DE102013113352A1

DE102013113352A1 - Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102013113352A1
Application number: DE102013113352.5A
Authority: DE
Inventors: Sina Brunner; Thomas Fritz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Starterbatterie (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Gehäuse (2), das einen Gehäuseboden (20) und eine Anzahl von Seitenwänden (21, 22, 23, 24) aufweist, sowie eine Anzahl aufladbarer und elektrisch miteinander verschalteter Lithium-Ionen-Zellen (30, 31, 32, 33), die innerhalb des Gehäuses (2) untergebracht sind, wobei zumindest die Seitenwände (21, 22, 23, 24) des Gehäuses (2) als Aluminium-Strangpressprofile ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Gehäuse, das einen Gehäuseboden und eine Anzahl von Seitenwänden aufweist, sowie eine Anzahl aufladbarer und elektrisch miteinander verschalteter Lithium-Ionen-Zellen, die innerhalb des Gehäuses untergebracht sind.
Eine aufladbare Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs dient dem Zweck, eine elektrisch betriebene Startvorrichtung des Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Strom zu versorgen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Starterbatterien stellen typischerweise eine Ausgangsspannung von 12 V zur Verfügung und umfassen eine Anzahl aufladbarer Bleiakkumulatorzellen, die in einem Kunststoffgehäuse untergebracht sind. Derartige Bleiakkumulatorzellen haben den Nachteil einer verhältnismäßig großen Masse, die sich negativ auf das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs auswirkt.
Um Kraftstoff einzusparen und Schadstoffemissionen zu verringern, geht die Tendenz bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen in den vergangenen Jahren in zunehmendem Maße in Richtung Leichtbau, um durch geeignete konstruktive Maßnahmen und durch den Einsatz besonders leichter Werkstoffe das Fahrzeuggesamtgewicht zu reduzieren. Bei Hochvolt-Fahrzeugbatterien (so genannten Traktionsbatterien) von Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden zum Beispiel verhältnismäßig leichte Lithium-Ionen-Zellen eingesetzt, um eine Gewichtsreduktion bzw. eine Erhöhung der Energiedichte bei vorgegebenem Gewicht zu erreichen. Ein Beispiel hierfür liefert die DE 10 2008 059 971 A1 , die eine Fahrzeugbatterie (Traktionsbatterie) offenbart, bei der mehrere miteinander vergossene Lithium-Ionen-Zellen in einem Batteriegehäuse aus Aluminium untergebracht sind. Ein Gehäusedeckel des Batteriegehäuses bildet dabei eine Vergussform zum Vergießen des Lithium-Ionen-Zellverbunds.
Die DE 10 2011 116 630 A1 offenbart einen Hochvoltspeicher für Elektro- oder Hybridfahrzeuge mit mehreren Energiespeicherzellen, die in einem Aluminium-Druckgussgehäuse untergebracht sind. Ein Aluminium-Druckgussgehäuse hat den Nachteil, dass es eine relativ große Gehäusemasse aufweist.
