DE102012102657A1

DE102012102657A1 - Traktionsbatterie und Kraftfahrzeug mit einer solchen Traktionsbatterie

Info

Publication number: DE102012102657A1
Application number: DE201210102657
Authority: DE
Inventors: Stefan Bender
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-02

Abstract

Traktionsbatterie (1) für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, mit einem Gehäuse (2), welches eine Batterieanordnung (7) und eine Kühleinrichtung (3) umschließt, wobei die Batterieanordnung mehrere Batteriemodule umfasst und die Kühleinrichtung (3) mit einem flüssigen Kühlmittel betriebenen wird, dadurch gekennzeichnet dass sich im Inneren des Gehäuses zusätzlich ein hygroskopischer Schaum (4) befindet, der im Fall einer Leckage an der Kühleinrichtung (3) das austretende Kühlmittel mindestens temporär aufnehmen und speichern kann.

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Traktionsbatterie gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Traktionsbatterien wie beispielsweise Akkumulatoren auf Basis von Lithium erwärmen sich durch Aufladeprozesse und Endladeprozesse und werden zur Verbesserung ihrer Lebensdauer daher gekühlt. Zur energieeffizienten Kühlung solcher Traktionsbatterien eignen sich Kühlmittelkühlungen welche in der Regel mit einem flüssigen Kühlmittel betrieben werden. Durch eine Leckage an einer solchen Kühleinrichtung besteht die Gefahr, dass austretendes Kühlmittel einen Kurzschluss in der Batterie verursacht was wiederum von einer Schädigung der Batterie bis zu einem Brand im Fahrzeug führen kann.
Um eine solche Gefahr zu verhindern bzw. zu verringern, ist es bekannt, durch abgedichtete Trennwände separate Kammern für die Batteriezellpacks und die Kühlmittelleitungen zu erzeugen und somit die Batteriezellpacks gegen austretendes Kühlmittel abzudichten. Dies ist aus der DE 10 2009 009 701 A1 bekannt. Die darin beschriebene elektrische Energiespeichereinheit ist unterteilt in ein elektrisches Batteriezellenpack welches von einer Vielzahl von Kühlmittelleitungen durchsetzt ist. Weiter ist eine Trennwand vorgesehen, die eine erste Kammer, in deren Inneren sich die Batteriezellpacks befinden, und eine zweite Kammer, in deren Inneren sich die Kühlmittelleitungen zum Zufließen und Abfließen des Kühlmittels befinden, gegeneinander abdichtet. Dabei wird die gegenseitige Abdichtung der beiden Kammern an den Aussparungen für die Kühlleitungen durch ein Verzweigungsvielfach der Kühlleitungen selbst vorgenommen.
Weiter ist aus der US 5270136 A eine Matte bekannt, die unterhalb einer Nassbatterie angebracht ist. Eine Nassbatterie zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Batteriesäure enthält die bei einer Beschädigung der Batterie auslaufen kann. Deshalb wird die Matte unterhalb der Nassbatterie angebracht um austretende Batteriesäure zu absorbieren und zu neutralisieren. Damit wird das Korrodieren der Batterie verhindert bzw. begrenzt sowie die Umwelt vor dem Austreten von giftiger Säure geschützt.
Ausgehend von den bekannten Traktionsbatterien ist es daher Aufgabe der Erfindung eine hinsichtlich der Schädigung der Batterie durch auslaufende Kühlmittelflüssigkeit optimierten Traktionsbatterie anzugeben. Weiter ist Aufgabe der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer hinsichtlich der Schädigung der Batterie durch auslaufende Kühlmittelflüssigkeit optimierten Traktionsbatterie anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe bezüglich einer Traktionsbatterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Aufgabe bezüglich eines Kraftfahrzeugs wird gelöst gemäß des Patentanspruchs 9. Weiterbildungen oder Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die mit dieser Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile sind darin zu sehen, dass durch eine Aufnahme des ausgetretenen Kühlmittels durch den hygroskopischen Schaum das Kühlmittel gebunden ist. Aufnehmen bedeutet hierbei, dass der hygroskopische Schaum durch seine hygroskopische Wirkung das Kühlmittel aufnimmt und in sich speichert. Dadurch wird vermieden, dass das ausgetretene Kühlmittel wie im Inneren einer Kammer durch die Beschleunigung des Fahrzeugs hin und her schwappen kann. Weiter wird durch die Speicherung des Kühlmittels eine notwendig gewordene Reparaturarbeit erleichtert, da zur Beseitigung der Kühlflüssigkeit lediglich der Schaum ersetzt werden muss.
