DE102014114020A1 - Batteriesystem - Google Patents

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DE102014114020A1
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DE102014114020.6A
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Frank Obrist
Martin Graz
Joachim Georg Roth
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Obrist Technologies GmbH
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Obrist Technologies GmbH
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Priority to US15/514,507 priority patent/US20170331165A1/en
Priority to JP2017516747A priority patent/JP6798982B2/ja
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (10), insbesondere für einen Hybridantrieb, mit einem Gehäuse (11), das ein Fluidanschlusssegment (12), ein Energiespeichersegment (13) und ein Elektrik-/Elektroniksegment (14) aufweist, wobei das Energiespeichersegment (13) wenigstens zwei durchströmbare Kühlelemente (15) und wenigstens einen Zellenblock (16) aufweist, die jeweils aus mehreren elektrisch und mechanisch durch Kontaktplatten (15) verbundene Batteriezellen (17) gebildet sind, und wobei der Zellenblock (16) zwischen zwei Kühlelementen (15) angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Energiespeichersegment (13) zwischen dem Fluidanschlusssegment (12) und dem Elektrik-/Elektroniksegment (14) angeordnet ist und ein Quadervolumen aufweist, das wenigstens dem 0,5-fachen des Gesamt-Innenvolumens des Gehäuses (11) entspricht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, insbesondere für einen Hybridantrieb, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Fahrzeug mit einem derartigen Batteriesystem. Ein derartiges Batteriesystem ist beispielsweise aus EP 2 744 034 A1 bekannt, die auf die Anmelderin zurückgeht.
  • Bei dem bekannten Batteriesystem sind in einem Gehäuse Zellenblöcke angeordnet, die durch Kühlelemente voneinander getrennt sind. An der Stirnseite der Zellenblöcke sind Fluidanschlüsse vorgesehen, wobei die Verkabelung der einzelnen Zellenblöcke untereinander zwischen den Fluidanschlüssen angeordnet sind. Insofern lässt sich das Gehäuse in mehrere Segmente unterteilen, wobei ein Energiespeichersegment, ein Elektrik-/Elektroniksegment und wenigstens ein Fluidanschlusssegment unterschieden werden.
  • Konkret sind bei dem Batteriesystem gemäß EP 2 744 034 A1 zwei Fluidanschlusssegmente vorgesehen, zwischen welchen sich das Elektrik-/Elektroniksegment erstreckt. Die Fluidanschlusssegmente und das Elektrik-/Elektroniksegment sind an derselben Stirnseite des Energiespeichersegments angeordnet. In den Fluidanschlusssegmenten sind Anschlussleitungen für die Zusammenführung mehrerer Fluidkanäle vorgesehen, die einen relativ großen Bauraum einnehmen, was sich als nachteilig hinsichtlich der Außendimensionen des bekannten Batteriesystems herausgestellt hat. Außerdem hat sich die räumliche Nähe von Elektrik-/Elektroniksegment und Fluidanschlusssegment als bedenklich erwiesen.
  • Insofern ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriesystem der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass es eine kompakte Baugröße und eine erhöhte Betriebssicherheit aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Batteriesystem anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Demnach wird ein Batteriesystem, insbesondere für einen Hybridantrieb, mit einem Gehäuse vorgeschlagen, das ein Fluidanschlusssegment, ein Energiespeichersegment und ein Elektrik-/Elektroniksegment aufweist. Das Energiespeichersegment weist wenigstens zwei durchströmbare Kühlelemente und einen Zellenblock auf. Der Zellenblock ist aus mehreren elektrisch durch Kontaktplatten verbundene Batteriezellen gebildet. Dabei ist der Zellenblock zwischen den zwei Kühlelementen angeordnet. Erfindungsgemäß ist das Energiespeichersegment zwischen dem Fluidanschlusssegment und dem Elektrik-/Elektroniksegment angeordnet.
  • Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Batteriesystems wird einerseits eine erhöhte Betriebssicherheit erreicht, da das Fluidanschlusssegment und das Elektrik-/Elektroniksegment durch das Energiespeichersegment voneinander getrennt ist. Insbesondere kann das Fluidanschlusssegment an einer Stirnseite und das Elektrik-/Elektroniksegment an einer gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäuses angeordnet sein, so dass eine bauliche Trennung herbeigeführt ist, die die Gefahr eines Kurzschlusses mit der Folge eines thermischen Events reduziert.
