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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul für einen Hochvoltenergiespeicher eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, umfassend eine Mehrzahl aufladbarer und elektrisch miteinander verschalteter Batteriezellen, sowie ein Batteriemodulgehäuse, innerhalb dessen die Batteriezellen untergebracht sind. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Hochvoltenergiespeicher eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, umfassend eine Vielzahl elektrisch miteinander verschalteter Batteriemodule sowie ein Gehäuse, innerhalb dessen die Batteriemodule untergebracht sind.
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Elektrische Antriebskonzepte spielen bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen eine zunehmend wichtigere Rolle. Zu unterscheiden ist dabei zwischen rein elektrisch betriebenen Elektrofahrzeugen, die als Antriebsvorrichtung zumindest eine elektrische Maschine aufweisen, sowie Hybridfahrzeugen, bei denen eine Brennkraftmaschine und zumindest eine elektrische Maschine als Antriebsvorrichtungen vorgesehen sind. Ein gemeinsames Merkmal dieser beiden Antriebskonzepte ist ein Hochvoltenergiespeicher, mittels dessen elektrische Energie zur Versorgung der elektrischen Maschine speicherbar ist. Derartige Hochvoltenergiespeicher, die häufig auch als Traktionsbatterien bezeichnet werden, weisen ein Gehäuse auf, innerhalb dessen mehrere aufladbare Batteriemodule untergebracht sind, die elektrisch miteinander verschaltet sind. In einer Motorbetriebsart der elektrischen Maschine wird diese von dem Hochvoltenergiespeicher mit elektrischer Energie versorgt, so dass die elektrischen Batteriemodule stärker entladen werden. In einer Generatorbetriebsart der elektrischen Maschine werden demgegenüber die Batteriemodule des Hochvoltenergiespeichers stärker aufgeladen.
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Die Batteriemodule eines Hochvoltenergiespeichers weisen ihrerseits eine Mehrzahl von Batteriezellen auf, die in einem Batteriemodulgehäuse untergebracht sind und mit Hilfe elektrisch leitfähiger Zellverbinder elektrisch miteinander verbunden sind. Batteriemodule, bei denen die Batteriezellen in einem mehrteiligen Gehäuse untergebracht sind, sind zum Beispiel aus der
US 2015/0140405 A1 sowie aus der
US 2014/0295235 A1 bekannt. Das Batteriemodulgehäuse besteht dabei aus mehreren Einzelteilen, die bei der Montage miteinander verbunden werden. Die innerhalb des Gehäuses des Hochvoltenergiespeichers angeordneten Batteriemodule können im Crashfall bei der Einwirkung hoher äußerer mechanischer Belastungen auf das Gehäuse des Hochvoltenergiespeichers relativ leicht beschädigt werden, da sie ihrerseits nur eine relativ geringe mechanische Stabilität aufweisen. Dieses Problem stellt sich insbesondere, wenn das Batteriemodulgehäuse aus Kunststoff hergestellt ist. Um die Gefahr von Beschädigungen der Batteriemodule im Crashfall zu verringern, ist es bekannt, das Gehäuse des Hochvoltenergiespeichers mechanisch zu verstärken und zum Beispiel mechanische Deformationselemente und/oder Verstärkungsschotte innerhalb des Gehäuses anzuordnen. Diese Maßnahmen sind relativ aufwändig und kostenintensiv.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Batteriemodul sowie einen Hochvoltenergiespeicher der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die im Crashfall einen verbesserten Schutz der Batteriemodule und der darin untergebrachten Batteriezellen vor Beschädigungen ermöglichen.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefern ein Batteriemodul der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 sowie ein gattungsgemäßer Hochvoltenergiespeicher mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 10. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul zeichnet sich dadurch aus, dass das Batteriemodulgehäuse einen einteiligen Gehäusegrundkörper aus einem metallischen Werkstoff mit zwei offenen Stirnseiten und zwei Stirnplatten aus einem metallischen Werkstoff aufweist, mittels derer die beiden offenen Stirnseiten des Gehäusegrundkörpers verschlossen sind. Die Erfindung geht von der Idee aus, das ohnehin vorhandene Batteriemodulgehäuse durch die Verwendung eines metallischen Werkstoffs zur Herstellung des Gehäusegrundkörpers und der Stirnplatten strukturmechanisch derart auszugestalten, dass es im Crashfall einen verbesserten Schutz für das Batteriemodulgehäuse und die darin untergebrachten Batteriezellen bietet. Dieses wird insbesondere auch dadurch erreicht, dass der Gehäusegrundkörper nicht wie im Stand der Technik aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt ist, sondern einteilig ausgebildet ist. Mechanische Schwachstellen, die fügetechnisch bedingt bei mehrteilig ausgeführten Gehäusegrundkörpern auftreten, können so in vorteilhafter Weise vermieden werden. Der Gehäusegrundkörper und die beiden Stirnplatten, die zum Beispiel aus Stahl hergestellt sein können, weisen ihrerseits eine hohe Steifigkeit auf und können somit auch strukturmechanische Aufgaben übernehmen, so dass es in vorteilhafter Weise nicht zwingend erforderlich ist, strukturverstärkende Maßnahmen in einem Gehäuse des Hochvoltenergiespeichers vorzusehen, innerhalb dessen mehrere der in erfindungsgemäßer Weise ausgestalteten Batteriemodule untergebracht sind.
