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GEBIET DER TECHNIK
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Diese Offenbarung betrifft Thermomanagementsysteme für in Fahrzeugen verwendete Hochspannungsbatterien.
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HINTERGRUND
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Fahrzeuge wie Batterieelektrofahrzeuge (BEVs), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs), Mildhybridelektrofahrzeuge (MHEVs) oder Vollhybridelektrofahrzeuge (FHEVs) enthalten eine Traktionsbatterie, etwa eine Hochspannungs(HV)-Batterie, die als Vortriebsquelle für das Fahrzeug dient. Die HV-Batterie kann Komponenten und Systeme beinhalten, welche die Regelung des Leistungsverhaltens und des Betriebs des Fahrzeugs unterstützen. Die HV-Batterie kann eine oder mehrere Anordnungen von Batteriezellen beinhalten, die elektrisch zwischen Batteriezellenpolen und Zusammenschaltungssammelschienen zusammengeschaltet sind. Die HV-Batterie und die Umgebung darum herum können ein Thermomanagementsystem zum Unterstützen der Regelung der Temperatur der Komponenten, Systeme und einzelnen Batteriezellen der HV-Batterie beinhalten.
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KURZDARSTELLUNG
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Eine Traktionsbatteriebaugruppe beinhaltet eine Anordnung von Batteriezellen mit gegenüberliegenden Endflächen, gegenüberliegenden Seitenflächen und einer Bodenfläche. Die Baugruppe beinhaltet auch ein Paar von Endplatten und ein Paar von Seitenplatten, die derart eingerichtet sind, dass sie eine vierseitige Einfassung um die End- und die Seitenflächen herum ausbilden, und sie ist derart ausgestaltet, dass sie die Zellen zusammendrückt und hält, ohne mechanisch daran angebracht zu sein oder die Bodenfläche abzudecken. Die Seitenplatten decken einen oberen Abschnitt der Anordnung teilweise ab. Die Endplatten und die Seitenplatten können je ein Paar vertikaler Kantenabschnitte aufweisen und können an den jeweiligen Kantenabschnitten mechanisch aneinander befestigt sein. Die Seitenplatten können eine Ebene definieren und mindestens eines der mechanischen Befestigungselemente kann im Wesentlichen senkrecht zur Ebene orientiert sein. Die Seitenplatten können eine untere horizontale Kante, eine obere horizontale Kante und mindestens eine diagonale Verstärkungsrippe aufweisen, die so ausgestaltet ist, dass sie sich von einer Stelle weg erstreckt, an der die vertikale Kante und die untere horizontale Kante aufwärts zur oberen horizontalen Kante hin aneinanderstoßen. Eine Mittelplatte kann sich zentral innerhalb der Anordnung befinden, mechanisch an den Seitenplatten befestigt und derart ausgestaltet sein, dass sie eine Biegemomentkraft aufnimmt, die von den Seitenplatten erzeugt wird. Zwischen benachbarten Batteriezellen kann sich eine Vielzahl von Abstandsstücken befinden, die eine sich von einem oberen Abschnitt des Abstandsstücks weg erstreckende Lasche beinhalten, die derart ausgestaltet ist, dass sie ein sich zwischen den gegenüberliegenden Endflächen der Anordnung erstreckendes Sammelschienenmodul fixiert und sich mit ihm zusammenfügt. Jede der Endplatten kann eine vertikal orientierte Anhebeöffnung an einem oberen Abschnitt der Endplatten definieren, die so ausgestaltet ist, dass von einem Installationswerkzeug in sie eingegriffen werden kann.
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Ein Fahrzeug beinhaltet eine Anordnung von Batteriezellen mit gegenüberliegenden Endflächen, gegenüberliegenden Seitenflächen, einer Bodenfläche und einer oberen Fläche. Das Fahrzeug beinhaltet auch ein Paar von mit den Endflächen korrespondierenden Endplatten und ein Paar von mit den Seitenflächen korrespondierenden Seitenplatten. Die Platten sind so ausgestaltet, dass sie die Anordnung dazwischen zusammendrücken und halten, ohne mechanisch an der Anordnung befestigt zu sein. Das Fahrzeug beinhaltet auch eine Vielzahl von Abstandsstücken, die sich je zwischen benachbarten Batteriezellen befinden, welche eine sich über der oberen Fläche erstreckende Lasche beinhalten, die derart ausgestaltet ist, dass sie ein Sammelschienenmodul fixiert und sich mit ihm zusammenfügt, und die einen unteren Rillenabschnitt definieren, der derart ausgestaltet ist, dass er die benachbarten Zellen an einem Abschnitt der Zellen über der Bodenfläche kontaktiert und trägt. Jedes der Abstandsstücke kann weiter einen oberen Rillenabschnitt definieren, der derart ausgestaltet ist, dass er die benachbarten Zellen an einem Abschnitt der Zellen unter der oberen Fläche kontaktiert, sodass der untere Rillenabschnitt und der obere Rillenabschnitt die Zellen vertikal halten. Die Seitenplatten können einen oberen Abschnitt, der derart ausgestaltet ist, dass er einen Abschnitt der oberen Fläche der Zellen abdeckt, und eine vertikal orientierte Aufnahmeöffnung an beiden Enden des oberen Abschnitts definieren, die derart ausgestaltet ist, dass sie ein mechanisches Befestigungselement aufnimmt und eine Last zwischen den Seitenplatten und den Zellen aufbaut, die durch ihre Zusammendrückung erzeugt wird. Ein Paar dielektrischer Schienen kann sich zwischen dem oberen Abschnitt der Seitenplatten und der oberen Fläche der Anordnung befinden und kann eine derartige Dicke aufweisen, dass zwischen der Bodenfläche und einer Oberfläche darunter eine Kraft erzeugt wird. Die Dicke der dielektrischen Schienen kann an einem Mittelbereich der dielektrischen Schienen größer sein als an gegenüberliegenden Enden der dielektrischen Schienen. Die Oberfläche kann ein oberer Abschnitt einer Thermoplatte in thermischer Kommunikation mit der Anordnung sein. Eine Mittelplatte kann sich zentral innerhalb der Anordnung befinden, mechanisch an den Seitenplatten befestigt sein, derart ausgestaltet sein, dass sie eine durch ein Biegemoment der Seitenplatten erzeugte Kraft aufnimmt, und eine vertikale Anhebeöffnung an einem oberen Abschnitt der Mittelplate definieren, die derart ausgestaltet ist, dass von einem Werkzeug in sie eingegriffen werden kann.
