DE102015118974A1

DE102015118974A1 - Batteriebaugruppe mit Array-Gestell und integriertem Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102015118974A1
Application number: DE102015118974.7A
Authority: DE
Inventors: Dhanunjay Vejalla; Adam Denlinger; Thomas Adler; Patrick Daniel Maguire
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-05-12
Also published as: CN105584345A; US20160133997A1; CN105584345B

Abstract

Eine Batteriebaugruppe gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält, unter anderem, ein Array-Gestell, das einen Gestellkörper und einen durch den Gestellkörper geformten Schlitz enthält. Ein Wärmetauscher wird in dem Schlitz aufgenommen.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf eine Batteriebaugruppe für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Die Batteriebaugruppe enthält ein Batterie-Array (Batterie-Anordnung) und einen integrierten Wärmetauscher. Die Batteriebaugruppe kann verschiedene Haltemerkmale zum Halten des Wärmetauschers in Bezug auf das Batterie-Array enthalten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Notwendigkeit zur Reduzierung von Kraftfahrzeug-Kraftstoffverbrauch und -Emissionen ist allgemein bekannt. Daher werden Fahrzeuge entwickelt, die die Abhängigkeit von einem Motor mit innerer Verbrennung entweder reduzieren oder komplett beseitigen. Elektrisch betriebene Fahrzeuge sind eine Fahrzeugart, die für diesen Zweck entwickelt wird. Im Allgemeinen unterscheiden sich Elektrofahrzeuge von konventionellen Kraftfahrzeugen darin, dass sie selektiv von einer oder mehreren batteriebetriebenen Elektromaschinen angetrieben werden. Im Gegensatz dazu sind konventionelle Kraftfahrzeuge ausschließlich auf den Motor mit innerer Verbrennung angewiesen, um das Fahrzeug anzutreiben.
Eine Hochspannungsbatteriebaugruppe zum Versorgen der Elektromaschinen eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs enthält typischerweise mehrere Batterie-Arrays. Jedes Batterie-Array enthält mehrere Batteriezellen und eine Stützstruktur, die allgemein die Batteriezellen zum Bilden des Batterie-Arrays umgibt. Ein Wärmetauscher, wie zum Beispiel eine Kühlplatte, kann unterhalb der Batteriezellen positioniert sein, um von den Batteriezellen erzeugte Wärme thermisch zu lenken. Typischerweise ist der Wärmetauscher zwischen dem Batterie-Array und einem Trog eingeklemmt, um robusten Kontakt zwischen dem Wärmetauscher und den Batteriezellen sicherzustellen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Batteriebaugruppe gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält, unter anderem, ein Array-Gestell, das einen Gestellkörper und einen durch den Gestellkörper geformten Schlitz enthält. Ein Wärmetauscher wird in dem Schlitz aufgenommen.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform der vorher genannten Baugruppe erstreckt sich der Gestellkörper entlang einer Längsachse und enthält einen oberen Teil, einen unteren Teil und Gestellarme, die sich zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil erstrecken.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform jeder der vorher genannten Baugruppen enthält der obere Teil eine erste Seite und eine zweite Seite, die jede ein wechselndes Muster aus starren Schnapparmen und flexiblen Schnapparmen enthalten.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen wird der Schlitz im unteren Teil des Gestellkörpers geformt.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen erstreckt sich eine thermische Rippe innerhalb des Gestellkörpers. Die thermische Rippe enthält einen Körper und einen Schenkel, der sich zu einer Position außerhalb des Gestellkörpers erstreckt.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen ist der Wärmetauscher gegen den Schenkel der thermischen Rippe vorgespannt.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen enthält der Gestellkörper einen unteren Teil mit einer oberen Wandung und einer unteren Wandung, die sich zwischen gegenüberliegenden Enden erstrecken, wobei sich der Schlitz horizontal zwischen den gegenüberliegenden Enden und vertikal zwischen der oberen Wandung und der unteren Wandung erstreckt.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen ragt ein Federmerkmal aufwärts aus der unteren Wandung heraus.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen ist das Federmerkmal in Bezug auf die untere Wandung abgewinkelt.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen ist das Federmerkmal gewellt.
Eine Batteriebaugruppe gemäß einem anderen beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält, unter anderem, ein Array-Gestell, das wenigstens einen Haltearm und einen mit dem Array-Gestell durch den wenigstens einen Haltearm verbundenen Wärmetauscher enthält.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform der vorher genannten Baugruppe nimmt das Array-Gestell eine Batteriezelle auf und umfasst ein thermisch leitfähiges Zwischenschichtmaterial (Thermal Interface Material) zwischen der Batteriezelle und dem Wärmetauscher.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen enthält das Array-Gestell eine offene Unterseite, die eine durch Seitenwandungen und eine obere Wandung begrenzte Tasche bildet. Der wenigstens eine Haltearm ragt aus wenigstens einer der Seitenwandungen oder der oberen Wandung heraus.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen ist das Array-Gestell an einem Trog montiert.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen befindet sich zwischen dem Wärmetauscher und dem Trog ein Luftspalt.