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Um das Verhalten des Batteriemodulgehäuses im Crashfall weiter zu verbessern, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass die beiden Stirnplatten so angeordnet sind, dass sie zumindest abschnittsweise formschlüssig an dem Gehäusegrundkörper anliegen. Dadurch wird im Crashfall ein verbesserter Lasteintrag in das Batteriemodulgehäuse erreicht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Gehäusegrundkörper stirnseitig eine Anzahl von Haltevorsprüngen umfasst und dass die Stirnplatten eine Anzahl mit den Haltevorsprüngen korrespondierender Aufnahmenuten aufweist, mit denen die Haltevorsprünge im Eingriff stehen. Die Stirnplatten werden somit durch Nut-Feder-Verbindungen stirnseitig mit dem Gehäusegrundkörper verbunden. Dabei besteht grundsätzlich die Möglichkeit einer Spielpassung oder einer Presspassung der Haltevorsprünge in den ihnen zugeordneten Aufnahmenuten.
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Vorzugsweise können die Stirnplatten zumindest abschnittweise mit dem Gehäusegrundkörper verschweißt sein. Dadurch wird ein besonders sicherer Halt der beiden Stirnplatten an den Stirnseiten des Gehäusegrundkörpers erreicht. Die Schweißverbindungen können alternativ oder in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zusätzlich zu den Nut-Feder-Verbindungen vorgesehen sein. Insbesondere bei einer Spielpassung der Haltevorsprünge in den ihnen zugeordneten Aufnahmenuten ist das Vorsehen dieser zusätzlichen stoffschlüssigen Schweißverbindungen besonders vorteilhaft, da auf diese Weise ein mechanisch besonders stabiler Fügeverbund geschaffen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Stirnplatten mit dem Gehäusegrundkörper verschraubt sind. Diese Verschraubungen, die alternativ oder besonders bevorzugt zusätzlich zu den Nut-Feder-Verbindungen vorgesehen sein können, stellen ebenfalls einen zuverlässigen Halt der Stirnplatten an dem Gehäusegrundkörper sicher. Zusätzliche Schraubverbindungen sind insbesondere bei Spielpassungen der Haltevorsprünge in den ihnen zugeordneten Aufnahmenuten von Vorteil.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können innerhalb des Batteriemodulgehäuses ein oder mehrere Aufnahmemittel aus Kunststoff untergebracht sein, in denen elektrisch leitfähige Zellverbinder aufgenommen sind, mittels derer die Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden sind. Diese Aufnahmemittel aus Kunststoff sind in vorteilhafter Weise dazu in der Lage, im Crashfall bei der Einwirkung einer äußeren Last eine elektrische Isolation sicherzustellen.
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Vorzugsweise kann der Gehäusegrundkörper aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium, hergestellt sein. Der Gehäusegrundkörper kann insbesondere ein Aluminium-Strangpressprofil sein. Durch die Verwendung eines Leichtmetallwerkstoffs zur Herstellung des Gehäusegrundkörpers kann dessen Gesamtmasse im Vergleich zu anderen metallischen Werkstoffen, wie zum Beispiel Stahl, in vorteilhafter Weise reduziert werden, wobei nicht zuletzt durch die einteilige Ausgestaltung dennoch eine ausreichend hohe mechanische Stabilität des Gehäusegrundkörpers gewährleistet werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Stirnplatten aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium, hergestellt sind. Beispielsweise können die Stirnplatten durch Aluminium-Druckguss hergestellt sein. Die aus dem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium, hergestellten Stirnplatten weisen eine hohe Steifigkeit bei vergleichsweise geringer Masse auf. Diese geringe Masse der Stirnplatten wirkt sich positiv auf die Gesamtmasse des Batteriemodulgehäuses aus.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass das Batteriemodulgehäuse zumindest eine Einspritzöffnung umfasst, durch die ein Klebemittel, insbesondere ein Klebeharz, in das Innere des Batteriemodulgehäuses einbringbar ist. Durch das Einbringen eines Klebemittels, insbesondere eines Klebeharzes, können die innerhalb des Batteriemodulgehäuses untergebrachten Batteriezellen in vorteilhafter Weise miteinander verklebt werden, so dass sie einen stabilen, stoffschlüssigen Halteverbund bilden, der sich im Crashfall ebenfalls als vorteilhaft erweist.
