit mehrkanaligen Kühlrohren, können aus thermoplastischen Materialien gefertigt sein. Hierbei befindet sich mehrere Kühlrohre am Boden des Gehäuses der Hochvoltbatterie (Lagebeziehung bezogen auf bestimmungsgemäßen Einbau der Batterie in ein Fahrzeug, wobei dem Fahrzeug das dem Fachmann bekannte Raumkoordinatensystem zugrunde liegend). Einzelne Zellmodule liegen auf einem Kühlrohr auf, um die in elektrochemischen Zellen entstehende Wärme auf ein in dem Kühlrohr befindlichen Kältemittel abzuführen.
Das Thermoplast-Federschienensystem, das zwischen dem Gehäuse und dem Kühlrohrsystem befindlich ist, presst das Kühlrohrsystem an die Zellmodule. Unter thermischer Belastung relaxiert der Thermoplast, so dass die Anpresskraft nicht über Lebensdauer gewährleistet werden kann. Somit ist keine definierte Kühlung des Speichers über seine Lebensdauer gewährleistbar.
Als verbessernde Maßnahme wird vorgeschlagen, das die Federschiene aus gummiartigem Material, insbesondere aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk zu fertigen. Dieser Kautschuk verfügt über eine hohe thermische Robustheit und über eine thermisch nahezu unabhängige Elastizität.
Durch die Verwendung von Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk ist eine definierte Anpresskraft des Kühlrohrsystems an die zu kühlenden Zellmodule sowohl im Moment einer hohen thermischen Belastung als auch über die gesamte Lebensdauer des Energiespeichers gegeben.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch
1 Ausschnitt einer Hochvoltbatterie in einem Querschnitt.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt einer Hochvoltbatterie im Querschnitt. In einem Fahrzeug mit elektrifiziertem Antrieb dient eine Hochvoltbatterie als Energiespeicher. Die Batterie weist ein Gehäuse (1) auf, das aus Blech oder Kunststoff konstruiert sein kann. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird weiterhin von einem Gehäuse in Aluminium-Druckguss-Technologie ausgegangen. An das Gehäuse sind insbesondere Crash-Anforderungen gestellt, so dass Komponenten und Inhaltsstoffe der Hochvoltbatterie auch unter einer massiven mechanischen Einwirkung nicht freigesetzt werden.
Die Hochvoltbatterie weist mehrere elektrochemischen Zellen auf, wobei eine einzelne elektrochemische Zelle in 1 in einem Querschnitt gezeigt ist (2). Mehrere Zellen sind in der Batterie zu einem Zellmodul zusammengefasst. Die Zellen eines Zellmoduls sind elektrisch in Reihe geschaltet.
Die Hochvoltbatterie verfügt über mehrere Zellmodule. Ein einzelnes Zellmodul verfügt über ein Wärmeleitblech (8) aus Aluminium. Das Wärmeleitblech ist mittels eines Wärmeleitklebematerials (9) wie etwa Polyurethanklebstoff mit den das Zellmodul bildenden Zellen verbunden.
Ein Zellmodul ist in das Batteriegehäuse so integriert, dass das Wärmeleitblech im Wesentlichen planparallel zu einer Wand des Batteriegehäuses ausgerichtet ist.
Zwischen der Wand des Batteriegehäuses und dem Wärmeleitblech besteht ein räumlicher Abstand, der durch einen oder mehrere Abstandshalter in Form von Metallstiften, Metallschienen oder gegossenen Domen bewirkt ist. Die Abstandshalter sind fest mit dem Batteriegehäuse verschraubt verbunden. An der zum Zellmodul gewandten Seite sind die Abstandshalter fest mit dem Zellmodul z.B. geklebt verbunden. Alternativ können die Zellmodule, falls die Wand des Batteriegehäuses (1) die Unterseite des Gehäuses im bestimmungsgemäß im Fahrzeug montierten Zustand bildet, unter ihrem Eigengewicht auf den Abstandshaltern ruhen.
