DE102016102531A1

DE102016102531A1 - Kraftfahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE102016102531A1
Application number: DE102016102531.3A
Authority: DE
Inventors: Hubert Stadtfeld; Christian Wulff
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Es ist eine Kraftfahrzeugbatterie (10), insbesondere Traktionsbatterie zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen mit einem flüssigkeitsgekühlten Batterieboden (12) zur Wärmeabfuhr, einem mit dem Batterieboden (12) verbundenen Batterierahmen (18), mindestens einem auf dem Batterieboden (12) abgestellten und in den Batterierahmen (18) eingesetzten Batteriemodul (20), wobei der Batterierahmen (18) zur Kühlung des Batteriemoduls (20) mit einem Gas gasdurchlässig ausgeführt ist. Durch die gleichzeitige Kühlung des Batteriemoduls (20) mit einer Flüssigkeit über den Batterieboden (12) und mit Hilfe des durch den Batterierahmen (18) hindurchgeleiteten Gas kann eine gute Kühlleistung erreicht wird (10) ermöglicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbatterie, mit deren Hilfe ein Kraftfahrzeug elektrifiziert werden kann und insbesondere ein Hybrid-Kraftfahrzeug oder ein Batterie-Elektrisches-Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann.
Aus US 9,0487,483 B2 ist es bekannt in einem Batteriemodul zusammengefasste Batteriespeicherzellen beabstandet zueinander anzuordnen und durch zwischen den Batteriespeicherzellen ausgebildeten Kanälen ein Gas zu leiten, das die Batteriespeicherzellen innerhalb eines Gehäuses des Batteriemoduls umströmt, um dadurch in den Speicherzellen entstehende Wärme mit dem Gas aus dem Batteriemodul abzuführen.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis eine Kraftfahrzeugbatterie zu kühlen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine gute Kühlung einer Kraftfahrzeugbatterie ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Kraftfahrzeugbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Erfindungsgemäß ist eine Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere Traktionsbatterie zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen mit einem flüssigkeitsgekühlten Batterieboden zur Wärmeabfuhr, einem mit dem Batterieboden verbundenen Batterierahmen, mindestens einem auf dem Batterieboden abgestellten und in den Batterierahmen eingesetzten Batteriemodul, wobei der Batterierahmen zur Kühlung des Batteriemoduls mit einem Gas gasdurchlässig ausgeführt ist.
Der Batterieboden kann durch eine Flüssigkeit temperiert, insbesondere gekühlt werden, so dass über den thermischen Kontakt des auf den Batterieboden abgestellten Batteriemoduls das Batteriemodul mit Hilfe einer Flüssigkeit gekühlt werden kann, ohne das die Flüssigkeit in direkten Kontakt mit dem Batteriemodul gelangt. Da der Batterierahmen zumindest für ein Gas durchlässig ist, kann dieses Gas durch den Batterierahmen hindurch zum Batteriemodul gelangen und Wärme aufnehmen. Das erwärmte Gas kann dann von dem Batteriemodul, beispielsweise durch eine andere Stelle des Batterierahmens, abgeführt werden, wodurch das Batteriemodul auch von dem Gas temperiert, insbesondere gekühlt, werden kann. Durch die gleichzeitige Kühlung des Batteriemoduls mit einer Flüssigkeit über den Batterieboden und mit Hilfe des durch den Batterierahmen hindurchgeleiteten Gas kann eine gute Kühlleistung erreicht werden, so dass eine gute Kühlung einer Kraftfahrzeugbatterie ermöglicht ist.
Insbesondere weist das Batteriemodul ein gasdichtes Modulgehäuse auf, wobei mehrere Batteriezellen in dem Modulgehäuse angeordnet sind. Dadurch kann das Gas ausschließlich mit der Außenseite des Batteriemoduls in Kontakt treten, so dass ein direkter Kontakt des Gases mit den in dem Batteriemodul angeordneten Batteriezellen vermieden ist. Eine komplizierte Kühlstruktur innerhalb des Batteriemoduls kann dadurch vermieden werden. Die Batteriezellen sind insbesondere als Taschenbatterien ausgestaltet, die sich vorzugsweise an ihren Längsseiten innerhalb des Batteriemoduls flächig kontaktieren. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenützt, dass über den flüssigkeitsgekühlten Batterieboden bereits eine signifikante Kühlung des Batteriemoduls erreicht werden kann, so dass es nicht erforderlich ist eine Gaskühlung der Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls vorzusehen. Die Gaskühlung der Außenseite des Batteriemoduls ist bereits ausreichend die in thermischen Kontakt mit dem Modulgehäuse stehenden Batteriezellen zumindest soweit zu kühlen, dass starke Temperaturunterschiede von beispielsweise 20 K innerhalb einer Batteriezelle vermieden werden können. Die Gaskühlung kann eine homogenisierte Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezellen erreichen, ohne dass hierzu ein direkter Kontakt des Gases mit der Batteriezelle erforderlich ist. Beispielsweise kann durch die Gaskühlung vermieden werden, dass bei einer starken Leistungsaufnahme beim Aufladen einer Batteriezelle und/oder einer starken Leistungsabgabe beim Entladen einer Batteriezelle sich ein von der Bodenplatte entfernter Kopfbereich der Batteriezelle unzulässig weit aufheizt. Beispielsweise kann bei einer vorgesehenen Betriebstemperatur von ca. 30°C eine maximale lokale Temperatur von ca. 50°C eingehalten werden.
