DE102014215032A1 - Batteriemodul - Google Patents

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Abstract

Ein Batteriemodul für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug hat mehrere in einem Batteriestapel angeordnete Batteriezellen und ein den Batteriestapel umgebendes Gehäuse (12), das zwei auf den Stirnseiten des Batteriestapels angeordnete Druckplatten (14) und ein den Batteriestapel aufnehmendes U-Profil (16) sowie einen die offene Seite des U-Profils (16) verschließenden Deckel (20) umfasst. Die Druckplatten (14), das U-Profil (16) und der Deckel (20) schließen den Batteriestapel wasserdicht gegenüber der Umgebung ab.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
  • In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden in einem Batteriemodul mehrere einzelne, zumeist prismatische Batteriezellen zu einem Batteriestapel zusammengefasst. Aus Gründen des Temperaturausgleichs innerhalb des Batteriemoduls werden die einzelnen Batteriezellen im Batteriestapel unter einer Vorspannkraft zusammengepresst. Hierzu wird eine Spannvorrichtung eingesetzt, die zwei Druckplatten aufweist, die an den Stirnseiten des Batteriestapels anliegen, sowie zwei auf entgegengesetzten Seiten des Batteriestapels angeordnete Zuganker, die eine Zugspannung auf die beiden Druckplatten aufbringen und aufrechterhalten. Der Batteriestapel zusammen mit der Spannvorrichtung muss gegen Umwelteinflüsse geschützt werden, z. B. durch ein zusätzliches Gehäuse.
  • Die Batteriespannung und die Temperatur der einzelnen Batteriezellen werden normalerweise von einer Zellüberwachungseinheit (CSC) erfasst und an ein Batteriemanagementsystem übermittelt. Außerdem sind Stromsensoren, die den vom Batteriemodul gelieferten Strom erfassen und an das Batteriemanagementsystem übermitteln, vorgesehen, sowie Sicherungen und Abschaltschütze. Die diversen Steuergeräte und Elektronikkomponenten sind in der Regel an verschiedenen Orten im Fahrzeug verbaut.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes Batteriemodul zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriemodul für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit mehreren in einem Batteriestapel angeordneten Batteriezellen und einem dem Batteriestapel umgebenden Gehäuse, das zwei auf den Stirnseiten des Batteriestapels angeordnete Druckplatten und ein den Batteriestapel aufnehmendes U-Profil sowie einen die offene Seite des U-Profils verschließenden Deckel umfasst. Die Druckplatten, das U-Profil und der Deckel schließen den Batteriestapel wasserdicht gegenüber der Umgebung ab. Erfindungsgemäß werden die Batteriezellen des Batteriestapels durch die Druckplatten aneinander gepresst, sodass der Batteriestapel durch die beiden Druckplatten unter der gewünschten mechanischen Vorspannung gehalten wird. Eine separate Spannvorrichtung entfällt damit. Das Gehäuse besteht im Wesentlichen aus dem U-Profil, den Druckplatten und dem Deckel. Auf diese Weise wird Bauraum eingespart, und das fertige Batteriemodul weist kompakte Abmessungen auf und ist gleichzeitig bereits vollständig gegen Umgebungseinflüsse geschützt.
  • Vorzugsweise ist eine Modulelektronik für das Batteriemodul im Gehäuse aufgenommen, sodass zumindest ein Teil der notwendigen Elektronik direkt in das Batteriemodul integriert ist. Durch das wasserdichte Gehäuse ist auch die Elektronik gegen Umwelteinflüsse geschützt.
  • Die Modulelektronik kann beispielsweise eine Zellüberwachungseinheit (CSC), ein Batteriemanagementsystem, einen Stromsensor, ein Schütz und/oder eine Sicherung umfassen. Im Prinzip kann die gesamte zum Betrieb des Batteriemoduls notwendige Elektronik im Gehäuse aufgenommen sein. Das Schütz ist vorzugsweise als Halbleiterbauteil ausgeführt und in die Elektronik integriert, um eine kompaktere Bauweise zu ermöglichen.
