DE102016009969A1

DE102016009969A1 - Kraftfahrzeugbatterie mit einer crashsicheren Kühlmittelführung

Info

Publication number: DE102016009969A1
Application number: DE102016009969.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Blauwitz; Christian Brommer; Frieder Franz; Jan Kroggel; Jens Meintschel; Dirk Schroeter; Manuel Schumacher; Knut Welke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-08-16
Filing date: 2016-08-16
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbatterie (10) mit zumindest zwei Zellblöcken (14), mit zumindest einem Batteriegehäuse (16), welches die Zellblöcke (14) zumindest teilweise umschließt, mit einer Temperiereinrichtung (18), zumindest eine Fluidleitung (25) zur Leitung eines Fluids für eine Temperierung der zumindest zwei Zellblöcke (14) aufweist, wobei das Batteriegehäuse (16) zumindest ein zur Versteifung vorgesehenes Crashelement (26) aufweist, das zur Aufnahme der zumindest einen Fluidleitung (25) vorgesehen ist, sowie ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer solchen Kraftfahrzeugbatterie (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbatterie mit einer Temperiereinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer solchen Kraftfahrzeugbatterie.
Aus der DE 10 2012 216 916 A1 ist bereits eine Kraftfahrzeugbatterie mit Zellblöcken, mit einem Batteriegehäuse, welches die Zellblöcke umschließt, mit einer Temperiereinrichtung sowie mit Fluidleitungen zur Leitung eines Fluids für eine Temperierung der Zellblöcke bekannt.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Betriebssicherheit zu erhöhen. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht aus von einer Kraftfahrzeugbatterie mit zumindest zwei Zellblöcken, mit zumindest einem Batteriegehäuse, welches die Zellblöcke zumindest teilweise umschließt, sowie mit einer Temperiereinrichtung, die zumindest eine Fluidleitung zur Leitung eines Fluids für eine Temperierung der zumindest zwei Zellblöcke aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass das Batteriegehäuse zumindest ein zur Versteifung vorgesehenes Crashelement aufweist, das zur Aufnahme der zumindest einen Fluidleitung vorgesehen ist. Dadurch kann ein Risiko, dass die Fluidleitung in einem Crashfall beschädigt wird, reduziert werden. Damit sinkt insbesondere ein Risiko, dass auslaufendes Fluid zu einem Kurzschluss in der Kraftfahrzeugbatterie führt. Eine Betriebssicherheit kann erhöht werden. Unter einem Crashelement soll dabei insbesondere ein Element verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, auf das Batteriegehäuse wirkende Crashlasten aufzunehmen und diese durch das Batteriegehäuse durchzuleiten und/oder zu absorbieren, um eine mechanische Beschädigung der Batteriezellen und/oder der Temperiereinrichtung zu verhindern. Unter einer Fluidleitung soll insbesondere eine Leitung für ein Fluid, wie insbesondere Wasser, verstanden werden. Unter einer Temperierung soll sowohl eine Erwärmung wie auch eine Kühlung verstanden werden. Unter vorgesehen soll insbesondere speziell ausgelegt verstanden werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Crashelement einen Kanal ausbildet, der zur Aufnahme der zumindest einen Fluidleitung vorgesehen ist. Indem das Crashelement einen Kanal bildet, kann die Fluidleitung besonders gut geschützt werden. Es kann eine besonders hohe Betriebssicherheit erreicht werden. Unter einem Kanal soll dabei insbesondere eine Ausgestaltung verstanden werden, in der das Crashelement eine längliche Vertiefung ausbildet, in welcher die Fluidleitung aufgenommen werden kann.
Bevorzugt ist der zumindest eine Kanal bezogen auf einen Zellblockaufnahmeraum des Batteriegehäuses außenliegend angeordnet. Dadurch kann verhindert werden, dass austretendes Fluid, sollte die Fluidleitung beschädigt werden, in Kontakt mit den Batteriezellen kommt. Das Risiko für einen Kurzschluss kann somit gesenkt werden. Es kann eine besonders hohe Betriebssicherheit erreicht werden. Unter bezogen auf die Zellböcke außenliegend soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Batteriegehäuse die zumindest eine Fluidleitung und die Batteriezellen voneinander trennt.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass das Batteriegehäuse im Bereich des zumindest einen Kanals zumindest eine Aussparung aufweist, die zur fluiddichten Anbindung der zumindest einen Fluidleitung an zumindest einen der Zellblöcke vorgesehen ist. Dadurch ist eine konstruktiv einfache Ausgestaltung möglich.