Eine solche Traktionsbatterie eignet sich für die Energiespeicherung und Energiebereitstellung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Traktionsbatterie ein Gehäuse. Dieses Gehäuse kann mit geschlossenen Verstärkungsprofilen ausgestattet sein um im Crashfall die Steifigkeit des Gehäuses zu erhöhen. Gleichzeitig können die Verstärkungsprofile zur Befestigung von Gehäuseplatten beispielsweise einer Bodenplatte verwendet werden um eine Montage der Gehäuseplatten zu vereinfachen. Die Verstärkungsprofile können einerseits an Stellen des Gehäuses angeordnet sein die eine hohe Steifigkeit verlangen, andererseits an Kanten und Verbindungsstellen von Gehäuseplatten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenigstens eine Gehäusebodenplatte mindestens teilweise mit dem hygroskopischen Schaum zu bedecken um das austretende Kühlmittel dort aufzufangen und zu speichern, wo es im Fall einer Leckage am wahrscheinlichsten hinfließen wird. Beispiele für Materialien, aus denen hygroskopischer Schaum hergestellt werden kann sind Polyurethan und Polystyrol. Der hygroskopische Schaum entzieht seiner Umgebung Feuchtigkeit und nimmt diese, ähnlich eines Tafelschwammes, in sich auf. Er speichert die Feuchtigkeit lokal bis beispielsweise im Zuge von Reparaturarbeiten der Schaum ausgetauscht wird. Vorteilhafterweise bildet sich durch die chemische Reaktion von Kühlmittel und hygroskopischem Schaum ein nicht leitfähiges Element. Weiter haben diese Materialien den Vorteil, dass sie thermisch isolierend wirken was beispielsweise bei kalten klimatischen Verhältnissen die Traktionsbatterie langsamer abkühlen lässt wodurch die Lebensdauer der Traktionsbatterie verbessert wird.
Bevorzugt wird der hygroskopische Schaum mindestens entweder an einer der Fahrzeugseite zugewandten Innenseite des Gehäuses oder einer Innenseite des Gehäusedeckels angeordnet um im Crashfall austretendes Kühlmittel aufzunehmen, falls das Fahrzeug auf der Seite liegend bzw. auf dem Dach liegend zur Ruhe kommt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung wird zwischen Batterieanordnung und hygroskopischem Schaum ein Spalt vorgesehen. Dies geschieht um zu verhindern, dass die Batterieanordnung den gegebenenfalls feuchten Schaum berührt. Das hätte beispielsweise für einen am Gehäuseboden angeordneten hygroskopischen Schaum den Vorteil, dass ein Puffer zwischen Gehäuseboden und hygroskopischem Schaum besteht. Ein solcher Puffer ist hilfreich wenn das Kühlmittel in einem Volumenstrom austritt den der Schaum in dieser Zeit nicht aufnehmen kann um die Batterieanordnung davor zu schützen, mit dem austretenden Kühlmittel in Berührung zu kommen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass die Traktionsbatterie eine Batterieanordnung umfasst, die als Akkumulator auf Basis von Lithium ausgebildet ist. Grund dafür ist ihr hoher Wirkungsgrad und ihre verhältnismäßig hohe Energiedichte. Zusätzlich kann keine giftige und somit gefährliche Säure aus der Batterie austreten da sich im Gegensatz zu Nassbatterien keine flüssige Schwefelsäure auf eine solche Weise in der Batterie befindet, dass diese bei der Zerstörung einer Batteriezelle auslaufen kann. Daher muss man keine gesonderten Vorkehrungen für die Speicherung solcher Säuren im Crashfall vorsehen. Aus diesen Gründen hat sich der Akkumulator auf Basis von Lithium bewährt. Mögliche Beispiele für einen solche Akkumulator auf Basis von Lithium sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren und Lithium-Titanat-Akkumulatoren.
