DE102018115256A1

DE102018115256A1 - Batteriepack-anordnungsrahmen-designs, die thermische rippen ausschliessen

Info

Publication number: DE102018115256A1
Application number: DE102018115256.6A
Authority: DE
Inventors: Kimberley King; Steve F. Chorian; Saravanan Paramasivam; Rajaram Subramanian; Bhaskara Boddakayala; Steve Droste; Mladen Marjanovic
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US20180375179A1; CN109148760A; US10804577B2

Abstract

Ein Batteriepack beinhaltet eine wärmeableitende Struktur, einen Anordnungsrahmen, der an der wärmeableitenden Struktur positioniert ist, und eine Batteriezelle, die durch den Anordnungsrahmen gehalten wird und derart angeordnet ist, dass mindestens eine Fläche der Batteriezelle von dem Anordnungsrahmen freiliegt und an der wärmeableitenden Struktur angrenzt. Die wärmeableitende Struktur kann eine Wärmetauscherplatte oder ein Wärmeübergangsstellenmaterial (TIM) sein.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Batteriepacks für elektrifizierte Fahrzeuge. Ein beispielhaftes Batteriepack beinhaltet einen Anordnungsrahmen zum Halten von mindestens einer Batteriezelle. Die Batteriezelle ist innerhalb des Anordnungsrahmens positioniert, sodass mindestens eine Fläche der Batteriezelle entweder an ein Wärmeübergangsstellenmaterial oder eine Wärmetauscherplatte des Batteriepacks angrenzt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der Wunsch nach einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des Schadstoffausstoßes bei Kraftfahrzeugen ist hinlänglich dokumentiert. Deshalb werden Fahrzeuge entwickelt, welche die Abhängigkeit von Verbrennungsmotoren verringern oder vollständig beseitigen. Derzeit werden zu diesem Zweck elektrifizierte Fahrzeuge entwickelt. Im Allgemeinen unterscheiden sich elektrifizierte Fahrzeuge dadurch von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, dass sie selektiv durch eine oder mehrere batteriebetriebene elektrische Maschinen angetrieben werden. Herkömmliche Kraftfahrzeuge sind im Gegensatz dazu vollständig auf den Verbrennungsmotor angewiesen, um das Fahrzeug anzutreiben.
Ein Hochspannungsbatteriepack versorgt die elektrischen Maschinen und andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs in der Regel mit Energie. Das Batteriepack beinhaltet eine Vielzahl von Batteriezellen, die Energie speichern, um diese elektrischen Verbraucher mit Energie zu versorgen. Die Batteriezellen erzeugen Wärme, wie etwa während der Lade- und Entladevorgänge. In anderen Batteriepacks werden die Batteriezellen unter Verwendung von thermischen Rippen, die in Kontakt mit den Zellen positioniert sind, thermisch kontrolliert.
KURZDARSTELLUNG
Ein Batteriepack gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem eine wärmeableitende Struktur, einen Anordnungsrahmen, der an der wärmeableitenden Struktur positioniert ist, und eine Batteriezelle, die durch den Anordnungsrahmen gehalten wird und derart angeordnet ist, dass mindestens eine Fläche der Batteriezelle von dem Anordnungsrahmen freiliegt und an der wärmeableitenden Struktur angrenzt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Batteriepacks ist die wärmeableitende Struktur eine Wärmetauscherplatte.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem der vorstehenden Batteriepacks ist die wärmeableitende Struktur ein Wärmeübergangsstellenmaterial (thermal interface material - TIM).
