DE102016213832B4 - Unterschale für ein Batteriegehäuse mit integrierter Kühlung und Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Unterschale für ein Batteriegehäuse mit integrierter Kühlung und Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Unterschale (100) für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie, mit:- einer Wanne, die einen Boden (110) und diesen Boden (110) umgebende Seitenwände (120, 130) aufweist; und- mehreren Trennstegen (140, 150), die die Wanne in einzelne Fächer zur Aufnahme von Batteriezellen unterteilen;wobei sowohl der Boden (110) als auch die Trennstege (140, 150) aus Strangpressprofilen gebildet sind und zumindest einige der im Boden (110) eingesetzten Strangpressprofile (115) als Hohlprofile ausgebildet und mit einem Kühlfluid durchströmbar sind, undwobei quer- oder längsverlaufende Trennstege (150) durch stranggepresste T-Profile (155) gebildet sind, die im Boden (110) zwischen den mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofilen (115) eingesetzt sind, wobei diese T-Profile (155) an ihren bodenseitigen Schenkeln mit Nuten (156) zur Befestigung der Batteriezellen ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Unterschale für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie, mit einer Wanne und Trennstegen, die die Wanne in einzelne Fächer zur Aufnahme von Batteriezellen unterteilen. Die Erfindung betrifft ferner eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit Elektro- oder auch Hybridantrieb.
  • Eine Traktions- bzw. Antriebsbatterie für ein Kraftfahrzeug (d. h. für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug) weist für gewöhnlich ein dichtes Batteriegehäuse und im Inneren dieses Batteriegehäuses angeordnete Batteriezellen auf. Ferner sind im Batteriegehäuse zumeist auch Kontaktelemente und vorzugsweise auch eine Elektronik bzw. Leistungselektronik untergebracht.
  • Die DE 10 2012 019 922 A1 derselben Anmelderin beschreibt eine Batterieanordnung für ein Fahrzeug mit Elektroantrieb, die ein aus Unterschale und Oberschale bestehendes Batteriegehäuse aufweist, in dem crashsensible Batteriezellen angeordnet sind. Die Unterschale ist aus einem Metallblech und die Oberschale aus einem Kunststoff gebildet. Innerhalb des Batteriegehäuses sind am Gehäuseboden Querschienen angeschweißt. Die Querschienen dienen insbesondere zur Halterung der crashsensiblen Batteriezellen.
  • Die DE 10 2012 019 922 A1 lässt offen, wie erforderlichenfalls die Kühlung der Batteriezellen bzw. -module erfolgen kann. Bislang erfolgt die Kühlung bspw. durch eine externe mit Kühlfluid betriebene Kühleinrichtung, die unterhalb des Unterschalenbodens angeordnet ist. Die Kühleinrichtung ist ein zusätzliches Bauteil, das Platz benötigt und Montageaufwand erfordert. Außerdem ist meistens der Einsatz von Wärmeleitfolie oder -paste erforderlich, um eine optimale Wärmeableitung zu ermöglichen, was teuer und aufwändig ist. Ferner sind auch Herstellungstoleranzen zu berücksichtigen.
  • Die DE 10 2008 027 293 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Speicherelementen und einen Kühlkörper mit Kanälen zur Durchströmung mit einem Fluid, wobei die elektrischen Speicherelemente mit dem Kühlkörper in thermischem Kontakt stehen und Wärme der Speicherelemente an das Fluid übertragbar ist, wobei der die Kanäle umfassende Kühlkörper als zumindest ein Strangpressprofil ausgebildet ist.
  • Die nächstliegende US 2013/0266840 A1 beschreibt eine Batterieeinheit eines elektrischen Automobils, die eine Unterschale (11) mit einem Boden und darauf befestigte Batteriemodule (12) aufweist. Die Unterschale (11) ist aus stranggepressten, sich längserstreckenden Rahmenelementen (21, 22, 23, 24, 25, 26) und dazwischen angeordneten Bodenplatten (45) mit einer Vielzahl von Verbindungskanälen (Dc) aufgebaut. Die Rahmenelemente und die Bodenplatten bilden eine Batteriekühlungsstruktur und sind hierzu mit Kühlmedium durchströmbar.