Eine Starterbatterie der eingangs genannten Art, bei der Lithium-Ionen-Zellen als Energiespeicherzellen eingesetzt werden, kommt bereits seit einigen Jahren in Kraftfahrzeugen der Anmelderin zum Einsatz. Die Lithium-Ionen-Zellen sind dabei in einem Gehäuse aus einem Kunststoffmaterial angeordnet. Eine derartige Starterbatterie ist mehr als 10 kg leichter als eine herkömmliche Starterbatterie, die eine Anzahl von Bleiakkumulatoren aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Starterbatterie der eingangs genannten Art mit einem alternativen Gehäuse zur Verfügung zu stellen, die sich durch ein geringes Gewicht und durch eine hohe Betriebssicherheit auszeichnet.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Starterbatterie der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Starterbatterie zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest die Seitenwände des Gehäuses als Aluminium-Strangpressprofile ausgebildet sind. Dadurch, dass zumindest die Seitenwände des Gehäuses der erfindungsgemäßen Starterbatterie aus Aluminium-Strangpressprofilen hergestellt sind, weist das Gehäuse eine hohe mechanische Stabilität auf und wird trotzdem den Anforderungen an eine möglichst geringe Gehäusemasse gerecht. Durch die Verwendung von Aluminium-Strangpressprofilen ergeben sich insbesondere Gewichtsvorteile im Vergleich zu Aluminium-Druckgussteilen, die aus einem Vollmaterial bestehen und somit eine wesentlich größere Masse aufweisen. Ferner lassen sich Aluminium-Strangpressprofile relativ einfach und kostengünstig herstellen und können darüber hinaus leicht verarbeitet und miteinander verbunden werden. Der Gehäuseboden kann vorzugsweise ebenfalls aus Aluminium hergestellt sein, um eine homogene Materialkombination mit den Seitenwänden zu erreichen. Das Gehäuse der Starterbatterie, welches die aus Aluminium-Strangpressprofilen hergestellten Seitenwände und den vorteilhaft ebenfalls aus Aluminium gefertigten Gehäuseboden umfasst, zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität aus. Ferner kann durch diese Ausgestaltung des Gehäuses im Falle eines Unfalls der Austritt von Elektrolyten, die unter Umständen aus den Lithium-Ionen-Zellen freigesetzt werden können, in vorteilhafter Weise vermieden werden. Die Lithium-Ionen-Zellen können vorzugsweise als Lithium-Eisen-Phospat-Zellen (LiFePO-Zellen) ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Seitenwände kraftschlüssig, insbesondere durch eine Anzahl von Schraubverbindungsmitteln und/oder Rastverbindungsmitteln, miteinander verbunden sind. Derartige, insbesondere durch Verschrauben und/oder Verrasten erhältlichen kraftschlüssigen Verbindungen ermöglichen eine besonders einfache Montage des Gehäuses der Starterbatterie.
Um eine besonders stabile Verbindung der Seitenwände miteinander zu erhalten, besteht in einer alternativen Ausführungsform auch die Möglichkeit, dass die Seitenwände stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander verschweißt sind. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Seitenwände miteinander laserverschweißt sind. Das Laserschweißen zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Prozessgeschwindigkeit aus.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Seitenwände, vorzugsweise jede der Seitenwände, eine Mehrzahl von Profilkammern aufweist, die jeweils durch einen Profilsteg voneinander getrennt sind. Durch die hohlen Profilkammern kann eine effiziente Massereduktion der Seitenwände erreicht werden, wobei die Stege den Seitenwänden eine hohe Stabilität zur Verfügung stellen. Ferner ist es grundsätzlich möglich, dass durch die hohlen Profilkammern der Seitenwände Kühlluft geführt wird, um bei Bedarf eine Kühlung des Gehäuses und der darin untergebrachten Lithium-Ionen-Zellen zu ermöglichen.
Um die Stabilität der Seitenwände in einem Verbindungsbereich mit dem Gehäuseboden zu erhöhen, wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass zumindest eine der Seitenwände, vorzugsweise jede der Seitenwände, an einem unteren, dem Gehäuseboden zugewandten Ende einen Seitenwandfußabschnitt aufweist. Die Seitenwandfußabschnitte, die insbesondere integral mit den Aluminium-Strangpressprofilen ausgebildet sind, bestehen vorzugsweise aus einem Vollmaterial (und sind demzufolge nicht hohl ausgebildet) und können sich vorteilhaft zumindest abschnittsweise nach außen erstrecken. Durch diese Maßnahme weisen die Seitenwandfußabschnitte in vorteilhafter Weise eine größere Querschnittsfläche als die übrigen Bereiche der Seitenwände auf. Dadurch wird eine entsprechend große Aufstandsbeziehungsweise Verbindungsfläche für eine Verbindung der Seitenwände mit dem Gehäuseboden geschaffen.
