DE102018000278B4

DE102018000278B4 - Batterieanordnung

Info

Publication number: DE102018000278B4
Application number: DE102018000278.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dragicevic; Klaus Huber; Ramon Loro Toledo; Raphael Pfister; Jan Schaber; Bernd Spier; Nils Ziegler
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2022-09-22
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: DE102018000278A1

Abstract

Batterieanordnung (10) für ein Fahrzeug, umfassend
- mindestens einen elektrischen Energiespeicher (20) mit einer vorgegebenen Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen (40),
- ein Batteriegehäuse (30) zur Aufnahme des mindestens einen elektrischen Energiespeichers (20),
- eine Unterbodenverkleidung (60), welche einen Batterieboden (30.1) des Batteriegehäuses (30) verkleidet, sowie
- eine Temperiervorrichtung (70) zur Temperierung des elektrischen Energiespeichers (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (70) ein Wärmeleitmedium (70.1), das im Batteriegehäuse (30) zwischen einem Boden (20.1) des elektrischen Energiespeichers (20) und dem Batterieboden (30.1) angeordnet ist, einen Kühlkanal (70.2), der im Batterieboden (30.1) angeordnet ist, und eine steuerbare Temperiereinheit (71), die in der Unterbodenverkleidung (60) angeordnet ist, umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Fahrzeug.
Batterien für Fahrzeuganwendungen, insbesondere eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges, oder für Stationäranwendungen, wie Stromversorger oder Stromspeicher, umfassen eine Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten Einzelzellen. Innerhalb der Batterie sind die Einzelzellen zu Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Einzelzellen und deren Vorrichtungen zur mechanischen Fixierung, Kontaktierung und Temperierung umfassen. Der Zellblock oder die Zellblöcke sind in einem Batteriegehäuse angeordnet, welches wiederum Vorrichtungen, insbesondere zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie sowie Anschlusselemente zur Stromentnahme und Stromeinleitung sowie zur Kühlmittelzu- und -abführung, aufweist, wie sie beispielsweise aus der US 2014/0023906 A1 oder JP 2016/085879 A bekannt sind.
Die Einzelzellen in Batterien erzeugen im Allgemeinen Abwärme während des Betriebs. Da beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen nur bis circa 60°C ohne Schädigung betrieben werden können, umfasst die Batterie üblicherweise eine Temperiervorrichtung. Bei Anwendungen im Automobilbereich wird eine solch hohe Abwärme erzeugt, dass eine passive Kühlung nicht ausreicht. Neben aktiver Luftkühlung mit Gebläsen kommen Flüssigkeitskühlungen zum Einsatz. Diese Flüssigkeitskühlungen sind in der Lage, große Wärmemengen abzuführen und nehmen im Vergleich zu der aktiven Luftkühlung nur wenig Bauraum ein. Bei tieferen Umgebungstemperaturen müssen die Zellen erst beheizt werden, um die optimale Betriebstemperatur zu erreichen und Schädigung zu vermeiden. Die Kühlungsvorrichtung wird dann als Heizungsvorrichtung verwendet.
Aus der DE 10 2015 118 973 A1 ist eine thermische Batteriesatz-Verwaltung bekannt, welche eine Mischstruktur für einen ersten Luftstrom und einen zweiten Luftstrom umfasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Batterieanordnung mit einer verbesserten passiven Temperiervorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Fahrzeug umfasst mindestens einen elektrischen Energiespeicher mit einer vorgegebenen Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen, ein Batteriegehäuse zur Aufnahme des mindestens einen elektrischen Energiespeichers, eine Unterbodenverkleidung, welche einen Boden des Batteriegehäuses, auch kurz Gehäuseboden genannt, verkleidet, sowie eine Temperiervorrichtung zur Temperierung des elektrischen Energiespeichers, wobei die Temperiervorrichtung ein Wärmeleitmedium, das im Batteriegehäuse zwischen einem Boden des elektrischen Energiespeichers und einem Boden des Batteriegehäuses angeordnet ist, und eine steuerbare Temperiereinheit, die in der Unterbodenverkleidung angeordnet ist, umfasst.
Die Erfindung ermöglicht eine Direktanbindung der Einzelzellen des Energiespeichers über das Wärmeleitmedium an die steuerbare Temperiereinheit in der Unterbodenverkleidung, die als eine passive Unterboden- und Temperierverkleidung ausgebildet ist.