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist das TIM zwischen der Fläche der Batteriezelle und der Wärmetauscherplatte angeordnet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist der Anordnungsrahmen rechteckig geformt und beinhaltet eine obere Wand, einen Stützbalken und Rahmenarme, die sich zwischen der oberen Wand und dem Stützbalken erstrecken.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks trennt der Stützbalken einen ersten Abschnitt der Batteriezelle von einem zweiten Abschnitt einer benachbarten Batteriezelle.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks beinhaltet der Stützbalken einen rechteckig geformten Querschnitt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks beinhaltet die obere Wand eine erste Breite und der Stützbalken beinhaltet eine zweite Breite, die eine kleinere Breite als die erste Breite ist.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks beinhaltet der Stützbalken ein Material aus hartem Kunststoff, das mit einem Material aus weichem Kunststoff überzogen ist.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist der Anordnungsrahmen dreiseitig und beinhaltet eine obere Wand und Rahmenarme, die sich von der oberen Wand erstrecken.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist die Fläche der Batteriezelle eine untere Fläche.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist die Fläche der Batteriezelle durch einen beliebigen Abschnitt des Anordnungsrahmens vollständig unbedeckt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist eine Batteriebaugruppe an der wärmeableitenden Struktur positioniert, wobei die Batteriebaugruppe den Anordnungsrahmen, die Batteriezelle und eine Vielzahl von zusätzlichen Anordnungsrahmen und Batteriezellen umfasst.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks erstreckt sich der Anordnungsrahmen entlang einer Längsachse und ein wärmeleitender Pfad der Batteriezelle erstreckt sich parallel zur Längsachse entlang einer Länge einer Seitenfläche der Batteriezelle.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Batteriepacks schließt der Anordnungsrahmen eine thermische Rippe, die in Kontakt mit der Batteriezelle positioniert ist, aus.
Ein Verfahren gemäß einem anderen beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem Halten einer Batteriezelle innerhalb eines Anordnungsrahmens einer Batteriebaugruppe, sodass mindestens eine Fläche der Batteriezelle entweder an ein Wärmeübergangsstellenmaterial (TIM) oder eine Wärmetauscherplatte angrenzt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Verfahrens liegt die mindestens eine Fläche durch den Anordnungsrahmen frei.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem der vorstehenden Verfahren ist die mindestens eine Fläche eine untere Fläche der Batteriezelle.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Verfahren ist die Batteriebaugruppe oben auf der Wärmetauscherplatte positioniert und das TIM ist zwischen der Batteriebaugruppe und der Wärmetauscherplatte angeordnet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem beliebigen der vorstehenden Verfahren schließt die Batteriebaugruppe thermische Rippen aus.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorstehenden Abschnitte, die Ansprüche oder die nachstehende Beschreibung und die nachstehenden Zeichnungen, einschließlich jedweder der dazugehören verschiedenen Aspekte oder jeweiliger individueller Merkmale, können unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination miteinander betrachtet werden. Merkmale, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, gelten für alle Ausführungsformen, sofern solche Merkmale nicht inkompatibel sind.
Die unterschiedlichen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden dem Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich. Die der detaillierten Beschreibung beigefügten Zeichnungen lassen sich wie folgt kurz beschreiben.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang eines elektrifizierten Fahrzeugs.
2 veranschaulicht ein Batteriepack eines elektrifizierten Fahrzeugs.
3 veranschaulicht einen beispielhaften Anordnungsrahmen einer Batteriebaugruppe.
Die 4 und 5 veranschaulichen eine Batteriebaugruppe, die eine Gruppierung von Batteriezellen und miteinander verbundenen Anordnungsrahmen beinhaltet.
6 ist eine Querschnittsansicht, die Abschnitte eines Batteriepacks darstellt, die die Batteriebaugruppe aus den 4 und 5 beinhaltet.
7 veranschaulicht einen anderen beispielhaften Anordnungsrahmen einer Batteriebaugruppe.
Die 8 und 9 veranschaulichen eine andere Batteriebaugruppe, die eine Gruppierung von Batteriezellen und miteinander verbundenen Anordnungsrahmen beinhaltet.
10 ist eine Querschnittsansicht, die Abschnitte eines Batteriepacks darstellt, die die Batteriebaugruppe aus den 8 und 9 beinhaltet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt verschiedene Batteriepackausführungen zur Verwendung in elektrifizierten Fahrzeugen. Ein beispielhaftes Batteriepack beinhaltet eine Wärmetauscherplatte, wobei ein Anordnungsrahmen relativ zur Wärmetauscherplatte positioniert ist, ein Wärmeübergangsstellenmaterial (TIM) zwischen der Wärmetauscherplatte und dem Anordnungsrahmen angeordnet ist und eine Batteriezelle von dem Anordnungsrahmen gehalten wird. Mindestens eine Fläche der Batteriezelle steht in direktem Kontakt mit entweder der Wärmetauscherplatte oder dem TIM. Diese und andere Merkmale werden in den folgenden Absätzen dieser detaillierten Beschreibung ausführlicher erörtert.
