DE102017214285B4 - Batteriegehäuse für eine Lithium-Ionen-Batterie - Google Patents

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Abstract

Batteriegehäuse (3) für eine Lithium-Ionenbatterie (2) eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens eine mechanisch stabile äußere Hülle (4) mit einer der Form der Batterie (2) entsprechenden Form, mindestens eine Schicht umfassend ein festes thermisches Isolationsmaterial (7) zum Schutz der Batterie (2) vor thermischer Einwirkung aus dem Bereich der Brennkraftmaschine, mindestens einen mit Luftleitungen zur Umgebung verbindbaren ersten Schacht (5), und mindestens einen mit mindestens einem Kühlsystem des Kraftfahrzeugs zugeordneten Leitungen verbindbaren zweiten Schacht (6), wobei der erste Schacht (5) zwischen der äußeren Hülle (4) und der Schicht umfassend ein festes thermisches Isolationsmaterial (7) ausgebildet ist und zwischen Hülle (4) und Schicht (7) Verstrebungen (8) aufweist, und der zweite Schacht (6) durch eine Anzahl von Stutzen (9) zwischen der Schicht umfassend ein festes thermisches Isolationsmaterial (7) und der Batterie (2) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Lithium-Ionen-Batterie eines Kraftfahrzeugs.
  • Lithium-Ionen-Batterien gewinnen im Bereich der Kraftfahrzeuge zunehmend an Bedeutung. Dabei finden sie besonders als Energiespeicher für Hybridfahrzeuge Verwendung. Lithium-Ionen-Batterien weisen gegenüber herkömmlichen Batterien verschiedene Vorteile auf, z. B. in Bezug auf die spezifische Energie und die spezifische Leistung.
  • Die Lebensdauer und Funktion von Lithium-Ionen-Batterien ist jedoch stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Lithium-Ionen-Batterien sollten nicht Temperaturen von tiefer als 0°C und höher als 60°C ausgesetzt werden, und sich idealerweise in einem Temperaturfenster von 10°C bis 40°C befinden. Dabei hängt die Temperaturempfindlichkeit von der spezifischen Technologie der Batterie ab, d.h. besonders von der Chemie (Zusammensetzung der Elektrolyte, Material der Elektroden etc.), und den entsprechenden Leistungsanforderungen. Weiterhin erfordern Lithium-Ionen-Batterien hohe mechanische Sicherheitsstandards, da sie bei mechanischer Beschädigung oder Zerstörung, z. B. bei einem Unfall, in Brand geraten oder sogar explodieren können. Weiterhin benötigen manche Lithium-Ionen-Batterien eine Belüftungseinrichtung.
  • Herkömmliche Batteriegehäuse weisen beispielsweise thermische Isolationsschichten und Reflexionsschichten auf, um die Batterie vor durch Fahrzeugkomponenten erzeugte Wärmeeinwirkung zu schützen ( DE 10 2013 219 969 A1 ). Häufig weisen Batteriegehäuse auch Zugänge für Luft oder ein Temperierungsfluid zum Kühlen, Entlüften oder Temperieren ( DE 10 2013 200 782 A1 , US 2011/0300421 A1 , DE 10 2014 213 920 A1 , DE 10 2015 208 999 A1 ) sowie Kühleinrichtungen auf ( DE 10 2013 200 782 A1 , US 2011/0300421 A1 ).
  • Die DE 10 2014 213 920 A1 zeigt ein Batteriesystem, aufweisend ein Systemgehäuse, in dem wenigstens eine Batteriezelle in einem Batteriemodul angeordnet ist, wobei das Systemgehäuse mit einer Eingangsleitung zum Führen von Gas in das Systemgehäuse und mit einer Ausgangsleitung zum Führen von Gas aus dem Systemgehäuse verbunden ist, und wobei in der Ausgangsleitung ein Lüfter zum Führen von Gas durch das Systemgehäuse angeordnet ist. Das Batteriesystem ermöglicht so eine Entlüftung zusammen mit einer Kühlung der Batteriezellen.