Der Batterieboden kann dabei beispielsweise durch einen Fahrzeugboden gebildet sein. Um die Batterie vor Beschädigungen, wie zum Beispiel Steinschlag, zu schützen, ist der Batterieboden und damit der Fahrzeugboden durch eine Unterbodenverkleidung aus Kunststoff, zum Beispiel Hart-PVC, verkleidet oder von einer solchen umgeben. Diese Unterbodenverkleidung dient auch als Wärmeisolierung und damit der Steigerung der Batterie-Performance bei tieferen Umgebungstemperaturen. Die Erfindung sieht daher vor, die Unterbodenverkleidung als Temperiereinheit zu nutzen. Ist die Umgebungstemperatur kleiner als die Batteriekühlmittelauslasstemperatur und müssen die Einzelzellen abgekühlt werden, wird der Fahrtwind benutzt, um die Wärme abzuführen.
Zur Erhöhung der Kühl-/Heizperformance wird die Temperiereinheit in der Unterbodenverkleidung gesteuert in Abhängigkeit von der Auslass- und Umgebungstemperatur sowie der elektrischen Leistung. Hierzu ist die Temperiereinheit mit gesteuerten Klappen versehen, die im geöffneten Zustand den einströmenden Fahrtwind gegen den Batteriegehäuseboden ausrichten. Beim Abkühlen führt die Erhöhung des Wärmeaustausches zwischen Batteriegehäuseboden und Umgebung zu höheren Kühlraten und bzw. Erhöhung der Kühlperformance des Fahrzeuges, da die von dem Chiller und der Kühlmittelpumpe benötigte elektrische Leistung geringer wäre. Beim Aufheizen wird der vorgesehene Luftspalt in der Unterbodenverkleidung als zusätzliche thermische Isolierung verwendet, wodurch die Heizperformance erhöht wird.
Dabei können mehrere Klappen in der Temperiereinheit vorgesehen sein, die auch unabhängig voneinander gesteuert werden können. Hierdurch kann die thermische Beanspruchung am Gehäuseboden homogenisiert und durch Wärmeabführung über die Temperiereinheit in der Unterbodenverkleidung reduziert werden.
Alternativ kann anstelle von Klappen die ganze Unterbodenverkleidung steuerbar ausgebildet sein, wobei beispielsweise die Unterbodenverkleidung selbst als eine steuerbare Klappe ausgebildet ist, die bei Bedarf geöffnet wird, um Fahrtwind auf den Batteriegehäuseboden zu leiten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 bis 3 schematisch eine Batterieanordnung gemäß des Standes der Technik, und
4 bis 8 schematisch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung mit einer Temperiereinheit in einer Unterbodenverkleidung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 bis 3 zeigen eine herkömmliche Batterieanordnung 1 für ein Fahrzeug.
Die Batterieanordnung 1 umfasst einen elektrischen Energiespeicher 2 und ein Batteriegehäuse 3. In dem Batteriegehäuse 3 ist ein aus einer vorgegebenen Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 4 gebildeter Zellblock 5 angeordnet.
Im Betrieb der Einzelzellen 4, insbesondere beim Laden und Entladen, entsteht Verlustwärme, wodurch sich die Batterie 2 unzulässig erwärmen kann und die Einzelzellen 4 nicht im Bereich ihrer optimalen Betriebstemperatur betreibbar sind.
Des Weiteren ist eine Unterbodenverkleidung 6 vorgesehen, welche einen Batterieboden 3.1 des Batteriegehäuses 3 verkleidet.
Zur Temperierung der Batterieanordnung 1 ist eine Temperiervorrichtung 7 vorgesehen. Im Stand der Technik umfasst die Temperiervorrichtung 7 ein Wärmeleitmedium 7.1, das im Batteriegehäuse 3 zwischen einem Boden 2.1 des elektrischen Energiespeichers 2 und dem Boden 2.1 des Batteriegehäuses 3 angeordnet ist. Dabei weist das jeweilige Wärmeleitmedium 7.1 Abmessungen und/oder eine Form auf, die mit Abmessungen und/oder Form des Bodens 2.1 des jeweiligen elektrischen Energiespeichers 2 korrespondiert. Der Boden 2.1 des elektrischen Energiespeichers 2 und damit das bodenseitige Ende der Einzelzellen 4 sind direkt mit dem Wärmeleitmedium 7.1 oder über L-förmige Kühlbleche (nicht näher dargestellt) an eine Kühlungs-/Heizungsvorrichtung gekoppelt.
Zusätzlich kann die Batterieanordnung 1 im Batterieboden 3.1 Kühlkanäle 3.2 aufweisen, welche von einem Kühlmedium KM durchströmt werden.
Beispielsweise ist der Batterieboden 3.1 als sogenannter Strangpressboden aus Strangpressplatten mit integrierten Kühlkanälen 3.2 oder auch aus konventionellen Kühl-/Heizplatten mit integrierten Kühlkanälen 3.2 gebildet, die von einem Heiz- oder Kühlmedium durchströmt werden.
4 bis 8 zeigen schematisch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung 10 mit einer Temperiervorrichtung 70.