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Gemäß Anspruch 10 zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Hochvoltenergiespeicher dadurch aus, dass die Batteriemodule nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführt sind. Aufgrund der besonderen Ausgestaltung der Batteriemodule, deren Batteriemodulgehäuse im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich erhöhte mechanische Stabilität aufweisen, kann in vorteilhafter Weise auf zusätzliche mechanische Strukturstabilisierungsmaßnahmen des Gehäuses des Hochvoltenergiespeichers, wie zum Beispiel innerhalb des Gehäuses untergebrachte Deformationselemente und/oder Verstärkungsschotte, verzichtet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen
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1 eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls, das gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,
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2 eine weitere perspektivische Ansicht des Batteriemoduls gemäß 1,
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3 einen Schnitt durch einen Teil eines Batteriemodulgehäuses des Batteriemoduls gemäß 1 und 2,
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4 eine schematisch stark vereinfachte Schnittansicht eines Teils eines Hochvoltenergiespeichers, der gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
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Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 umfasst ein Batteriemodul 1 für einen Hochvoltenergiespeicher 100 eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs eine Mehrzahl aufladbarer und elektrisch miteinander verschalteter Batteriezellen sowie ein Batteriemodulgehäuse 2, innerhalb dessen die Batteriezellen untergebracht sind.
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Das Batteriemodulgehäuse 2 weist einen einteiligen Gehäusegrundkörper 3 aus einem metallischen Werkstoff auf, der rahmenartig ausgebildet ist und vorliegend einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Beispielsweise kann der Gehäusegrundkörper aus Stahl hergestellt sein. Der Gehäusegrundkörper 3 ist vorzugsweise aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium, hergestellt. Durch die Verwendung eines Leichtmetallwerkstoffs zur Herstellung des Grundkörpers 3 kann dessen Masse im Vergleich zu anderen metallischen Werkstoffen, wie zum Beispiel Stahl, bei ausreichender mechanischer Stabilität deutlich reduziert werden. Dieses wirkt sich ebenfalls positiv auf die Gesamtmasse des Hochvoltenergiespeichers 100 aus. Der Gehäusegrundkörper 3 kann insbesondere als Aluminium-Strangpressprofil ausgeführt sein. Die hier vorgeschlagene einteilige Ausgestaltung des Gehäusegrundkörpers 3 ist besonders vorteilhaft, da der Gehäusegrundkörper 3 keinerlei intrinsische mechanische Schwachstellen aufweist, die dessen mechanische Stabilität verringern. Solche mechanischen Schwachstellen treten unter Umständen bei einer mehrteiligen Ausführung des Gehäusegrundkörpers auf, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Ursache für die mechanischen Schwachstellen bildet die Fügetechnik, die für das Zusammenfügen der Einzelteile des Gehäusegrundkörpers verwendet wird.
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Die beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten des einteiligen, vorliegend rahmenartig ausgebildeten Gehäusegrundkörpers 3, innerhalb dessen die Batteriezellen aufgenommen sind, sind offen ausgeführt. Die beiden offenen Stirnseiten des Gehäusegrundkörpers 3 sind jeweils mittels einer Stirnplatte 4, 5 aus einem metallischen Werkstoff verschlossen, die zumindest abschnittsweise formschlüssig an dem Gehäusegrundkörper 3 anliegen, um dadurch die Lastaufnahme im Crashfall wirksam zu verbessern. Die beiden Stirnplatten 4, 5 weisen eine hohe mechanische Steifigkeit auf und können insbesondere aus Stahl hergestellt sein. Vorzugsweise sind die beiden Stirnplatten 4, 5 ebenfalls aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium, hergestellt. Im Vergleich zu der Herstellung der Stirnplatten 4, 5 aus Stahl kann durch diese Maßnahme die Masse der Stirnplatten 4, 5 verringert werden. Die Stirnplatten 4, 5 können vorzugsweise als Aluminium-Druckgussteile ausgeführt sein.