Eine Batteriebaugruppe gemäß einem anderen beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält, unter anderem, ein Batterie-Array, das mehrere Array-Gestelle enthält, eine untere Abdeckung, die mit wenigstens einem Teil der mehreren Array-Gestelle verbunden ist, und einen Wärmetauscher, der zwischen dem Batterie-Array und der unteren Abdeckung befestigt ist.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform der vorher genannten Baugruppe befindet sich zwischen dem Wärmetauscher und den mehreren Array-Gestellen ein thermisch leitfähiges Zwischenschichtmaterial.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen enthält ein Teil der mehreren Array-Gestelle und der unteren Abdeckung einen starren Haltearm, und der andere Teil der mehreren Array-Gestelle und der unteren Abdeckung enthält einen flexiblen Haltearm, der den starren Haltearm in Eingriff nimmt, um die untere Abdeckung am Teil der mehreren Array-Gestelle zu befestigen.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen enthält der flexible Haltearm ein Verlängerungsstück, das ein zweites Verlängerungsstück des starren Haltearms überlappt.
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform einer der vorher genannten Baugruppen ist das Batterie-Array an einem Trog montiert.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen in den vorangehenden Absätzen, den Ansprüchen oder der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, einschließlich jedes ihrer verschiedenen Aspekte oder entsprechender einzelner Merkmale, können unabhängig oder in irgendeiner Kombination aufgenommen werden. Merkmale, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, es sei denn, derartige Merkmale sind nicht kompatibel.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden sich für Fachleute aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ergeben. Die Zeichnungen, die zur ausführlichen Beschreibung gehören, können kurz wie folgt beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
Die 2A und 2B veranschaulichen ein Array-Gestell eines Batterie-Arrays.
3 veranschaulicht ein Batterie-Array, das aus gestapelten Array-Gestellen aufgebaut ist.
4 veranschaulicht ein Haltemerkmal eines Array-Gestells.
Die 5A und 5B veranschaulichen ein Federmerkmal eines Array-Gestells.
5C ist eine Detailansicht eines eingekreisten Bereichs AR1 aus 5A.
Die 5D und 5E veranschaulichen zusätzliche beispielhafte Federmerkmale eines Array-Gestells.
6 veranschaulicht eine Batteriebaugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung.
7 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Batteriebaugruppe.
8 veranschaulicht schematisch das Positionieren eines Wärmetauschers in Bezug auf mehrere Array-Gestelle einer Batteriebaugruppe.
9 veranschaulicht eine Batteriebaugruppe gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung.
10 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Batteriebaugruppe.
11 veranschaulicht eine Batteriebaugruppe gemäß noch einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt beispielhafte Batteriebaugruppen, die in elektrisch betriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden können. Die Batteriebaugruppen enthalten ein oder mehrere Array-Gestelle, die zum Aufbau eines Batterie-Arrays gestapelt und verbunden werden können. Ein Wärmetauscher kann mit dem Batterie-Array verbunden werden, um die durch die Batteriezellen des Batterie-Arrays erzeugte Wärme thermisch zu lenken und die Batteriezellen bei niedrigen Umgebungstemperaturen auch zu beheizen. Die Batteriebaugruppe kann verschiedene Haltemerkmale zum Befestigen des Wärmetauschers in Bezug auf das Batterie-Array einsetzen. Zum Beispiel enthalten die Array-Gestelle des Batterie-Arrays in einer Ausführungsform Schlitze, die einen Kanal zur Aufnahme des Wärmetauschers unterhalb der Batteriezellen bilden. In einer anderen Ausführungsform enthalten die Array-Gestelle flexible Haltearme zum Befestigen des Wärmetauschers am Batterie-Array. In noch einer anderen Ausführungsform verbindet eine untere Abdeckung die Array-Gestelle, um den Wärmetauscher am Batterie-Array zu befestigen. Dieses und andere Merkmale werden ausführlicher in den folgenden Absätzen erläutert.
1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang 10 für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug 12. Obwohl für ein HEV aufgezeigt, versteht es sich, dass die hierin beschriebenen Konzepte nicht auf HEVs beschränkt sind und auf andere elektrisch betriebene Fahrzeuge ausgedehnt werden können, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) und batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs).
In einer Ausführungsform ist der Antriebsstrang 10 ein Power-Split-Antriebsstrangsystem, das ein erstes Antriebssystem und ein zweites Antriebssystem einsetzt. Das erste Antriebssystem enthält eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor 14 und einem Generator 18 (d. h. einer ersten Elektromaschine). Das zweite Antriebssystem enthält wenigstens einen Elektromotor 22 (d. h. eine zweite Elektromaschine), den Generator 18 und eine Batteriebaugruppe 24. In diesem Beispiel wird das zweite Antriebssystem als ein elektrisches Antriebssystem des Antriebsstrangs 10 betrachtet. Das erste und das zweite Antriebssystem generieren Drehmoment, um einen oder mehrere Sätze von Fahrzeugantriebsrädern 28 des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 12 anzutreiben.
Der Verbrennungsmotor 14, wie zum Beispiel ein Motor mit innerer Verbrennung, und der Generator 18 können durch ein Verteilergetriebe 30, wie zum Beispiel ein Planetengetriebe, verbunden sein. Selbstverständlich können andere Verteilergetriebearten, einschließlich anderer Zahnradsätze und Getriebe, verwendet werden, um den Verbrennungsmotor 14 mit dem Generator 18 zu verbinden. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist das Verteilergetriebe 30 ein Planetengetriebe, das einen Zahnkranz 32, ein Sonnenrad 34 und eine Trägerbaugruppe 36 enthält.