  • Außerdem ist bei der Erfindung vorgesehen, dass das Energiespeichersegment ein Quadervolumen aufweist, das wenigstens den 0,5-fachen des Gesamt-Innenvolumens des Gehäuses entspricht. Damit wird eine besonders hohe Packungsdichte herbeigeführt, was zur Folge hat, dass die Außendimensionen des Batteriesystems, insbesondere des Gehäuses, gegenüber der vorbekannten Batterie reduziert sind. Dies eröffnet weitere Möglichkeiten zur Integration des Batteriesystems in einem Hybridantrieb, wobei gleichzeitig eine hohe Speicherkapazität bereitgestellt wird. Bei der Verwendung des Batteriesystems im Fahrzeug kann somit die Reichweite des Fahrzeugs trotz kompakter Abmessungen des Batteriesystems erhöht werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energiespeichersegment wenigstens drei durchströmbare Kühlelemente und wenigstens zwei übereinander angeordnete Zellenblöcke aufweist, wobei jeweils ein Zellenblock zwischen zwei Kühlelementen angeordnet ist.
  • Um die Speicherdichte bei kleinen Außendimensionen weiter zu erhöhen bzw. die Außendimensionen bei gleicher Speicherdichte weiter zu reduzieren, ist in besonders bevorzugten Varianten der Erfindung vorgesehen, dass das Quadervolumen wenigstens dem 0,55-fachen, insbesondere wenigstens dem 0,6-fachen, insbesondere wenigstens dem 0,62-fachen, insbesondere wenigstens dem 0,65-fachen, des Gesamt-Innenvolumens des Gehäuses entspricht. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass das Quadervolumen durch Messungen der Kantenlängen der einzelnen Segmente ermittelt wird.
  • Die Batteriezellen des Batteriesystems können insbesondere durch Rundzellen, insbesondere des Typs 18650, gebildet sein. Derartige Rundzellen sind in hoher Stückzahl und zu geringen Kosten verfügbar, so dass das Batteriesystem kostengünstig produzierbar ist.
  • Hinsichtlich kompakter Außenabmessungen des Batteriesystems ist es bevorzugt, wenn das Gehäuse eine Gesamthöhe von höchstens 200mm, insbesondere höchstens 190mm, insbesondere höchstens 180mm, insbesondere höchstens 170mm, insbesondere höchstens 160mm, aufweist.
  • Bei bevorzugten Varianten der Erfindung sind alle lösbaren elektrischen Anschlüsse und/oder alle lösbaren Fluidanschlüsse außerhalb des Gehäuses angeordnet. Dies kommt der Betriebssicherheit des Batteriesystems weiter zugute, da eine Leckage an den lösbaren Fluidanschlüssen nicht zu einer Flüssigkeitsansammlung innerhalb des Gehäuses führt. Vielmehr ist eine vorteilhafte Trennung zu Bauteilen hergestellt, die elektrischen Strom führen.
  • Seitlich entlang des Zellenblocks kann eine Elektronikplatine für ein Batterieüberwachungssystem angeordnet sein, die dem Energiespeichersegment zugeordnet ist. Die Elektronikplatine kann zur Überwachung der Spannung und/oder Temperatur der einzelnen Batteriezellen eingesetzt werden und ist vorteilhafterweise derart ausgebildet und mit dem Zellenblock gekoppelt, dass sich durch ihren Einbau in das Batteriesystem das Quadervolumen des Energiespeichersegments allenfalls geringfügig ändert, vorzugsweise unverändert bleibt.
  • Im Rahmen eines nebengeordneten Aspekts betrifft die Erfindung außerdem ein Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, mit einem zuvor beschriebenen Batteriesystem. Wegen der geringen Außendimensionen des Batteriesystems bei gleichzeitig hoher Speicherdichte kann das Batteriesystem einfach und platzsparend in ein Fahrzeug integriert werden.
  • Im Detail wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen
  • 1 eine Längsschnittansicht durch ein Gehäuse eines erfindungsgemäßen Batteriesystem; und
  • 2 eine perspektivische Ansicht des Längsschnitts durch das Gehäuse 1.
  • Das Batteriesystem weist ein Gehäuse 11 auf, das sich in ein Fluidanschlusssegment 12, ein Energiespeichersegment 13 und ein Elektrik-/Elektroniksegment 14 teilen lässt. Diese Funktionsteilung bildet sich insofern konstruktiv ab, als dass das Energiespeichersegment 13 im Wesentlichen ein Quadervolumen einschließt, in dem zumindest zwei übereinander angeordnete Zellenblöcke 16 angeordnet sind, die jeweils zwischen zwei durchströmbaren Kühlelementen 15 angeordnet sind.