  • Da das Gehäuse gegenüber der Umgebung im Wesentlichen abgeschlossen ist, ist vorzugsweise eine Notentgasungsvorrichtung im Gehäuse vorgesehen. Diese kann beispielsweise durch eine wasserdichte, aber gasdurchlässige Membran gebildet sein, die eine Öffnung im Gehäuse überspannt. Auf diese Weise wird die Wasserdichtigkeit des Gehäuses gewährleistet, während ein ständiger Druckausgleich mit der Umgebung möglich ist.
  • Zwischen dem Deckel und den Druckplatten sowie dem U-Profil kann eine Dichtung vorgesehen sein, sodass der Deckel beispielsweise über eine Schraubverbindung befestigt werden kann und das Batteriemodul zerstörungsfrei zu öffnen ist.
  • Das U-Profil ist jedoch vorzugsweise mit den Druckplatten fest verschweißt. Dabei ist es möglich, bei der Fertigung des Batteriemoduls über die Druckplatten auf den Batteriestapel eine gewünschte Vorspannung aufzubringen, die die Batteriezellen mit der gewünschten Kraft aneinander presst und die Druckplatten in dieser Position mit dem U-Profil zu verschweißen. Das Verschweißen kann beispielsweise durch ein Laserschweißverfahren erfolgen.
  • In den Druckplatten können Durchführungen zur Außenseite des Gehäuses vorgesehen sein, beispielsweise für elektrische Anschlussleitungen und Datenleitungen sowie für die Notentgasungsvorrichtung. Das U-Profil sowie der Deckel können hingegen im Wesentlichen geschlossen ausgebildet sein. Sind die notwendigen Anschlüsse des Batteriemoduls in den Druckplatten ausgebildet, so sind sie von den Stirnseiten des Batteriemoduls gut zugänglich, was in vielen Einbausituationen von Vorteil ist.
  • Bei herkömmlichen Batteriemodulen wird zwischen die Außenseite der Batteriezellen und die Spannvorrichtung eine elektrisch isolierende Klebefolie aufgebracht, um die Zellen gegenüber der Spannvorrichtung und der Umgebung zu isolieren. Erfindungsgemäß ist hingegen vorzugsweise die Innenseite des Gehäuses zur elektrischen Isolierung pulverbeschichtet, sodass das Gehäuse gleichzeitig eine elektrische Isolierung bietet. Die Pulverbeschichtung ersetzt die bisherigen Klebefolien, was den Herstellungsaufwand reduziert.
  • Das elektrisch angetriebene Fahrzeug ist vorzugsweise ein Motorrad oder ein Motorroller. Das Batteriemodul kann in einen Rahmen des Motorrads oder Motorrollers integriert sein, wobei das Gehäuse in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft ist. Da das Batteriemodul durch das wasserdichte Gehäuse gegen Umgebungseinflüsse geschützt ist, kann es so verbaut werden, dass es ohne weiteren Schutz vor Umwelteinflüssen, zum Beispiel ohne ein weiteres Gehäuse, in den Rahmen eingesetzt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass durch den Fahrtwind eine Luftkühlung realisiert werden kann und gegebenenfalls auf weitere Kühlsysteme, insbesondere eine Flüssigkeitskühlung, verzichtet werden kann.
  • Es ist auch denkbar, dass das U-Profil Teil des Rahmens des Fahrzeugs ist, also eine (zumindest teilweise) tragende Funktion übernimmt.
  • Zur Verbesserung der Kühlwirkung können das U-Profil und/oder die Druckplatten an ihrer Außenseite Kühlrippen aufweisen.