Der Generator 18 kann vom Verbrennungsmotor 14 über das Verteilergetriebe 30 angetrieben werden, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 18 kann alternativ als ein Elektromotor funktionieren, um elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln, wodurch er Drehmoment an eine Welle 38 abgibt, die mit dem Verteilergetriebe 30 verbunden ist. Weil der Generator 18 betriebsfähig mit dem Verbrennungsmotor 14 verbunden ist, kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors 14 vom Generator 18 gesteuert werden.
Der Zahnkranz 32 des Verteilergetriebes 30 kann mit einer Welle 40 verbunden sein, die mit Fahrzeugantriebsrädern 28 durch ein zweites Verteilergetriebe 44 verbunden ist. Das zweite Verteilergetriebe 44 kann einen Zahnradsatz enthalten, der mehrere Zahnräder 46 aufweist. Andere Verteilergetriebe können ebenfalls geeignet sein. Die Zahnräder 46 übertragen Drehmoment vom Verbrennungsmotor 14 zu einem Differentialgetriebe 48, um schließlich Traktion für die Fahrzeugantriebsräder 28 bereitzustellen. Das Differentialgetriebe 48 kann mehrere Zahnräder enthalten, die die Übertragung von Drehmoment zu den Fahrzeugantriebsrädern 28 ermöglichen. In einer Ausführungsform ist das zweite Verteilergetriebe 44 mechanisch mit einer Achse 50 über das Differentialgetriebe 48 gekoppelt, um Drehmoment an die Fahrzeugantriebsräder 28 zu verteilen.
Der Elektromotor 22 kann auch eingesetzt werden, um die Fahrzeugantriebsräder 28 durch Drehmomentabgabe an eine Welle 52 anzutreiben, die ebenfalls mit dem zweiten Verteilergetriebe 44 verbunden ist. In einer Ausführungsform wirken der Elektromotor 22 und der Generator 18 als Teile eines Bremsenergierückgewinnungssystems zusammen, in dem sowohl der Elektromotor 22 als auch der Generator 18 als Elektromotoren eingesetzt werden können, um Drehmoment abzugeben. Zum Beispiel können sowohl der Elektromotor 22 als auch der Generator 18 jeder elektrische Leistung an die Batteriebaugruppe 24 abgeben.
Die Batteriebaugruppe 24 ist eine beispielhafte Art von Batteriebaugruppe eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Die Batteriebaugruppe 24 kann eine Hochspannungsbatteriebaugruppe enthalten, die mehrere Batterie-Arrays enthält, die in der Lage sind, elektrische Leistung zum Betreiben des Elektromotors 22 und des Generators 18 abzugeben. Andere Arten von Energiespeichereinrichtungen und/oder Energieabgabeeinrichtungen können ebenfalls zum elektrischen Versorgen des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 12 verwendet werden.
In einer nicht einschränkenden Ausführungsform weist das elektrisch betriebene Fahrzeug 12 zwei wesentliche Betriebsarten auf. Das elektrisch betriebene Fahrzeug 12 kann in einer Elektrofahrzeug-(EV-, Electric Vehicle)Betriebsart betrieben werden, in der der Elektromotor 22 zum Fahrzeugantrieb genutzt wird (im Allgemeinen ohne Unterstützung durch den Verbrennungsmotor 14), wodurch der Ladezustand der Batteriebaugruppe 24 bei gewissen Fahrmustern/-zyklen bis zu ihrer maximal erlaubten Entladerate entleert wird. Die EV-Betriebsart ist ein Beispiel für eine Entladungs-Betriebsart zum Betrieb des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 12. Unter einigen Umständen kann sich während der EV-Betriebsart der Ladezustand der Batteriebaugruppe 24 erhöhen, zum Beispiel aufgrund eines Bremsenergierückgewinnungzeitraums. In einer Standard-EV-Betriebsart ist der Verbrennungsmotor 14 im Allgemeinen ausgeschaltet, er könnte jedoch, wie erforderlich, auf Basis eines Fahrzeugsystemzustands oder wie vom Bediener gestattet betrieben werden.
Das elektrisch betriebene Fahrzeug 12 kann zusätzlich in einer Hybridbetriebsart (HEV) betrieben werden, in dem sowohl der Verbrennungsmotor 14 als auch der Elektromotor 22 zum Fahrzeugantrieb verwendet werden. Die HEV-Betriebsart ist ein Beispiel für eine Ladungserhaltungs-Betriebsart zum Betrieb des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 12. In der HEV-Betriebsart kann das elektrisch betriebene Fahrzeug 12 die Verwendung des Elektromotors 22 zum Antrieb reduzieren, um den Ladezustand der Batteriebaugruppe 24 auf einem konstanten oder annähernd konstanten Pegel zu halten, indem die Verwendung des Verbrennungsmotors 14 zum Antrieb erhöht wird. Das elektrisch betriebene Fahrzeug 12 kann im Schutzbereich dieser Offenbarung, zusätzlich zur EV- und HEV-Betriebsart, in anderen Betriebsarten betrieben werden.
Die 2A und 2B veranschaulichen ein Array-Gestell 54, das wenigstens zwei Batteriezellen 56 aufnimmt. Mehrere Array-Gestelle 54 können zum Aufbauen eines Batterie-Arrays nebeneinander gestapelt werden (siehe z. B. Batterie-Array 78 aus den 3 und 6). Eines oder mehrere Batterie-Arrays, die mehrere Array-Gestelle 54 und Batteriezellen 56 enthalten, können zusammengebaut und innerhalb einer Batteriebaugruppe montiert werden, wie zum Beispiel der Batteriebaugruppe 24 des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 12 aus 1, um ein elektrisch betriebenes Fahrzeug zu versorgen.