  • Zum Stand der Technik wird ferner noch hingewiesen auf die US 2015/0311485 A1 , US 2016/0211559 A1 und US 2013/0071705 A1 .
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Unterschale für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie anzugeben, die eine gute Kühlung ermöglicht und einfach herstellbar ist und ferner keinen nennenswerten Montageaufwand für die Batteriezellen erfordert.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Unterschale mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf eine Traktionsbatterie. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
  • Die erfindungsgemäße Unterschale umfasst:
    • - eine Wanne, die einen Boden (Wannenboden) und diesen Boden umrandende bzw. umgebende Seitenwände aufweist; und
    • - mehrere Trennstege, insbesondere Quer- und Längsstege, welche die Wanne in einzelne Fächer bzw. Sektionen (zur Aufnahme der Batteriezellen) unterteilen.
  • Erfindungsgemäß sind sowohl der Boden als auch zumindest einige der Trennstege aus Strangpressprofilen bzw. stranggepressten Profilen gebildet, wobei zumindest einige, zumindest aber wenigstens eines, der im Boden eingesetzten Strangpressprofile als Hohlprofile ausgebildet und mit einem Kühlfluid durchströmbar sind.
  • Ferner ist vorgesehen, dass quer- oder längsverlaufende Trennstege durch stranggepresste T-Profile gebildet sind, die im Boden zwischen den mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofilen eingesetzt sind, wobei diese T-Profile an ihren bodenseitigen Schenkeln mit Nuten zur Befestigung der Batteriezellen ausgebildet sind.
  • Die Strangpressprofile haben ein hohes Lastaufnahmevermögen, was der erfindungsgemäßen Unterschale eine sehr gute Unfall- bzw. Crashsicherheit verleiht. Außerdem ist die Unterschale steif und formstabil und kann dadurch auch vergleichsweise großvolumig, d. h. zur Aufnahme vieler Batteriezellen, ausgebildet sein. Die Verwendung von Hohlprofilen bzw. Hohlkammerprofilen ermöglicht eine erhebliche Gewichtsreduzierung, wobei sowohl die für den Boden als auch die für die Trennstege verwendeten Profile Hohlprofile sein können. Bevorzugt sind alle Strangpress- und insbesondere Hohlprofile aus Aluminium und/oder Magnesium gebildet (Aluminium- bzw. Magnesium-Strangpressprofile), was ebenfalls zur Gewichtsreduzierung beiträgt. Strangpress- und Hohlprofile sind vergleichsweise günstig in unterschiedlichsten Ausführungen als Halbzeuge bzw. Meterware erhältlich und können einfach verarbeitet werden.
  • Zumindest einige der für den Boden der Unterschale bzw. Wanne verwendeten Strangpress-Hohlprofile sind außerdem mit Kühlfluid, insbesondere einer Kühlflüssigkeit wie bspw. Kühlwasser, durchströmbar, so dass die erfindungsgemäße Unterschale quasi eine in den Boden integrierte Kühleinrichtung zur aktiven Kühlung der Batteriezellen aufweist. Die Kühlung befindet sich vorteilhaft und sicherheitssteigernd nicht in der Wanne. Die Gefahr eines Kühlmittelaustritts in die Wanne hinein ist äußerst gering, so dass auf zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, wie bspw. Flüssigkeitssensoren zur Erkennung von Leckagen, verzichtet werden kann.
  • Die metallischen und insbesondere leichtmetallischen Strangpressprofile gewährleistet ferner eine gute Abschirmung vor elektromagnetischer Strahlung. Die erfindungsgemäße Unterschale ist nicht auf eine bestimmte Baugröße oder Batterieart (bspw. für MHEV, PHEV, HEV oder BEV) beschränkt. Die erfindungsgemäße Unterschale kann aus vielen vorgefertigten Gleichteilen, wobei es sich insbesondere um abgelängte Strangpressprofilteile bzw. -elemente handelt, hergestellt werden (Baukastenprinzip). Außerdem ist eine einfache Variantenbildung und Anpassung bzw. Skalierung für verschiedene Baugrößen möglich.
  • Bevorzugt handelt es sich bei den für den Boden verwendeten und mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofilen um sogenannte Mehrkammerprofile, insbesondere um Mehrkammerflachprofile, mit mehreren parallel verlaufenden Hohlkammern. Solche Mehrkammerprofile sind besonders stabil und belastbar. Auch die für die Trennstege verwendeten Profile können im Übrigen als Mehrkammerprofile ausgebildet sein. Eine geeignete Querschnittsgeometrie ergibt sich aus den Anforderungen.
