DE102017201290B4

DE102017201290B4 - Fahrzeug mit einem Hochvoltspeicher

Info

Publication number: DE102017201290B4
Application number: DE102017201290.0A
Authority: DE
Inventors: Philip Rättich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2037-01-28
Also published as: DE102017201290A1

Abstract

Fahrzeug mit- einem Hochvoltspeicher (1), der ein Hochvoltspeichergehäuse mit mehreren Gehäusewänden aufweist, von denen eine erste und eine zweite Gehäusewand (2, 3) parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet sind,- mehreren Speicherzellen, die in der Form eines Zellstapels (4 - 4d) angeordnet sind, wobei der Zellstapel (4a - 4d) zwischen der ersten und der zweiten Gehäusewand (2, 3) angeordnet ist, wobei- ein Speicherzellengehäuse (5a) einer ersten Speicherzelle des Zellstapels (4a - 4d) an einer Innenseite der ersten Gehäusewand (2) anliegt und eine auf die erste Gehäusewand (2) ausgeübte Druckbelastung (6a) über den Zellstapel (4a) auf die zweite Gehäusewand (3) übertragen werden kann, und umgekehrt,- ein Speicherzellengehäuse (5g) einer letzten Speicherzelle des Zellstapels (4a) an einer Innenseite der zweiten Gehäusewand (3) der beiden Gehäusewände (2, 3) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass- mindestens ein Abstandshalterelement vorgesehen ist, welches ein Zusammendrücken oder Komprimieren des Zellstapels (4a - 4d) begrenzt oder einem Zusammendrücken oder Komprimieren des Zellstapels (4a - 4d) entgegenwirkt,- die Speicherzellengehäuse (5a) aus einem Blechmaterial hergestellt sind und das Hochvoltspeichergehäuse spritzwasserdicht ist,- das mindestens eine Abstandshalterelement in den Zellstapel (4a - 4d) und/oder in die Speicherzellengehäuse (5g) des Zellstapels (4a - 4d) integriert ist oder außen an den Speicherzellengehäusen (5g) oder außen an dem Zellstapel (4a - 4d) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Hochvoltspeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Hochvoltspeichergehäuse ist aus der US 2006 009 38 99 A1 bekannt. Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählen die US 2016 035 91 74 A1 , US 2003 016 20 91 A1 , DE 10 2014 108 803 A1 , US 2014 / 0 023 893 A1 , US 2011 / 0 262 785 A1 sowie die DE 10 2013 217 903 A1 .
Hochvoltspeichergehäuse von Elektro- oder Hybridfahrzeugen weisen üblicherweise eine hohe Eigensteifigkeit auf. Die Steifigkeit des Hochvoltspeichers ist primär üblicherweise ausschließlich oder nahezu ausschließlich durch die Steifigkeit des Hochvoltspeichergehäuses bestimmt, d. h. innenliegende Komponenten, wie z. B. die Speicherzellen, Kühleinrichtungen etc. tragen nicht zur Steifigkeit des Hochvoltspeichergehäuses bei. Die einzelnen Speicherzellen sind üblicherweise zu Speichermodulen zusammengefasst, welche im Hochvoltspeichergehäuse z. B. durch Schraubverbindungen befestigt sind. Die Speichermodule sind also an wenigen lokalen Krafteinleitungspunkten im Hochvoltspeichergehäuse fixiert.