Vorzugsweise ist ein das mindestens eine Batteriemodul aufnehmendes gasdichtes Batteriegehäuse vorgesehen, wobei das Batteriegehäuse einen Einlass zur Zufuhr des Gases und einen Auslass zur Abfuhr des Gases aufweist. In dem Batteriegehäuse können mehrere Batteriemodule vorgesehen sein, die jeweils in einen Batterierahmen eingesetzt sind, wobei die mehreren Batterierahmen vorzugsweise einstückig ausgeführt sind. Das Batteriegehäuse kann beispielsweise eine insbesondere über eine gasdichte Dichtung mit dem Batterieboden verbundene Haube aufweisen. Das Gas kann in dem Batteriegehäuse zurückgehalten werden und dadurch nicht an die Umgebung entweichen. Dies ermöglicht eine erzwungene Strömung für das Gas an den Batteriemodulen entlang, die im Vergleich zu einer natürlichen Konvektion einen erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten ermöglicht. Die Kühlleistung ist dadurch verbessert. Über den Einlass kann kühles Gas einströmen und über den Auslass kann erwärmtes Gas ausströmen.
Besonders bevorzugt weist das Batteriegehäuse eine Deckplatte zur oberen Begrenzung des Batteriegehäuse auf, wobei zwischen der Deckplatte und dem Batteriemodul ein Kühlspalt zur Durchfuhr des Gases ausgebildet ist, wobei über die Deckplatte Wärme des Gases abführbar ist, wobei die Deckplatte insbesondere als ein passiver Wärmetauscher, vorzugsweise mit Kühlrippen, ausgestaltet ist. Die Deckplatte ist insbesondere Teil einer insbesondere über eine gasdichte Dichtung mit dem Batterieboden verbundene Haube. Die Deckplatte kann das Gas in dem Batteriegehäuse zurückhalten. Insbesondere kann sich in dem Kühlspalt, der in Schwerkraftrichtung oberhalb des Batteriemoduls ausgebildet ist, erwärmtes Gas sammeln. Dadurch kann sich an der Deckplatte ein besonders großer Temperaturunterschied mit einem entsprechend großen Temperaturgradienten ausbilden, der die Abfuhr von Wärme begünstigt. Durch nach innen und/oder nach außen abstehende Kühlrippen kann die Funktion der Deckplatte als passiver Kühler weiter verbessert werden. Die Kühlleistung ist dadurch gesteigert.
Insbesondere ist ein mit dem mindestens einen Batteriemodul kommunizierender geschlossener Gaskreislauf vorgesehen, wobei in dem Gaskreislauf das Gas vorgesehen ist, wobei der Gaskreislauf einen Verdichter zur Förderung des Gases und einen Gaswärmetauscher zur Kühlung des Gases aufweist. Prinzipiell kann alternativ ein offener Gaskreislauf vorgesehen sein, der Umgebungsluft ansaugt und ungekühlt an die Umgebung abgibt. Der geschlossene Gaskreislauf ermöglicht es jedoch ein von Luft verschiedenes Gas vorzusehen, das im Vergleich zu Luft bessere Eigenschaften aufweist, beispielsweise eine im Vergleich zu Luft höhere Wärmeleitfähigkeit und/oder geringere Entflammbarkeit. Die Kühlleistung und die Betriebssicherheit können dadurch verbessert sein.
Vorzugsweise ist eine Flüssigkeitskühlung zur Kühlung der Bodenplatte vorgesehen, wobei das Gas von der Flüssigkeitskühlung, insbesondere über einen zwischengeschalteten Gaswärmetauscher, kühlbar ist. Die zur Kühlung der Bodenplatte vorgesehene Flüssigkeitskühlung kann dadurch zusätzlich das erwärmte Gas kühlen, so dass die Wärmekapazität der für die Flüssigkeitskühlung verwendeten Flüssigkeit, beispielsweise Kühlöl oder Kühlwasser, auch für die von dem Gas aufgenommene Wärme genutzt werden kann. Eine separate aktive Kühlung für das erwärmte Gas ist dadurch nicht erforderlich, um das Gas im gekühlten Zustand dem Batteriemodul wieder zuführen zu können.