Die elektrochemischen Zellen sind Zellen in Lithium-Ionen-Technologie. Die beim Ladungsdurchsatz entstehende Wärme wird von einem Flüssigkeitskühlsystem abgeführt. Das Flüssigkeitskühlsystem ist an einen übergeordneten Kühlkreislauf des Fahrzeugs angeschlossen. Als Kältemedium kann beispielsweise das Kältemittel R134a eingesetzt werden. Das Kältemittel durchströmt die Hochvoltbatterie in einem Kühlrohrsystem aus mehreren Kühlrohren.
Ein Kühlrohr (5) ist als Flachrohr aus Aluminium ausgeführt, das mehrere Kühlkanäle beinhaltet. Ein Kühlrohr oder mehrere Kühlrohre sind in dem durch die Abstandshalter zwischen dem Gehäuse und dem Wärmeleitblech des Zellmoduls gebildeten Freiraum (4) integriert.
Zwischen dem Kühlrohr und dem Gehäuse ist eine Federschiene (6) aus einem gummiähnlichen Material, bevorzugt Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDK), angeordnet. Hierbei ist eine Federschiene einem Kühlrohr zugeordnet. Dies bedeutet, dass eine Federschiene entlang dem zugehörigen Kühlrohr zwischen der Gehäusewand und dem Kühlrohr verläuft, wobei die Federscheine mit der der Gehäusewand zugewandten Seite die Gehäusewand berührt und mit der dem Kühlrohr zugewandten Seite das Kühlrohr berührt. Die Breite der Federschiene, die zusammen mit der Länge der Federschiene, die Fläche der Federschiene festlegt, mit der die Federschiene das Kühlrohr berührt, entspricht im Wesentlichen der Ausdehnung des Kühlrohrs in eben dieser Richtung. Die Formgebung der Federschiene an dieser Fläche kann der Formgebung des Kühlrohrs an dieser Berührfläche angepasst sein.
Die Federschiene aus dem Kautschukmaterial befindet sich zwischen dem Kühlrohr und der Gehäusewand in einem komprimierten Zustand senkrecht zur Gehäusewand. Dies bedeutet, dass die Federschiene eine Federkraft im Wesentlichen senkrecht zur Gehäusewand auf die Gehäusewand und im Wesentlichen senkrecht zum Wärmeleitblech auf das Kühlrohr ausübt. Dadurch presst die Federschiene das Kühlrohr mit einer bestimmten Presskraft an das Wärmeleitblech.
Die Federschiene bietet den Vorteil, dass herstellungsbedingte Unförmigkeiten und Toleranzen in der Wandstärke des Gehäuses durch die Federschiene ausgeglichen werden. Dies bedeutet zwangsläufig, dass die Presskraft entlang des Rohres variiert, da das Komprimierungsmaß der Federschiene entlang der Federschiene variiert. Zum Beispiel ist die Federschiene im Bereich einer bestehenden Ausbeulung des Gehäuses nach außen weniger komprimiert.
Das Kühlrohr besteht aus Aluminium ist entlang seines Rohrverlaufs in einem Maße biegsam, dass die durch die Federschiene ausgeübte Presskraft das Kühlrohr entlang seines Rohrverlaufs an das Wärmeleitbleche – oder bei mehreren benachbarten Zellmodulen – an die Wärmeleitbleche presst. Dies garantiert einen geringen thermischen Kontaktwiderstand zwischen dem Kühlrohr und dem Wärmeleitblech (oder den Wärmeleitblechen) entlang des Kühlrohrverlaufs. Dadurch wird eine effiziente Kühlung der Zellen ermöglicht.
Die Toleranzen der Abmaße des Gehäuses, der Federschiene, der Abstandshalter, des Wärmeleitblechs und des Kühlrohrs, die zu einer Toleranz des Komprimierungsmaßes der Federschiene entlang der Federschiene führen, sind jedoch derart bemessen, dass die Presskraft der Federschiene entlang der Federschiene in einem vorgegebenen Presskraftbereich liegt.