Herkömmlichen Hochvoltspeicherkonzepten liegt der Gedanke zugrunde, dass die Speicherzellen „mechanisch lastfrei“ angeordnet sind, um bei einem Crash einen bestmöglichen Schutz der Speicherzellen zu erreichen. Da bei herkömmlichen Hochvoltspeichern die Speichermodule nur an den Befestigungspunkten mechanisch mit dem Hochvoltspeichergehäuse verbunden, ansonsten aber beabstandet von den Wandungen des Hochvoltspeichergehäuses sind, wird relativ viel Bauraum beansprucht. Durch die lokalen Krafteinleitungspunkte, an denen die Speichermodule im Hochvoltspeichergehäuse befestigt sind, ergeben sich hohe Spannungs- bzw. Kraftspitzen, welche nur durch lokale Materialanhäufungen bzw. hochfeste Materialen abgefangen werden können. Dies ist mit vergleichsweisem hohem Gewicht und hohen Herstellungskosten verbunden. Des Weiteren muss bei herkömmlichen Hochvoltspeicherkonzepten der von den Batteriezellen belegte Bauraum vom „Lastpfad“ umfahren werden, wodurch sich geringe Flächenträgheitsmomente ergeben und teure und gewichtsintensive Maßnahmen erforderlich sind, um die nötige Steifigkeit des Hochvoltspeichergehäuses zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einem Hochvoltspeicher zu schaffen, der kompakt aufgebaut ist, der ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweist und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Speicherzellen eines Hochvoltspeichers in den Lastpfad zu integrieren und einzelne Speicherzellen flächig mit Innenseiten von Gehäusewänden des Hochvoltspeichers zu verbinden.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Hochvoltspeicher, der ein Hochvoltspeichergehäuse mit mehreren Gehäusewänden aufweist. Mindestens zwei der Gehäusewände, die im Folgenden als erste bzw. zweite Gehäusewand bezeichnet werden, sind im Wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet angeordnet. Beispielsweise kann es sich bei der ersten Gehäusewand um eine obere Gehäusewand bzw. einen Deckel des Hochvoltspeichers und bei der zweiten Gehäusewand um eine untere Gehäusewand bzw. einen Gehäuseboden des Hochvoltspeichers handeln. Das Hochvoltspeichergehäuse ist ein geschlossenes Gehäuse, welches den Zutritt von Wasser aus der Umgebung zu den Speicherzellen verhindert. Das Hochvoltspeichergehäuse ist spritzwasserdicht oder vorzugsweise hermetisch wasserdicht.
In dem Hochvoltspeicher ist mindestens ein „Zellstapel“ angeordnet. Der Zellstapel (kann als Zellmodul bezeichnet werden) besteht aus mehreren in einer Reihe hintereinander bzw. übereinander angeordneten Speicherzellen. Der Zellstapel ist zwischen der ersten und der zweiten Gehäusewand angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass in dem Hochvoltspeichergehäuse mehrere derartige Zellstapel nebeneinander angeordnet sind.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass ein Speicherzellengehäuse einer ersten Speicherzelle des Zellstapels an einer Innenseite der ersten Gehäusewand anliegt, vorzugsweise flächig anliegt, und dass ein Speicherzellengehäuse einer letzten Speicherzelle des Zellstapels an einer Innenseite der zweiten Gehäusewand der beiden Gehäusewände anliegt, vorzugsweise flächig anliegt.
Beispielsweise kann es sich bei der ersten Speicherzelle um eine „oberste Speicherzelle“ des Zellstapels und bei der letzten Speicherzelle um eine „unterste Speicherzelle“ des Zellstapels und bei der ersten Gehäusewand um einen Gehäusedeckel und bei der zweiten Gehäusewand um einen Gehäuseboden handelt, oder umgekehrt.
Durch das „flächige Anliegen“ des Speicherzellengehäuses der ersten Speicherzelle an der ersten Gehäusewand des Hochvoltspeichergehäuses und das „flächige Anliegen“ der letzten Speicherzelle an der zweiten Gehäusewand des Hochvoltspeichergehäuses kann eine auf die erste Gehäusewand ausgeübte Druckbelastung (unmittelbar) über den Zellstapel auf die zweite Gehäusewand übertragen werden, oder umgekehrt.
Dadurch wird der oben erwähnte Grundgedanke der Erfindung, die „Batteriezellen in den Lastpfad zu integrieren“ bzw. „durch Batteriezellen gebildete Zellstapel in den Lastpfad zu integrieren“, erreicht.
Die Batteriezellen bzw. Zellstapel können also bis zu einem gewissen Grad Druckbelastungen aufnehmen bzw. übertragen. Sie tragen somit zur Steifigkeit des Hochvoltspeichers bei, wodurch sich im Vergleich zu herkömmlichen Hochvoltspeichergehäusen Gewicht einsparen lässt.
Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine in dem Hochvoltspeicher vorgesehene Zellstapel vorgespannt ist. „Vorgespannt“ bedeutet, dass auch in einem Zustand, in dem von außen keine Druckkraft auf die erste oder zweite Gehäusewand ausgeübt wird, der Zellstapel mit einer vorgegebenen Kraft bzw. einem vorgegebenen Druck zwischen der ersten und zweiten Gehäusewand eingeklemmt oder eingespannt ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Speicherzellengehäuse der ersten Speicherzelle mit einer Innenseite der ersten Gehäusewand verklebt und/oder verpresst ist und/oder über ein Federelement verbunden ist und/oder dass das Speicherzellengehäuse der letzten Speicherzelle mit einer Innenseite der zweiten Gehäusewand verklebt und/oder verpresst ist und/oder über ein Federelement verbunden ist. Das Federelement ist vorzugsweise so ausgelegt, dass im vorhandenen Deformationsraum der Feder das ertragbare Lastniveau der Zellen nicht überschritten wird.