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Eine Traktionsbatteriebaugruppe beinhaltet eine Anordnung von Batteriezellen mit gegenüberliegenden Endflächen, gegenüberliegenden Seitenflächen, einer oberen Fläche und einer Bodenfläche, die eine Grundfläche definiert. Die Baugruppe beinhaltet auch eine Thermoplatte in thermischer Kommunikation mit den Zellen, die derart ausgestaltet ist, dass sie Thermofluidströmungen darin lenkt. Die Baugruppe beinhaltet auch eine außerhalb der Grundfläche befindliche vierseitige Tragstruktur, die gegenüberliegende Endplatten und Seitenplatten beinhaltet, die derart ausgestaltet sind, dass sie die Zellen dazwischen zusammendrücken und halten, ohne mechanisch daran befestigt zu sein. Die Seitenplatten beinhalten einen oberen Abschnitt, der einen Abschnitt der oberen Fläche abdeckt und sich entlang diesem Abschnitt erstreckt, sodass der obere Abschnitt und die Thermoplatte vertikale Kräfte gegen die obere Fläche bzw. die Bodenfläche erzeugen. Zwischen benachbarten Zellen kann sich eine Vielzahl von Abstandsstücken befinden, die obere und untere Rillen definieren, die derart ausgestaltet sind, dass sie die Zellen dazwischen kontaktieren und halten, ohne die obere oder die untere Fläche zu kontaktieren. Die Endplatten und die Seitenplatten können Anbringungsöffnungen definieren, die im Wesentlichen parallel zu einer Länge der Zellen an den vier Ecken der Struktur außerhalb der Grundfläche orientiert sind und sie können derart ausgestaltet sein, dass sie Befestigungselemente aufnehmen, um die Platten mechanisch aneinander anzubringen. Die Endplatten und die Seitenplatten können Anbringungsöffnungen definieren, die im Wesentlichen parallel zu einer Höhe der Zellen an den vier Ecken der Struktur außerhalb der Grundfläche orientiert und derart ausgestaltet sind, dass sie Befestigungselemente aufnehmen, um die Platten mechanisch aneinander anzubringen. Die Seitenplatten können die jeweiligen gegenüberliegenden Seitenflächen der Anordnung mindestens teilweise kontaktieren. Eine Mittelplatte kann sich zentral innerhalb der Anordnung befinden und an einem im Wesentlichen zentralen Abschnitt beider Seitenplatten angebracht und derart ausgestaltet sein, dass sie auf die Anordnung angewendete Druckkräfte ablenkt. Die Seitenplatten können mindestens eine diagonale Verstärkungsrippe definieren, die sich von einer unteren horizontalen Kante der Seitenplatten zu einer Stelle auf dem oberen Abschnitt der Seitenplatten erstreckt, die im Wesentlichen äquidistant zur Endplatte und zur Mittelplatte ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Abbildung eines Batterieelektrofahrzeugs.
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Thermomanagementsystems für die Traktionsbatterie des Fahrzeugs in 1.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Traktionsbatteriebaugruppe.
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4A ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer anderen Traktionsbatteriebaugruppe, die eine Batteriebaugruppe mit einer Außentragstruktur und eine Batteriezellenanordnung beinhaltet.
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4B ist eine perspektivische Ansicht einer Batteriezellenanordnung aus der Batteriebaugruppe von 4A.
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5 ist eine perspektivische Ansicht einer Endplatte aus der Batteriebaugruppe von 4A.
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6 ist eine perspektivische Ansicht einer Seitenplatte aus der Batteriebaugruppe von 4A.
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7 ist eine perspektivische Ansicht einer Mittelplatte aus der Batteriebaugruppe von 4A.
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8 ist eine perspektivische Ansicht eines Abstandsstücks aus der Batteriebaugruppe von 4A.
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9 ist eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle aus der Batteriebaugruppe von 4A.
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10 ist eine Seitenansicht des Abstandsstücks von 8 und zwei Batteriezellen.
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11 ist eine perspektivische Ansicht einer dielektrischen Stange aus der Batteriebaugruppe von 4A.