Die Batterieanordnung 10 umfasst mehrere elektrische Energiespeicher 20 mit einer vorgegebenen Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 40, die gemeinsam von einem Batteriegehäuse 30 umgeben sind. Die jeweiligen elektrischen Energiespeicher 20 sind als ein Zellblock 50 ausgebildet. Je nach Anforderungen kann die Batterieanordnung 10 auch nur einen elektrischen Energiespeicher (nicht näher dargestellt) umfassen.
Die Batterieanordnung 10 ist insbesondere als eine Fahrzeugbatterie ausgebildet, welche im Bereich eines Fahrzeugbodens angeordnet ist.
Die Batterieanordnung 10 umfasst eine Unterbodenverkleidung 60, welche einen Batterieboden 30.1 des Batteriegehäuses 30 verkleidet.
Die Temperiervorrichtung 70 umfasst ein Wärmeleitmedium 70.1, das im Batteriegehäuse 30 zwischen einem Boden 20.1 des jeweiligen elektrischen Energiespeichers 20 und dem Batterieboden 30.1 des Batteriegehäuses 30 angeordnet ist.
Zusätzlich kann die Batterieanordnung 10 im Batterieboden 30.1 Kühlkanäle 70.2 aufweisen, welche von einem Kühlmedium KM durchströmt werden. Der Batterieboden 30.1 kann dabei in herkömmlicher Weise als ein Strangpressboden mit integrierten Kühlkanälen 70.2 ausgebildet sein.
Zur bedarfsgerechten Temperierung der Batterieanordnung 10, insbesondere zur bedarfsgerechten Kühlung, umfasst die Temperiervorrichtung 70 eine steuerbare Temperiereinheit 71, die in der Unterbodenverkleidung 60 angeordnet ist.
Die steuerbare Temperiereinheit 71 umfasst einen durchgehenden Temperierkanal 72, welcher bedarfsgerecht und somit gesteuert von Umgebungsluft UL durchströmbar ist.
In der Unterbodenverkleidung 60 können dabei ein oder mehrere Strömungs- oder Temperierkanäle 72 angeordnet sein.
Zur bedarfsgerechten Steuerung der Temperiereinheit 71 sind strömungseingangs- und strömungsausgangsseitig in dem Temperierkanal 72 steuerbare Klappen 73 angeordnet.
Darüber hinaus ist die steuerbare Temperiereinheit 71 bei einer Verwendung in einem Fahrzeug am oder im Fahrzeug in Fahrtwindrichtung F ausgerichtet angeordnet ist.
Beispielsweise ist die Batterieanordnung 10 am oder im Fahrzeug im Bereich eines Karosseriebodens derart angeordnet, dass zumindest die Unterverkleidung mit der Fahrzeugumgebung gekoppelt ist. Hierbei wird die Batterieanordnung 10 derart bei der Montage am Fahrzeug ausgerichtet montiert, dass der oder die Temperierkanäle 72 der steuerbaren Temperiereinheit 71 parallel zur Fahrtwindrichtung F ausgerichtet sind. 5 zeigt die steuerbare Temperiereinheit 71 mit zwei Klappen 73, einem am Strömungseinlass und die andere am Strömungsauslass. Im geschlossenen Zustand der Klappen 73 stagniert die Umgebungsluft UL in dem oder den Temperierkanälen 72.
Die Klappen 73 sind mit einer nicht näher dargestellten Steuereinheit signaltechnisch gekoppelt. Die Steuereinheit ist eingerichtet, die Klappen 73 bedarfsweise zu öffnen oder zu schließen. Ist die Umgebungstemperatur beispielsweise kleiner als die Batteriekühlmittelauslasstemperatur, ist vorgesehen, dass die Einzelzellen 40 abgekühlt werden. Hierzu wird der Fahrtwind und damit die Umgebungsluft UL benutzt, um die Wärme abzuführen.
Dabei werden die Klappen 73 in Abhängigkeit von der Auslass- und Umgebungstemperatur sowie der elektrischen Leistung des oder der elektrischen Energiespeicher 20 gesteuert. Zur Kühlung werden die Klappen 73 geöffnet und der einströmende Fahrtwind und damit die kühle Umgebungsluft UL gegen den Batterieboden 30.1 gerichtet.
Ist hingegen eine Aufheizung der elektrischen Energiespeicher 20 erforderlich, so wird der Temperierkanal 72 mittels der Klappen 73 geschlossen und es bildet sich ein Luftspalt mit stagnierter Umgebungsluft UL im Temperierkanal 72 in der Unterbodenverkleidung 60 als zusätzliche thermische Isolierung aus, wodurch die Heizperformance erhöht wird. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, in welcher der oder die Temperierkanäle 72 nur strömungseingangsseitig mit einer Klappe 73 versehen ist bzw. sind. Strömungsausgangsseitig bleibt der Temperierkanal 72 offen.
7 zeigt den Temperierkanal 72 mit unterschiedlichen Stellungen der Klappen 73 am Strömungseingang und am Strömungsausgang, wodurch der Richtungssinn der einströmenden Umgebungsluft UL beeinflusst wird. Hierzu steuert die Steuereinrichtung die Klappen 73 entsprechend.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform für den Temperierkanal 72, der zusätzlich entlang seiner Längsausdehnung mit weiteren steuerbaren Klappen 73 versehen ist, um bereits im Temperierkanal 72 aufgeheizte Umgebungsluft UL durch neu einströmende kühle Umgebungsluft UL abzukühlen.
Bezugszeichenliste