  • Ferner sind die im Boden eingesetzten und mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofile, insbesondere an ihren gegenüberliegenden (offenen) Stirnseiten, mit Sammlern bzw. Verteilern verbunden sind, über welche die Ver- und Entsorgung mit dem Kühlfluid bewerkstelligt wird. Die Sammler können bspw. als eingangsseitige und ausgangsseitige Sammler ausgebildet sein, die eine gleichsinnige Durchströmung der Hohlkammern ermöglichen. Die Sammler können aber bspw. auch so ausgebildet sein, dass eine einfache oder mehrfache Umlenkung des Kühlfluidstroms erfolgt und die Hohlkammern gegensinnig, insbesondere mäanderartig, durchströmt werden.
  • Die im Boden eingesetzten mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofile sind bevorzugt zueinander parallel angeordnet, ähnlich einem Dielenboden. Benachbarte Hohlprofile können formschlüssig (bspw. mittels Nut-Feder-Verbindung oder dergleichen) und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Die Verbindung ist insbesondere flüssigkeitsdicht.
  • Zwischen den mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofilen im Boden können stranggepresste T-Profile eingesetzt sein, deren Mittelschenkel in die Wanne hineinragen und Trennstege, d. h. je nach dem Längs- oder Querstege, bilden. In anderen Worten heißt dies, dass die quer- oder längsverlaufende Trennstege durch stranggepresste T-Profile gebildet sein können, die im Boden zwischen den mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofilen eingesetzt sind. Dadurch ergibt sich eine sehr stabile und einfach herzustellende Wanne. Die Verbindung mit den benachbarten Strangpressprofilen kann ebenso formschlüssig und/oder stoffschlüssig erfolgen (s. o.). Auch die T-Profile können, zumindest teilweise, als Hohlprofile und insbesondere als Mehrkammerhohlprofile ausgebildet sein. Prinzipiell können dann auch die T-Profile bzw. die daraus gebildeten Trennstege mit Kühlfluid durchströmt werden.
  • Im Wannenboden, d. h. in den T-Profilen, sind Nuten zur Befestigung von Batteriezellen ausgebildet. Die Befestigung erfolgt bspw. mithilfe in die Nuten eingeschobener Muttern bzw. Nutsteine. Damit sind fertigungsintensive Schweißverbindungen oder dergleichen zur Befestigung der Batteriezellen nicht mehr erforderlich.
  • Auch die Seitenwände können aus Strangpressprofilen gebildet sein. Wenigstens einige der Seitenwände können z. B. aus stranggepressten L-Profilen gebildet sein, die insbesondere formschlüssig und/oder stoffschlüssig (s. o.) mit den Strangpressprofilen im Boden verbunden sind. Auch diese Strangpressprofile und insbesondere L-Profile können, zumindest teilweise, als Hohlprofile und insbesondere als Mehrkammerhohlprofile ausgebildet sein.
  • Die mit dem nebengeordneten Patentanspruch beanspruchte Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, wobei es sich insbesondere um eine HV-Batterie (HV-Batteriesystem) handelt, weist ein Batteriegehäuse auf, das eine erfindungsgemäße Unterschale umfasst. Zum Batteriegehäuse gehört bevorzugt auch eine mit der Unterschale verbundene oder verbindbare Oberschale. Zur Traktionsbatterie können ferner im Inneren des Batteriegehäuses angeordnete Batteriezellen bzw. -module gehören, die in den durch die Trennstege gebildeten Fächern der Unterschale aufgenommen und insbesondere auch direkt an der Unterschale bzw. an deren Strangpressprofilen befestigt sind, vorzugsweise am Boden, wie oben beschrieben.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand eines in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
    • 1 zeigt eine Unterschale in einer perspektivischen Ansicht.
    • 2 zeigt vergrößert den vorderen Eckbereich der Unterschale aus 1 ohne Seitenwand.
    • 3 zeigt denselben Eckbereich wie 2 mit einem Sammler.