In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen 56 Pouch-Zellen für eine Hochspannungsbatteriebaugruppe. Zu einem nicht einschränkenden Beispiel für eine geeignete Pouch-Batteriezelle zählt eine Lithiumionen-Polymer-Batterie. Allerdings werden auch andere Arten von Batteriezellen in Betracht gezogen, und es versteht sich, dass diese Offenbarung nicht auf Batteriezellen vom Pouch-Typ beschränkt ist.
Das Array-Gestell 54 enthält einen Gestellkörper 58, der sich entlang einer Längsachse A erstreckt (siehe 2A). Der Gestellkörper 58 enthält einen oberen Teil 60, einen unteren Teil 62 und Gestellarme 64, die den oberen Teil 60 und den unteren Teil 62 verbinden. In einer Ausführungsform erstrecken sich der obere Teil 60 und der untere Teil 62 parallel zur Längsachse A, und die Gestellarme 64 liegen quer zur Längsachse A. In einer anderen Ausführungsform ist der Gestellkörper 58 eine einheitliche Kunststoffstruktur.
In einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann eine thermische Rippe 66 wenigstens zum Teil innerhalb des Gestellkörpers 58 zwischen dem oberen Teil 60 und dem unteren Teil 62 eingebettet sein. In einer Ausführungsform ist die thermische Rippe 66 eine thermische Aluminiumrippe. Allerdings werden zusätzlich andere Materialien in Betracht gezogen. Die thermische Rippe 66 trennt die Batteriezellen 56 und kann Seitenflächen 55 der Batteriezellen 56 kontaktieren. Unter gewissen Bedingungen führt die thermische Rippe 66 Wärme von den Batteriezellen 56 ab. Unter anderen Bedingungen kann die thermische Rippe 66 den Batteriezellen 56 Wärme zuführen. Der Gestellkörper 58 bildet Taschen 76 auf beiden Seiten der thermischen Rippe 66. Die Batteriezellen 56 können in den Taschen 76 aufgenommen werden, um die Batteriezellen 56 im Array-Gestell 54 aufzunehmen.
Die thermische Rippe 66 kann einen Körper 74 und einen Schenkel 72 enthalten, der sich vom Körper 74 weg erstreckt (siehe 2B). Der Körper 74 kann in den Gestellkörper 58 eingebettet oder angegossen sein, während sich der Schenkel 72 nach außerhalb des Gestellkörpers 58 erstreckt. In einer anderen Ausführungsform kann die thermische Rippe 66 in den Gestellkörper 58 eingesetzt werden, so dass sich ein Ende des Körper 74 innerhalb einer Rille 68 befindet, die im oberen Teil 60 des Gestellkörpers 58 geformt wird, und ein gegenüberliegendes Ende des Körpers 74 kann sich durch einen Kanal 70 erstrecken, der durch den unteren Teil 62 des Gestellkörpers 58 geformt wird. Der Schenkel 72 der thermischen Rippe 66 kann quer zum Körper 74 ausgerichtet sein, so dass er sich unterhalb des unteren Teils 62 zur Position außerhalb des Gestellkörpers 58 erstreckt. In einer Ausführungsform erstreckt sich der Schenkel 72 zu einer Position, die sich über die Seitenfläche 55 der Batteriezelle 56, die im Wesentlichen oberhalb des Schenkels 72 aufgenommen wird, hinaus erstreckt.
Der Gestellkörper 58 kann weiterhin mehrere Haltemerkmale 80 enthalten, die in den oberen Teil 60 integriert sind. Ähnlich könnte der untere Teil 62 integrierte Haltemerkmale enthalten, obwohl sie in dieser Ausführungsform nicht gezeigt werden. Die Haltemerkmale 80 können entsprechende Haltemerkmale angrenzender Array-Gestelle 54 in Eingriff nehmen, um ein Batterie-Array aufzubauen. In noch einer anderen Ausführungsform könnten die Gestellarme 64 Haltemerkmale enthalten, die den Haltemerkmalen 80 zum Verbinden angrenzender Array-Gestelle 54 ähneln.
Mit Bezug auf 3: Mehrere Array-Gestelle 54 können zum Aufbau eines Batterie-Arrays 78 nebeneinander gestapelt werden. In 3 werden zwei Array-Gestelle 54 gezeigt, wobei die Batteriezellen der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind. Diese Offenbarung ist nicht auf irgendeine spezielle Anzahl von Array-Gestellen 54 und/oder Batteriezellen 56 beschränkt und soll nicht auf die speziellen Anordnungen beschränkt sein, die durch die verschiedenen Figuren veranschaulicht werden.