1, 10: Batterieanordnung
2, 20: elektrischer Energiespeicher
2.1, 20.1: Boden
3, 30: Batteriegehäuse
3.1,30.1: Batterieboden
3.2: Kühlkanäle
4, 40: Einzelzellen
5, 50: Zellblock
6, 60: Unterbodenverkleidung
7,70: Temperiervorrichtung
7.1,70.1: Wärmeleitmedium
70.2: Kühlkanäle
71: steuerbare Temperiereinheit
72: Temperierkanal
73: Klappen
F: Fahrtwindrichtung
KM: Kühlmedium
UL: Umgebungsluft

Claims

Batterieanordnung (10) für ein Fahrzeug, umfassend - mindestens einen elektrischen Energiespeicher (20) mit einer vorgegebenen Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen (40), - ein Batteriegehäuse (30) zur Aufnahme des mindestens einen elektrischen Energiespeichers (20), - eine Unterbodenverkleidung (60), welche einen Batterieboden (30.1) des Batteriegehäuses (30) verkleidet, sowie - eine Temperiervorrichtung (70) zur Temperierung des elektrischen Energiespeichers (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (70) ein Wärmeleitmedium (70.1), das im Batteriegehäuse (30) zwischen einem Boden (20.1) des elektrischen Energiespeichers (20) und dem Batterieboden (30.1) angeordnet ist, einen Kühlkanal (70.2), der im Batterieboden (30.1) angeordnet ist, und eine steuerbare Temperiereinheit (71), die in der Unterbodenverkleidung (60) angeordnet ist, umfasst.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Unterbodenverkleidung (60) ein oder mehrere Temperierkanäle (72) angeordnet sind.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass strömungseingangs- und strömungsausgangsseitig in dem Temperierkanal (72) steuerbare Klappen (73) angeordnet sind.