Besonders bevorzugt weist das Gas eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft auf. Dadurch kann der Wärmeübergang von dem Batteriemodul an das Gas verbessert werden, wodurch die Kühlleistung steigt.
Insbesondere ist das Gas im Wesentlichen nicht brennbar und/oder im Wesentlichen elektrisch nicht leitend und/oder im Wesentlichen chemisch inert, wobei das Gas insbesondere ein Edelgas, vorzugsweise Helium oder Neon, ist. Bei einem derartigen Gas kann eine Explosion, ein elektrischer Kurzschluss und/oder eine chemische Reaktion an dem Batteriemodul vermieden werden. Dadurch ist eine hohe Betriebssicherheit gegeben.
Vorzugsweise ist zum Umströmen des Batteriemoduls mit dem Gas zwischen Seitenwänden des Batteriemoduls und dem Batterierahmen ein Spalt und/oder Luftkanal ausgebildet. Das Gas kann dadurch insbesondere an beiden in horizontaler Richtung weisenden Stirnseiten und/oder an beiden in horizontaler Richtung weisenden Längsseiten eines im Wesentlichen quaderförmigen Batteriemoduls entlangströmen. Dadurch ergibt sich eine große Kontaktfläche für das Gas, über die ein entsprechend großer Wärmestrom an das Gas abgegeben werden kann. Die Kühlleistung ist dadurch gesteigert.
Besonders bevorzugt weist der Batterierahmen Durchgangsöffnungen zum Durchleiten des Gases auf, wobei insbesondere die Durchgangsöffnungen von einer für das Gas gasdurchlässigen Membran flüssigkeitsdicht verschlossen sind. Der Batterierahmen kann zum Durchleiten des Gases geeignet perforiert sein. Das Gas kann dadurch das Batteriemodul seitlich anströmen und vorzugsweise zumindest zu einem Teil in einem unteren Bereich des Batteriemoduls auftreffen. Durch die Membran können unerwünschte Stoffe, beispielsweise Schmutzpartikel und/oder Feuchtigkeit, zurückgehalten werden, so dass diese unerwünschten Stoffe das Batteriemodul nicht beeinträchtigen können.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
1: eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils einer Kraftfahrzeugbatterie und
2: eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbatterie.
Die in 1 und 2 dargestellte Kraftfahrzeugbatterie 10, die insbesondere eine Traktionsbatterie eines Hybrid-Kraftfahrzeugs oder eines Batterie-Elektrischen-Kraftfahrzeugs ist, weist einen Batterieboden 12 mit einem Kühlkanal 14 auf, durch den eine Kühlflüssigkeit geleitet werden kann, um den Batterieboden 12 zu temperieren, insbesondere aktiv zu kühlen. Der Batterieboden 12 kann an seiner Unterseite mit einem massiv ausgeführten Unterbodenschutz 16 versehen sein, der als Schlagschutz dienen kann, so dass der Batterieboden 12 auch als Unterboden des Kraftfahrzeugs dienen kann. Auf den Batterieboden 12 ist ein Batterierahmen 18 aufgesetzt, in den ein Batteriemodul 20 eingesetzt und auf den Batterieboden 12 abgesetzt werden kann. Mit dem Batterierahmen 18 können Rückhalteansätze 22 und/oder ein Batteriedeckel verschraubt sein, um das Batteriemodul 20 verliersicher zwischen dem Batterieboden 12 und den Rückhalteansätze 22 in dem Batterierahmen 18 zurückzuhalten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Batteriemodul 20 und dem Batterieboden 12 ein, insbesondere elastisch, verformbares wärmeleitendes Anlageelement 24 zur Bereitstellung eines flächigen Wärmeleitkontakts zwischen dem Batterieboden 12 und dem Batteriemodul 20 vorgesehen. Das insbesondere als „Gappad“ bezeichnete Anlageelement 24 kann durch seine Verformbarkeit einen ebenen Kontakt herstellen und Unebenheiten ausgleichen.