In einer Ausführungsform ist der obere Teil 60 des Gestellkörpers 58 jedes Array-Gestells 54 rotationssymmetrisch zu einer vertikalen Achse V, die quer zur Längsachse A liegt. In einer anderen Ausführungsform ist der untere Teil 62 rotationssymmetrisch zur vertikalen Achse V. In noch einer anderen Ausführungsform sind sowohl der obere Teil 60 als auch der untere Teil 62 rotationssymmetrisch zur vertikalen Achse V. Auf diese Weise können die Array-Gestelle 54 zum Aufbau des Batterie-Arrays 78 wiederholt bereitgestellt werden. Die Symmetrie des oberen Teils 60 und/oder des unteren Teils 62 gestattet die Verwendung von üblichen Array-Endplatten, wodurch Kosten und Komplexität des Batterie-Arrays 78 reduziert werden. Mit anderen Worten: Es sind keine spezifischen linksseitigen und rechtsseitigen Array-Endplatten zum Aufbau des Batterie-Arrays 78 erforderlich.
Der obere Teil 60 des Gestellkörpers 58 enthält eine erste Seite 84 und eine zweite Seite 86, die sich jeweils zwischen gegenüberliegenden Enden 96, 98 erstrecken. Die erste Seite 84 und die zweite Seite 86 enthalten jeweils mehrere Haltemerkmale 80 zum Verbinden des Array-Gestells 54 mit einem angrenzenden Array-Gestell 54. In einer Ausführungsform ragen die Haltemerkmale 80 sowohl über die erste Seite 84 als auch die zweite Seite 86 des oberen Teils 60 heraus. In einer anderen Ausführungsform ist der obere Teil 60 jedes Array-Gestells 54 im Wesentlichen flach.
In einer anderen, nicht einschränkenden Ausführungsform enthalten die Haltemerkmale 80 des oberen Teils 60 mehrere starre Schnapparme 82A und mehrere flexible Schnapparme 82B, die in einem wechselnden Muster sowohl entlang der ersten Seite 84 als auch entlang der zweiten Seite 86 des oberen Teils 60 ausgerichtet sind. Weil der obere Teil 60 zur vertikalen Achse V rotationssymmetrisch ist, sind alle flexiblen Schnapparme 82B der ersten und zweiten Seiten 84, 86 zu einem starren Schnapparm 82A auf den gegenüberliegenden Seiten 84, 86 direkt über den oberen Teil 60 ausgerichtet. Somit stellen die Array-Gestelle 54 eine wiederholte Bauart bereit, die die Montage vereinfacht und die Komplexität des Batterie-Arrays 78 reduziert.
Die starren Schnapparme 82A und die flexiblen Schnapparme 82B sowohl auf der ersten Seite 84 als auch auf der zweiten Seite 86 sind ausgerichtet, um entsprechende Merkmale eines angrenzenden Array-Gestells 54 in Eingriff zu nehmen, um die Array-Gestelle 54 zu verbinden. Zum Beispiel können die flexiblen Schnapparme 82B von der Oberseite der starren Schnapparme 82A her aufgenommen werden, um die angrenzenden Array-Gestelle 54 zu verbinden. Die flexiblen Schnapparme 82B können sich leicht biegen, wenn die starren Schnapparme 82A zu den flexiblen Schnapparmen 82B hin gedrückt werden.
Der obere Teil 60 jedes Array-Gestells 54 kann zusätzlich eine oder mehrere vertiefte Rillen 92 enthalten. In einer Ausführungsform erstreckt sich jede vertiefte Rille 92 zwischen der ersten Seite 84 und der zweiten Seite 86 des oberen Teils 60 und ist zwischen einem starren Schnapparm 82A und einem flexiblen Schnapparm 82B auf der ersten Seite 84 und der zweiten Seite 86 angeordnet. Die vertieften Rillen 92 angrenzender Array-Gestelle 54 richten sich zueinander aus und können Spanngurte aufnehmen, die das Batterie-Array 78 in einer Längsrichtung binden, um eine einheitliche Array-Länge aufrechtzuerhalten und Vorwölben der Batteriezellen 56 unter gewissen Bedingungen abzufangen.
4 veranschaulicht mit dem unteren Teil 62 eines Array-Gestells 54 verknüpfte Merkmale. Der untere Teil 62 kann eine obere Wandung 88 und eine untere Wandung 90 enthalten, die sich zwischen gegenüberliegenden Enden 89, 91 erstrecken. Jedes der gegenüberliegenden Enden 89, 91 enthält einen Fuß 93. Zusätzliche Füße 95 können zwischen den Füßen 93 aus der unteren Wandung 90 herausragen. Die Füße 93, 95 stellen eine im Wesentlichen ebene Oberfläche zum Positionieren des Array-Gestells 54 auf einer Stützoberfläche bereit, wie zum Beispiel einem Trog (siehe zum Beispiel Trog 27 in den 6–7).
In einer Ausführungsform erstreckt sich ein Schlitz 94 durch den unteren Teil 62 des Array-Gestells 54. Mit anderen Worten: Der Schlitz 94 ist eine Öffnung, die sich über eine Stärke T des Array-Gestells 54 erstreckt (siehe 5B). Der Schlitz 94 kann sich in einer Ausführungsform horizontal zwischen den gegenüberliegenden Enden 89, 91 und vertikal zwischen der oberen Wandung 88 und der unteren Wandung 90 erstrecken. Der Schlitz 94 ist dazu ausgelegt, einen Wärmetauscher aufzunehmen, wie nachstehend weiter erörtert wird (siehe zum Beispiel Wärmetauscher 25 in den 6–8). In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist der Schlitz 94 im Array-Gestell 54 angegossen.