Für eine besonders stabile Verbindung des Gehäusebodens mit den Seitenwänden, wird in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass der Gehäuseboden mit den Seitenwänden verschweißt, insbesondere laserverschweißt, ist. Durch das Verschweißen wird eine besonders stabile, stoffschlüssige Verbindung des Gehäusebodens mit den Seitenwänden erreicht.
Um die Bauhöhe der Starterbatterie zu minimieren, besteht in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Gehäuseboden aus einem ebenen Aluminiumblech hergestellt ist. Auf Grund der relativ geringen Masse der Lithium-Ionen-Zellen kann die Stärke des Aluminiumblechs, aus dem der Gehäuseboden hergestellt wird, entsprechend gering gewählt werden, ohne dabei die Gehäusestabilität nennenswert zu beeinträchtigen.
Um ein Recycling der Lithium-Ionen-Zellen zu ermöglichen, können diese in einer besonders bevorzugten Ausführungsform als vergussfreie Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt sein. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Zellen, die miteinander vergossen sind, besteht bei dieser Ausführungsform die Möglichkeit einer einfachen Wiederverwertung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse ein Außengehäuse der Starterbatterie bildet, innerhalb dessen ein Innengehäuse aus Kunststoff, in dem die Lithium-Ionen-Zellen untergebracht sind, angeordnet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Starterbatterie eine Batterieüberwachungselektronik aufweist, die innerhalb des Gehäuses untergebracht ist. Diese Batterieüberwachungselektronik ist dazu insbesondere dazu in der Lage, die Funktion und/oder das Aufladen der Lithium-Ionen-Zellen der Starterbatterie zu überwachen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen
1 eine Draufsicht auf ein Gehäuse einer Starterbatterie, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführt ist,
2 einen Schnitt durch das Gehäuse entlang einer Linie II-II gemäß 1,
3 einen Schnitt durch das Gehäuse entlang einer Linie III-III gemäß 1,
4 eine Einzelheit gemäß IV in 3,
5 eine schematische Darstellung der Starterbatterie, die die Anordnung einer Anzahl von Lithium-Ionen-Zellen und einer Batterieüberwachungselektronik im Inneren des Gehäuses der Starterbatterie veranschaulicht.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 4 soll nachfolgend zunächst der grundlegende Aufbau eines Gehäuses 2 einer Starterbatterie 1 eines Kraftfahrzeugs näher erläutert werden. Die Starterbatterie 1 ist in 5 dargestellt.
Das Gehäuse 2 der Starterbatterie weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Gehäuseboden 20 und vier Seitenwände 21, 22, 23, 24 auf, die jeweils paarweise miteinander und mit dem Gehäuseboden 20 verbunden sind. Das Gehäuse definiert einen Aufnahmeraum, in dem – wie in 5 zu erkennen – mehrere aufladbare und elektrisch miteinander verschaltete Lithium-Ionen-Zellen 30, 31, 32, 33 untergebracht werden können. Die Lithium-Ionen-Zellen 30, 31, 32, 33 können vorzugsweise als Lithium-Eisen-Phospat-Zellen (LiFePO-Zellen) ausgebildet sein.
Die Seitenwände 21, 22, 23, 24 des Gehäuses 2 sind als Aluminium-Strangpressprofile ausgebildet, die zum Beispiel kraftschlüssig, insbesondere durch eine Anzahl von Schraubverbindungsmitteln und/oder Rastverbindungsmitteln, miteinander verbunden sein können. In einer alternativen Ausführungsvariante können die Seitenwände 21, 22, 23, 24 auch stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Die Seitenwände 21, 22, 23, 24 können dabei insbesondere miteinander verschweißt sein. Die Schweißverbindungen der Seitenwände 21, 22, 23, 24 können vorzugsweise durch Laserschweißen erzeugt werden, wodurch hohe Prozessgeschwindigkeiten bei der Herstellung des Gehäuses 2 erreicht werden können. Die Aluminium-Strangpressprofile, aus denen die Seitenwände 21, 22, 23, 24 hergestellt sind, zeichnen sich durch eine einfache und kostengünstige Herstellung aus. Ferner lassen sich Aluminium-Strangpressprofile verhältnismäßig einfach verarbeiten und miteinander verbinden. Des Weiteren ergeben sich durch die Verwendung von Aluminium-Strangpressprofilteilen im Vergleich zu Aluminium-Druckgussteilen, die eine größere Masse aufweisen, da sie aus einem Vollmaterial bestehen, erhebliche Gewichtsvorteile.