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12 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer anderen Traktionsbatteriebaugruppe, die mehrere Batteriebaugruppen mit Außentragstrukturen und Batteriezellenanordnungen beinhaltet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen anders und alternativ ausgebildet sein können. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder verkleinert sein, um Einzelheiten konkreter Komponenten zu zeigen. Deshalb dürfen spezielle Struktur- und Funktionseinzelheiten, die hierin offenbart werden, nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um dem Fachmann zu lehren, wie von der vorliegenden Erfindung unterschiedlich Gebrauch gemacht werden kann. Wie für den Durchschnittsfachmann ersichtlich sein wird, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen ergeben repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Abwandlungen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für konkrete Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
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1 bildet eine schematische Darstellung eines typischen Plug-in-Hybridelektrofahrzeugs (PHEV) ab. Ein typisches Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 12 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 14 sind möglicherweise als Motor oder Generator betreibbar. Darüber hinaus ist das Hybridgetriebe 16 mechanisch mit einer Kraftmaschine 18 verbunden. Das Hybridgetriebe 16 ist auch mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 14 können eine Vortriebs- und Abbremsfähigkeit bereitstellen, wenn die Kraftmaschine 18 ein- oder ausgeschaltet ist. Die elektrischen Maschinen 14 können auch als Generatoren dienen und können Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteile bieten, insofern als sie Energie zurückgewinnen, die normalerweise als Wärme im Reibungsbremssystem verloren ginge. Die elektrischen Maschinen 14 können auch verringerte Schadstoffausstöße ermöglichen, da sich das Hybridelektrofahrzeug 12 unter bestimmten Bedingungen im Elektromodus oder im Hybridmodus betreiben lässt, um den Gesamtkraftstoffverbrauch des Fahrzeugs 12 zu verringern.
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Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 24 speichert und liefert Energie, die von den elektrischen Maschinen 14 genutzt werden kann. Die Traktionsbatterie 24 liefert typischerweise einen Hochspannungsgleichstrom, der von einer oder mehreren Batteriezellenanordnungen, manchmal bezeichnet als Batteriezellenstapel, innerhalb der Traktionsbatterie 24 abgegeben wird. Die Batteriezellenanordnungen können eine oder mehrere Batteriezellen beinhalten. Die Traktionsbatterie 24 ist durch ein oder mehrere Schütze (nicht gezeigt) mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 26 elektrisch verbunden. Das eine oder die mehreren Schütze isolieren die Traktionsbatterie 24 von anderen Komponenten, wenn sie geöffnet sind, und verbinden die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 26 ist auch mit den elektrischen Maschinen 14 elektrisch verbunden und bietet die Fähigkeit zum Übertragen von elektrischer Energie in zwei Richtungen zwischen der Traktionsbatterie 24 und den elektrischen Maschinen 14. Eine typische Traktionsbatterie 24 liefert zum Beispiel möglicherweise eine Gleichspannung, während die elektrischen Maschinen 14 möglicherweise eine Dreiphasenwechselspannung erfordern, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in eine Dreiphasenwechselspannung umformen, wie für die elektrischen Maschinen 14 erforderlich. In einem regenerativen Modus kann das Leistungselektronikmodul 26 die Dreiphasenwechselspannung von den als Generatoren dienenden elektrischen Maschinen 14 in die Gleichspannung umwandeln, die für die Traktionsbatterie 24 erforderlich ist. Die Beschreibung hierin ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Für ein reines Elektrofahrzeug ist das Hybridgetriebe 16 möglicherweise ein Getriebekasten, der mit einer elektrischen Maschine 14 verbunden ist, und die Kraftmaschine 18 ist möglicherweise nicht vorhanden.
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Die Traktionsbatterie 24 liefert nicht nur Energie für den Vortrieb, sondern kann auch Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme liefern. Ein typisches System kann ein Gleichstromrichtermodul 28 beinhalten, das die Hochspannungsgleichstromabgabe der Traktionsbatterie 24 in eine Niederspannungsgleichstrommenge umformt, die auf andere Fahrzeuglasten abgestimmt ist. Andere Hochspannungslasten wie Kompressoren und Elektroheizkörper lassen sich ohne die Nutzung eines Gleichstromrichtermoduls 28 direkt mit der Hochspannung verbinden. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme mit einer Reservebatterie 30 (z. B. einer 12 V-Batterie) elektrisch verbunden.
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Ein elektrisches Batteriesteuermodul (Battery Electrical Control Module, BECM) 33 kann in Kommunikation mit der Traktionsbatterie 24 stehen. Das BECM 33 dient möglicherweise als Steuereinrichtung für die Traktionsbatterie 24 und beinhaltet möglicherweise auch ein elektronisches Überwachungssystem, das die Temperatur und den Ladezustand jeder der Batteriezellen regelt. Die Traktionsbatterie 24 weist möglicherweise einen Temperaturfühler 31 wie einen Thermistor oder ein anderes Temperaturanzeigegerät auf. Der Temperaturfühler 31 kann in Kommunikation mit dem BECM 33 stehen, um Temperaturdaten hinsichtlich der Traktionsbatterie 24 zu liefern. Der Temperaturfühler 31 befindet sich möglicherweise auch auf oder nahe bei den Batteriezellen innerhalb der Traktionsbatterie 24. Es ist auch vorgesehen, dass mehr als nur ein Temperaturfühler 31 zum Überwachen der Temperatur der Batteriezellen genutzt werden kann.