  • Die genannten Nachteile gestalten den Einbau einer Lithium-Ionen-Batterie in einem Kraftfahrzeug kompliziert. Aus Gründen der Crashsicherheit werden Lithium-Ionen-Batterien in der Regel nicht im Motorraum, sondern unter dem Fahrzeug, also im Unterbodenbereich oder im Kofferraum installiert. Dabei birgt die Verbindung der Lithium-Ionen-Batterie zum Fahrzeug-Innenraum bei einer Fehlfunktion der Lithium-Ionen-Batterie ebenfalls Komplikationen. Auch gestaltet sich die Temperaturüberwachung der Lithium-Ionen-Batterie durch lange Wege für Kühlmittel u.Ä. aufwendig. Es besteht darum die Aufgabe, eine gegenüber herkömmlichen Anordnungen effizientere Möglichkeit der Anordnung einer Lithium-Ionen-Batterie bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Batteriegehäuse mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse für eine Lithium-Ionen-Batterie eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens eine mechanisch stabile äußere Hülle mit einer der Form der Batterie entsprechenden Form, mindestens eine Schicht umfassend ein festes thermisches Isolationsmaterial, mindestens einen mit Luftleitungen zur Umgebung verbundenen ersten Schacht, und mindestens einen mit mindestens einem Kühlsystem des Fahrzeugs zugeordneten Leitungen verbundenen zweiten Schacht. Der erste Schacht ist zwischen der äußeren Hülle und der Schicht umfassend ein festes thermisches Isolationsmaterial ausgebildet und weist zwischen Hülle und Schicht Verstrebungen auf. Der zweite Schacht ist durch eine Anzahl von Stutzen zwischen der Schicht umfassend ein festes thermisches Isolationsmaterial und der Batterie ausgebildet.
  • Das erfindungsgemäße Batteriegehäuse ist vorteilhaft, weil es ein Anordnen einer Lithium-Ionen-Batterie im Motorraum eines Kraftfahrzeugs ermöglicht. Dabei dient die mechanisch stabile Hülle zum Schutz vor mechanischer Einwirkung. Die Schicht mit festem thermischem Isolationsmaterial trennt die Lithium-Ionen-Batterie vorteilhaft thermisch vom Bereich der Brennkraftmaschine bzw. von weiteren wärmeproduzierenden Einrichtungen im Motorraum des Kraftfahrzeugs. Weiterhin ist der erste Schacht zum Leiten von Luft ausgebildet, was vorteilhaft einen Abtransport von Wärme ermöglicht. Dazu kommt, dass der erste Schacht einen Hohlraum darstellt, der auch einen Schutz vor mechanischer Einwirkung bedeutet. Es können auch weitere Schächte als Luftschächte ausgebildet sein. Der zweite Schacht dient durch den Einsatz von Kühlmittel ebenfalls zum Abtransport von Wärme, wenn die Temperatur das für Lithium-Ionen-Batterien günstige Temperaturfenster überschreitet, oder auch zum Bereitstellen von Wärme, wenn die Temperatur das für Lithium-Ionen-Batterien günstige Temperaturfenster unterschreitet. Es können auch weitere Schächte für den Einsatz von Kühlmittel ausgebildet sein. Die an die Form der Batterie entsprechende Form des erfindungsgemäßen Gehäuses ist so zu verstehen, dass die Zahl der Flächen des Gehäuses der Zahl der Flächen der Batterie entspricht, wobei das Gehäuse natürlich größer als die Batterie ist.
  • Die mechanisch stabile Hülle kann eine oder auch mehrere Materialschichten umfassen. Die mechanisch stabile Hülle ist ausgebildet, mechanische Einwirkungen, besonders bei einem Unfall, zu absorbieren, sich dabei aber nicht wesentlich zu verformen, so dass die durch das Batteriegehäuse geschützte Lithium-Ionen-Batterie vor mechanischer Beschädigung geschützt wird. Vorzugsweise weist das Material der Hülle ein Metall auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Material einen Stahl. Alternativ kann das Material beispielsweise auch Aluminium sein. In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfass das Material einen Kunststoff.
  • Das feste thermische Isolationsmaterial umfasst vorzugsweise einen thermoplastischen Kunststoff. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Polystyrol, besonders als Schaumstoff in der Form von Styropor, oder ein geeignetes Styrol umfassendes Co-polymer.
