DE102015008942A1 - Temperiervorrichtung für eine elektrische Batterie und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung (2) für eine elektrische Batterie (4) mit zumindest einem zur Aufnahme der elektrischen Batterie (4) vorgesehenen Temperierraum (3), wobei der Temperierraum (3) mit einem Temperiermedium (M) beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß ist der Temperierraum (3) in einem für eine Anordnung im Bereich eines Fahrzeugunterbodens ausgebildeten Unterfahrschutz ausgebildet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, umfassend zumindest eine solche an einem Fahrzeugunterboden angeordnete elektrische Batterie (4) und zumindest eine Temperiervorrichtung (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung für eine elektrische Batterie mit zumindest einem zur Aufnahme der elektrischen Batterie vorgesehenen Temperierraum.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, umfassend zumindest eine an einem Fahrzeugunterboden angeordnete elektrische Batterie und zumindest eine solche Temperiervorrichtung.
  • Aus der DE 20 2012 007 341 U1 ist eine Temperiervorrichtung für eine Batterie oder für Einzelzellen für elektrische oder hybride Fahrzeugantriebe bekannt. Die Temperiervorrichtung umfasst die Batterie oder die Einzelzellen, welche in einem mit Luft durchströmten Kühlraum positioniert ist bzw. sind. Die Luft ist dem Kühlraum aus der Umgebung oder einem Fahrzeuginnenraum durch eine Zuleitung zuführbar, wobei der Zuleitung ein Filterelement zur Filterung der Luft vorgeschaltet ist. Weiterhin wird ein Fahrzeug beschrieben, welches einen elektrischen oder hybriden Fahrzeugantrieb und eine Temperiervorrichtung für eine Batterie oder für Einzelzellen umfasst.
  • Ferner ist aus der DE 10 2008 034 887 A1 eine Temperiervorrichtung für eine Batterie mit mehreren Einzelzellen bekannt, wobei die Temperiervorrichtung eine mit einem Kühlmittel durchströmbare und mit den Einzelzellen Wärme leitend verbundene Kühlplatte und einen bedarfsweise zur Kühlung der Batterie einsetzbaren Luftkühler umfasst. Weiterhin wird ein Fahrzeug mit einer Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer Temperiervorrichtung für die Batterie beschrieben, wobei der Luftkühler an einer einem Fahrtwind ausgesetzten Außenfläche eines Fahrzeugs angeordnet ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Temperiervorrichtung für eine elektrische Batterie und ein verbessertes Fahrzeug anzugeben.
  • Hinsichtlich der Temperiervorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Fahrzeugs durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine Temperiervorrichtung für eine elektrische Batterie umfasst zumindest einen zur Aufnahme der elektrischen Batterie vorgesehenen Temperierraum. Erfindungsgemäß ist der Temperierraum in einem für eine Anordnung im Bereich eines Fahrzeugunterbodens ausgebildeten Unterfahrschutz ausgebildet, wobei der Unterfahrschutz zumindest abschnittsweise mit einem Temperiermedium beaufschlagbar ist.
  • Unter einem Unterfahrschutz wird dabei vorliegend ein Bauteil, insbesondere Verkleidungsteil, verstanden, welches an einem Fahrzeugunterboden befestigbar ist und zum Schutz der Batterie vor umweltbedingten Einflüssen, beispielsweise mechanischen und chemischen Einflüssen, vorgesehen ist. Hierzu ist der Unterfahrschutz beispielsweise wannenförmig ausgebildet und mit einer offenen Seite an dem Fahrzeugunterboden befestigbar.
  • Die Ausbildung des Unterfahrschutzes gemäß der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ermöglicht zusätzlich zum Schutz der Batterie vor umweltbedingten Einflüssen gleichzeitig eine effektive Temperierung der Batterie. Insbesondere wird mit dem Unterfahrschutz auch eine thermische Isolierung für die Batterie realisiert, so dass auch bei geringen Umgebungstemperaturen eine optimale Temperierung der Batterie sichergestellt ist.