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Das Fahrzeug 12 ist zum Beispiel möglicherweise ein Elektrofahrzeug wie ein PHEV, ein FHEV, ein MHEV oder ein BEV, in dem die Traktionsbatterie 24 von einer externen Stromquelle 36 wiederaufgeladen werden kann. Die externe Stromquelle 36 kann eine Verbindung zu einer elektrischen Steckdose sein. Die externe Stromquelle 36 kann mit der Elektrofahrzeugladestation (Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE) 38 elektrisch verbunden sein. Die EVSE 38 kann Schaltungs- und Steuerelemente zum Einstellen und Regeln der Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Stromquelle 36 und dem Fahrzeug 12 bereitstellen. Die externe Stromquelle 36 kann elektrischen Gleich- oder Wechselstrom an die EVSE 38 liefern. Die EVSE 38 kann einen Ladestecker 40 zum Einführen in einen Ladeanschluss 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeanschluss 34 kann ein Anschluss von einem beliebigen Typ sein, der derart ausgestaltet ist, dass er Strom von der EVSE 38 an das Fahrzeug 12 überträgt. Der Ladeanschluss 34 kann mit einem Ladegerät oder einem bordeigenen Stromrichtermodul 32 elektrisch verbunden sein. Das Stromrichtermodul 32 kann den von der EVSE 38 zugeführten Strom konditionieren, um die richtigen Spannungs- und Strompegel an die Traktionsbatterie 24 zu liefern. Das Stromrichtermodul 32 kann mit der EVSE 38 über eine Schnittstelle kommunizieren, um die Zuführung von Strom an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 40 kann Stifte aufweisen, die in korrespondierende Ausnehmungen des Ladeanschlusses 34 passen.
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Die verschiedenen Komponenten, die erörtert werden, können eine oder mehrere assoziierte Steuereinrichtungen zum Steuern und Überwachen des Betriebs der Komponenten aufweisen. Die Steuereinrichtungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren.
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Die Batteriezellen, etwa eine prismatische Zelle, können elektrochemische Zellen beinhalten, die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umformen. Prismatische Zellen können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) beinhalten. Dank eines Elektrolyts können sich während einer Entladung Ionen zwischen der Anode und der Kathode bewegen und dann während einer Wiederaufladung zurückwandern. Dank Polen kann Strom aus der Zelle zur Nutzung durch das Fahrzeug herausfließen. Die Pole jeder Batteriezelle können, wenn sie in einer Anordnung mit mehreren Batteriezellen positioniert sind, an entgegengesetzten Polen (positiv und negativ) nebeneinander ausgerichtet sein und eine Sammelschiene kann das Herstellen einer Reihenschaltung zwischen den mehreren Batteriezellen unterstützen. Die Batteriezellen können auch parallel eingerichtet sein, sodass ähnliche Pole (positiv und positiv oder negativ und negativ) nebeneinander sind. Zum Beispiel sind zwei Batteriezellen möglicherweise so eingerichtet, dass positive Pole nebeneinander sind, und die nächsten zwei Zellen sind möglicherweise so eingerichtet, dass negative Pole nebeneinander sind. Bei diesem Beispiel kann die Sammelschiene Pole von allen vier Zellen kontaktieren.
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Die Traktionsbatterie 24 kann mittels eines Flüssigkeitsthermomanagementsystems, eines Luftthermomanagementsystems oder eines anderen Verfahrens, wie aus dem Stand der Technik bekannt, erwärmt und/oder gekühlt werden. Bei einem Beispiel für ein Flüssigkeitsthermomanagementsystem und unter jetziger Bezugnahme auf 2 kann die Traktionsbatterie 24 eine Batteriezellenanordnung 88 beinhalten, die von einer Thermoplatte 90 getragen gezeigt wird, welche durch ein Thermomanagementsystem zu erwärmen und/oder zu kühlen ist. Die Batteriezellenanordnung 88 kann eine Vielzahl von zueinander benachbart positionierten Batteriezellen 92 und Strukturkomponenten beinhalten. Das Gleichstromrichtermodul 28 und/oder das BECM 33 können auch eine Kühlung und/oder eine Erwärmung unter bestimmten Betriebsbedingungen erfordern. Eine Thermoplatte 91 kann das Gleichstromrichtermodul 28 und das BECM 33 tragen und das Thermomanagement dabei unterstützen. Zum Beispiel kann das Gleichstromrichtermodul 28 während der Spannungsumformung Wärme erzeugen, die möglicherweise abgeleitet werden muss. Alternativ können die Thermoplatten 90 und 91 in fluidischer Kommunikation miteinander stehen und einen gemeinsamen Fluideinlassanschluss und einen gemeinsamen Fluidauslassanschluss haben.
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Bei einem Beispiel ist die Batteriezellenanordnung 88 möglicherweise so an der Thermoplatte 90 montiert, dass nur eine Oberfläche von jeder der Batteriezellen 92, etwa eine untere Oberfläche, in Kontakt mit der Thermoplatte 90 ist. Die Thermoplatte 90 und einzelne Batteriezellen 92 können Wärme untereinander übertragen, um die Regelung der thermischen Konditionierung der Batteriezellen 92 innerhalb der Batteriezellenanordnung 88 während des Fahrzeugbetriebs zu unterstützen. Eine gleichmäßige Thermofluidverteilung und eine hohe Wärmeübertragungsfähigkeit sind zwei Gesichtspunkte bezüglich der Thermoplatte 90, um ein effektives Thermomanagement der Batteriezellen 92 innerhalb der Batteriezellenanordnungen 88 und anderer Komponenten darum herum zu ermöglichen. Da sich Wärme zwischen der Thermoplatte 90 und dem Thermofluid durch Leitung und Konvektion überträgt, ist der Oberflächeninhalt in einem Thermofluidströmungsfeld wichtig für eine effektive Wärmeübertragung, sowohl zum Abführen von Wärme als auch zum Erwärmen der Batteriezellen 92 bei kalten Temperaturen. Zum Beispiel wird durch das Laden und Entladen der Batteriezellen Wärme erzeugt, die sich negativ auf das Leistungsverhalten und die Lebensdauer der Batteriezellenanordnung 88 auswirken kann, falls sie nicht abgeführt wird. Alternativ kann die Thermoplatte 90 auch Wärme an die Batteriezellenanordnung 88 liefern, wenn sie kalten Temperaturen ausgesetzt wird.