Mit Bezug auf die 5A, 5B und 5C: Die untere Wandung 90 des Array-Gestells 54 kann eines oder mehrere Federmerkmale 21 enthalten. In einer Ausführungsform ragt das Federmerkmal 21 aufwärts aus der unteren Wandung 90 heraus und kann in Bezug auf die untere Wandung 90 abgewinkelt sein. Das Federmerkmal 21 kann sich über eine gesamte Länge oder nur über Teile der Länge des Schlitzes 94 erstrecken und kann als ein durchgehendes Teil oder als mehrere, beabstandete Teile ausgelegt sein. Das Federmerkmal 21 kann ein flexibles Kunststoffbauteil sein, das sich als Reaktion auf das Kontaktieren eines Wärmetauschers 25, der in den Schlitz 94 in einer Schlitzeinsatzrichtung D1 eingesetzt wird, biegt (siehe 5C). Das Federmerkmal 21 ist dazu ausgelegt, robusten Kontakt zwischen dem Wärmetauscher 25 und der thermischen Rippe 66 des Array-Gestells 54 aufrechtzuerhalten. Zusätzliche Details bezüglich der Beziehung zwischen dem Federmerkmal 21, dem Wärmetauscher 25 und der thermischen Rippe 66 werden nachstehend ausführlicher erörtert.
In einer anderen Ausführungsform ist das Federmerkmal 21 innerhalb des Schlitzes 94 positioniert, so dass es unterhalb einer Krümmung 23 der thermischen Rippe 66 ausgerichtet ist (siehe 5B und 5C). Die Krümmung 23 ist ein gebogener Teil der thermischen Rippe 66, der sich zwischen dem Körper 74 und dem Schenkel 72 befindet. Allerdings könnte das Federmerkmal 21 in anderen Ausführungsformen unterhalb irgendeines Teils des Schenkels 72 der thermischen Rippe 66 positioniert sein.
Mit Bezug auf 5D: Die untere Wandung 90 des Array-Gestells 54 kann ein Federmerkmal 21 enthalten. Die Federmerkmale 21 beugen sich beim Einsetzen eines Wärmetauschers 25, um eine aufwärts gerichtete Kraft gegen den Wärmetauscher 25 aufzubringen und verbesserten Kontakt zwischen dem Wärmetauscher 25 und der thermischen Rippe 66 zu ermöglichen. In einer anderen, in 5E gezeigten Ausführungsform kann das Federmerkmal 21 gewellt sein, um die aufwärts gerichtete Kraft gegen den Wärmetauscher 25 zu erhöhen. Ein Winkel α zwischen den Plattformen 19 des gewellten Federmerkmals 21 kann größer oder gleich 90 Grad sein.
Die 6 und 7 veranschaulichen eine Batteriebaugruppe 99, die ein Batterie-Array 78, einen Wärmetauscher 25 und einen Trog 27 enthält. Das Batterie-Array 78 ist aus mehreren Array-Gestellen 54 aufgebaut, die verbunden sind und die Batteriezellen 56 aufnehmen. Jedes Array-Gestell 54 enthält einen Schlitz 94. Sobald sie verbunden sind, richten sich die Schlitze 94 der Array-Gestelle 54 aus, um einen Kanal 29 (siehe 6) zu bilden, der sich durch das Batterie-Array 78 erstreckt.
Der Wärmetauscher 25 kann in den Kanal 29 eingesetzt werden, um ihn mit den Array-Gestellen 54 und somit mit dem Batterie-Array 78 zu verbinden. Auf diese Weise ist der Wärmetauscher 25 im Wesentlichen mit dem Batterie-Array 78 integriert. Der Wärmetauscher 25 funktioniert zum Abführen von Wärme, die von den Batteriezellen 56 unter gewissen Bedingungen erzeugt wird, oder um alternativ die Batteriezellen 56 unter anderen Bedingungen zu beheizen. In einer Ausführungsform ist der Wärmetauscher 25 als eine Kühlplatte ausgelegt. Allerdings werden andere Umsetzungsformen ebenfalls in Betracht gezogen. Die Federmerkmale 21 spannen den Wärmetauscher 25 gegen den Schenkel 72 jeder thermischen Rippe 66 innerhalb des Kanals 29 vor (siehe 8). Demzufolge ist in dieser Ausführungsform möglicherweise kein thermisch leitfähiges Zwischenschichtmaterial (TIM, Thermal Interface Material) erforderlich, um ausreichende Wärmeübertragung zu erreichen.
Jetzt vor allem mit Bezug auf 7: Das Batterie-Array 78 kann fest am Trog 27 befestigt sein. In einer Ausführungsform ist das Batterie-Array 78 am Trog unter Verwendung eines oder mehrerer Befestigungselemente 31 befestigt, die durch Öffnungen 33 der Array-Gestelle 54 eingesetzt werden. Andere mechanische Befestigungen werden auch als im Schutzbereich dieser Offenbarung in Betracht gezogen.
In der in 7 gezeigten montierten Position wird der Wärmetauscher 25 zwischen den Batteriezellen 56 und dem Trog 27 gestützt. In einer Ausführungsform isoliert die untere Wandung 90 der Array-Gestelle 54 den Wärmetauscher 25 thermisch vom Trog 27, so dass Wärme aus den Batteriezellen 56 nicht durch den Trog 27 geleitet wird.