Bevorzugt umfasst die Traktionsbatterie neben der Batterieanordnung auch eine Kühleinrichtung. Diese Kühleinrichtung umfasst mehrere Schläuche, deren Enden mit Hilfe von Verbindungsstücken so miteinander verbunden sind, dass das flüssige Kühlmittel die Schläuche durchströmt. Die Verbindungsstücke werden benötigt, um bei der Fertigung und Montage der Traktionsbatterie und im speziellen der Kühleinrichtung Kosten zu sparen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Teil der Kühleinrichtung seitlich der Batterieanordnung im Gehäuse angebracht. Dies hat den Vorteil, dass bei einem auf nahezu ebenem Untergrund geparkten Fahrzeug das austretende Kühlmittel seitlich an der Batterie vorbeitropft und somit die Gefahr eines Kurzschlusses minimiert wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die mindestens eine Gehäusebodenplatte nahezu parallel zur Fahrzeugbodenplatte angebracht ist. Gemeint ist damit, dass die Ausrichtung der Gehäusebodenplatte so gewählt ist, dass bei ebener Straße die Gehäusebodenplatte nahezu parallel zur Fahrbahnoberfläche verläuft.
Eine solche Ausrichtung der Gehäusebodenplatte hat den Vorteil, dass sich das auslaufende Kühlmittel gleichmäßig im hygroskopischen Schaum verteilt und somit ein Maximum an Kühlmittel aufnehmen kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen im Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 die Traktionsbatterie in einer Schnittdarstellung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Gemäß 1 umfasst eine Traktionsbatterie 1 eine Batterieanordnung 7, eine Kühleinrichtung 3, ein Gehäuse 2 sowie einen hygroskopischen Schaum 4.
Die Batterieanordnung 7 besteht aus mehreren Batteriemodulen, hier aus Akkumulatoren auf Basis von Lithium. Akkumulatoren eignen sich deshalb für Traktionsbatterien weil ihre Eigenschaft, wieder aufgeladen werden zu können essentiell für Technologien wie der Rückgewinnung von Bremsenergie ist. Akkumulatoren auf Basis von Lithium eignen sich prinzipiell auf Grund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer verhältnismäßig hohen Energiedichte und der geringeren Gefahr durch austretende Säuren. In der Regel werden solche Akkumulatoren entweder in Reihe geschaltet um die Gesamtspannung der Batterieanordnung 7 zu erhöhen oder parallel geschaltet um die Ladungsmenge der Batterieanordnung 7 zu erhöhen. Da eine solche Batterie je nach Kapazität und Technologie mehr als 40 kg wiegen kann ist es wichtig, die Batterie so im Fahrzeug unterzubringen, dass sich diese während der Fahrt möglichst nicht relativ zum Fahrzeug bewegt. Um dies zu gewährleisten verfügt die Batterieanordnung nach 1 über Niederhalter mit Einführschrägen 8 die formschlüssig an zugehörigen geschlossenen Verstärkungsprofilen 6 anliegen und somit die Batterieanordnung fixieren. Weiter wird die Batterieanordnung mit dem Gehäuse über eine lösbare Schraubverbindung befestigt um eine unzulässige Bewegung während der Fahrt zu verhindern. Dabei wird mindestens ein, in 1 nicht dargestelltes, batterieanordnungsseitiges, plattenförmiges Teil so ausgeführt das ein Abschnitt davon eben an der Gehäuseinnenseite anliegt. In diesem Abschnitt ist eine Aussparung ausgeschnitten. Weiter ist eine zweite Aussparung im Gehäuse so ausgeführt, dass sich die Batterieanordnung lösbar mit dem Gehäuse verschrauben lässt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Batterieanordnung im angeschraubten Zustand mit ihren Niederhaltern 8 auf den zugehörigen Verstärkungsprofilen 6 anliegen sollte.