  • In einer möglichen Ausgestaltung der Temperiervorrichtung ist der Unterfahrschutz an zumindest einer Innenfläche des Temperierraums und/oder die Batterie an zumindest einer einer Innenfläche des Temperierraums zugewandten Batteriewandung derart strukturiert, dass zwischen der Innenfläche und der Batteriewandung eine Kanalstruktur ausgebildet ist, wobei die Kanalstruktur mit dem Temperiermedium beaufschlagbar ist. Dabei wird aufgrund der außerhalb eines Batteriegehäuses ausgebildeten Kanalstruktur ein direkter Kontakt des Temperiermediums mit innerhalb des Batteriegehäuses angeordneten Batteriekomponenten vermieden, so dass durch im Temperiermedium mitgeführte Schmutzpartikel hervorgerufene Verschmutzungen der Batteriekomponenten und eine Kontamination der Kanalstruktur mit von den Batteriekomponenten ausgehenden Schadstoffen verhindert werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Unterfahrschutzes mit einem Temperierraum zur Aufnahme einer elektrischen Batterie,
  • 2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Unterfahrschutzes gemäß 1,
  • 3 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Unterfahrschutzes gemäß 1 und einer innerhalb des Temperierraums angeordneten elektrischen Batterie,
  • 4 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Unterfahrschutzes und einer innerhalb des Temperierraums angeordneten elektrischen Batterie,
  • 5 schematisch eine Draufsicht auf eine Außenseite des Unterfahrschutzes gemäß 4,
  • 6 schematisch eine Draufsicht auf eine Innenseite eines dritten Ausführungsbeispiels eines Unterfahrschutzes,
  • 7 schematisch ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung und
  • 8 schematisch ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Unterfahrschutzes 1. Der Unterfahrschutz 1 ist Bestandteil einer in den 7 und 8 näher dargestellten Temperiervorrichtung 2 und umfasst einen Temperierraum 3 zur Aufnahme einer in 3 näher dargestellten elektrischen Batterie 4. 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Unterfahrschutzes 1 gemäß 1 und 3 eine Schnittdarstellung des Ausschnitts mit der innerhalb des Temperierraums 3 angeordneten elektrischen Batterie 4.
  • Bei der Batterie 4 handelt es sich um eine Traktions- und/oder Starterbatterie für ein Fahrzeug, wie beispielsweise ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Die Batterie 4 ist an einem Fahrzeugunterboden angeordnet.
  • Derartige Batterien 4 zeichnen sich durch eine starke Temperaturabhängigkeit aus und weisen ihren maximalen Wirkungsgrad innerhalb eines engen Temperaturbereichs auf.
  • Aus diesem Grund erfolgt eine Temperierung der Batterie 4 mittels der Temperiervorrichtung 2, wobei der die Batterie 4 aufnehmende Temperierraum 3 des zur Temperiervorrichtung 2 gehörigen Unterfahrschutzes 1 von einem in den 7 und 8 näher dargestellten Temperiermedium M, insbesondere Luft, durchströmbar ist und mit diesem beaufschlagt wird. Zur Zuströmung und Abströmung des Temperiermediums M weist der Unterfahrschutz 1 an zwei sich gegenüberliegenden Seitenwänden jeweils eine Öffnung 1.4, 1.5 auf, wobei die Öffnungen 1.4, 1.5 in nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen zur Zu- und Abführung des Temperiermediums M mit so genannten Strömungshauben und/oder profilierten oder nicht-profilierten Luftrohranschlüssen versehen sind. Gleichzeitig ist der Unterfahrschutz 1 zum Schutz der Batterie 4 vor Umwelteinflüssen, insbesondere mechanischen und chemischen Einflüssen, und als thermischer Isolator ausgebildet.
  • Der Unterfahrschutz 1 ist wannenförmig ausgebildet und wird derart am Fahrzeugunterboden befestigt, dass die Batterie 4 zumindest abschnittsweise innerhalb des Temperierraums 3 angeordnet ist. Dabei wird der Unterfahrschutz 1 in einer möglichen Ausgestaltung der Temperiervorrichtung 2 derart befestigt, dass mittels diesem gleichzeitig die Befestigung der Batterie 4 am Fahrzeugunterboden erfolgt. Alternativ wird zunächst die Batterie 4 am Fahrzeugunterboden befestigt oder vorfixiert und anschließend wird der Unterfahrschutz 1 am Fahrzeugunterboden befestigt.