  • Die in 1 gezeigte Unterschale 100 eines Batteriegehäuses weist einen Boden bzw. Wannenboden 110 auf, der von vier Seitenwänden 120/130 umgeben ist, derart, dass diese Seitenwände 120/130 einen umlaufenden Rechteckrahmen bilden, woraus eine wannenartige Form resultiert. Zur Unterschale 100 gehören ferner längsverlaufende Trennstege 140 und querverlaufende Trennstege 150, die die Wanne in einzelne quaderförmige Fächer zur Aufnahme von Batteriezellen unterteilen. Die längeren Trennstege 140 können auch als Längsstege und die kürzeren Trennstege 150 als Querstege bezeichnet werden. Im mittleren Bereich sind die Querstege 150 etwas breiter ausgebildet, so dass diese stabiler sind und bspw. bei einem Crash höhere Lasten aufnehmen können. Die Unterschale 100 ist flüssigkeitsdicht.
  • Der Boden 110, die Trennstege 140/150 und die den äußeren Rahmen bildenden Seitenwände 120/130 sind aus Aluminium-Strangpressprofilen, genau genommen aus zugeschnittenen bzw. abgelängten Strangpressprofilelementen bzw. -bauteilen, gebildet, was sich anschaulich aus 2 und 3 ergibt. Der Wannenboden 110 ist aus einzelnen Mehrkammerflachprofilen 115 und dazwischen angeordneten T-Profilen 155 gebildet, wobei die Mittelschenkel der T-Profile 155 in die Wanne hineinragen und die Querstege 150 bilden. Die kurzen bzw. querverlaufenden und zu den Querstegen 150 bzw. T-Profilen 155 parallelen Seitenwände 120 sind durch L-Profile 125 gebildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind auch die T-Profile 155 und die L-Profile 125 als Mehrkammerhohlprofile ausgebildet. Die einzelnen Profilelemente 115, 125 und 155 sind im Bodenbereich der Wanne über ihre gesamte Länge durch eine Nut-Feder-Verbindung 160 (oder dergleichen) gefügt, wobei zusätzlich oder alternativ auch eine Verklebung oder Verschweißung (bspw. durch Reibrührschweißen) vorgesehen sein kann.
  • Für alle Fügeverbindungen an der Unterschale 100 werden kalte Fügeverfahren ohne Wärmeeinbringung bevorzugt, um durch Fertigungswärme verursachte Spannungen und geometrische Verzüge auszuschließen.
  • Die längeren bzw. längsverlaufenden Seitenwände 130 (in 2 und 3 nicht dargestellt) sind ebenfalls aus Strangpressprofilen gebildet und sind an ihren Enden mit den querverlaufenden L-Profilen 125 verschraubt, wozu diese mit Einpressmuttern 127 oder dergleichen versehen sind. Zusätzlich sind die Seitenwände mit den querverlaufenden T-Profilen 155 verstiftet (siehe Stift 157). Außerdem kann noch eine Verklebung und/oder Abdichtung vorgesehen sein.
  • Die ebenfalls aus Strangpressprofilen, insbesondere Hohlprofilen, gebildeten Längsstege 140 sind mit Aussparungen bzw. Ausnehmungen 141 versehen und auf die Querstege 150 aufgesteckt (siehe 1). Die Längsstege 140 übergreifen somit formschlüssig die Querstege 150, womit eine gegenseitige Abstützung und Stabilisierung der Trennstege 140/150 erreicht wird. Ergänzend können die Längsstege 140 auch verklebt und/oder mechanisch (bspw. durch Vernieten, Verschrauben oder Verstiften) gefügt sein.
  • Wie insbesondere aus 2 ersichtlich, sind die L-Profile 125 und die T-Profile 155 innen an ihren bodenseitigen Schenkeln mit Langnuten 126 und 156 ausgebildet, in die Muttern 170 zur Befestigung der Batteriezellen eingeschoben sind. Die Batteriezellen können also ohne nennenswerten Montageaufwand geradewegs mit dem Wannenboden 110 verschraubt werden. Diese die Mehrkammerflachprofile 115 überspannende Befestigung der Batteriezellen führt zu einem besonders stabilen Batterieaufbau. Die Mehrkammerflachprofile 115 haben für die Batteriezellen keine Befestigungsfunktion, sondern nur eine Kühlfunktion (s. u.). Prinzipiell können solche für die Befestigung der Batteriezellen vorgesehenen Nuten aber auch in den Mehrkammerflachprofilen 115 ausgebildet sein.
