DE102013021597A1

DE102013021597A1 - Batteriemodul und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013021597A1
Application number: DE201310021597
Authority: DE
Inventors: Norbert Wiesheu
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Batteriemodul (10) mit einem Gehäuse (11), in dem eine Mehrzahl Batteriezellen (1) angeordnet sind, die thermisch leitend mit dem Gehäuse (11) verbunden sind, wobei das Gehäuse (11) thermisch leitend mit einem Wärmeabfuhrsystem gekoppelt ist. Das Gehäuse besteht zumindest aus einer Innenschale (111), die innenseitig mechanisch und thermisch leitend mit den Batteriezellen (1) verbunden ist. Sie hat außenseitig mehrere Rinnen (111'). Das Gehäuse (11) besteht weiter aus einer Außenschale (112), die die Rinnen (111') fluiddicht abdeckt, so dass diese Fluidkanäle bilden. Darüber hinaus wird ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul (10) offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul und ein Kraftfahrzeug.
Batterien im Allgemeinen und insbesondere Hochvoltbatterien, die als Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, geben während des Betriebs Verlustwärme ab, die abgeführt werden muss, da bei Überschreiten einer batterietypabhängigen Grenztemperatur irreversible Zellschädigungen auftreten. Insbesondere bei Anordnung und Verschaltung mehrerer Batteriezellen zu Stapeln, auch Stacks genannt, erwärmen sich die Einzelzellen stark, da aufgrund der dichten Anordnung keine hinreichende Hinterlüftung gegeben ist.
Um dies zu verhindern ist es bekannt, die Einzelzellen in einem sehr massiven, thermisch günstigen Batteriegehäuse anzuordnen, so dass es die Verlustwärme der Zellen aufnehmen und zwischenspeichern kann. In mobilen Anwendungen hat sich dies jedoch nicht durchgesetzt, da auf diese Weise thermisch gepufferte Batterien sehr schwer und voluminös sind. Zur Erreichung einer möglichst hohen volumetrischen Leistungsdichte, wird die Verlustwärme von Batterien für mobile Anwendungen daher nicht durch thermische Kapazitäten abgepuffert, sondern an ein Wärmeabfuhrsystem abgegeben.
Hierbei ist es möglich, mehrere Batteriezellen zu einem Modul zu verschalten, wobei wiederum mehrere Module in ein Gehäuse eingesetzt werden. Die Module stehen jeweils in thermischem Kontakt mit einer Kühlplatte, die in dem Gehäuse vorliegt und fluiddurchströmt ist. Die Kühlplatte wird mittels Schlauchklemmen bzw. Fittings an einen kraftfahrzeugeigenen Kühlkreislauf angeschlossen, wobei es an den Anbindungsstellen zu Undichtigkeiten kommen kann. Infolge dessen kann sich Kühlmittel im Batteriegehäuse sammeln, was, insbesondere wenn das Kühlmittel Glykol enthält, zu einer elektrolytischen Zersetzung des Kühlmittels führen kann. Um dies zu verhindern, ist es möglich, die Zellkühlung nicht über verschlauchte Kühlplatten zu realisieren, sondern das Batteriegehäuse selbst als Kühlplatte zu nutzen. Hierbei werden die Batteriezellen thermisch leitend auf einer fluiddurchströmten Kühlplatte montiert, wobei die Kühlplatte zusammen mit einer Haube das Gehäuse bereitstellt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Batteriemodul bereitzustellen, das eine verbesserte Zellkühlung bei hoher Zuverlässigkeit des Fluidkreises und hoher mechanischer Belastbarkeit bietet.
Diese Aufgabe wird durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Darüber hinaus ergibt sich die Aufgabe, ein Kraftfahrzeug zu schaffen, das sich durch eine bauraumsparende Batterieunterbringung sowie leichte Auswechselbarkeit der Batterie auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen ausgeführt.
In einer ersten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Batteriemodul ein Gehäuse auf, in dem mehrere Batteriezellen angeordnet sind. Die Batteriezellen sind thermisch leitend mit dem Gehäuse verbunden, wobei das Gehäuse selbst thermisch leitend mit einem Wärmeabfuhrsystem gekoppelt ist. Das Gehäuse besteht zumindest aus einer Innenschale, die innenseitig mechanisch und thermisch leitend mit den Batteriezellen verbunden ist und außenseitig eine Mehrzahl Rinnen hat, und aus einer Außenschale, die die Rinnen fluiddicht abdeckt, so dass diese Fluidkanäle bilden.