  • Ferner ist der Unterfahrschutz 1 mehrlagig ausgebildet, wobei zwischen einzelnen Lagen 1.1, 1.2 des Unterfahrschutzes 1 zumindest ein Hohlraum 1.3 ausgebildet ist. Insbesondere wird der Unterfahrschutz 1 in einem so genannten Twin-Sheet-Verfahren hergestellt. Hierbei wird zunächst ein beispielsweise plattenförmiges Ausgangsmaterial derart erwärmt, dass dieses sich elastisch verformen lässt. Anschließend wird das Ausgangsmaterial in einem Werkzeug angeordnet, welches eine Negativform einer zu erzeugenden Lage 1.1; 1.2 aufweist. Zwischen dem Ausgangsmaterial und dem Werkzeug wird ein Unterdruck erzeugt, so dass sich das Ausgangsmaterial zur entsprechenden Lage 1.1; 1.2. verformt. Dies erfolgt für beiden Lagen 1.1, 1.2 in unterschiedlichen Werkzeugen. Anschließend werden die beiden erzeugten Lagen 1.1, 1.2 innerhalb ihrer Werkzeuge unter Verwendung einer Restwärme und Erzeugung von Druck zusammengeführt. Ein Lösen der Lagen 1.1, 1.2 aus ihren Werkzeugen nach ihrer Verbindung erfolgt insbesondere durch ein Einblasen von Druckluft.
  • Beide Lagen 1.1, 1.2 sind strukturiert bzw. profiliert ausgebildet. Hierbei weist die Lage 1.1 an ihrer äußeren Bodenseite eine Rippenstruktur 1.6 auf, welche bei am Fahrzeug montiertem Unterfahrschutz 1 parallel zu einer Fahrzeuglängsachse angeordnet ist. Eine innere Bodenseite der Lage 1.2 weist ebenfalls eine Rippenstruktur 1.7 auf, welche senkrecht zur Rippenstruktur 1.6 verläuft. Hierdurch wird einerseits eine hohe mechanische Stabilität erzielt und andererseits ermöglicht, dass bei einem Aufsetzen des Fahrzeugs mit dem Unterfahrschutz 1 auf einem Untergrund Kräfte aufgenommen werden können und mittels der Rippenstruktur 1.6 Gleitwege erzeugt werden.
  • Um eine wirkungsvolle Temperierung der Batterie 4 mittels des Temperiermediums M, insbesondere anhand von mittels Fahrtwind in den Temperierraum 3 beförderter Luft zu erzeugen, ist die Batterie 4 an einer der inneren Bodenseite der Lage 1.2 und somit einer Bodenfläche des Temperierraums 3 zugewandten Batteriewandung derart strukturiert, dass zwischen der Bodenfläche und der Batteriewandung eine Kanalstruktur K ausgebildet ist. Diese Kanalstruktur K ist mit dem durch die Öffnung 1.4 zugeführten Temperiermedium M beaufschlagbar und wird durch die Öffnung 1.5 abgeführt. Das heißt, eine Eingangsseite der Kanalstruktur K ist bei am Fahrzeug montiertem Unterfahrschutz 1 in Fahrzeuglängsrichtung bzw. in Richtung einer Fahrzeuglängsachse nach vorn gerichtet und bildet einen Zuströmbereich für das Temperiermedium M. Eine Ausgangsseite der Kanalstruktur K ist bei am Fahrzeug montiertem Unterfahrschutz 1 in Fahrzeuglängsrichtung nach hinten gerichtet und bildet einen Abströmbereich für das Temperiermedium M.
  • In 4 ist eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels des Unterfahrschutzes 1 und der innerhalb des Temperierraums 3 angeordneten elektrischen Batterie 4 dargestellt.
  • Im Unterschied zu dem in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel weist die Lage 1.2 zusätzlich auch an ihrer der Lage 1.1 zugewandten äußeren Bodenseite eine Rippenstruktur 1.8 auf, welche parallel und in der dargestellten Weise alternierend zur Rippenstruktur 1.7 verläuft. Hierdurch wird eine weiter verbesserte Kraftaufnahme des Unterfahrschutzes 1 erzielt.