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Die einzelnen hier nicht explizit erkennbaren, innerhalb des Batteriemodulgehäuses 2 untergebrachten Batteriezellen sind mit Hilfe elektrisch leitender Zellverbinder in an sich bekannter Weise elektrisch miteinander verschaltet. Vorzugsweise sind innerhalb des Batteriemodulgehäuses 2 ein oder mehrere Aufnahmemittel untergebracht, in denen die Zellverbinder aufgenommen sind. Diese Aufnahmemittel sind aus Kunststoff hergestellt und so ausgebildet, dass sie bei der Einwirkung einer äußeren Last auf das Batteriemodulgehäuse 2 eine elektrische Isolation gewährleisten können.
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In 3 ist die Befestigung einer ersten Stirnplatte 4 an dem Gehäusegrundkörper 3 dargestellt, die in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel nach Art einer Nut-Feder-Verbindung erfolgt. Vorliegend weisen die Wandabschnitte des Gehäusegrundkörpers 3 stirnseitig jeweils einen Haltevorsprung 30, 31 auf, der jeweils in eine damit korrespondierende Aufnahmenut 40, 41 der ersten Stirnplatte 4 eingreift. Dadurch wird eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung der ersten Stirnplatte 4 mit dem Gehäusegrundkörper 3 erhalten. Zusätzlich wird die erste Stirnplatte 4 mit dem Gehäusegrundkörper 3 unter Bildung einer sich in Umfangsrichtung des Gehäusegrundkörpers 3 erstreckenden Schweißnaht 6 verschweißt, um dadurch auch eine stoffschlüssige Fügeverbindung zu erhalten und somit einen besonders sicheren Halt der ersten Stirnplatte 4 an der Stirnseite des Gehäusegrundkörpers 3 zu gewährleisten. In einer alternativen Ausführungsform ist auch eine Verschraubung der Stirnplatte 4 mit dem Gehäusegrundkörper 3 möglich. Die zweite Modulpatte 5 ist in analoger Weise mit dem Gehäusegrundkörper 3 des Batteriemodulgehäuses 2 verbunden.
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Durch das in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildete Batteriemodulgehäuse 2 kann im Crashfall ein deutlich verbesserter, integrierter Schutz der in dem Batteriemodulgehäuse 2 untergebrachten Batteriezellen erreicht werden. Durch die einteilige Ausgestaltung des Gehäusegrundkörpers 3 kann das Auftreten mechanischer Schwachstellen in vorteilhafter Weise verhindert werden. Die Herstellung des Gehäusegrundkörpers 3 und der beiden Stirnplatten 4, 5 aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium, verleiht diesen eine ausreichend hohe mechanische Stabilität.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, die innerhalb des Batteriemodulgehäuses 2 untergebrachten Batteriezellen miteinander zu verkleben, insbesondere miteinander zu verharzen. Das Batteriemodulgehäuse 2 umfasst dann zumindest eine Einspritzöffnung, durch die ein Klebemittel, insbesondere ein Klebeharz, in das Innere des Batteriemodulgehäuses 2 eingebracht werden kann. Durch das Einbringen des Klebemittels, insbesondere des Klebeharzes, in das Batteriemodulgehäuse 2 kann in vorteilhafter Weise ein stabiler, stoffschlüssiger Halteverbund der darin untergebrachten Batteriezellen miteinander gebildet werden, der die Eigenschaften des Batteriemoduls 1 im Crashfall weiter verbessern kann.
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Unter Bezugnahme auf 4 ist dort ein Hochvoltenergiespeicher 100 eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs dargestellt, welcher ein Gehäuse 101 umfasst, innerhalb dessen mehrere Batteriemodule 1 der vorstehend beschriebenen Art angeordnet und in bekannter Weise elektrisch miteinander verschaltet sind. Im Crashfall wirkt eine äußere Kraft Fext auf das Gehäuse 101 des Hochvoltenergiespeichers 100, die zu einer plastischen Verformung des Gehäuses 101 führen kann. Da die Batteriemodule 1 ihrerseits eine hohe Steifigkeit aufweisen und strukturmechanische Aufgaben übernehmen, ist es nicht zwingend erforderlich, zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen, wie zum Beispiel Verstärkungsschotte, innerhalb des Gehäuses 101 des Hochvoltenergiespeichers 100 vorzusehen, um die in den Batteriemodulgehäusen 2 untergebrachten Batteriezellen im Crashfall vor Beschädigungen zu schützen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0140405 A1 [0003]
- US 2014/0295235 A1 [0003]