Vorzugsweise sind auch die einzelnen Speicherzellengehäuse der Speicherzellen des Zellstapels gegen Verrutschen relativ zueinander gesichert. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Speicherzellengehäuse benachbarter Speicherzellen des Zellstapels unmittelbar aneinander anliegen und/oder miteinander verklebt sind oder in anderer Weise z. B. mechanisch gegen Verrutschen relativ zueinander gesichert sind.
Gemäß der Erfindung ist mindestens ein „Abstandshalterelement“ vorgesehen, welches ein Zusammendrücken bzw. Komprimieren des Zellstapels begrenzt oder welches einem Zusammendrücken bzw. Komprimieren des Zellstapels entgegenwirkt. Das mindestens eine Abstandshalterelement ist in den Zellstapel und/oder in die Speicherzellengehäuse des Zellstapels integriert oder außen an den Speicherzellengehäusen bzw. außen an dem Zellstapel angeordnet. Ein derartiges Abstandshalterelement kann alternativ oder ergänzend zu einem Federelement (siehe oben) vorgesehen sein.
Nach einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass für eine ausreichende Vorspannung sowie zur Übertragung von Zugspannungen die erste und die zweite Gehäusewand des Hochvoltspeichergehäuses (z. B. Deckel und Boden des Hochvoltspeichergehäuses) über mindestens ein Zugband oder über mehrere Zugbänder oder, ganz allgemein gesprochen, über ein oder mehrere „Zugelemente“ miteinander verbunden sind.
Das mindestens eine Zugelement erstreckt sich von der ersten Gehäusewand zur zweiten Gehäusewand und ist jeweils mit der ersten und zweiten Gehäusewand verbunden. Das mindestens eine Zugelement ist dazu vorgesehen, sich einem Auseinanderdrücken der beiden Gehäusewände zu widersetzen, was ebenfalls zur Erhöhung der Steifigkeit des Hochvoltspeichergehäuses beiträgt.
Bei dem mindestens einen Zugelement kann es sich beispielsweise um eine Stange, eine Gewindestange, eine Schraube o. ä. handeln. Alternativ dazu kann es sich bei dem mindestens einem Zugelement auch um ein faserverstärktes Kunststoffbauteil bzw. um ein faserverstärktes Kunststoffband handeln. Über derartige faserverstärkte Kunststoffelemente können bei vergleichsweise geringem Gewicht sehr hohe Zugkräfte übertragen werden, was in einfacher Weise und bei geringem Gewicht die Steifigkeit des Hochvoltspeichergehäuses deutlich erhöht.
Die Speicherzellengehäuse können z. B. quaderförmig bzw. prismatisch gestaltet sein. Sie sind aus einem Blechmaterial hergestellt, z.B. aus einem Aluminiumblechmaterial. Alternativ dazu kann es sich bei den Speicherzellen auch um sogenannte „Pouch-Zellen“ handeln, die kein starres bzw. steifes Gehäuses aufweisen, sondern ein „Speicherzellengehäuse“, das durch eine im Wesentlichen biegeelastische Folie bzw. einen im Wesentlichen biegeelastischen „Gehäusesack“ gebildet ist.
Im Falle von Poch-Zellen können diese beispielsweise eine Länge und eine Breite aufweisen, die im Bereich zwischen 100 mm und 600 mm liegt. Typische Höhen derartiger Speicherzellen liegen im Bereich zwischen 10 und 20 mm. Derartige Speicherzellen weisen also eine „größte Speicherzellengehäuseseite“ auf. Vorzugsweise sind die Speicherzellen des Zellstapels so angeordnet, dass einander benachbarte Speicherzellen mit ihren größten Speicherzellengehäuseseiten aneinander anliegen.
Durch die erfindungsgemäße Integration von Speicherzellen in das Hochvoltspeichergehäuse wird ein Hochvoltspeicher erreicht, dessen Hochvoltspeichergehäuse eine vergleichsweise geringe Masse aufweist, wobei der Hochvoltspeicher insgesamt, d. h. das Hochvoltspeichergehäuse mit den darin angeordneten Speicherzellen, dennoch eine relativ hohe Steifigkeit aufweist. Im Ergebnis können also Gewicht, Materialkosten und Bauraum eingespart werden.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1a - 1d einen Hochvoltspeicher gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung;
2 einen Querschnitt durch einen Hochvoltspeicher gemäß der Erfindung;
3 eine Detailzeichnung eines in einem erfindungsgemäßen Hochvoltspeichergehäuse angeordneten Zellstapels.