Das Gehäuse kann auch noch weitere Bauteile aufweisen, insbesondere mehr als die zwei genannten Schalen. Die Außenschale ist als eine Art Deckel zu verstehen, der die Rinnen der Innenschale abdeckt, wodurch erst fluiddurchströmbare Kanäle geschaffen werden. Die Fluidkanäle verlaufen erfindungsgemäß gänzlich außerhalb des von der Innenschale umschlossenen Innenraums, in dem sich die Batteriezellen befindet. Sollte die Abdichtung der Rinnen oder die Fluidanschlüsse undicht werden, liegt eine externe Leckage vor, das Kühlmittel kann jedoch nicht in den Innenraum gelangen und dort die Batteriezellen schädigen. Der Wärmeübergang von den Batteriezellen in die Rinnen bzw. die Fluidkanäle erfolgt zunächst konduktiv durch Leitung durch die Innenschale und dann konduktiv/konvektiv in der Grenzschicht zum Kühlmittel in den Fluidkanälen. Bei hinreichender Verkürzung des thermischen Pfads und/oder Wahl eines Innenschalen-Werkstoffs mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann eine vergleichbare oder noch höhere Effizienz der Wärmeabfuhr erreicht werden als bei bekannten Lösungen mit interner Kühlplatte, wobei die erfindungsgemäße Ausgestaltung sicher und stabil ist, ohne schwer zu sein. Vorteilhaft können die Rinnen bzw. Fluidkanäle erfindungsgemäß nicht nur an einer Seite bzw. Außenfläche der Innenschale vorgesehen werden, sondern an mehreren Seiten bzw. Außenflächen. Die Außenschale kann die Innenschale als „Mantel” vollflächig umgeben, wobei eine fluiddichte Verbindung nur in den an die Rinnen angrenzenden Bereichen unbedingt nötig ist.
Die Innenschale kann beispielsweise aus einem Metall bestehen, wobei es bei der Herstellung möglich ist, dass die Rinnen in einem Gussverfahren als Grobform erzeugt werden, etwa durch das Einlegen von Kernen oder durch die Gussform selbst, und durch eine nachgelagerte Fräsbearbeitung endbearbeitet werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass die Außenschale nur in den Bereichen der Innenschale über der Innenschale angeordnet ist, in denen auch Rinnen vorliegen. Hierbei umgibt die Außenschale die Innenschale nicht vollflächig, sondern gezielt nur in den Bereichen, in denen Rinnen abgedeckt werden müssen.
In einer noch weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass die Außenschale aus einem thermisch isolierenden Material besteht, bevorzugt aus einem Kunststoff.
Alternativ oder zusätzlich kann es sich beim dem Material der Außenschale vorteilhaft um ein nachgiebiges und schlagzähes Material handeln, wodurch eine mechanisch sehr belastbare „Umhausung” des Batteriemoduls geschaffen wird, die sich auch für den Einsatz in steinschlaggefährdeten Bereichen, gerade am Kraftfahrzeugunterboden oder in Radhausnähe, eignet. Die Außenschale stellt die Grenze zwischen Batterie und Umwelt dar. Ein thermisch isolierendes Material für die Außenschale bietet daher den Vorteil, dass der Wärmeaustausch mit der Umgebung gemindert wird, was bei hohen Außentemperaturen das Überhitzen verhindern kann und bei niedrigen Außentemperaturen hilft die Ionenbeweglichkeit in den Batteriezellen hoch zu halten und Heizwärme bereitzustellen.
Ferner kann die Außenschale mit der Innenschale verklebt oder verschraubt sein. Bei der Verschraubung kann ein Dichtungselement, das die Rinnen umgibt, in einem Dichtspalt zwischen Innenschale und Außenschale vorliegen. Das Dichtungselement dient lediglich zum Abdichten der Rinnen bzw. Fluidkanäle gegenüber der Umgebung; die Fluiddichtheit zum Innenraum der Innenschale hin ergibt sich schon aufgrund der Einbringung der Rinnen von der Außenseite her, wobei hier keine Maßnahmen zur Abdichtung getroffen werden müssen.
Die Außenschale kann auch von einer weiteren Schale umgeben sein, bei der es sich etwa um eine Wärmedämm-Schale handeln kann, wodurch eine nochmals verbesserte thermische Entkopplung der Batteriezellen von der Umgebung erreicht werden kann.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist in einer ersten Ausführungsform ein oder mehrere erfindungsgemäße Batteriemodul(e) auf, das/die fluidisch mit einem kraftfahrzeuggebundenen Kühlkreislauf gekoppelt ist/sind.