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Die Thermoplatte 90 kann einen oder mehrere Kanäle 93 und/oder einen Hohlraum beinhalten, um Thermofluid durch die Thermoplatte 90 zu verteilen. Die Thermoplatte 90 beinhaltet zum Beispiel möglicherweise einen Einlassanschluss 94 und einen Auslassanschluss 96, die in Kommunikation mit den Kanälen 93 stehen können, um das Thermofluid bereitzustellen und umzuwälzen. Die Positionierung des Einlassanschlusses 94 und des Auslassanschlusses 96 relativ zu den Batteriezellenanordnungen 88 kann variieren. Zum Beispiel, und wie in 2 gezeigt, können der Einlassanschluss 94 und der Auslassanschluss 96 relativ zu den Batteriezellenanordnungen 88 zentral positioniert sein. Der Einlassanschluss 94 und der Auslassanschluss 96 können auch seitlich an den Batteriezellenanordnungen 88 positioniert sein. Alternativ kann die Thermoplatte 90 einen Hohlraum (nicht gezeigt) in Kommunikation mit dem Einlassanschluss 94 und dem Auslassanschluss 96 definieren, um das Thermofluid bereitzustellen und umzuwälzen. Die Thermoplatte 91 kann einen Einlassanschluss 95 und einen Auslassanschluss 97 beinhalten, um Thermofluid zu- und abzuführen. Wahlweise kann eine Schicht aus Wärmeleitmaterial (nicht gezeigt) auf die Thermoplatte 90 und/oder 91 unter der Batteriezellenanordnung 88 und/oder dem Gleichstromrichtermodul 28 bzw. dem BECM 33 aufgebracht sein. Die Schicht aus Wärmeleitmaterial kann die Wärmeübertragung zwischen der Batteriezellenanordnung 88 und der Thermoplatte 90 verbessern, indem sie zum Beispiel hohle Bereiche und/oder Lufteinschlüsse zwischen den Batteriezellen 92 und der Thermoplatte 90 auffüllt. Das Wärmeleitmaterial kann auch eine Elektroisolierung zwischen der Batteriezellenanordnung 88 und der Thermoplatte 90 ermöglichen. Ein Batterieträger 98 kann die Thermoplatte 90, die Thermoplatte 91, die Batteriezellenanordnung 88 und andere Komponenten tragen. Der Batterieträger 98 kann eine oder mehrere Ausnehmungen zum Aufnehmen von Thermoplatten beinhalten.
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Es können unterschiedliche Batteriepackausgestaltungen verfügbar sein, um einzelnen Fahrzeugvariablen, unter anderem Unterbringungsbeschränkungen und dem Strombedarf, Rechnung zu tragen. Die Batteriezellenanordnung 88 kann innerhalb einer Abdeckung oder eines Gehäuses (nicht gezeigt) enthalten sein, um die Batteriezellenanordnung 88 und andere Komponenten darum herum, etwa das Gleichstromrichtermodul 28 und das BECM 33, zu schützen und einzufassen. Die Batteriezellenanordnung 88 kann an etlichen unterschiedlichen Stellen positioniert sein, zum Beispiel unter anderem unter einem Vordersitz, unter einem Rücksitz oder hinter dem Rücksitz des Fahrzeugs. Es ist jedoch vorgesehen, dass die Batteriezellenanordnung 88 an einer beliebigen geeigneten Stelle im Fahrzeug 12 positioniert sein kann.
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3 zeigt ein Beispiel für einen Abschnitt einer Traktionsbatterie, die eine Batteriebaugruppe 99 mit zwei seitlichen Endplatten 100 und zwei länglichen Seitenschienenbaugruppen 102 beinhaltet. Eine Batteriezellenanordnung 104 befindet sich zwischen den seitlichen Endplatten 100 und den länglichen Seitenschienenbaugruppen 102. Die seitlichen Endplatten 100 beinhalten je vier Öffnungen (in dieser Ansicht nicht sichtbar) zum Aufnehmen von vier Befestigungselementen (nicht gezeigt), die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse der Batteriezellenanordnung 104 orientiert sind. Die länglichen Seitenschienenbaugruppen 102 beinhalten je vier Öffnungen 106, die mit den vier Öffnungen der seitlichen Endplatten 100 zur Aufnahme der vier Befestigungselemente abgeglichen sind, sodass sich die seitlichen Endplatten 100 und die länglichen Seitenschienenbaugruppen 102 zusammenfügen können. Die seitlichen Endplatten 100 beinhalten je einen Anhebenocken 108, der eine Achse 109 beinhaltet, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Batteriezellenanordnung 104 ist. Der Anhebenocken 108 bietet eine Stelle zur Werkzeugbearbeitung unter Einbau- und/oder Installationsgegebenheiten zum Greifen der Batteriebaugruppe. Bei diesem Beispiel erfordern die Stelle und die Orientierung des Anhebenockens 108 ein Greifen der Werkzeuge in einer zur Achse 109 der Anhebenocken 108 parallelen Richtung und ungefähr in der Mitte einer Höhe der Batteriebaugruppe 99. Die länglichen Seitenschienenbaugruppen 102 beinhalten je drei Säulen 110, die von der Batteriezellenanordnung 104 beabstandet sind. Die Seitenschienenbaugruppen 102 beinhalten einen unteren Abschnitt, der sich unter der Batteriezellenanordnung 104 erstreckt und diese kontaktiert und der derart ausgestaltet ist, dass er das Tragen der Batteriezellenanordnung 104 unterstützt. Diese Batteriebaugruppe 99 ist bestimmt für die Nutzung mit einem luftgekühlten Thermomanagementsystem. Demzufolge stellt der Zwischenraum zwischen den Säulen 110 und der Batteriezellenanordnung 104 einen Weg für Luftströmungen bereit. Die Struktur der seitlichen Endplatten 100 und der Seitenschienenbaugruppen 102 erfordert zusätzlichen Unterbringungsraum im Fahrzeug und zusätzlichen Einbauraum aufgrund des Werkzeugbearbeitungsvorgehens, das in einem Thermomanagementsystem für eine Traktionsbatterie möglicherweise nicht wünschenswert ist. Zudem erstrecken sich die Seitenschienenbaugruppen 102 unter der Batteriezellenanordnung 104, um einen unteren Abschnitt der Batteriezellenanordnung 104 zu tragen und abzudecken, was in einem flüssigkeitsgekühlten Thermomanagementsystem möglicherweise nicht wünschenswert ist, da der Kontakt zwischen Batteriezelle und Thermoplatte ein Faktor ist, der die Ermöglichung einer effizienten Wärmeübertragung zwischen den beiden unterstützt.