Bevorzugt weist die Kraftfahrzeugbatterie zumindest ein die Aussparung umschließendes Dichtelement auf, das zur fluiddichten Anbindung der zumindest einen Fluidleitung vorgesehen ist. Durch eine entsprechende Ausgestaltung kann konstruktiv einfach und Platz sparend eine fluiddichte Anbindung realisiert werden.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer als Hochvoltbatterie ausgebildeten erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbatterie vorgeschlagen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeugbatterie,
2 die Kraftfahrzeugbatterie in einer Explosionsdarstellung,
3 die Kraftfahrzeugbatterie von einer Unterseite und
4 die Kraftfahrzeugbatterie mit montierten Fluidleitungen.
Die 1 bis 4 zeigen ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeugbatterie 10 sowie einen Teil der Kraftfahrzeugbatterie 10. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Kraftfahrzeug als ein Hybridfahrzeug ausgebildet. Das Kraftfahrzeug umfasst einen Antriebsstrang mit einem Elektromotor 11 und einem Verbrennungsmotor 12, die beide zum Antrieb von Antriebsrädern 13 vorgesehen sind. Alternativ ist es auch denkbar, dass das Kraftfahrzeug als ein Elektrofahrzeug ausgebildet ist und der Antriebsstrang lediglich den Elektromotor 11 umfasst. Ebenfalls denkbar ist, dass das Kraftfahrzeug ein dezentrales Antriebskonzept mit mehreren Elektromotoren aufweist, die jeweils direkt zum Antrieb von einem der Antriebsräder 13 vorgesehen sind. Die Ausgestaltung der Kraftfahrzeugbatterie 10 ist unabhängig von dem vorgesehenen Antriebskonzept. Grundsätzlich kann das Kraftfahrzeug auch einen anders ausgebildeten Antriebsstrang aufweisen. Die Kraftfahrzeugbatterie 10 ist als eine Hochvoltbatterie ausgebildet.
Die Kraftfahrzeugbatterie 10 umfasst mehrere Zellblöcke 14. Die Zellblöcke 14 umfassen eine Mehrzahl von Batteriezellen 15, die zur Speicherung und Abgabe der elektrischen Leistung vorgesehen sind. Die Zellblöcke 14 sowie die Batteriezellen 15 in den Zellblöcken 14 sind elektrisch parallel und/oder seriell geschaltet, um eine für den Antriebsstrang erforderliche elektrische Spannung und elektrische Leistung bereitstellen zu können. Die Batteriezellen 15 weisen jeweils eine Zellspannung im Niedervoltbereich auf, wobei die Zellspannung von einer verwendeten Zellchemie abhängt. Bei einer Ausbildung der Batteriezellen 15 als Lithium-Ionen-Batterien beträgt die Zellspannung beispielsweise 3,6 Volt. Grundsätzlich kann die Zellspannung aber auch andere Werte aufweisen. Die Kraftfahrzeugbatterie 10 weist je nach Verschaltung der Batteriezellen 15 und/oder Zellblöcke 14 eine Batteriespannung auf, die in Abhängigkeit von einer vorgesehenen Verwendung im Niedervoltbereich oder im Hochvoltbereich liegen kann. Die Kraftfahrzeugbatterie 10 weist ein Batteriegehäuse 16 auf, das die Zellblöcke 14 mit den Batteriezellen 15 aufnimmt. Weiter umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 10 eine Elektronik 17, die insbesondere zur Überwachung der Batteriezellen 15 sowie zur Einstellung einer elektrischen Leistung, die den Batteriezellen 15 zugeführt oder den Batteriezellen 15 entnommen wird, vorgesehen ist. Außerdem umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 10 eine Temperiereinrichtung 18 für die Batteriezellen 15 und/oder die Elektronik 17, welche insbesondere zur Kühlung und/oder Heizung der Batteriezellen 15 vorgesehen ist. Die Zellblöcke 14 mit den Batteriezellen 15, die Elektronik 17 und die Temperiereinrichtung 18 sind zumindest teilweise in dem gemeinsamen Batteriegehäuse 16 angeordnet (vgl. 1). Sämtliche Zellblöcke 14 sind identisch ausgebildet.