  • Vorzugsweise ist der zweite Schacht des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses mit Leitungen des Kühlsystems der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs verbunden. Diese Verbindung ermöglicht vorteilhaft ein bedarfsgerechtes Kühlen der Lithium-Ionen-Batterie, wenn die Temperatur durch Wärmeeinwirkung aus dem Bereich der Brennkraftmaschine zu hoch wird und das für Lithium-Ionen-Batterien günstige Temperaturfenster überschreitet, oder auch zum Bereitstellen von Wärme, wenn die Temperatur das für Lithium-Ionen-Batterien günstige Temperaturfenster unterschreitet. In diesem Fall wird ein Kühlmittelfluss zugeschaltet. Das Kühlmittel kann Wasser oder ein sonstiges übliches Kühlmittel sein.
  • Vorzugsweise ist der zweite Schacht des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses mit Leitungen des Air-Conditioning-Systems des Fahrzeugs verbunden. Diese Verbindung ermöglicht vorteilhaft ein bedarfsgerechtes Kühlen der Lithium-Ionen-Batterie, wenn eine Wärmeeinwirkung aus dem Bereich zu hoch wird und nicht mehr von der Schicht mit dem thermischen Isolationsmaterial und der Luftkühlung neutralisiert werden kann. Dabei kann die Verbindung derart gestaltet sein, dass ausschließlich das Air-Conditioning-System zugeschaltet wird, oder derart, dass in Abhängigkeit vom Betriebszustand des entsprechenden Kraftfahrzeugs das Air-Conditioning-System alternativ zur oben beschriebenen Zuschaltung von Kühlmittel mit dem zweiten Schacht verbunden werden kann.
  • Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Batteriegehäuse ein integraler Bestandteil der eingehausten Batterie.
  • Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Batteriegehäuse integraler Bestandteil des Fahrzeugs. Dabei kann die Position des Batteriegehäuses den Platz einnehmen, an dem herkömmlicherweise eine Fahrzeugbatterie (d.h. eine Blei-Säure-Batterie) angeordnet ist. Dabei ermöglicht die Anordnung des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses inklusive der darin eingehausten Lithium-Ionen-Batterie vorteilhaft eine räumlich nahe Verbindung mit Kühlmittelleitungen oder Leitungen des Air-Conditioning-Systems des Fahrzeugs. Die Funktion der Bleibatterie kann teilweise von der Lithium-Ionen-Batterie übernommen werden. Die Bleibatterie kann dadurch kleiner als herkömmlich bereitgestellt und in einem anderen Teil des Fahrzeugs angeordnet werden.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse für eine Lithium-Ionen-Batterie. Die Vorteile des Fahrzeugs entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses. Das Fahrzeug weist besonders einen Hybridantrieb auf, und ganz besonders einen milden Hybridantrieb.
  • Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses.
    • 2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs 10 der Anordnung gemäß 1.
    • 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs 30 der Anordnung gemäß 1.
  • In 1 ist eine Anordnung 1 einer Lithium-Ionen-Batterie 2 eines Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse 3 dargestellt. Das Fahrzeug ist besonders ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, in dem die Lithium-Ionen-Batterie unter anderem zum Antrieb eines Elektromotors verwendet wird, z. B. in einen milden Hybridantrieb.
  • Das Batteriegehäuse 3 entspricht in der Form der aufzunehmenden Batterie 2, wobei das Batteriegehäuse 3 natürlich größer als die Batterie 2 dimensioniert ist. Das Batteriegehäuse 3 ist besonders quaderförmig, mit einer der Flächen eines Quaders entsprechenden Zahl an flächigen Wandungen. Das Batteriegehäuse 3 ist nach einer Seite hin mit einer reversibel verschließbaren Wandung gestaltet, um die Batterie 2 aufzunehmen. Alternativ kann das Batteriegehäuse 3 nach der besagten Seite hin auch offen sein. Für eine Verbindung mit Luftleitungen und Kühlleitungen sind Anschlüsse in dem Batteriegehäuse 3 vorgesehen.
  • Das Batteriegehäuse 3 ist nach außen durch eine mechanisch stabile äußere Hülle 4 begrenzt. Die Hülle 4 besteht in der gezeigten Darstellung aus einer Materialschicht, kann aber auch als zwei oder mehreren Materialschichten bestehen. Die Hülle 4 kann in einer Ausführungsform zusätzlich Rippen und Verstrebungen aufweisen, die zu einer verstärkten Stabilität der Hülle beitragen. Das Material der Hülle 4 weist vorzugsweise ein Metall auf. Dabei kann das Material eine Legierung aufweisen, besonders einen Stahl, alternativ aber z. B. auch aus einem bestimmten Metall bestehen, z. B. aus Aluminium. Es ist auch möglich, dass die Hülle 4 einen Kunststoff aufweist, wobei auch Kunststoff- und Metallteile miteinander verbaut sein können.