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Die 4A bis 7 zeigen einen Abschnitt einer Traktionsbatteriebaugruppe. Eine Batteriebaugruppe 140 kann eine Außentragstruktur 142 beinhalten, die derart ausgestaltet ist, dass sie eine Batteriezellenanordnung 144, die eine Vielzahl von Batteriezellen 146 beinhaltet, hält und trägt, ohne mechanisch daran befestigt zu werden. Die Außentragstruktur 142 kann eine vierseitige Einfassung für die Batteriezellenanordnung 144 ausbilden und kann für mehrere Ausführungsformen der Batteriezellenanordnung 144, wie unten weiter beschrieben, genutzt werden. Die Batteriezellenanordnung 144 kann eine Bodenfläche 145, gegenüberliegende Endflächen 147, gegenüberliegende Seitenflächen 148 und eine obere Fläche 149 aufweisen. Die Außentragstruktur 142 kann Endplatten 150 und Seitenplatten 152 beinhalten, welche die Bodenfläche 145 wahlweise nicht abdecken oder kontaktieren.
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Die Endplatten 150 können eine oder mehrere Fixieröffnungen 154, eine oder mehrere vertikal orientierte Anhebeöffnungen 156 und eine oder mehrere Anbringungsöffnungen 158 und 159 beinhalten, um die Montage und die Installation der Batteriebaugruppe 140 zu unterstützen. Die Fixieröffnungen 154 korrespondieren zum Beispiel möglicherweise mit jeweiligen Fixiermerkmalen und/oder Anbringungspunkten auf einer Montageoberfläche für die Batteriebaugruppe 140. Die Anhebeöffnungen 156 können sich an einem oberen Abschnitt der Endplatten 150 befinden und können derart ausgestaltet sein, dass zum Beispiel während des Einbaus, der Installation und/oder der Verladung von einem Werkzeug in sie eingegriffen werden kann. Demzufolge kann das Werkzeug von oberhalb der Batteriebaugruppe 140 her nach unten gelangen und muss sich den Endplatten 150 nicht von der Seite her nähern. Dieser Näherungsweg kann den Umfang des für die Werkzeugbearbeitung erforderlichen Einbau- und/oder Installationsraums verringern. Weiter lässt sich der Unterbringungsraum der Batteriebaugruppe 140 verringern, da die Seitenplatten 152 in der Nähe der Seitenflächen 148 der Batteriezellenanordnung 144 sind. Eine Achse der Anbringungsöffnungen 158 kann im Wesentlichen parallel zu einer Länge der Batteriezellen 146 orientiert sein und kann sich an oder nahe bei den vier Ecken der Außentragstruktur 142 befinden. Diese Anbringungsöffnungen 158 können derart ausgestaltet sein, dass sie Befestigungselemente 160 aufnehmen, um die mechanische Anbringung der Endplatten 150 und der Seitenplatten 152 an vertikalen Kanten von beiden zu unterstützen. Die Achse der Anbringungsöffnungen 158 kann auch im Wesentlichen senkrecht zu einer von den Seitenplatten 152 definierten Ebene sein. Die Anbringungsöffnungen 158 können auch außerhalb einer von der Batteriezellenanordnung 144 definierten Grundfläche sein. Eine Achse der Anbringungsöffnungen 159 kann im Wesentlichen parallel zu einer Höhe der Batteriezellen 146 orientiert sein und kann sich an oder nahe bei den vier Ecken der Außentragstruktur 142 befinden.
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Die Endplatten 150 können mit den Endflächen 147 korrespondieren und derart ausgestaltet sein, dass sie eine Andrücklast, die zu den Endflächen 147 der Batteriezellenanordnung 144 hin gelenkt und an sie übertragen wird, und andere Lasten aufnehmen. Diese Lasten verdrehen und biegen die Batteriezellenanordnung 144 zum Beispiel möglicherweise während der Installation der Batteriebaugruppe 140.