Die Batteriezellen 15 der Zellblöcke 14 sind gestapelt angeordnet. Jeder Zellblock 14 weist eine Stapelrichtung 19 auf, entlang der die Batteriezellen 15 des entsprechenden Zellblocks 14 hintereinander angeordnet sind. Die Hüllbleche sind in Form von Schalen ausgeführt. Jedes der Hüllbleche weist einen Boden und einen Schalenrand auf. In miteinander verbundenem Zustand bilden die Schalenränder und der Rahmen die Schmalseite der Batteriezelle 15 aus. Die Böden der Hüllelemente bilden mit ihrer nach außen gewandten Oberfläche eine Grundseite der Batteriezelle 15 aus. Die in dem Zellblock 14 benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen 15 berühren sich jeweils mit ihren Grundseiten. Die Grundseiten weisen Oberflächennormalen auf, die im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung 19 orientiert sind. Die Schmalseite, über die der Wärmeaustausch zur Kühlung erfolgt, ist parallel zu der Stapelrichtung 19 orientiert.
Um die Batteriezellen 15 fest miteinander zu verbinden, weist der Zellblock 14 eine Zellhalterung 20 auf. Die Zellhalterung 20 ist zur mechanischen Fixierung der Batteriezellen 15 vorgesehen. Die Zellhalterung 20 umfasst zumindest zwei Endplatten 21, 22, welche entlang der Stapelrichtung 19 beidseits der Batteriezellen 15 angeordnet sind, sowie ein oder mehrere Spannelemente 23, welche die Endplatten 21, 22 miteinander verbinden. Die Endplatten 21, 22 in Verbindung mit den Spannelementen 23 fixieren die Batteriezellen 15 mechanisch. Für eine elektrische Verbindung der Batteriezellen 15 weist die Zellhalterung 20 zwei nicht näher dargestellte Stromschienen auf.
Jede Batteriezelle 15 weist zwei nicht näher dargestellte elektrische Kontaktelemente auf, die unterschiedlich gepolt sind. Die Kontaktelemente sind mit den Hüllelementen elektrisch verbunden oder einstückig mit den Hüllelementen ausgeführt. Das erste Kontaktelement der ersten Batteriezelle 15 ist mit der Stromschiene der ersten Endplatte 21 verbunden. Das zweite Kontaktelement der letzten Batteriezelle 15 ist mit der Stromschiene der zweiten Endplatte 22 verbunden. Die übrigen Kontaktelemente der Batteriezellen 15 sind jeweils wechselweise miteinander verbunden, wodurch die Batteriezellen 15 in Reihe geschaltet sind. Alternativ ist es auch denkbar, die Batteriezellen 15 des Zellblocks 14 mittels Stromschienen, welche entlang der Stapelrichtung 19 verlaufen, parallel zu schalten.
Die Kraftfahrzeugbatterie 10 weist je Zellblock 14 zur Temperierung der Batteriezellen 15 eine Temperierplatte 29 auf. Die Temperierplatten 29 sind mit Kanälen 37 versehen. In einem Betrieb strömt ein Fluid, beispielsweise Wasser oder Öl, durch die Kanäle 37 der Temperierplatte 29, wodurch sich diese in Abhängigkeit von einer Temperatur des Fluids erwärmt oder abkühlt. Die Temperierplatten 29 sind thermisch mit den Batteriezellen 15 des Zellblocks 14 verbunden. Die Batteriezellen 15 stehen über ihre Schmalseite, insbesondere über die Schmalseite mit den Kontaktelementen, entweder direkt oder über zwischengeschaltete Wärmeleitelemente in thermischem Kontakt mit der Temperierplatte 29.