1 veranschaulicht einen Antriebsstrang 10 für ein elektrifiziertes Fahrzeug 12 schematisch. Obwohl als Hybridelektrofahrzeug (Hybrid Electric Vehicle - HEV) dargestellt, versteht sich, dass die hier beschriebenen Konzepte nicht auf HEV beschränkt sind und sich auf andere elektrifizierte Fahrzeuge erstrecken könnten, einschließlich unter anderem Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (plug-in hybrid electric vehicles - PHEVs), Batterieelektrofahrzeuge (battery electric vehicles - BEVs), Brennstoffzellenfahrzeuge usw.
In einer nicht einschränkenden Ausführungsform handelt es sich bei dem Antriebsstrang 10 um ein Antriebsstrangsystem mit Leistungsverzweigung, welches ein erstes und ein zweites Antriebssystem einsetzt. Das erste Antriebssystem beinhaltet eine Kombination aus einem Motor 14 und einem Generator 18 (d. h. einer ersten elektrischen Maschine). Das zweite Antriebssystem beinhaltet wenigstens einen Elektromotor 22 (d. h. eine zweite elektrische Maschine), den Generator 18 und ein Batteriepack 24. Bei diesem Beispiel wird das zweite Antriebssystem als elektrisches Antriebssystem des Antriebsstrangs 10 betrachtet. Das erste und das zweite Antriebssystem sind jeweils in der Lage, Drehmoment zum Antreiben von einer oder mehreren Sätzen von Fahrzeugantriebsrädern 28 des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu erzeugen. Wenngleich in 1 eine Konfiguration mit Leistungsverzweigung dargestellt ist, deckt die vorliegende Offenbarung ein beliebiges Hybrid- oder Elektrofahrzeug ab, einschließlich Vollhybrid-, Parallelhybrid-, Reihenhybrid-, Mildhybrid- oder Mikrohybridfahrzeugen.
Der Motor 14, der ein Verbrennungsmotor sein kann, und der Generator 18 können durch eine Leistungsübertragungseinheit 30, wie beispielsweise einen Planetenradsatz, miteinander verbunden sein. Selbstverständlich können andere Typen von Leistungsübertragungseinheiten, einschließlich anderer Zahnradsätze und Getriebe, verwendet werden, um den Motor 14 mit dem Generator 18 zu verbinden. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform handelt es sich bei der Leistungsübertragungseinheit 30 um einen Planetenradsatz, der ein Hohlrad 32, ein Sonnenrad 34 und eine Trägerbaugruppe 36 beinhaltet.
Der Generator 18 kann vom Motor 14 durch die Leistungsübertragungseinheit 30 angetrieben werden, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 18 kann alternativ als Elektromotor zum Umwandeln von elektrischer Energie in kinetische Energie fungieren, wodurch Drehmoment an eine Welle 38 ausgegeben wird, die mit der Leistungsübertragungseinheit 30 verbunden ist. Da der Generator 18 mit dem Motor 14 wirkverbunden ist, kann die Drehzahl des Motors 14 durch den Generator 18 gesteuert werden.
Das Hohlrad 32 der Leistungsübertragungseinheit 30 kann mit einer Welle 40 verbunden sein, die über eine zweite Leistungsübertragungseinheit 44 mit Fahrzeugantriebsrädern 28 verbunden ist. Die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 kann einen Zahnradsatz mit einer Vielzahl von Zahnrädern 46 beinhalten. Andere Leistungsübertragungseinheiten können ebenfalls geeignet sein. Die Zahnräder 46 übertragen das Drehmoment vom Motor 14 auf ein Differential 48, um letztlich den Fahrzeugantriebsrädern 28 Traktion bereitzustellen. Das Differential 48 kann eine Vielzahl von Zahnrädern beinhalten, welche die Übertragung von Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 28 ermöglichen. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 über das Differential 48 mechanisch mit einer Achse 50 gekoppelt, um Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 28 zu verteilen.