Eine andere Batteriebaugruppe 199 wird in den 9 und 10 veranschaulicht. Wo es angebracht ist, bezeichnen in dieser Offenbarung gleiche Referenznummern gleiche Elemente, und Referenznummern, zu denen 100 oder Vielfache davon addiert ist, bezeichnen modifizierte Elemente, die so zu verstehen sind, dass sie die gleichen Merkmale und Vorteile wie die entsprechenden Originalelemente einschließen. Wie die oben erörterte Batteriebaugruppe 99 enthält die beispielhafte Batteriebaugruppe 199 ein Batterie-Array 178, einen Wärmetauscher 125 und einen Trog 127. Das Batterie-Array 178 ist aus mehreren Array-Gestellen 154 aufgebaut, die verbunden sind und die Batteriezellen 156 aufnehmen. Die Array-Gestelle 154 dieser Ausführungsform enthalten offene Unterseiten 151 statt Schlitze. Eine untere Abdeckung 153 kann mit den Array-Gestellen 154 an den offenen Unterseiten 151 verbunden werden, um den Wärmetauscher 125 zwischen den Batteriezellen 156 und der unteren Abdeckung 153 zu positionieren.
In einer Ausführungsform, wie am besten in 10 veranschaulicht wird, enthalten die Array-Gestelle 154 erste Haltearme 161, und die untere Abdeckung 153 enthält zweite Haltearme 163. Die ersten und zweiten Haltearme 161, 163 nehmen einander in Eingriff, um die untere Abdeckung 153 an den Array-Gestellen 154 des Batterie-Arrays 178 zu befestigen. Die Array-Gestelle 154 und die untere Abdeckung 153 können jeweils zwei oder mehr Haltearme enthalten, die angegossene Teile dieser Komponenten sind. Einer der Haltearme, der erste Haltearm 161 oder der zweite Haltearm 163, kann als ein männlicher Haltearm fungieren, während der andere, der erste Haltearme 161 oder der zweite Haltearm 163, als ein weiblicher Haltearm fungiert, um die untere Abdeckung 153 an den Array-Gestellen 154 zu befestigen.
In einer anderen Ausführungsform überlappen Verlängerungsstücke 165 der zweiten Haltearme 163 entsprechende Verlängerungsstücke 167 der ersten Haltearme 161, um die untere Abdeckung 153 an den Array-Gestellen 154 zu befestigen. Die zweiten Haltearme 163 können sich nach innen biegen und dann nach außen biegen, um die Verlängerungsstücke 167 der starren ersten Haltearme 161 zu überlappen. Natürlich wird eine entgegengesetzte Konfiguration ebenfalls in Betracht gezogen, bei der die ersten Haltearme 161 flexibel sind und die zweiten Haltearme 163 starr sind.
Sobald die untere Abdeckung 153 an den Array-Gestellen 154 befestigt ist, wird der Wärmetauscher 125 als „integriert“ mit dem Batterie-Array 178 angesehen. In einer Ausführungsform isoliert die untere Abdeckung 153 den Wärmetauscher 125 thermisch vom Trog 127, so dass Wärme aus den Batteriezellen 156 nicht durch den Trog 127 geleitet wird. In einer anderen, nicht einschränkenden Ausführungsform enthält die untere Abdeckung 153 Federmerkmale 121, die den Wärmetauscher 125 gegen die Batteriezellen 156 oder optional gegen ein TIM 171 vorspannen, das zwischen den Batteriezellen 156 und dem Wärmetauscher 125 angeordnet ist. Das TIM 171 kann aus einem Material mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit hergestellt sein und ist dazu ausgelegt, thermischen Kontakt zwischen den Batteriezellen 156 und dem Wärmetauscher 125 aufrechtzuerhalten, um die thermische Leitfähigkeit zwischen diesen benachbarten Komponenten bei einem Wärmeübertragungsereignis zu erhöhen.
11 veranschaulicht noch eine andere, beispielhafte Batteriebaugruppe 299. Die Batteriebaugruppe 299 dieser Ausführungsform enthält ein Batterie-Array 278, einen Wärmetauscher 225 und einen Trog 227. Das Batterie-Array 278 ist aus einem oder mehreren Array-Gestellen 254 aufgebaut, die verbunden sind und die Batteriezellen 256 aufnehmen. Die Array-Gestelle 254 dieser Ausführungsform enthalten offene Unterseiten 251, die eine Tasche 253 an einem unteren Teil 262 der Array-Gestelle 254 bilden.
In einer nicht einschränkenden Ausführungsform enthalten die Taschen 253 einen Umfang, der von einer ersten Seitenwandung 281, einer zweiten Seitenwandung 283 und einer oberen Wandung 285 begrenzt wird, die sich zwischen der ersten Seitenwandung 281 und der zweiten Seitenwandung 283 erstreckt. Einer oder mehrere Haltearme 287 zum Verbinden des Wärmetauschers 225 mit dem Batterie-Array 278 können in die Taschen 253 hineinragen. Die Haltearme 287 können von den Seitenwandungen 281, 283, der oberen Wandung 285 oder von einem Übergang zwischen der ersten Seitenwandung 281 bzw. der zweiten Seitenwandung 283 und der oberen Wandung 285 in die Tasche 253 hineinragen. Die Haltearme 287 sind flexibel und enthalten Verlängerungsstücke 289 zur Aufnahme des Wärmetauschers 225. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 225 auf den Verlängerungsstücken 289 aufliegen, um ihn am Batterie-Array 278 zu befestigen. Ein TIM 271 kann zwischen den Batteriezellen 256 und dem Wärmetauscher 225 positioniert sein. Zusätzlich kann ein Luftspalt 295, der Teil der Tasche 253 ist, den Wärmetauscher 225 thermisch vom Trog 227 isolieren.