  • 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Außenseite des Unterfahrschutzes 1 gemäß 4, wobei die Rippenstruktur 1.6 bei am Fahrzeug montiertem Unterfahrschutz 1 parallel zur Fahrzeuglängsachse angeordnet ist.
  • In 6 ist eine Draufsicht auf eine Innenseite eines dritten Ausführungsbeispiels eines Unterfahrschutzes 1 dargestellt. Um eine Gleichmäßigkeit der Temperierung der Batterie 4 zu erhöhen umfasst die zwischen der Batterie 4 und der Bodenfläche des Temperierraums 3 ausgebildete Kanalstruktur K einen parallel zur Fahrzeuglängsachse ausgebildeten Längskanal L1. Dieser Längskanal L1 ist mit Eingangsseiten einer Mehrzahl mittels der Rippenstruktur 1.7 gebildeter Querkanäle O1 bis Qn fluidisch gekoppelt. Die Querkanäle O1 bis Qn verlaufen dabei bei am Fahrzeug montiertem Unterfahrschutz 1 im Wesentlichen parallel zu einer Fahrzeugquerrichtung bzw. Fahrzeugquerachse. Ausgangsseiten der Querkanäle O1 bis Qn sind jeweils mit einem weiteren Längskanal L2 oder Längskanal L3 gekoppelt, welche einen Abströmbereich für das Temperiermedium M bilden. Mittels einer solchen Kanalstruktur K ist eine Führung des Temperiermediums M entlang der der Bodenfläche des Temperierraums 3 zugewandten Batteriewandung in der Art möglich, dass ein Temperaturgradient der Batterie 4 ausgehend von einer in Fahrzeuglängsrichtung nach vorn gerichteten Batterieseite zu einer in Fahrzeuglängsrichtung nach hinten gerichteten Batterieseite minimiert wird.
  • 7 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Temperiervorrichtung 2. Die Temperiervorrichtung 2 umfasst den Unterfahrschutz 1 mit dem Temperierraum 3 zur Aufnahme der Batterie 4. Weiterhin umfasst die Temperiervorrichtung 2 einen stromeingangsseitig angeordneten Ansaugluftfilter 5, eine in Strömungsrichtung des Temperiermediums M dahinter angeordnete Drosselklappe 6 sowie einen in Strömungsrichtung hinter der Drosselklappe 6 angeordneten und als Gebläse oder Verdichter ausgebildeten Ventilator 7. Zwischen dem Ventilator 7 und dem Unterfahrschutz 1 ist ein Verdampfer 8 einer Klimaanlage des Fahrzeugs angeordnet.
  • Mittels des Ansaugluftfilters 5 werden aus dem als Luft ausgebildeten Temperiermedium M Schmutzpartikel gefiltert, um eine Verschmutzung der Kanalstruktur K zu vermeiden. Mittels der Drosselklappe 6 ist ein Durchsatz des Temperiermediums M insbesondere in Abhängigkeit einer Fahrzeuggeschwindigkeit und eines daraus resultierenden Fahrtwindes sowie einer Lufttemperatur einstellbar. Der Ventilator 7 ist dazu vorgesehen, eine Menge des der Kanalstruktur K zugeführten Temperiermediums M zu erhöhen oder der Kanalstruktur K auch bei stehendem Fahrzeug Luft als Temperiermedium M zuzuführen. Somit ist es mittels der Drosselklappe 6 und mittels des Ventilators 7 möglich, die Temperierung der Batterie 4 für jeden Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs flexibel anzupassen. Mittels des Verdampfers 8 kann eine Temperatur des Temperiermediums M eingestellt werden.