Der Presskraftbereich ist im Wesentlichen durch das Höhenabmaß der Federschiene in der Richtung senkrecht zur Gehäusewand im relaxierten Zustand, durch die genaue Mischung des Kautschukmaterials, welche das Elastizitätsmodul des Materials bestimmt, und durch das räumliche Profil der Schiene gegeben. Zum Beispiel bewirken bezüglich des räumlichen Profils der Federschiene zwei im Wesentlichen parallel und entlang der Federschiene ausgerichtete Hohlräume (10a, 10b) im Körper der Federschiene zu einer geringeren Presskraft der Federschiene als bei einer massiven Federschiene ohne Hohlräume bei gleichem Höhenabmaß im relaxierten Zustand und gleichem Komprimierungsmaß. Die Federschiene verfügt über einen charakteristischen Federkraft-Weg-Zusammenhang, wobei der Weg das Komprimierungsmaß senkrecht zur Gehäusewand beschreibt.
Das Material Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk bewirkt, dass die Federkraft-Weg-Charakteristik weitgehend unabhängig von der Temperatur des Kautschuks ist, der überdies eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Deshalb bleibt die Charakteristik durch die Langlebigkeit des Kautschuks über einen langen Zeitraum erhalten. Im Vergleich zu thermoplastischen Materialien oder zu anderen Kautschukarten ist Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk überdies nahezu preisneutral zu bewerten. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Material EPDK über gute elektrische Isolationseigenschaften.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008032086 A1 [0004, 0005]

Claims

Fahrzeug mit einem elektrochemischen Energiespeicher, bei welchem der Energiespeicher über ein Gehäuse (1) verfügt, in welchem zumindest ein Zellmodul enthalten ist, welches zumindest eine elektrochemische Zelle (2) umfasst, und bei welchem der Energiespeicher über ein Flüssigkeitskühlsystem verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Energiespeicher zwischen einer Wand des Gehäuses und dem Zellmodul einen Abstandshalter (3) aufweist, der einen Freiraum (4) zwischen der Wand des Gehäuses und dem Zellmodul aufweist, – das Flüssigkeitskühlsystem zumindest ein Kühlrohr (5) umfasst, und – der Energiespeicher zumindest eine dem Kühlrohr zugeordnete Federschiene (6) umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zuordnung der Federschiene zu dem Kühlrohr in einem Verlauf der Federschiene parallel zu dem Kühlrohr besteht, – die Federschiene in einer senkrecht zur Ausrichtung der Federschiene stehenden Richtung eine bestimmte Federkraft-Weg-Charakteristik aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Kühlrohr und die Federschiene in dem Freiraum angeordnet sind, – das Kühlrohr dem Zellmodul zugewandt und die Federschiene der Gehäusewand zugewandt ist, und – die Federkraft der Federschiene gemäß der Federkraft-Weg-Charakteristik zwischen dem Kühlrohr und der Gehäusewand und senkrecht zur Gehäusewand wirkt, und – die Federschiene das Kühlrohr in zumindest einem Abschnitt des Kühlrohrs mit einer Druckkraft (7) gegen das Zellmodul drückt.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Zellmodul ein die zumindest ein Zelle zumindest teilweise umgebendes Wärmeleitblech (8) umfasst, – das Zellmodul ein Wärmeleitmaterial (9) umfasst, und – das Wärmeleitmaterial einen thermischen Kontakt zwischen der zumindest einen Zelle und dem Wärmeleitblech herstellt.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Kühlrohr als Flachrohr ausgebildet ist, – das Kühlrohr mehrere Kühlkanäle umfasst, und – das Flüssigkeitskühlsystem als Kältemittelkühlsystem ausgebildet ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Federschiene aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk gefertigt ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der Querschnitt der Federschiene ein Schienenprofil aufweist, – das Schienenprofil der Federschiene die Federkraft-Weg-Charakteristik verleiht, wobei die Kraft senkrecht zum Gehäuse gerichtet ist, – durch die Kraft-Weg-Charakteristik eine Druckkraft einstellbar ist, die den thermischen Übergangswiderstand zwischen dem Zellmodul und dem Kühlrohr minimiert.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass – das Gehäuse aus Aluminium-Druckguss gefertigt ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass – das Flüssigkeitskühlsystem an ein Kühlsystem des Fahrzeugs anschließbar ist.