  • Das Energiespeichersegment 13 wird durch die Außenkanten eines Quaders definiert, der wenigstens ein unteres Kühlelement 15a, einen unteren Zellenblock 16a, ein mittleres Kühlelement 15b, einen oberen Zellenblock 16b und ein oberes Kühlelement 15c aufweist. Die Zellenblöcke 16 sind jeweils aus mehreren Batteriezellen 17 gebildet, die elektrisch und mechanisch durch Kontaktplatten miteinander verbunden sind. Insgesamt berechnet sich die Höhe des Quadervolumens also aus dem Schichtaufbau aus Kühlelementen 15 und Zellenblöcken 16, wobei die Zellenblöcke 16 eine Höhe aufweisen, die der Höhe der Batteriezellen 17 zuzüglich der doppelten Dicke einer Kontaktplatte entspricht.
  • Vorzugsweise ergibt sich ein Quadervolumen für das Energiespeichersegment, das mindestens dem 0,5-fachen des Gesamt-Innenvolumens entspricht. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das Gehäuse ein quaderförmiges Innenvolumen aufweist. In konkreten Ausführungsformen kann das Quadervolumen auch wenigstens dem 0,55-fachen, insbesondere wenigstens dem 0,6-fachen, vorzugsweise wenigstens dem 0,62-fachen, besonders vorteilhaft wenigstens dem 0,65-fachen, des Gesamt-Innenvolumens des Gehäuses 11 entsprechen.
  • In einer konkreten Konstruktion beträgt das Innenvolumen des Gehäuses 11 etwa 54 l, wobei das Quadervolumen des Zellenblocks 16 etwa 36 l beträgt.
  • Die Batteriezellen sind durch Rundzellen gebildet. Die Rundzellen können beispielsweise jeweils einen Querschnittsdurchmesser von 18 mm und eine Höhe von 65 mm aufweisen. Die Rundzellen sind vorzugsweise Lithium-Ionen-Zellen des Typs 18650. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Batteriezellen 17 in Reihen angeordnet sind, wobei mehrere nebeneinander angeordnete Reihen von Batteriezellen 17 zu einem Zellenblock 16 zusammengefasst sind. Dabei können die jeweils benachbarten Reihen versetzt zueinander angeordnet sein, insbesondere um jeweils etwa die Hälfte des Zellendurchmesser, so dass eine besonders hohe Packungsdichte innerhalb der Zellenblöcke 16 erreicht wird. Dies wirkt sich positiv auf die Gesamtdimensionen des Batteriesystems aus. Mit anderen Worten kann bei unveränderter Größe des Gehäuses 11 eine erhöhte Energiespeicherdichte erreicht werden.
  • Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel des Batteriesystems 10 sind insgesamt 768 Batteriezellen 17 pro Zellenblock 16 vorgesehen. Trotz der hohen Anzahl an Batteriezellen 17 weist das Gehäuse 11 vorzugsweise eine Gesamthöhe auf, die zwischen 160 mm und 180 mm, insbesondere etwa 170 mm, beträgt.
  • Die Kühlelemente 15 können als Kühlbeutel bzw. Kühltaschen ausgebildet sein, die flexible Außenwände aufweisen. Die Kühlelemente 15 sind jedenfalls mit einem Kühlmittel durchströmbar, wozu die Kühlelemente 15 jeweils Fluidanschlüsse 20 umfassen. Die Fluidanschlüsse 20 sind an einem Anschlussende des jeweiligen Kühlelements 15 angeordnet und erstrecken sich aus dem Energiespeichersegment 13 hinaus in ein Fluidanschlusssegment 12. Das Fluidanschlusssegment 12 ist durch eine hintere Stirnwand 19 des Gehäuses 11 begrenzt. Die Fluidanschlüsse 20, die integral, also nicht lösbar, mit den Kühlelementen 15 verbunden sind, erstrecken sich durch die hintere Stirnwand 19 hindurch und sind in der hinteren Stirnwand 19 befestigt und abgedichtet.
  • Auf der dem Fluidanschlusssegment 12 gegenüberliegenden Seite des Energiespeichersegments 13 ist das Elektrik-/Elektroniksegment 14 angeordnet. Das Elektrik-/Elektroniksegment 14 beinhaltet alle elektrischen Verkabelungen und elektronischen Bauteile, die erforderlich sind, um die Zellenblöcke 16 mit einem elektrischen Anschluss 21 an einer vorderen Stirnwand 18 des Gehäuses 11 zu verbinden. Der elektrische Anschluss 21 kann sowohl einen Stromanschluss, als auch einen Signal- und/oder Datenanschluss umfassen.