  • Natürlich lässt sich das erfindungsgemäße Batteriemodul auch in ein beliebiges anderes elektrisch angetriebenes Fahrzeug einsetzen, beispielsweise einen rein elektrisch angetriebenen PKW, einen Hybrid-PKW oder einen Plug-in Hybrid-PKW.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 ein erfindungsgemäßes Batteriemodul in einer schematischen perspektivischen Darstellung;
  • 2 das Batteriemodul aus 1 ohne Deckel und ohne Batteriezellen;
  • 3 das Batteriemodul aus 1, wobei lediglich der Batteriestapel sowie die stirnseitigen Druckplatten gezeigt sind;
  • 4 die Baugruppe aus 3 mit einem Deckel;
  • 5 das Batteriemodul aus 1 ohne Deckel;
  • 6 das Batteriemodul aus 1 in einer perspektivischen geschnittenen Ansicht;
  • 7 das Batteriemodul aus 1 in einer stirnseitigen Ansicht; und
  • 8 das Batteriemodul aus 7 einer Ansicht von der gegenüberliegenden Stirnseite.
  • 1 zeigt ein Batteriemodul 10 für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Motorrad oder einen Motorroller.
  • Das Batteriemodul 10 hat ein Gehäuse 12, das zwei stirnseitige Druckplatten 14 sowie ein U-Profil 16 umfasst, wobei die Druckplatten 14 das U-Profil 16 stirnseitig verschließen. Im Inneren des so gebildeten Kastens ist ein Batteriestapel 17 aus mehreren einzelnen Batteriezellen 18 (hier sieben Batteriezellen 18) aufgenommen (siehe beispielsweise 3).
  • Das Gehäuse 12 ist durch einen Deckel 20 verschlossen, der die offene Seite des U-Profils 16 abdeckt und der auf den freien Rändern der Druckplatten 14 aufliegt. Die Druckplatten 14, das U-Profil 16 und der Deckel 20 umgeben den Batteriestapel 17 vollständig und schließen ihn gegenüber der Umgebung wasserdicht ab.
  • Zur Fertigung des Batteriemoduls 10 wird der Batteriestapel 17 aus den aneinandergereihten losen Batteriezellen 18 zwischen den beiden Druckplatten 14 angeordnet und über eine nicht gezeigte Vorrichtung zusammengedrückt, bis eine gewünschte Vorspannkraft, mit der die einzelnen Batteriezellen 18 aneinander gepresst werden, erreicht ist. In dieser Position werden die Druckplatten 14 mit dem U-Profil 16 verschweißt, beispielsweise mittels Laserschweißen. Der Batteriestapel 17 ist somit ohne die Notwendigkeit einer weiteren Spannvorrichtung mit dem gewünschten Maß an Vorspannung im Gehäuse 12 gehalten.
  • Anschließend kann der Deckel 20 aufgesetzt und beispielsweise verschraubt werden, wobei eine (nicht dargestellte) Dichtung vorgesehen ist, um die Wasserdichtigkeit des Gehäuses 12 zu gewährleisten.
  • Die Druckplatten 14 weisen diverse Durchführungen 22 auf, die beispielsweise dazu dienen, elektrische Anschlusskabel 24 mit den Batteriezellen 18 zu verbinden. An einer der Durchführungen 22 ist hier eine Notentgasungsvorrichtung 26 angebracht, die bei einem im Inneren des Gehäuses 12 entstehenden Überdruck Gas nach außen abgeben kann. Sie kann auch dazu eingesetzt werden, ständig einen Druckausgleich zur Umgebung zu schaffen. Es ist möglich, in der Notentgasungsvorrichtung 26 eine gasdurchlässige, wasserundurchlässige Membran zu verwenden.
  • Die Innenseite des Gehäuses 12 ist mit einer Beschichtung versehen, die die Batteriezellen 18 gegenüber dem Gehäuse 12 elektrisch isoliert. Die Beschichtung ist hier in Form einer (nicht näher dargestellten) Pulverbeschichtung realisiert, die vor dem Zusammenbau der einzelnen Komponenten auf die Druckplatten 14, das U-Profil 16 und den Deckel 20 aufgebracht wird.