  • Die zueinander parallelen Mehrkammerflachprofile 115 im Boden 110 dienen ferner der aktiven Kühlung von in der Unterschale 100 befestigten Batteriezellen. Die Kühlung erfolgt also direkt durch die stranggepressten Mehrkammerflachprofile 115, welche den Boden 110 bilden. Hierzu werden deren Hohlkammern 116 mit einem Kühlfluid, insbesondere Kühlwasser, durchströmt. Der Wannenboden 110 weist somit eine integrierte Kühlung auf. Die Ver- und Entsorgung der Hohlkammern 116 mit Kühlfluid erfolgt mithilfe von Sammlern bzw. Verteilern 180 (siehe 3). Die Stirnseiten der Mehrkammerflachprofile 115 sind mit diesen Sammlern 180 verbunden, so dass zwischen den Hohlkammern 116 und den Sammlern 180 Strömungsverbindungen bestehen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind flache, als Rechteckrohr ausgebildete Sammler 180 vorgesehen, die unter den Längsseitenwänden 130 verlaufen. Die Sammler 180 können auch in die Seitenwände 130 integriert werden.
  • Bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel ist ferner eine stabilisierende Bodenplatte 190 vorgesehen, die jedoch nicht zwingend erforderlich ist.
  • Die beschriebene integrierte Befestigung der Batteriezellen am Boden 110 und die in denselben Boden 110 integrierte Kühlung ermöglichen auf geringem Bauraum eine toleranzarme Anbindung der Batteriezellen bzw. -module und eine sehr gute Kühlung dieser Batteriezellen. Eine Verwendung von Wärmeleitfolie oder -paste ist nicht oder nur gering erforderlich. Außerdem erfordert die Herstellung der Unterschale 100 nur wenig spanende Bearbeitung der Strangpressprofile.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Unterschale
    110
    Boden
    115
    Mehrkammerflachprofil
    116
    Hohlkammer
    120
    Seitenwand
    125
    L-Profil
    126
    Nut
    127
    Mutter
    130
    Seitenwand
    140
    Trennsteg (Längssteg)
    141
    Ausnehmung
    150
    Trennsteg (Quersteg)
    155
    T-Profil
    156
    Nut
    157
    Stift
    160
    Nut-Feder-Verbindung
    170
    Mutter
    180
    Sammler
    190
    Bodenplatte

Claims (8)

  1. Unterschale (100) für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie, mit: - einer Wanne, die einen Boden (110) und diesen Boden (110) umgebende Seitenwände (120, 130) aufweist; und - mehreren Trennstegen (140, 150), die die Wanne in einzelne Fächer zur Aufnahme von Batteriezellen unterteilen; wobei sowohl der Boden (110) als auch die Trennstege (140, 150) aus Strangpressprofilen gebildet sind und zumindest einige der im Boden (110) eingesetzten Strangpressprofile (115) als Hohlprofile ausgebildet und mit einem Kühlfluid durchströmbar sind, und wobei quer- oder längsverlaufende Trennstege (150) durch stranggepresste T-Profile (155) gebildet sind, die im Boden (110) zwischen den mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofilen (115) eingesetzt sind, wobei diese T-Profile (155) an ihren bodenseitigen Schenkeln mit Nuten (156) zur Befestigung der Batteriezellen ausgebildet sind.
  2. Unterschale (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strangpressprofile aus Aluminium und/oder Magnesium gebildet sind.
  3. Unterschale (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofile (115) als Mehrkammerprofile ausgebildet sind.
  4. Unterschale (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofile (115) mit Sammlern (180) verbunden sind, über die die Ver- und Entsorgung mit dem Kühlfluid erfolgt.
  5. Unterschale (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Kühlfluid durchströmbaren Hohlprofile (115) parallel sind.
  6. Unterschale (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Boden (110) bildenden Strangpressprofile (115, 155) formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden sind.
  7. Unterschale (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Seitenwände (120, 130) aus Strangpressprofilen (125) gebildet sind.
  8. Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, mit einem Batteriegehäuse, das eine Unterschale (100) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche aufweist.
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