  • In 8 ist ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Temperiervorrichtung 2 dargestellt, wobei im Unterschied zu dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel die Drosselklappe 6 zwischen dem Verdampfer 8 und dem Unterfahrschutz 1 angeordnet ist. Zusätzlich ist zwischen dem Verdampfer 8 und der Drosselklappe 6 ein Abzweig angeordnet, in welchem ein Heizungswärmetauscher 9 für einen Fahrgastraum 10 des Fahrzeugs angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Temperatur des Temperiermediums M zusätzlich mittels eines Heizungsluftkreislaufs eingestellt wird. Beispielsweise wird hierzu ein Kühlluftstrom aus einem Belüftungskreislauf des Fahrzeugs abgezweigt. Bei warmen Umgebungstemperaturen ist dabei eine Nutzung der Klimaanlage sowohl zur Kühlung der Batterie 4 als auch zur Kühlung des Fahrgastraums 10 möglich. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen wird in Abhängigkeit der Isolierwirkung des Unterfahrschutzes 1 nur eine jeweils erforderliche Menge des Temperatiermediums M abgezweigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Unterfahrschutz
    1.1
    Lage
    1.2
    Lage
    1.3
    Hohlraum
    1.4
    Öffnung
    1.5
    Öffnung
    1.6
    Rippenstruktur
    1.7
    Rippenstruktur
    1.8
    Rippenstruktur
    2
    Temperiervorrichtung
    3
    Temperierraum
    4
    Batterie
    5
    Ansaugluftfilter
    6
    Drosselklappe
    7
    Ventilator
    8
    Verdampfer
    9
    Heizungswärmetauscher
    10
    Fahrgastraum
    K
    Kanalstruktur
    L1 bis L3
    Längskanal
    M
    Temperiermedium
    Q1 bis Qn
    Querkanal
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202012007341 U1 [0003]
    • DE 102008034887 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Temperiervorrichtung (2) für eine elektrische Batterie (4) mit – zumindest einem zur Aufnahme der elektrischen Batterie (4) vorgesehenen Temperierraum (3), – wobei der Temperierraum (3) mit einem Temperiermedium (M) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Temperierraum (3) in einem für eine Anordnung im Bereich eines Fahrzeugunterbodens ausgebildeten Unterfahrschutz (1) ausgebildet ist.
  2. Temperiervorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Unterfahrschutz (1) mehrlagig ausgebildet ist und – zwischen einzelnen Lagen (1.1, 1.2) des Unterfahrschutzes (1) zumindest ein Hohlraum (1.3) ausgebildet ist.
  3. Temperiervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Unterfahrschutz (1) an zumindest einer Innenfläche des Temperierraums (3) und/oder die Batterie (4) an zumindest einer einer Innenfläche des Temperierraums (3) zugewandten Batteriewandung derart strukturiert sind bzw. ist, dass zwischen der Innenfläche und der Batteriewandung eine Kanalstruktur (K) ausgebildet ist, – wobei die Kanalstruktur (K) mit dem Temperiermedium (M) beaufschlagbar ist.
  4. Temperiervorrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangsseite der Kanalstruktur (K) in Fahrzeuglängsrichtung nach vorn gerichtet ist und einen Zuströmbereich für das Temperiermedium (M) bildet.
  5. Temperiervorrichtung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsseite der Kanalstruktur (K) mit einem Ventilator (7) gekoppelt ist.
  6. Temperiervorrichtung (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsseite der Kanalstruktur (K) mit einem Verdampfer (8) einer Klimaanlage und/oder einem Heizkreislauf gekoppelt ist.
  7. Temperiervorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Eingangsseite der Kanalstruktur (K) eine Drosselklappe (6) zur Einstellung eines Durchsatzes des Temperiermediums (M) angeordnet ist.
  8. Temperiervorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (K) zumindest einen im Wesentlichen parallel zu einer Fahrzeuglängsrichtung ausgebildeten Längskanal (L1 bis L3) umfasst.
  9. Temperiervorrichtung (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – der zumindest eine Längskanal (L1) fluidisch mit einer Eingangsseite zumindest eines im Wesentlichen parallel zu einer Fahrzeugquerrichtung ausgebildeten Querkanals (Q1 bis Qn) gekoppelt ist und – eine Ausgangsseite des zumindest einen Querkanals (Q1 bis Qn) einen Abströmbereich für das Temperiermedium (M) bildet.
  10. Fahrzeug, umfassend zumindest eine an einem Fahrzeugunterboden angeordnete elektrische Batterie (4) und zumindest eine Temperiervorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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