  • Das Batteriegehäuse 3 weist einen ersten Schacht 5 und einen zweiten Schacht 6 auf. Beide Schächte 5, 6 sind besonders Luftschächte. Dies ist deutlich in dem in 2 dargestellten vergrößerten Ausschnitt 10 der 1 dargestellt. Der erste Schacht 5 ist zwischen der Hülle 4 und einer Schicht aus festem thermischem Isolationsmaterial 7 ausgebildet. Der erste Schacht 5 weist Verstrebungen 8 zwischen Hülle 4 und der Schicht 7 auf. Diese dienen dem Gewährleisten von Stabilität des ersten Schachts 5 und des ganzen Batteriegehäuses 3. Der zweite Schacht 6 ist zwischen der Schicht aus festem thermischen Isolationsmaterial 7 und der eingehausten Batterie 2 ausgebildet. Die zweite Schacht 6 weist zum Abstandhalten der Batterie 2 und damit zum Ausbilden des zweiten Luftschachts 6 eine Anzahl von Stutzen 9 auf. Der zweite Schacht 6 kann auch durch eine Wandung in Richtung der Batterie 2 von dem Bereich der Batterie 2 abgegrenzt sein.
  • Die Schicht aus festem thermischem Isolationsmaterial 7 weist besonders einen thermoplastischen Kunststoff auf. Dabei kann die Schicht 7 beispielsweise aus einem Styropor-basierten Schaumstoff bestehen, z. B. einem Styropor-Co-polymer.
  • Die besagten Schächte 5, 6 können miteinander fluid verbunden sein, so dass eine Luftzirkulation zwischen den Schächten möglich ist. In der dem vergrößerten Ausschnitt 30 entsprechenden 3 ist dargestellt, dass die Schächte 5, 6 vorzugsweise mit Luftleitungen in die Umgebung verbunden sind. Dazu weist das Batteriegehäuse einen ersten Luftanschluss 11 und einen zweiten Luftanschluss 12 auf. Eine erste Luftleitung 13 ist dabei mit dem ersten Luftanschluss 11 zu verbinden und dient dabei zum Zuleiten von Luft aus der Umgebung in das Batteriegehäuse 3. Eine zweite Luftleitung 14 ist dabei mit dem zweiten Luftanschluss 12 zu verbinden und dient dabei zum Ableiten von Luft aus dem Batteriegehäuse 3 in die Umgebung. Die Schächte 5, 6 weisen dazu Trennwände 15 auf, die zum Entstehen einer Zirkulation von Luft beitragen (3). Es können auch mehrere Luftanschlüsse vorhanden sein, z. B. für jeden Schacht 5, 6.
  • Weiterhin ist in 1 dargestellt, dass in dem Batteriegehäuse 3 ein dritter Schacht 16 ausgebildet ist, der mit einem Kühlsystem des Fahrzeugs verbunden werden kann. Das Batteriegehäuse 3 weist dazu einen ersten Kühlmittelanschluss 17 und einen zweiten Kühlmittelanschluss 18 auf. In 1 ist der dritte Schacht 16 dabei über den ersten Kühlmittelanschluss 17 mit einer ersten Kühlerleitung 19 und über den zweiten Kühlmittelanschluss 18 mit einer zweiten Kühlerleitung 20 eines Kühlsystem des Kraftfahrzeugs, besonders der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, verbunden. Die Verbindung zum Kühlersystem muss nicht obligatorisch zum Kühlen der Batterie 2 dienen, sondern kann bei niedrigen Außentemperaturen auch zum Erwärmen der Batterie 2 dienen, indem erwärmtes Kühlmittel in das Batteriegehäuse 3 geleitet wird.