Wie in 2 und 3 zu erkennen, weisen die Seitenwände 21, 22, 23, 24 eine Mehrzahl von Profilkammern 210, 220, 230, 240 auf, die jeweils durch einen Profilsteg 211, 221, 231, 241 voneinander getrennt sind. Durch diese hohlen Profilkammern 210, 220, 230, 240 kann eine effiziente Reduktion der Gehäusemasse erreicht werden, wobei die Profilstege 211, 221, 231, 241 den Seitenwänden 21, 22, 23, 24, insbesondere bei seitlich wirkenden Kräften, eine hohe Stabilität zur Verfügung stellen können.
Der Gehäuseboden 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem ebenen Aluminiumblech hergestellt. Die Stärke des Gehäusebodens 20 kann relativ gering gewählt werden, ohne die Stabilität des Gehäuses 2 zu beeinträchtigen, da die Lithium-Ionen-Zellen 30, 31, 32, 33, die innerhalb des Gehäuses 2 aufgenommen werden, etwa im Vergleich zu Bleiakkumulatorzellen eine wesentlich geringere Masse aufweisen. Auf Grund der geringen Stärke des Gehäusebodens 20 kann eine Bauraumoptimierung in einer Richtung parallel zu den Seitenwänden 21, 22, 23, 24 (Höhenrichtung z) erreicht werden. Der Gehäuseboden 20 ist vorzugsweise stoffschlüssig mit den Seitenwänden 21, 22, 23, 24 des Gehäuses 2 verbunden. Der Gehäuseboden 20 kann mit den Seitenwänden 21, 22, 23, 24, verschweißt, insbesondere laserverschweißt, sein. Durch das Verschweißen wird eine besonders stabile, stoffschlüssige Verbindung des Gehäusebodens 20 mit den Seitenwänden 21, 22, 23, 24 geschaffen. Die Seitenwände 21, 22, 23, 24 weisen in diesem Ausführungsbeispiel an einem unteren, dem Gehäuseboden 20 zugewandten Ende jeweils einen Seitenwandfußabschnitt 212, 222, 232, 242 auf, der integral mit der betreffenden Seitenwand 21, 22, 23, 24 ausgebildet ist und sich zumindest abschnittsweise nach außen erstreckt. Die Seitenwandfußabschnitte 212, 222, 232, 242 bestehen aus einem Vollmaterial und liegen auf dem Gehäuseboden 20 auf. Die Seitenwandfußabschnitte 212, 222, 232, 242 werden in der vorstehend beschriebenen Weise mit dem Gehäuseboden 20 verschweißt.