  • Der elektrische Anschluss 21 ist auf einer Außenseite der vorderen Stirnwand 18 angeordnet und an der vorderen Stirnwand 18 befestigt und gegenüber dieser abgedichtet. Der elektrische Anschluss 21 und die Fluidanschlüsse 20 stellen Steckverbindungen bereit, um das Batteriesystem in einen Hybridantrieb zu integrieren. Dabei ist in dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel in bevorzugter Weise vorgesehen, dass alle lösbaren elektrischen Anschlüsse 21 und alle lösbaren Fluidanschlüsse 20 außerhalb des Gehäuses 11 angeordnet sind. Dies erhöht die Betriebssicherheit des Batteriesystems 10. Im Hinblick auf eine weitere Erhöhung der Packungsdichte ist jedoch auch denkbar, dass entweder die Fluidanschlüsse 20 oder der elektrische Anschluss 21 außerhalb des Gehäuses angeordnet sind/ist.
  • Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass das Energiespeichersegment 13 zusätzlich eine oder mehrere Elektronikplatinen aufweisen kann, die unmittelbar mit den Zellenblöcken 16 mechanisch und elektrisch verbunden sind, um eine Batterieüberwachung bereitzustellen. Die Elektronikplatine ermöglicht im Wesentlichen ein Abgreifen der Spannungen über einzelne Reihen von einzelnen Batteriezellen 17. Gleichzeitig kann die Elektronikplatine zur Temperaturmessung der einzelnen Zellenblöcke 16 genutzt werden. Im Wesentlichen ist vorgesehen, dass die Elektronikplatine derart bündig an einer Seitenfläche entlang des Zellenblocks 16 angeordnet ist, dass die Elektronikplatine vollständig in das Quadervolumen des Energiespeichersegments eingeht. Derartige Elektronikplatinen, von denen vorzugsweise jeweils eine einzige an jedem Zellenblock 16 angeordnet ist, werden zur Berechnung des Quadervolumens nicht dem Elektrik-/Elektroniksegment 14, sondern dem Energiespeichersegment 13 hinzugerechnet, wobei die Elektronikplatine vorzugsweise derart eng und bündig zwischen die Kontaktplatten der Zellenblöcke 16 integriert ist, dass dies auf die Berechnung des Quadervolumens kaum Einfluss nimmt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Batteriesystem
    11
    Gehäuse
    12
    Fluidanschlusssegment
    13
    Energiespeichersegment
    14
    Elektrik-/Elektroniksegment
    15
    Kühlelement
    15a
    unteres Kühlelement
    15b
    mittleres Kühlelement
    15c
    oberes Kühlelement
    16
    Zellenblock
    16a
    unterer Zellenblock
    16b
    oberer Zellenblock
    17
    Batteriezelle
    18
    vordere Stirnwand
    19
    hintere Stirnwand
    20
    Fluidanschluss
    21
    elektrischer Anschluss
  • 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
    • EP 2744034 A1 [0001, 0003]

Claims (7)

  1. Batteriesystem (10), insbesondere für einen Hybridantrieb, mit einem Gehäuse (11), das ein Fluidanschlusssegment (12), ein Energiespeichersegment (13) und ein Elektrik-/Elektroniksegment (14) aufweist, wobei das Energiespeichersegment (13) wenigstens zwei durchströmbare Kühlelemente (15) und wenigstens einen Zellenblock (16) aufweist, die jeweils aus mehreren elektrisch und mechanisch durch Kontaktplatten (15) verbundene Batteriezellen (17) gebildet sind, und wobei der Zellenblock (16) zwischen zwei Kühlelementen (15) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersegment (13) zwischen dem Fluidanschlusssegment(12) und dem Elektrik-/Elektroniksegment (14) angeordnet ist und ein Quadervolumen aufweist, das wenigstens dem 0,5-fachen des Gesamt-Innenvolumens des Gehäuses (11) entspricht.
  2. Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Quadervolumen wenigstens dem 0,55-fachen, insbesondere wenigstens dem 0,6-fachen, insbesondere wenigstens dem 0,62-fachen, insbesondere wenigstens dem 0,65-fachen, des Gesamt-Innenvolumens des Gehäuses (11) entspricht.
  3. Batteriesystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (17) durch Rundzellen, insbesondere des Typs 18650, gebildet sind.
  4. Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) eine Gesamthöhe von höchstens 200mm, insbesondere höchstens 190mm, insbesondere höchstens 180mm, insbesondere höchstens 170mm, insbesondere höchstens 160mm, aufweist.
  5. Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle lösbaren elektrischen Anschlüsse (21) und/oder alle lösbaren Fluidanschlüsse (20) außerhalb des Gehäuses (11) angeordnet sind.
  6. Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich entlang des Zellenblocks (16) eine Elektronikplatine für ein Batterieüberwachungssystem angeordnet ist, die dem Energiespeichersegment (13) zugeordnet ist.
  7. Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, mit einem Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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