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Eine Vielzahl voneinander beabstandeter Aussparungen 164 kann mindestens teilweise von diagonalen Rippen 166 der Seitenplatten 152 definiert sein. Die Aussparungen 164 können unterschiedliche Formen aufweisen, die das in den 4 und 6 gezeigte Beispiel beinhalten. Die Seitenplatten 152 können auch eine untere horizontale Kante 170 und eine obere horizontale Kante 172 definieren. Die Seitenplatten 152 können die Seitenflächen 148 der Batteriezellenanordnung 144 teilweise kontaktieren oder können die Seitenflächen 148 nicht direkt kontaktieren. Die diagonalen Rippen 166 können sich in Winkeln von ungefähr fünfundvierzig Grad von der unteren horizontalen Kante 170 und der oberen horizontalen Kante 172 her erstrecken und können eine zusätzliche Steifigkeit der Außentragstruktur 142 ermöglichen. Es ist vorgesehen, dass die diagonalen Rippen 166 sich auch in anderen Winkeln als fünfundvierzig Grad erstrecken können. Bei einem Beispiel können sich eine oder mehrere der diagonalen Rippen 166 von einer Stelle her erstrecken, an der die vertikale Kante der jeweiligen Endplatte 150 nahe bei der unteren horizontalen Kante 170 der jeweiligen Seitenplatte 152 ist oder an sie stößt.
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Eine Mittelplatte 180 kann sich zentral innerhalb der Batteriezellenanordnung 144 befinden und mechanisch an den Seitenplatten 152 befestigt sein. Die Mittelplatte 180 kann eine zusätzliche Struktursteifigkeit der Außentragstruktur 142 ermöglichen. Es ist zum Beispiel möglicherweise wünschenswert, eine Mittelplatte 180 zu integrieren, wenn aufgrund einer Länge der Batteriezellenanordnung 144 die Strukturintegrität der Batteriebaugruppe 140 möglicherweise beeinträchtigt ist, wenn bestimmte Kräfte angewendet werden. Wie oben erwähnt, können Einbau- und/oder Installationsprozesse eine Anwendung von Kräften auf die Batteriebaugruppe 140 beinhalten. Die Mittelplatte 180 kann derart ausgestaltet sein, dass sie eine von einer Biegelast auf den Seitenplatten 152 erzeugte Kraft und/oder die Druckkräfte, die auf die Batteriezellenanordnung 144 angewendet werden, aufnimmt und/oder ablenkt. Die Mittelplatte 180 kann eine vertikale Anhebeöffnung 182 an einem oberen Abschnitt der Mittelplatte 180 definieren, die derart ausgestaltet sein kann, dass von einem Werkzeug in sie eingegriffen werden kann. Die Mittelplatte 180 kann auch derart ausgestaltet sein, dass sie mit einer Tragstruktur über der Batteriezellenanordnung 144 verbunden sein kann, etwa einer Abdeckung für die Batteriebaugruppe 140. Die Mittelplatte 180 kann auch Anbringungsöffnungen 184 definieren, die derart ausgestaltet sein können, dass sie Befestigungselemente zum Unterstützen der mechanischen Befestigung der Mittelplatte 180 und der Seitenplatten 152 aufnehmen. Um das Ermöglichen von Steifigkeit für die Batteriebaugruppe 140 weiter zu unterstützen, können sich die diagonalen Rippen 166 von der unteren horizontalen Kante 170 der Seitenplatten 152 zu einer Stelle auf der oberen horizontalen Kante 172 der Seitenplatten 152 erstrecken, die im Wesentlichen äquidistant zu den Endplatten 150 und der Mittelplatte 180 ist.
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Unter jetziger, zusätzlicher Bezugnahme auf die 8 bis 10 kann sich eine Vielzahl von Abstandsstücken 190 zwischen benachbarten Batteriezellen 146 befinden. Die Abstandsstücke 190 können aus einem Material wie Polypropylen hergestellt sein und das Bereitstellen von elektrischen Kriech- und Luftstrecken zwischen benachbarten Batteriezellen 146 und/oder zwischen den Batteriezellen 146 und den Endplatten 150 unterstützen. Die Abstandsstücke 190 können je eine Lasche 192 beinhalten, die sich von einem oberen Abschnitt der Abstandsstücke 190 her erstreckt. Die Laschen 192 können derart ausgestaltet sein, dass sie Fixierkomponenten bei der Anbringung an oder der Zusammenfügung mit der Batteriebaugruppe 140, etwa ein Sammelschienenmodul (nicht gezeigt), unterstützen. Die Abstandsstücke 190 können auch eine oder mehrere obere Rillen 194 und eine oder mehrere untere Rillen 196 definieren, welche die Orientierung und das Halten der Batteriezellen 146 innerhalb der Außentragstruktur 142 unterstützen können. Die oberen Rillen 194 können die Batteriezellen 146 kontaktieren und das Tragen der Batteriezellen unterstützen und können sich an einer oberen Kante der Batteriezellen 146 befinden. Die unteren Rillen 196 können die Batteriezellen 146 kontaktieren und das Tragen der Batteriezellen unterstützen, ohne störend auf einen Gegenkontakt zwischen der von der Batteriezellenanordnung 144 oder einer unteren Kante der Batteriezellen 146 definierten Bodenfläche 145 und einer Oberfläche darunter, etwa einer Thermoplatte (nicht gezeigt), einzuwirken.