Mit dem Batterieboden 12 ist ein als Haube ausgestaltetes Batteriegehäuse 26 gasdicht verbunden, das die Batteriemodule 20 abdeckt. Zwischen dem Batteriegehäuse 26 und dem Batterieboden 12 ist ein Einlass 28 zur Zufuhr von kühlem Gas und ein Auslass 30 zur Abfuhr von erwärmten Gas ausgebildet. Das Batteriegehäuse 26 und die darin angeordneten Batteriemodule 20 können Teil eines geschlossenen Gaskreislaufs sein, in dem beispielsweise Helium oder Neon als Gas umgefördert wird. Das über den Auslass 30 austretende erwärmte Gas kann in einem Gaswärmetauscher 32 gekühlt werden, vorzugsweise mit Hilfe des Kühlkanals 14, der Teil einer Flüssigkeitskühlung für den Batterieboden 12 sein kann.
Der Batterierahmen 18 weist in seinen Seitenwänden mehrere Durchgangsöffnungen 34 auf, über die das Gas an die Außenflächen des Batteriemoduls 20 herangeführt und insbesondere an einem gegenüberliegenden Ende abgeführt werden kann. Gegebenenfalls sind die Durchgangsöffnungen 34 von einer gasdurchlässigen aber wasserabweisenden Membran verschlossen. Zwischen dem Batteriemodul 20 und dem Batterierahmen 18 ist ein Spalt 36 frei gelassen, so dass das Gas die Seitenwände des Batteriemoduls 20 außen umströmen kann. Zwischen einer Oberseite des Batteriemoduls 20 und einer oberen Deckplatte 38 des Batteriegehäuses 26 ist ein Kühlspalt 40 ausgebildet, in dem sich erwärmtes Gas sammeln kann. Die Deckplatte 38 kann als passiver Kühler ausgestaltet sein, so dass das Gas bereits über die Deckplatte 38 passiv gekühlt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 90487483 B2 [0002]

Claims

Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere Traktionsbatterie zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, mit einem flüssigkeitsgekühlten Batterieboden (12) zur Wärmeabfuhr, einem mit dem Batterieboden (12) verbundenen Batterierahmen (18), mindestens einem auf dem Batterieboden (12) abgestellten und in den Batterierahmen (18) eingesetzten Batteriemodul (20), wobei der Batterierahmen (18) zur Kühlung des Batteriemoduls (20) mit einem Gas gasdurchlässig ausgeführt ist.
Kraftfahrzeugbatterie nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (20) ein gasdichtes Modulgehäuse aufweist, wobei mehrere Batteriezellen in dem Modulgehäuse angeordnet sind.
Kraftfahrzeugbatterie nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein das mindestens eine Batteriemodul (20) aufnehmendes gasdichtes Batteriegehäuse (26) vorgesehen ist, wobei das Batteriegehäuse (26) einen Einlass (28) zur Zufuhr des Gases und einen Auslass (30) zur Abfuhr des Gases aufweist.
Kraftfahrzeugbatterie nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (26) eine Deckplatte (38) zur oberen Begrenzung des Batteriegehäuse (26) aufweist, wobei zwischen der Deckplatte (38) und dem Batteriemodul (20) ein Kühlspalt (40) zur Durchfuhr des Gases ausgebildet ist, wobei über die Deckplatte (38) Wärme des Gases abführbar ist, wobei die Deckplatte (38) insbesondere als ein passiver Wärmetauscher, vorzugsweise mit Kühlrippen, ausgestaltet ist.
Kraftfahrzeugbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem mindestens einen Batteriemodul (20) kommunizierender geschlossener Gaskreislauf vorgesehen ist, wobei in dem Gaskreislauf das Gas vorgesehen ist, wobei der Gaskreislauf einen Verdichter zur Förderung des Gases und einen Gaswärmetauscher (32) zur Kühlung des Gases aufweist.
Kraftfahrzeugbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitskühlung zur Kühlung der Bodenplatte (12) vorgesehen ist, wobei das Gas von der Flüssigkeitskühlung, insbesondere über einen zwischengeschalteten Gaswärmetauscher (32), kühlbar ist.
Kraftfahrzeugbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Gas eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweist.
Kraftfahrzeugbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Wesentlichen nicht brennbar und/oder im Wesentlichen elektrisch nicht leitend und/oder im Wesentlichen chemisch inert ist, wobei das Gas insbesondere ein Edelgas, vorzugsweise Helium oder Neon, ist.
Kraftfahrzeugbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass zum Umströmen des Batteriemoduls (20) mit dem Gas zwischen Seitenwänden des Batteriemoduls (20) und dem Batterierahmen (18) ein Spalt (36) und/oder Luftkanal ausgebildet ist.
Kraftfahrzeugbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Batterierahmen (18) Durchgangsöffnungen (34) zum Durchleiten des Gases aufweist, wobei insbesondere die Durchgangsöffnungen (34) von einer für das Gas gasdurchlässigen Membran flüssigkeitsdicht verschlossen sind.