Der Elektromotor 22 kann zudem eingesetzt werden, um die Fahrzeugantriebsräder 28 durch Ausgeben von Drehmoment an eine Welle 52 anzutreiben, die ebenfalls mit der zweiten Leistungsübertragungseinheit 44 verbunden ist. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform wirken der Elektromotor 22 und der Generator 18 als Teil eines regenerativen Bremssystems zusammen, in dem sowohl der Elektromotor 22 als auch der Generator 18 als Elektromotoren zum Ausgeben von Drehmoment eingesetzt werden können. Beispielsweise können der Elektromotor 22 und der Generator 18 jeweils elektrische Energie an das Batteriepack 24 ausgeben.
Das Batteriepack 24 ist eine beispielhafte Batterie eines elektrifizierten Fahrzeugs. Bei dem Batteriepack 24 kann es sich um ein Hochspannungstraktionsbatteriepack handeln, das eine Vielzahl von Batteriebaugruppen 25 beinhaltet (d. h. Batterieanordnungen oder Gruppierungen von Batteriezellen), die in der Lage sind, elektrische Leistung auszugeben, um den Elektromotor 22, den Generator 18 und/oder andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu betreiben. Andere Arten von Energiespeichervorrichtungen und/oder Ausgabevorrichtungen können ebenfalls verwendet werden, um das elektrifizierte Fahrzeug 12 mit elektrischer Energie zu versorgen.
In einer nicht einschränkenden Ausführungsform beinhaltet das elektrifizierte Fahrzeug 12 zwei grundlegende Betriebsmodi. Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann in einem Elektrofahrzeug-Modus (Electric-Vehicle-Modus - EV-Modus) betrieben werden, in dem der Elektromotor 22 verwendet wird (im Allgemeinen ohne Unterstützung von dem Motor 14), um das Fahrzeug anzutreiben, wodurch der Ladezustand des Batteriepacks 24 bei bestimmten Fahrmustern/-zyklen bis zur maximal zulässigen Entladerate entladen wird. Der EV-Modus ist ein Beispiel für einen Entladebetriebsmodus für das elektrifizierte Fahrzeug 12. Im EV-Modus kann sich der Ladezustand des Batteriepacks 24 unter einigen Umständen erhöhen, beispielsweise durch einen Nutzbremsungszeitraum. Der Motor 14 ist in einem standardmäßigen EV-Modus im Allgemeinen abgeschaltet, könnte jedoch nach Bedarf auf Grundlage eines Fahrzeugsystemzustands oder nach Vorgabe des Fahrzeugführers betrieben werden.
Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann zusätzlich in einem Hybrid(HEV)-Modus betrieben werden, bei dem sowohl der Motor 14 als auch der Elektromotor 22 zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden. Der HEV-Modus ist ein Beispiel für einen Betriebsmodus zum Erhalten der Batterieladung für das elektrifizierte Fahrzeug 12. Im HEV-Modus kann das elektrifizierte Fahrzeug 12 die Verwendung des Elektromotors 22 zum Antreiben des Fahrzeugs verringern, um den Ladezustand des Batteriepacks 24 konstant oder ungefähr konstant zu halten, indem es den Antrieb durch den Motor 14 steigert. Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung zusätzlich zum EV- und zum HEV-Modus in anderen Betriebsmodi betrieben werden.
2 veranschaulicht schematisch ein Batteriepack 24, das in einem elektrifizierten Fahrzeug eingesetzt werden kann. Beispielsweise könnte das Batteriepack 24 Teil des Antriebsstrangs 10 des elektrifizierten Fahrzeugs 12 aus 1 sein. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Batteriepacks 24, in der seine äußeren Komponenten (z. B. die Gehäusebaugruppe 60) als gestrichelte Linien dargestellt sind, um einige der inneren Komponenten des Batteriepacks 24 besser zu veranschaulichen.