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11 zeigt ein Beispiel für eine dielektrische Schiene 202. Die Batteriebaugruppe 140 kann eine oder mehrere dielektrische Schienen 202 beinhalten, die sich zwischen einem oberen Abschnitt 204 der Seitenplatten 152 und der oberen Fläche 149 der Batteriezellenanordnung 144 befinden. Die dielektrischen Schienen 202 können aus einem elastischen, isolierenden Material wie Gummi bestehen und eine derartige Dicke aufweisen, dass zwischen der Bodenfläche 145 der Batteriezellenanordnung 144 und einer Oberfläche darunter eine Kraft erzeugt wird. Ein Beispiel für die Oberfläche ist eine Thermoplatte (nicht gezeigt). Die Dicke der dielektrischen Schienen 202 kann entlang der Länge der dielektrischen Schienen 202, die in Kontakt mit der Batteriezellenanordnung 144 sein können, konstant sein. Alternativ kann sich die Dicke der dielektrischen Schienen 202 am Mittelbereich der dielektrischen Schienen 202 erhöhen, sodass am Mittelbereich ein größerer Interferenzkontakt zu den Batteriezellen 146 besteht. Eine solche Erhöhung der Dicke am Mittelbereich der dielektrischen Schiene 202 lässt sich derart anpassen, dass eine mögliche maximale Biegeablenkung, die am Mittelbereich der dielektrischen Schiene 202 auftreten kann, ausgeglichen wird. Jegliche Erhöhungen der Dicke der dielektrischen Schienen 202 können graduell sein oder können diskrete Schritte beinhalten. Die Interferenzdicke lässt sich durch eine Reihe von nach unten stehenden Höckern oder Überständen erzielen, die tendenziell einen minimalen Interferenzkontakt zu den Batteriezellen 146 in der Nähe der Endplatten 150 und einen maximalen Interferenzkontakt zu den Batteriezellen 146 am Mittelbereich der dielektrischen Schienen 202 haben. Die dielektrischen Schienen 202 können auch die elektrische Isolierung der Batteriezellen 146 von den Seitenplatten 152 unterstützen. Der obere Abschnitt 204 der Seitenplatten 152 kann einen Abschnitt der oberen Fläche 149 der Batteriezellenanordnung 144 abdecken und sich entlang diesem Abschnitt erstrecken, sodass der obere Abschnitt 204 und eine Oberfläche unter der Batteriezellenanordnung 144, etwa eine Thermoplatte, vertikale Kräfte darauf ausüben können.
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Wenngleich 9 nur ein Beispiel für die Batteriezelle 146 zeigt, kann die Außentragstruktur 142 auch für Batteriezellen von anderen Typen mit unterschiedlichen Leistungsverhaltensanforderungen und Dimensionscharakteristika genutzt werden. Zum Beispiel können bei PHEVs und BEVs die gewünschte Geometrie und der gewünschte Unterbringungsraum, die für die jeweilige Batteriezellenanordnung vorgesehen sind, vorgeben, dass innerhalb mehrerer Batteriezellenanordnungen mehrere Ausgestaltungen von Batteriezellen vorhanden sind. Bei diesen Beispielen sind die Batteriezellen möglicherweise vierzehn PHEV-Batteriezellen in der Batteriezellenanordnung. Für FHEVs sind die Batteriezellen möglicherweise dreißig FHEV-Batteriezellen in der Batteriezellenanordnung. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn innerhalb eines Fahrzeugs Batteriezellenanordnungen von unterschiedlichen Typen vorhanden sind. 12 zeigt zum Beispiel einen Abschnitt einer Traktionsbatteriebaugruppe, die eine Gruppe von Batteriebaugruppen 250 mit vier Batteriezellenanordnungen 252, vier Batteriezellenanordnungen 254 und zwei Batteriezellenanordnungen 256 beinhaltet. Wie gezeigt, lassen sich die Endplatten 258 und die Seitenplatten 259 von jeder der Außentragstrukturen, die die jeweiligen Batteriezellenanordnungen halten, so abwandeln, dass die konkrete Batteriezellenanordnung darin Platz findet. Die Batteriezellenanordnungen 252 und 254 müssen möglicherweise nicht zusätzlich strukturell getragen werden, daher ist keine Mittelplatte integriert. Jedoch sind die Batteriezellenanordnungen 256 etwas länger als die Batteriezellenanordnungen 252 und 254 und können demzufolge Mittelplatten 260 beinhalten.
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Wenngleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen von den Ansprüchen abgedeckten Ausbildungen beschreiben. Die in der Patentschrift genutzten Wörter sind beschreibende und keine einschränkenden Wörter, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, lassen sich die Merkmale verschiedener Ausführungsformen so kombinieren, dass weitere Ausführungsformen der Erfindung ausgebildet werden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen so hätten beschrieben werden können, dass sie gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich eines oder mehrerer gewünschter Charakteristika Vorteile bieten oder bevorzugt werden, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder Charakteristika beeinträchtigt sein können, um gewünschte übergreifende Systemeigenschaften zu erzielen, die von der speziellen Anwendung und Implementierung abhängen. Zu diesen Eigenschaften können unter anderem die Kosten, die Stärke, die Haltbarkeit, die Lebenszykluskosten, die Vermarktbarkeit, das Aussehen, die Unterbringung, die Größe, die Gebrauchstauglichkeit, das Gewicht, die Fertigungsfreundlichkeit, die Einfachheit des Einbaus etc. gehören. Demzufolge liegen Ausführungsformen, die in Bezug auf ein oder mehrere Charakteristika derart beschrieben werden, dass sie weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für konkrete Anwendungen wünschenswert sein.