Die Temperierplatte 29 weist zwei Anschlussstutzen 30, 31 auf, die zur Anbindung an die Temperiereinrichtung 18 vorgesehen sind. Die Temperiereinrichtung 18 umfasst eine Mehrzahl von Fluidleitungen 25 sowie einen Wärmetauscher und/oder ein Heiz- und/oder ein Kühlelement zur Einstellung der Temperatur für die Zellblöcke 14. Die Temperierplatten 29 der unterschiedlichen Zellblöcke 14 sind durch die Fluidleitungen 25 hydraulisch miteinander und/oder mit dem Wärmetauscher bzw. Heiz- und/oder Kühlelement verbunden. Je nach einer Anordnung der Zellblöcke 14 in der Kraftfahrzeugbatterie 10 können die Temperierplatten 29 in Reihe oder parallel geschaltet sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Temperierplatten 29 teilweise in Reihe und teilweise parallel geschaltet.
Zur Anordnung der Anschlussstutzen 30, 31 weist die Temperierplatte 29 einen Bereich 32 auf, der in montiertem Zustand seitlich über den Zellblock 14 hinausragt. Die Temperierplatte 29 weist eine Innenseite auf, die in montiertem Zustand in thermischem Kontakt mit den Batteriezellen 15 steht. Die Anschlussstutzen 30, 31 sind an der Innenseite der Temperierplatte 29 in dem Bereich 32, in dem die Temperierplatte 29 über den Zellblock 14 hinausragt, angeordnet. Die Anschlussstutzen 30, 31 und die Batteriezellen 15 sind damit auf der gleichen Seite der Temperierplatte 29 angeordnet.
Das Batteriegehäuse 16 weist ein Gehäuseunterteil 33 auf, das eine Wanne zur Aufnahme der Zellblöcke 14 ausbildet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuseunterteil 33 zur Aufnahme von vier Zellblöcken 14 vorgesehen. Die Temperierplatten 29 der in dem Gehäuseunterteil 33 montierten Zellblöcke 14 sind nach oben gewandt. Die Batteriezellen 15 sind räumlich zwischen dem Gehäuseunterteil 33 und den Temperierplatten 29 angeordnet. Das Batteriegehäuse 16 weist ein nicht näher dargestelltes Gehäuseoberteil auf, welches in montiertem Zustand das Gehäuseunterteil 33 verschließt.
Das Gehäuseunterteil 33 des Batteriegehäuses 16 bildet in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Crashelemente 26 aus, die zur Versteifung für einen Crashfall vorgesehen sind. Die Crashelemente 26 weisen eine Haupterstreckungsrichtung 34 auf, welche senkrecht zur Stapelrichtung 19 der Batteriezellen 15 und damit in einer Querrichtung in dem Batteriegehäuse 16 angeordnet sind. Zur Ausbildung der Crashelemente 26 weist das Gehäuseunterteil 33 zwei angeformte Einbuchtungen 38 auf, welche eine Versteifungsstruktur ausbilden. Die Crashelemente 26 sind als eine Struktur des Gehäuseunterteils 33 ausgebildet.
Die Crashelemente 26 bilden Kanäle 27 aus, die zur Aufnahme der Fluidleitungen 25 vorgesehen sind. Die durch die Crashelemente 26 ausgebildeten Kanäle 27 durchsetzen das Batteriegehäuse 16 in der Haupterstreckungsrichtung 34. In montiertem Zustand verlaufen die Fluidleitungen 25 in den Kanälen 27, welche durch die Crashelemente 26 ausgebildet sind. Das Gehäuseunterteil 33, welches die Crashelemente 26 ausbildet, bildet für die Kanäle 27 eine Wandung aus, welche die Batteriezellen 15 und die Fluidleitungen 25 räumlich voneinander trennt.
Die durch die Crashelemente 26 ausgebildeten Kanäle 27 sind bezogen auf einen Zellblockaufnahmeraum 24 des Batteriegehäuses 16, in welchem die Zellblöcke 14 angeordnet sind, außenliegend angeordnet. Das Batteriegehäuse 16 weist bedingt durch die angeformten Einbuchtungen 38 Stege auf, die den Zellblockaufnahmeraum 24 unterteilen.