Das Batteriepack 24 beinhaltet eine Vielzahl von Batteriezellen 56, die elektrische Energie speichern, um verschiedene elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 mit Energie zu versorgen. Das Batteriepack 24 könnte eine beliebige Anzahl an Batteriezellen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung einsetzen, und diese Offenbarung ist nicht auf die in 2 gezeigte genaue Konfiguration beschränkt.
Die Batteriezellen 56 können nebeneinander gestapelt sein, um eine Gruppe von Batteriezellen 56 zu bilden, die mitunter als „Zellstapel“ bezeichnet wird. Das Batteriepack 24 kann eine oder mehrere getrennte Gruppen von Batteriezellen 56 beinhalten. Die Batteriezellen 56 können eine beliebige Geometrie (prismatisch, zylindrisch, Tasche usw.) und eine beliebige Chemie aufweisen (Lithium-Ionen, Nickel-Metallhydrid, Blei-Säure usw.).
Die Batteriezellen 56 können zusammen mit beliebigen Stützstrukturen (z. B. Anordnungsrahmen, Abstandshaltern, Schienen, Wänden, Platten, Bindungen usw.) gemeinsam als eine Batteriebaugruppe 25 bezeichnet werden. In einer beliebigen Ausführungsform werden die Batteriezellen 56 relativ zueinander von einer Vielzahl von miteinander verbundenen Anordnungsrahmen 58 gehalten. Obwohl in 2 dargestellt ist, dass das Batteriepack 24 eine einzelne Batteriebaugruppe 25 aufweist, könnte das Batteriepack 24 innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung auch eine größere Anzahl von Batteriebaugruppen beinhalten. Darüber hinaus könnte, obwohl dargestellt ist, dass sie sich längs im Batteriepack 24 erstreckt, die Batteriebaugruppe 25 alternativ dazu derart angeordnet sein, dass sie sich lateral oder horizontal im Batteriepack 24 erstreckt.
In einer Gehäusebaugruppe 60 ist jede Batteriebaugruppe 25 des Batteriepacks 24 untergebracht. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die Gehäusebaugruppe 60 ein abgedichtetes Gehäuse, das eine Wanne 62 und eine Abdeckung 64 beinhaltet. Die Abdeckung 64 ist an der Wanne 62 befestigt und dichtet die Batteriebaugruppe 25 des Batteriepacks 24 ab.
3 veranschaulicht einen beispielhaften Anordnungsrahmen 58 der Batteriebaugruppe 25 aus 2. Der Anordnungsrahmen 58 beinhaltet einen Rahmenkörper 66, der entlang einer Längsachse A angeordnet ist. Der Rahmenkörper 66 kann rechteckig geformt sein (d. h. vierseitig) und beinhaltet eine obere Wand 68, einen Stützbalken 70 und Rahmenarme 72, die sich zwischen der oberen Wand 68 und dem Stützbalken 70 verbinden. In einer Ausführungsform sind die Rahmenarme 72 an den Längserstreckungen der oberen Wand 68 und des Stützbalkens 70 angeordnet. Die obere Wand 68, der Stützbalken 70 und die Rahmenarme 72 bilden einen Umfang um eine Öffnung 74, die durch den Rahmenkörper 66 gebildet wird. In einer Ausführungsform erstrecken sich die obere Wand 68 und der Stützbalken 70 horizontal und parallel zur Längsachse A, und die Rahmenarme 72 erstrecken sich vertikal und quer zur Längsachse A.
Der Rahmenkörper 66 des Anordnungsrahmens 58 kann eine einheitliche Kunststoffstruktur sein. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform werden die obere Wand 68, der Stützbalken 70 und die Rahmenarme 72 ausgeformt, gegossen, bearbeitet oder anderweitig hergestellt, um die einheitliche Struktur zu bilden.