Eine Kühleinrichtung 3 verfügt über mindestens eine Zuleitung des Kühlmittels zur Batterieanordnung und mindestens eine Ableitung um das von der Abwärme der Batterieanordnung aufgewärmte Kühlmittel zurück zu einer nicht dargestellten Apparatur zu leiten. Diese nicht dargestellte Apparatur regelt das Kühlmittel auf die zur Kühlung der Batterieanordnung 7 benötigte Temperatur. Eine solche Apparatur kann beispielsweise eine elektrische Heizung, ein Luftkühler oder ein durch die Klimaanlage betriebener Kühler sein. Um bei der Montage die Batterieanordnung 7 und die Kühleinrichtung 3 unabhängig von einander einbauen zu können ist es nötig, verschiedene Schläuche mit Hilfe von Verbindungsstücken aneinander zu koppeln. Weiter ist es gängig, eine solche Batterieanordnung so zu konstruieren, dass die Kühlflüssigkeit möglichst Nahe an zu kühlenden Akkumulatorzellen vorbeifließt, um einen möglichst guten Wärmeübergang zu bewirken. Dazu kann die Kühlflüssigkeit durch vorgesehene, hier nicht abgebildete Kanäle durch die Batterieanordnung geleitet werden. In einem solchen Fall müssen die Zuleitung und Ableitung für das Kühlmittel an vorgesehenen Flanschen an der Batterieanordnung angebracht werden.
Die Batterieanordnung 7 und die Kühleinrichtung 3 werden von einem Gehäuse 2 umfasst, das in erster Linie die Aufgabe besitzt, die Batterieanordnung 7 wie auch die Kühleinrichtung 3 vor mechanischer Schädigung im Crashfall zu schützen. Eine Ausbildung des Gehäuses 2 umfasst eine Gehäusebodenplatte 5, mehrere Gehäuse-Seitenteile 9 sowie einen nicht gezeigten Gehäusedeckel wodurch das Gehäuse 2 einen Raum begrenzt. Verschiedene Gehäuseplatten können dabei stoffschlüssig durch schweißen verbunden werden, durch Steckverbindungen oder durch beispielsweise Nieten. Die gewählte Verbindungsart ist dabei im Wesentlichen durch die erwarteten mechanischen Belastungen auf die Verbindung sowie den Kosten und der Umsetzbarkeit begrenzt. Für ein Gehäuse aus Kunststoff bzw. faserverstärktem Kunststoff eignet sich bei hohen Stückzahlen die Fertigung des Gehäuses aus einem Teil, welches Bodenplatte und Seitenplatten vereint und einem Deckel. Das hier dargestellte Gehäuse umfasst weiter die geschlossenen Verstärkungsprofile 6, die das Gehäuse versteifen. Weiter dienen die Verstärkungsprofile 6 auch zur Anbringung der Gehäusebodenplatte sowie der Seitenteile. Die Platten können dabei durch Nieten an den Verstärkungsprofilen 6 angebracht werden.
Durch die Crashfeste Auslegung des Gehäuses und der mechanisch beanspruchbaren Ausführung der Batterieanordnung 7 ist eine mechanische Beschädigung der Batterieanordnung 7 nicht zu erwarten. Jedoch kann es vorkommen, dass durch eine Überbelastung der Kühleinrichtung im Crash oder Fehler bei der Installation und Wartung der Kühleinrichtung Kühlmittel aus der Kühleinrichtung austritt. Um dieses austretende Kühlmittel mindestens temporär aufzunehmen und zu speichern ist im Inneren des Gehäuses ein hygroskopischer Schaum 4 angebracht. Dieser verringert die Gefahr, dass in die Akkumulatorzelle eintretendes Wasser einen Kurzschluss erzeugt und damit einen Defekt in der Zelle auslöst. Dies reduziert den Aufwand und die Kosten von aus Leckage an der Kühleinrichtung resultierenden Reparaturarbeiten.