Die 1a - 1d zeigen einen Hochvoltspeicher 1, der mehrere Gehäusewände aufweist. Eine erste Gehäusewand 2 bildet eine Bodenplatte des Hochvoltspeichers 1. Eine zweite Gehäusewand 3 bildet eine Deckelplatte des Hochvoltspeichers 1. Die Bodenplatte 2 und die Deckelplatte 3 sind hier parallel zueinander angeordnet. Der Hochvoltspeicher 1 kann so in einem Fahrzeug angeordnet sein, dass die Bodenplatte 2 und die Deckelplatte 3 im Wesentlichen parallel zu einer Fahrbahn sind, auf der sich das Fahrzeug fortbewegt.
In dem Hochvoltspeicher 1 sind mehrere Zellstapel angeordnet, von denen einige mit den Bezugszeichen 4a - 4d bezeichnet sind. Die Zellstapel 4a - 4d sind zwischen den beiden Gehäusewänden 2, 3, d. h. zwischen der Bodenplatte und der Deckelplatte, nebeneinander angeordnet.
Wie aus 2 ersichtlich ist, besteht der Zellstapel 4a aus mehreren übereinander gestapelten bzw. hintereinander angeordneten Speicherzellen, die jeweils ein Speicherzellengehäuse 5a - 5g aufweisen. Die Speicherzellen können ein relativ steifes Speicherzellengehäuse z. B. aus Blech, aufweisen. Alternativ dazu können sie auch als sogenannte Pouch-Zellen ausgebildet sein, bei denen das Speicherzellengehäuse durch eine im Wesentlichen biegeelastische Folie („Gehäusesack“) gebildet ist.
Der in 2 gezeigte Zellstapel 4a weist ein Speicherzellengehäuse 5a einer ersten Speicherzelle und ein Speicherzellengehäuse 5g einer letzten Speicherzelle des Zellstapels 4a auf. Das Speicherzellengehäuse 5a der ersten Speicherzelle liegt an einer Innenseite der ersten Gehäusewand, d. h. an einer Innenseite der Bodenplatte 2, an. Das Speicherzellengehäuse 5g der letzten Speicherzelle des Zellstapels 4a liegt an einer Innenseite der zweiten Gehäusewand 3, d. h. der Deckelplatte an. Die Speicherzellengehäuse 5a, 5g, liegen dabei großflächig an den Innenseiten der Gehäusewände 2 bzw. 3 an.
Wie durch die Pfeile 6a, 6b angedeutet ist, sind die Speicherzellengehäuse 5a - 5g des Zellstapels 4a somit in den Lastpfad des Hochvoltspeichergehäuses integriert. Mit anderen Worten kann über den Zellstapel 4a eine Druckkraft von der ersten Gehäusewand 2 auf die zweite Gehäusewand 3, oder umgekehrt übertragen werden.
Durch die Einbindung des Zellstapels 4a in den Lastpfad kann das Hochvoltspeichergehäuse eine geringere Masse aufweisen, da zumindest ein Teil der erforderlichen Gehäusesteifigkeit durch die Einbindung des Zellstapels 4a in den Lastpfad erreicht wird.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Unterseite des Speicherzellengehäuses 5a mit der ersten Gehäusewand 2 (Bodenplatte) verklebt ist. Dementsprechend kann auch eine Oberseite des Speicherzellengehäuses 5g mit einer Unter- bzw. Innenseite der zweiten Gehäusewand 3 verklebt sein. Ferner können die benachbarte Speicherzellengehäuse 5a - 5g an ihren Berührflächen vollflächig miteinander verklebt werden, wodurch ein relatives Verrutschen der Speicherzellengehäuse 5a - 5g des Zellstapels 4a verhindert wird.
Eine weitere Verbesserung bei gleichzeitig geringem Gewicht kann durch Zugelemente bzw. Zugbänder erreicht werden. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein sich mäanderartig zwischen den beiden Gehäusewänden 2, 3 erstreckendes Zugband 7 vorgesehen. Bei dem Zugband 7 kann es sich beispielsweise um ein faserverstärktes Kunststoffband handeln, das bei sehr geringem Gewicht hohe Zugkräfte übertragen kann.
Ein derartiges Zugelement (hier beispielhaft als Zugband ausgebildet) ist dazu vorgesehen, sich einem Auseinanderdrücken der beiden Gehäusewände 2, 3 zu widersetzen. Das Zugband kann ähnlich wie bei einem Textil mit den beiden Gehäusewänden 2, 3 „vernäht“ sein, d.h. sich durch die Gehäusewände hindurch erstrecken. Dies muss aber nicht zwingend der Fall sein. Alternativ zu einem „vernähten Zugband“ könnte auch ein andersartig gestaltetes Zugelement oder mehrere andersartig gestaltete Zugelemente vorgesehen sein. Denkbar ist beispielsweis eine Stange, eine Schraube, eine Gewindestange o. ä., die sich zwischen den Gehäusewänden 2, 3 erstreckt bzw. erstrecken.