Das Batteriemodul kann insbesondere an einem Kraftfahrzeugunterboden angeordnet sein, wobei die Bauart des erfindungsgemäßen Batteriemoduls in Schalenbauweise es besonders widerstandsfähig macht, insbesondere gegen Steinschlageinwirkung. Bei dem Batteriemodul kann es sich um eine Haupt- bzw. Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs handeln, die sich aufgrund ihrer Anordnung am Unterboden mit wenigen Handgriffen austauschen lässt. Bei bisherigen Konzepten, die im Innenraum angeordnete Batterien vorsahen, musste hierzu stets ein großer Teil der Innenausstattung demontiert werden. Durch die Anordnung am Unterboden wird ferner der zur Verfügung stehende Bauraum der Karosserie optimal genutzt ohne das Nutzvolumen zu mindern. Beim Verbau des erfindungsgemäßen Batteriemoduls am Unterboden sind aufgrund seiner bauartbedingten mechanischen Belastbarkeit der Außenhülle keine zusätzlichen Abdeckbleche o. ä. vorzusehen, was auch die Bauteilanzahl und das Gewicht des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs im Vergleich zu gattungsgleichen Kraftfahrzeugen reduziert.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Sie zeigt eine Querschnitts-Teilansicht des Batteriemoduls.
In der Darstellung der einzigen Figur ist lediglich ein Teil des Batteriemoduls 10 gezeigt; in einer in der Abbildung rechts liegenden Richtung schließen sich weitere Batteriezellen 1 an, die nicht figurativ gezeigt sind. Die Batteriezellen 1 sind hierbei in einem Gehäuse 11 angeordnet, mit dem sie thermisch leitend verbunden sind. Das Gehäuse 11 hat eine thermisch leitenden Innenschale 11, die aus einem Metall besteht, mit der die Batteriezellen 1 mechanisch und thermisch leitend verbunden sind. Die Verlustwärme der Batteriezellen 1 kann hierdurch an die Innenschale 111 abgegeben und weiter geleitet werden, wodurch die Batteriezellen 1 selbst auch bei vergleichsweise hoher Belastung kühler bleiben. Die Innenschale 111 hat jedoch selbst keine große Wärmekapazität oder Kühlrippen, sondern weist Rinnen 111' auf, durch die ein Kühlmittel zirkuliert. Die Rinnen 111' sind von der Außenschale 112 fluiddicht abgedeckt, um jeweils einen Fluidkanal zu bilden. Da die Rinnen 111' an einer Außenseite der Innenschale 111 vorliegen, besteht bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul 10 nicht die Gefahr, dass Kühlmittel in das Gehäuseinnere gelangt, auch wenn die Abdichtung der Rinnen 111' oder Fittinge leck schlagen sollten.
Die Außenschale 112 besteht aus einem thermisch nicht leitenden Material und verringert dadurch sowohl den Wärmeeintrag von außen als auch den Wärmeverlust nach außen, was insbesondere in der Elektromobilität wichtig ist, da die Verlustwärme der Batteriezellen hier häufig zur Passagierraumbeheizung eingesetzt wird. In einer nicht figurativ gezeigten Ausführungsform kann die Außenschale 112 von noch einer weiteren Schale umgeben sein, etwa einer Wärmedämmschale, die eine darüber hinausgehende Wärmedämmung bereitstellt.
Das Material der Außenschale 112 hat ferner eine vergleichsweise hohe Schlagzähigkeit. Das Batteriemodul 10 eignet sich dadurch auch zum Einbau am Kraftfahrzeugunterboden und anderen Einbaupositionen im Außenbereicht, die steinschlaggefährdet sind.

Claims

Batteriemodul (10) mit einem Gehäuse (11), in dem eine Mehrzahl Batteriezellen (1) angeordnet sind, die thermisch leitend mit dem Gehäuse (11) verbunden sind, wobei das Gehäuse (11) thermisch leitend mit einem Wärmeabfuhrsystem gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) zumindest – eine Innenschale (111), die innenseitig mechanisch und thermisch leitend mit den Batteriezellen (1) verbunden ist und außenseitig eine Mehrzahl Rinnen (111') hat, – und eine Außenschale (112), die die Rinnen (111') fluiddicht abdeckt, so dass diese Fluidkanäle bilden, aufweist.
Batteriemodul (10), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (112) nur in den Bereichen der Innenschale (111) über der Innenschale (111) angeordnet ist, in denen Rinnen (111') vorliegen.
Batteriemodul (10), nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (112) – aus einem thermisch isolierenden Material besteht, bevorzugt aus einem Kunststoff, und/oder – aus einem nachgiebigen und schlagzähen Material besteht.
Batteriemodul (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (112) mit der Innenschale (111) verklebt oder verschraubt ist, wobei bevorzugt ein Dichtungselement, das die Rinnen (111') umgibt, in einem Dichtspalt zwischen Innenschale (111) und Außenschale (112) vorliegt.
Batteriemodul (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (112) von einer weiteren Schale umgeben ist, bevorzugt von einer Wärmedämm-Schale.
Kraftfahrzeug, das zumindest ein Batteriemodul aufweist, das fluidisch mit einem kraftfahrzeuggebundenen Kühlkreislauf gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul ein Batteriemodul (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) an einem Kraftfahrzeugunterboden angeordnet ist.