  • Der dritte Schacht 16 kann alternativ zu Leitungen des Kühlmittelsystems des Kraftfahrzeugs auch mit Leitungen eines Air-Conditioning-Systems des Kraftfahrzeugs verbunden sein. Es gilt dabei auch hier, dass je nach Anforderung kalte oder warme Luft in das Batteriegehäuse 3 geleitet werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Batteriegehäuses 3 ist nur ein Luftschacht in Form des ersten Schachtes 5 vorhanden. Alternativ kann auch nur ein Luftschacht in Form des zweiten Schachtes 6 vorhanden sein. Es ist auch möglich, dass die zur Belüftung vorgesehenen Schächte 5, 6 eine zuschaltbare fluide Verbindung zum Kühlsystem der Brennkraftmaschine oder zum Air-Conditioning-System haben. Diese fluide Verbindung kann auch zwischen dem dritten Schacht 16 und dem ersten 5 und/oder zweiten Schacht 6 ausgebildet sein. Würde die Verbindung der Schächte 5 und/oder 6 zum Kühlsystem oder Air-Conditioning-System hergestellt, würde die Verbindung eines oder beider Schächte 5, 6 zu den Luftleitungen 13 und 14 geschlossen. Würde nur ein Schacht 5 oder 6 dem Kühlsystem oder Air-Conditioning-System zugeschaltet, würde die fluide Verbindung zwischen den Schächten 5 und 6 gesperrt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Batteriegehäuses 3 ist die Batterie 2 integraler Bestandteil des Batteriegehäuses 3. In einer weiteren Ausführungsform ist das Batteriegehäuse 3 in den Motorraum eines entsprechenden Fahrzeugs integriert, wobei die Batterie 2 reversibel in das Batteriegehäuse 3 aufnehmbar ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Anordnung
    2
    Lithium-Ionen-Batterie
    3
    Batteriegehäuse
    4
    Hülle des Batteriegehäuses
    5
    erster Schacht
    6
    zweiter Schacht
    7
    Schicht aus festem thermischem Isolationsmaterial
    8
    Verstrebungen
    9
    Stutzen
    10
    erster Ausschnitt
    11
    erster Luftanschluss
    12
    zweier Luftanschluss
    13
    erste Luftleitung
    14
    zweite Luftleitung
    15
    Trennwände
    16
    dritter Schacht
    17
    erster Kühlmittelanschluss
    18
    zweiter Kühlmittelanschluss
    19
    erste Kühlmittelleitung
    20
    zweite Kühlmittelleitung
    30
    zweiter Ausschnitt

Claims (9)

  1. Batteriegehäuse (3) für eine Lithium-Ionenbatterie (2) eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens eine mechanisch stabile äußere Hülle (4) mit einer der Form der Batterie (2) entsprechenden Form, mindestens eine Schicht umfassend ein festes thermisches Isolationsmaterial (7) zum Schutz der Batterie (2) vor thermischer Einwirkung aus dem Bereich der Brennkraftmaschine, mindestens einen mit Luftleitungen zur Umgebung verbindbaren ersten Schacht (5), und mindestens einen mit mindestens einem Kühlsystem des Kraftfahrzeugs zugeordneten Leitungen verbindbaren zweiten Schacht (6), wobei der erste Schacht (5) zwischen der äußeren Hülle (4) und der Schicht umfassend ein festes thermisches Isolationsmaterial (7) ausgebildet ist und zwischen Hülle (4) und Schicht (7) Verstrebungen (8) aufweist, und der zweite Schacht (6) durch eine Anzahl von Stutzen (9) zwischen der Schicht umfassend ein festes thermisches Isolationsmaterial (7) und der Batterie (2) ausgebildet ist.
  2. Batteriegehäuse (3) nach Anspruch 1, bei dem das feste thermische Isolationsmaterial einen thermoplastischen Kunststoff umfasst.
  3. Batteriegehäuse (3) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Material der Hülle (4) ein Metall aufweist.
  4. Batteriegehäuse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Material der Hülle (4) einen Stahl umfasst.
  5. Batteriegehäuse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der zweite Schacht (6) mit Leitungen des Kühlsystems der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  6. Batteriegehäuse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der zweite Schacht (6) mit Leitungen des Air-Conditioning-Systems des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  7. Batteriegehäuse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Batteriegehäuse (3) integraler Bestandteil der Batterie (2) ist.
  8. Batteriegehäuse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Batteriegehäuse (3) integraler Bestandteil des Kraftfahrzeugs ist.
  9. Kraftfahrzeug mit einem Batteriegehäuse für eine Lithium-Ionen-Batterie nach einem der Ansprüche 1-8.
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