Der in 2 gezeigte Hochvoltspeicher kann beispielsweise so in ein Fahrzeug eingebaut sein, dass sich die Gehäusewände 2, 3 in Fahrzeugquerrichtung y, d. h. im Wesentlichen senkrecht zu einer Fahrzeughochrichtung z erstrecken. Bei einem Unfall des Fahrzeugs werden primär in x-Richtung (Fahrzeuglängsrichtung, d.h. senkrecht zur Zeichenebene der 2) oder in y-Richtung (Fahrzeugquerrichtung) auftretende Crashlasten in das Hochvoltspeichergehäuse eingeleitet. In y-Richtung verlaufende Crashlasten sind durch Pfeile 8a, 8b angedeutet und werden primär durch die Gehäusewände 2, 3, d. h. durch den durch die Bodenplatte und die Deckelplatte des Hochvoltspeichers aufgenommen.

Claims

Fahrzeug mit - einem Hochvoltspeicher (1), der ein Hochvoltspeichergehäuse mit mehreren Gehäusewänden aufweist, von denen eine erste und eine zweite Gehäusewand (2, 3) parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet sind, - mehreren Speicherzellen, die in der Form eines Zellstapels (4 - 4d) angeordnet sind, wobei der Zellstapel (4a - 4d) zwischen der ersten und der zweiten Gehäusewand (2, 3) angeordnet ist, wobei - ein Speicherzellengehäuse (5a) einer ersten Speicherzelle des Zellstapels (4a - 4d) an einer Innenseite der ersten Gehäusewand (2) anliegt und eine auf die erste Gehäusewand (2) ausgeübte Druckbelastung (6a) über den Zellstapel (4a) auf die zweite Gehäusewand (3) übertragen werden kann, und umgekehrt, - ein Speicherzellengehäuse (5g) einer letzten Speicherzelle des Zellstapels (4a) an einer Innenseite der zweiten Gehäusewand (3) der beiden Gehäusewände (2, 3) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens ein Abstandshalterelement vorgesehen ist, welches ein Zusammendrücken oder Komprimieren des Zellstapels (4a - 4d) begrenzt oder einem Zusammendrücken oder Komprimieren des Zellstapels (4a - 4d) entgegenwirkt, - die Speicherzellengehäuse (5a) aus einem Blechmaterial hergestellt sind und das Hochvoltspeichergehäuse spritzwasserdicht ist, - das mindestens eine Abstandshalterelement in den Zellstapel (4a - 4d) und/oder in die Speicherzellengehäuse (5g) des Zellstapels (4a - 4d) integriert ist oder außen an den Speicherzellengehäusen (5g) oder außen an dem Zellstapel (4a - 4d) angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch in einem Zustand, in dem von außen keine Druckkraft (6a, 6b) auf die erste oder die zweite Gehäusewand (2, 3) ausgeübt wird, der Zellstapel (4a - 4d) zwischen der ersten und zweiten Gehäusewand (2, 3) eingeklemmt oder eingespannt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherzellengehäuse (5a) der ersten Speicherzelle mit einer Innenseite der ersten Gehäusewand (2) verklebt und/oder verpresst ist und/oder über ein Federelement verbunden ist und/oder das Speicherzellengehäuse (5g) der letzten Speicherzelle mit der Innenseite der zweiten Gehäusewand (3) verklebt und/oder verpresst und/oder über ein Federelement verbunden ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellengehäuse (5a - 5g) der Speicherzellen des Zellstapels (4a - 4d) gegen Verrutschen relativ zueinander gesichert sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellengehäuse (5a - 5g) benachbarter Speicherzellen des Zellstapels (4a - 4d) unmittelbar aneinander anliegen und/oder miteinander verklebt sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zugelement (7) vorgesehen ist, über das die erste Gehäusewand (2) mit der zweiten Gehäusewand (3) verbunden ist, wobei das Zugelement dazu vorgesehen ist, sich einem Auseinanderdrücken der beiden Gehäusewände (2, 3) zu widersetzen.
Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (7) eine Stange oder Gewindestange oder Schraube ist.
Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zugelement (7) ein faserverstärktes Kunststoffelement oder ein faserverstärktes Kunststoffband, ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellengehäuse (5a - 5g) quaderförmig gestaltet sind.