  • Auf eine weitere elektrische Isolierung des Batteriestapels 17 gegenüber dem Gehäuse 12 wird hier verzichtet. Zwischen den einzelnen Batteriezellen 18 des Batteriestapels 17 können wie bekannt selbstklebende elektrisch isolierende Folien vorgesehen sein (nicht dargestellt).
  • Im Inneren des Gehäuses 12 sind in diesem Beispiel auch die notwendigen elektronischen Komponenten einer Modulelektronik 28 des Batteriemoduls 10 aufgenommen, beispielsweise eine Zellüberwachungseinheit, ein Batteriemanagementsystem, ein Stromsensor, ein Halbleiterschütz und eine Sicherung. In diesem Fall sind diese zwischen dem Batteriestapel 17 und dem Deckel 20 angeordnet, wo sie auf einer oder mehreren Platinen platziert sind (siehe 5 und 6).
  • Das Batteriemodul 10 wird in diesem Beispiel direkt an einen Rahmen eines Motorrads oder Motorrollers montiert, ohne dass ein zusätzliches wasserdichtes Gehäuse vorgesehen wäre. Es ist natürlich möglich, ein Verkleidungsteil über dem Batteriemodul 10 anzuordnen. Jedoch ist vorzugsweise ein direkter Kontakt mit Umgebungsluft gegeben, die entlang des Batteriemoduls 10 strömen kann (nicht näher gezeigt).
  • Das Batteriemodul 10 ist hier luftgekühlt. Zu diesem Zweck weisen sowohl das U-Profil 16 als auch die Druckplatten 14 jeweils eine Reihe von parallel verlaufenden Kühlrippen 30 auf. Die Kühlrippen 30 sind im eingebauten Zustand im Wesentlichen parallel zum Luftstrom ausgerichtet.
  • Die Kühlung durch den Fahrtwind kann ausreichend sein, sodass gegebenenfalls auf weitere Kühlsysteme, insbesondere eine Wasserkühlung, verzichtet werden kann. Jedoch kann beispielsweise eine zusätzliche ventilatorgestützte Luftkühlung vorgesehen sein.
  • Es ist auch möglich, nicht nur eines der gezeigten Batteriemodule 10 zu verbauen, sondern mehrere Batteriemodule 10, die parallel oder in Reihe verschaltet werden können.

Claims (10)

  1. Batteriemodul für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit mehreren in einem Batteriestapel angeordneten Batteriezellen (18) und einem den Batteriestapel (17) umgebenden Gehäuse (12), das zwei auf den Stirnseiten des Batteriestapels (17) angeordnete Druckplatten (14) und ein den Batteriestapel (17) aufnehmendes U-Profil (16) sowie einen die offene Seite des U-Profils (16) verschließenden Deckel (20) umfasst, wobei die Druckplatten (14), das U-Profil (16) und der Deckel (20) den Batteriestapel (17) wasserdicht gegenüber der Umgebung abschließen.
  2. Batteriemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (12) eine Modulelektronik (28) für das Batteriemodul (10) aufgenommen ist.
  3. Batteriemodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulelektronik (28) einen Zellüberwachungseinheit (CSC), ein Batteriemanagementsystem, einen Stromsensor, ein Schütz und/oder eine Sicherung umfasst.
  4. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (12) eine Notentgasungsvorrichtung (26) vorgesehen ist.
  5. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Deckel (20) und den Druckplatten (14) sowie dem U-Profil (16) eine Dichtung vorgesehen ist.
  6. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das U-Profil (16) mit den Druckplatten (14) verschweißt ist.
  7. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Druckplatten (14) Durchführungen (22) zur Außenseite des Gehäuses (12) vorgesehen sind.
  8. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite des Gehäuses (12) zur elektrischen Isolierung pulverbeschichtet ist.
  9. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) in einen Rahmen eines Motorrads oder Motorrollers integriert ist und das Gehäuse (12) in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft ist.
  10. Batteriemodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das U-Profil (16) und/oder die Druckplatten (14) an ihrer Außenseite Kühlrippen (30) aufweisen.
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