Das Gehäuseunterteil 33 des Batteriegehäuses 16 weist im Bereich der Kanäle 27 mehrere Aussparungen 28 auf, die zur fluiddichten Anbindung der Fluidleitungen 25 an die Zellblöcke 14 vorgesehen sind. Die Aussparungen 28 sind in die durch das Gehäuseunterteil 33 ausgebildeten Wandungen der Kanäle 27 eingebracht. Sind die Zellblöcke 14 in dem Gehäuseunterteil 33 montiert, greifen die Anschlussstutzen 30, 31 der Zellblöcke 14 durch die Aussparungen 28 hindurch. Die Temperierplatte 29 liegt fluiddicht an dem Gehäuseunterteil 33 an. Zur fluiddichten Anbindung der Fluidleitungen 25 sind die Aussparungen 28 umschließende Dichtelemente 36 vorgesehen, die von O-Ringen gebildet werden. Die Dichtelemente 36 dichten zwischen den Temperierplatten 29 und dem Gehäuseunterteil 33 ab und sind durch nicht näher dargestellte Spannelemente kraftschlüssig verpresst. Alternativ oder zusätzlich sind stoffschlüssig wirkende Dichtmassen/Klebstoffe denkbar. Insbesondere sind Verschweißungen denkbar.
Die Fluidleitungen 25 sind in dem Kanal 27 auf die durch die Aussparungen 28 in den Kanal 27 eingreifenden Anschlussstutzen 30, 31 aufgesteckt und damit fest mit den Anschlussstutzen 30, 31 verbunden. Die Fluidleitungen 25 sind vollständig in den Kanälen 27 angeordnet.
Das Batteriegehäuse 16 weist mehrere Abdeckungen 35 auf, die dazu vorgesehen sind, die Kanäle 27, in denen die Fluidleitungen 25 angeordnet sind, zu verschließen. Die Crashelemente 26 weisen bei mittels der Abdeckungen 35 verschlossenen Kanälen 27 einen Querschnitt mit einer rechteckigen Hohlform auf. Die Fluidleitungen 25, die innerhalb dieser Hohlform geführt sind, sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel seitlich aus dem Batteriegehäuse 16 hinausgeführt.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeugbatterie
11: Elektromotor
12: Verbrennungsmotor
13: Antriebsrad
14: Zellblock
15: Batteriezelle
16: Batteriegehäuse
17: Elektronik
18: Temperiereinrichtung
19: Stapelrichtung
20: Zellhalterung
21: Endplatte
22: Endplatte
23: Spannelement
24: Zellblockaufnahmeraum
25: Fluidleitung
26: Crashelement
27: Kanal
28: Aussparung
29: Temperierplatte
30: Anschlussstutzen
31: Anschlussstutzen
32: Bereich
33: Gehäuseunterteil
34: Haupterstreckungsrichtung
35: Abdeckung
36: Dichtelement
37: Kanal
38: Einbuchtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012216916 A1 [0002]

Claims

Kraftfahrzeugbatterie (10) mit zumindest zwei Zellblöcken (14), mit zumindest einem Batteriegehäuse (16), welches die Zellblöcke (14) zumindest teilweise umschließt, mit einer Temperiereinrichtung (18), die zumindest eine Fluidleitung (25) zur Leitung eines Fluids für eine Temperierung der zumindest zwei Zellblöcke (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (16) zumindest ein zur Versteifung vorgesehenes Crashelement (26) aufweist, das zur Aufnahme der zumindest einen Fluidleitung (25) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeugbatterie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Crashelement (26) einen Kanal (27) ausbildet, der zur Aufnahme der zumindest einen Fluidleitung (25) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeugbatterie (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kanal (27) bezogen auf einen Zellblockaufnahmeraum (24) des Batteriegehäuses (16) außenliegend angeordnet ist.
Kraftfahrzeugbatterie (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (16) im Bereich des zumindest einen Kanals (27) zumindest eine Aussparung (28) aufweist, die zur fluiddichten Anbindung der zumindest einen Fluidleitung (25) an zumindest einen der Zellblöcke (14) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeugbatterie (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zumindest ein die Aussparung (28) umschließendes Dichtelement (36), das zur fluiddichten Anbindung der zumindest einen Fluidleitung (25) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug mit zumindest einer als Hochvoltbatterie ausgebildeten Kraftfahrzeugbatterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.