5 zeigt schematisch stark vereinfacht die Starterbatterie 1 mit dem vorstehend beschriebenen Gehäuse 2, in dessen Aufnahmeraum vorliegend die vier aufladbaren Lithium-Ionen-Zellen 30, 31, 32, 33 untergebracht sind. Die Lithium-Ionen-Zellen 30, 31, 32, 33 sind in Reihe geschaltet und stellen eine Ausgangsspannung von 12 V zur Verfügung, die über eine erste Polklemme 40 und über eine zweite Polklemme 41 abgegriffen werden kann. Ein Minus-Pol der ersten Lithium-Ionen-Zelle 30 ist dabei an die erste Polklemme 40 angeschlossen und ein Plus-Pol der vierten Lithium-Ionen-Zelle 33 ist an die zweite Polklemme 41 angeschlossen. Die Ausgangsspannung in Höhe von 12 V ist ausreichend, um eine elektrische Startvorrichtung des Kraftfahrzeugs, die elektrisch mit der Starterbatterie 1 verbunden ist, zu speisen. Um eine Wiederverwertung der Lithium-Ionen-Zellen 30, 31, 32, 33 zu ermöglichen, sind diese in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel nicht miteinander vergossen. Dadurch ist ein einfaches Recycling der Lithium-Ionen-Zellen 30, 31, 32, 33 möglich. Im Gehäuse 2 ist ferner eine Batterieüberwachungselektronik 5 für die Lithium-Ionen-Zellen 30, 31, 32, 33 angeordnet, die zum für eine Überwachung der Funktion und/oder des Ladezustands der Lithium-Ionen-Zellen 30, 31, 32, 33 eingerichtet ist. Auf Einzelheiten der Batterieüberwachungselektronik 5 soll im Rahmen dieser Anmeldung jedoch nicht näher eingegangen werden.
Das Gehäuse 2 kann zum Beispiel auch ein Außengehäuse der Starterbatterie 1 bilden, innerhalb dessen ein Innengehäuse aus Kunststoff, in dem die Lithium-Ionen-Zellen 30, 31, 32, 33 untergebracht sind, angeordnet ist.
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 102008059971 A1 [0003]
DE 102011116630 A1 [0004]

Claims

Starterbatterie (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend – ein Gehäuse (2), das einen Gehäuseboden (20) und eine Anzahl von Seitenwänden (21, 22, 23, 24) aufweist, sowie – eine Anzahl aufladbarer und elektrisch miteinander verschalteter Lithium-Ionen-Zellen (30, 31, 32, 33), die innerhalb des Gehäuses (2) untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Seitenwände (21, 22, 23, 24) des Gehäuses (2) als Aluminium-Strangpressprofile ausgebildet sind.
Starterbatterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (21, 22, 23, 24) kraftschlüssig, insbesondere durch eine Anzahl von Schraubverbindungsmitteln und/oder Rastverbindungsmitteln, miteinander verbunden sind.
Starterbatterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (21, 22, 23, 24) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander verschweißt sind.
Starterbatterie (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (21, 22, 23, 24) miteinander laserverschweißt sind.
Starterbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Seitenwände (21, 22, 23, 24), vorzugsweise jede der Seitenwände (21, 22, 23, 24), eine Mehrzahl von Profilkammern (210, 220, 230, 240) aufweist, die jeweils durch einen Profilsteg (211, 221, 231, 241) voneinander getrennt sind.
Starterbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Seitenwände (21, 22, 23, 24), vorzugsweise jede der Seitenwände (21, 22, 23, 24), an einem unteren, dem Gehäuseboden (20) zugewandten Ende einen Seitenwandfußabschnitt (212, 222, 232, 242) aufweist.
Starterbatterie (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Seitenwandfußabschnitte (212, 222, 232, 242) zumindest abschnittsweise nach außen erstrecken.
Starterbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseboden (20) mit den Seitenwänden (21, 22, 23, 24) verschweißt, insbesondere laserverschweißt, ist.
Starterbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseboden (20) aus einem ebenen Aluminiumblech hergestellt ist.
Starterbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithium-Ionen-Zellen (30, 31, 32, 33) als vergussfreie Lithium-Ionen-Zellen (30, 31, 32, 33) ausgeführt sind.
Starterbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) ein Außengehäuse der Starterbatterie (1) bildet, innerhalb dessen ein Innengehäuse aus Kunststoff, in dem die Lithium-Ionen-Zellen (30, 31, 32, 33) untergebracht sind, angeordnet ist.
Starterbatterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Starterbatterie (1) eine Batterieüberwachungselektronik (5) aufweist, die innerhalb des Gehäuses (2) untergebracht ist.