Obwohl die unterschiedlichen, nicht einschränkenden Ausführungsformen so veranschaulicht werden, dass sie spezifische Komponenten oder Schritte aufweisen, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese besonderen Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale aus irgendeiner der nicht einschränkenden Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten aus irgendeiner der anderen, nicht einschränkenden Ausführungsformen zu verwenden.
Es versteht sich, dass in den verschiedenen Zeichnungen gleiche Referenzziffern durchweg entsprechende oder ähnliche Elemente kennzeichnen. Obwohl eine besondere Komponentenanordnung offenbart und in diesen Ausführungsbeispielen veranschaulicht wird, versteht es sich, dass auch andere Anordnungen von den Lehren dieser Offenbarung profitieren könnten.
Die vorher genannte Beschreibung soll als veranschaulichend und nicht als in irgendeinem Sinne einschränkend interpretiert werden. Ein Durchschnittsfachmann würde verstehen, dass gewisse Modifikationen in den Schutzbereich dieser Offenbarung gelangen könnten. Aus diesen Gründen sollten die folgenden Ansprüche studiert werden, um den wahren Schutzbereich und Gehalt dieser Offenbarung zu bestimmen.

Claims

Batteriebaugruppe, die Folgendes umfasst: ein Array-Gestell, das einen Gestellkörper und einen durch den Gestellkörper geformten Schlitz enthält; einen Wärmetauscher, der im Schlitz aufgenommen wird.
Die Baugruppe nach Anspruch 1, wobei sich der Gestellkörper entlang einer Längsachse erstreckt und einen oberen Teil, einen unteren Teil und Gestellarme enthält, die sich zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil erstrecken.
Baugruppe nach Anspruch 2, wobei der obere Teil eine erste Seite und eine zweite Seite enthält, die jeweils ein wechselndes Muster aus starren Schnapparmen und flexiblen Schnapparmen enthalten.
Baugruppe nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Schlitz im unteren Teil des Gestellkörpers geformt wird.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die eine thermische Rippe umfasst, die sich innerhalb des Gestellkörpers erstreckt, wobei die thermische Rippe einen Körper und einen Schenkel enthält, der sich zu einer Position außerhalb des Gestellkörpers erstreckt.
Baugruppe nach Anspruch 5, wobei der Wärmetauscher gegen den Schenkel der thermischen Rippe vorgespannt ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Gestellkörper einen unteren Teil mit einer oberen Wandung und einer unteren Wandung enthält, die sich zwischen gegenüberliegenden Enden erstrecken, wobei sich der Schlitz horizontal zwischen den gegenüberliegenden Enden und vertikal zwischen der oberen Wandung und der unteren Wandung erstreckt.
Baugruppe nach Anspruch 7, die ein Federmerkmal umfasst, das aufwärts aus der unteren Wandung herausragt.
Baugruppe nach Anspruch 8, wobei das Federmerkmal in Bezug auf die untere Wandung abgewinkelt ist.
Baugruppe nach Anspruch 8, wobei das Federmerkmal gewellt ist.
Batteriebaugruppe, die Folgendes umfasst: ein Array-Gestell, das wenigstens einen Haltearm enthält; und einen Wärmetauscher, der durch den wenigstens einen Haltearm mit dem Array-Gestell verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 11, wobei das Array-Gestell eine Batteriezelle aufnimmt und ein thermisch leitfähiges Zwischenschichtmaterial zwischen der Batteriezelle und dem Wärmetauscher umfasst.
Baugruppe nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Array-Gestell eine offene Unterseite enthält, die eine von Seitenwandungen und einer oberen Wandung begrenzte Tasche bildet, wobei der wenigstens eine Haltearm aus wenigstens einer der Seitenwandungen oder der oberen Wandung herausragt.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Array-Gestell an einem Trog montiert ist.
Baugruppe nach Anspruch 14, die einen Luftspalt zwischen dem Wärmetauscher und dem Trog umfasst.
Batteriebaugruppe, die Folgendes umfasst: ein Batterie-Array, das mehrere Array-Gestelle enthält; eine untere Abdeckung, die mit wenigstens einem Teil der mehreren Array-Gestelle verbunden ist; und einen Wärmetauscher, der zwischen dem Batterie-Array und der unteren Abdeckung befestigt ist.
Baugruppe nach Anspruch 16, die ein thermisch leitfähiges Zwischenschichtmaterial zwischen dem Wärmetauscher und den mehreren Array-Gestellen umfasst.
Baugruppe nach Anspruch 16 oder 17, wobei ein Teil der mehreren Array-Gestelle und der unteren Abdeckung einen starren Haltearm und der andere Teil der mehreren Array-Gestelle und der unteren Abdeckung einen flexiblen Haltearm enthält, der den starren Haltearm in Eingriff nimmt, um die untere Abdeckung am Teil der mehreren Array-Gestelle zu befestigen.
Baugruppe nach Anspruch 18, wobei der flexible Haltearm ein Verlängerungsstück enthält, das ein zweites Verlängerungsstück des starren Haltearms überlappt.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Batterie-Array an einem Trog montiert ist.