Der hygroskopische Schaum entzieht seiner Umgebung Feuchtigkeit und nimmt diese, ähnlich eines Tafelschwammes, in sich auf. Er speichert die Kühlflüssigkeit im Schaum bis beispielsweise im Zuge von Reparaturarbeiten der Schaum ausgetauscht wird. Beispiel eines solchen Stoffes ist Polyurethanschaum, woraus auch Matratzen und Küchenschwämme hergestellt werden.
Der hygroskopische Schaum 4 wird auf der Gehäusebodenplatte so angebracht, dass möglichst ein großer Anteil der zur Verfügung stehenden Fläche mit dem Schaum bedeckt ist. Gängige Größen für die Aufnahmefähigkeit von Flüssigkeiten bei Polyurethanschaum sind 50–90 Vol. % bzw. 1300–2000 Gew. %. Dies würde bedeuten, dass pro Liter Kühlflüssigkeit, die sich in der Kühleinrichtung befindet bis zu 2 dm³Polyurethanschaum befinden sollten, um die Kühlflüssigkeit vollständig aufzunehmen.
Der hygroskopische Schaum kann, falls er selbsthaftend ist, auf den vorgesehenen Flächen aufgetragen werden oder mit Hilfe eines Klebstoffes aufgeklebt werden. Es wäre auch denkbar, einen Hartschaum durch eine lösbare Schraube-Mutter-Verbindung an der Gehäusebodenplatte oder anderen Gehäuseplatten zu verschrauben.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009009701 A1 [0003]
US 5270136 A [0004]

Claims

Traktionsbatterie (1) für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, mit einem Gehäuse (2), welches eine Batterieanordnung (7) und mindestens eine Kühleinrichtung (3) umschließt, wobei die Batterieanordnung mindestens zwei Batteriemodule umfasst und die mindestens eine Kühleinrichtung (3) mit einem flüssigen Kühlmittel betriebenen wird, dadurch gekennzeichnet dass sich im Inneren des Gehäuses zusätzlich ein hygroskopischer Schaum (4) befindet, der im Fall einer Leckage an der Kühleinrichtung (3) das austretende Kühlmittel mindestens temporär aufnehmen kann.
Traktionsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Gehäuse (2) mit geschlossenen Verstärkungsprofilen (6) auf einer Bodenplatte ausgestattet ist um die Steifigkeit des Gehäuses zu erhöhen.
Traktionsbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass der hygroskopische Schaum (4) mindestens Teile der Gehäusebodenplatte (5) bedeckt.
Traktionsbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass der hygroskopische Schaum (4) zusätzlich mindestens einer der Fahrzeugseiten zugewandten Innenseiten des Gehäuses und/oder der Innenseite eines Gehäusedeckels angebracht ist.
Traktionsbatterie nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass der hygroskopische Schaum (4) so im Gehäuse (2) angebracht ist, dass ein Spalt zwischen ihm und der Batterieanordnung vorhanden ist.
Traktionsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Batterie als Akkumulator auf Basis von Lithium ausgebildet ist.
Traktionsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Kühleinrichtung (3) mehrere Schläuche umfasst, deren Enden mit Hilfe von Verbindungsstücken so miteinander verbunden sind, dass das flüssige Kühlmittel die Schläuche durchströmen kann.
Traktionsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass mindestens ein Teil der Kühleinrichtung (3) seitlich der Batterieanordnung angeordnet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Traktionsbatterie nach Anspruch 9, wenn rückbezogen auf einen Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass die mindestens eine Gehäusebodenplatte (5) nahezu parallel zu einer Bodenplatte des Fahrzeugs angebracht ist.