Jede gegenüberliegende Seite des Rahmenkörpers 66 beinhaltet eine Tasche 75. Die Taschen 75 können bemessen und geformt sein, um eine Batteriezelle aufzunehmen (siehe beispielsweise Merkmal 56 aus den 4 und 5). Der Anordnungsrahmen 58 kann entweder eine oder zwei Batteriezellen unterbringen, wobei jede Tasche 75 in der Lage ist, eine einzelne Batteriezelle aufzunehmen. In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen 56 Pouch-Zellen, die für eine Hochspannungsbatteriebaugruppe geeignet sind. Ein nicht einschränkendes Beispiel einer geeignet Pouch-Batteriezelle ist eine Lithium-Ionen-Batterie. Jedoch werden andere Arten von Batteriezellen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung berücksichtigt.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet die obere Wand 68 des Rahmenkörpers 66 eine erste Breite W1 und der Stützbalken 70 des Rahmenkörpers 66 beinhaltet eine zweite Breite W2. Die zweite Breite W2 ist eine kleinere Breite als die erste Breite W1. Wie nachfolgend ausführlicher erörtert, kann somit mindestens eine Fläche einer Batteriezelle, die innerhalb des Rahmenkörpers 66 des Anordnungsrahmens 58 gehalten wird, für einen direkten Kontakt mit anderen Strukturen, wie etwa einer wärmeableitenden Struktur, freiliegen.
Eine Vielzahl von Rückhalteelementen 76 kann in die obere Wand 68 und/oder die Rahmenarme 72 des Rahmenkörpers 66 integriert sein, um den Rahmenarm 58 mit benachbarten Rahmenarmen zu verbinden. Die Rückhalteelemente 76 können entsprechende Rückhalteelemente von benachbarten Anordnungsrahmen in Eingriff nehmen (z. B. darin einrasten), um eine Batteriebaugruppe zu schaffen. Es versteht sich, dass die Batteriebaugruppen dieser Offenbarung nicht auf eine spezifische Anzahl an Anordnungsrahmen oder Batteriezellen beschränkt ist.
Der Anordnungsrahmen 58 kann zusätzlich ein oder mehrere Befestigungsgehäuse 78 beinhalten. Die Befestigungsgehäuse 78 sind integrierte Elemente des Rahmenkörpers 66 des Rahmenarms 58. Die Befestigungsgehäuse 78 können aus den Rahmenarmen 72 in einer Richtung weg von der Öffnung 74 des Rahmenkörpers 66 vorstehen. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform sind die Befestigungsgehäuse 78 an beiden Enden der Rahmenarme 72 angeordnet (z. B. nahe einer Verbindung zwischen den Rahmenarmen 72 und der oberen Wand 68 und nahe der Verbindung zwischen den Rahmenarmen 72 und dem Stützbalken 70).
Jedes Befestigungsgehäuse 78 beinhaltet eine Öffnung 80. Die Öffnung 80 erstreckt sich durch das Befestigungsgehäuse 78. Zum Beispiel kann sich die Öffnung 80 entlang einer Achse B zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden 84, 86 des Befestigungsgehäuses 78 erstrecken. In einer Ausführungsform ist die Achse B senkrecht zur Längsachse A. Jede Öffnung 80 ist dazu konfiguriert, eine Stange 82 aufzunehmen (siehe z. B. 5). Die Stange 82 kann durch die Öffnung 80 des Befestigungsgehäuses 78 eingeführt werden, um den Anordnungsrahmen 58 mit zusätzlichen Anordnungsrahmen einer Batteriebaugruppe zu verbinden. Die Stange 82 funktioniert, um Kompression an solch einer Batteriebaugruppe auszuüben.
Unter Bezugnahme auf die 4 und 5 kann eine Vielzahl der Anordnungsrahmen 58 Seite an Seite gestapelt sein, um eine Batteriebaugruppe 25 zu schaffen. Jeder Anordnungsrahmen 58 der Batteriebaugruppe 25 kann zwei Batteriezellen 56 unterbringen. Die Klemmen 88 der Batteriezellen 56 ragen seitlich von den Rahmenarmen 72 der Anordnungsrahmen 58 nach außen, sobald sie innerhalb der Anordnungsrahmen 58 positioniert sind. Zum Beispiel können die Klemmen 88 vertikal zwischen den Befestigungsgehäusen 78 jedes Anordnungsrahmens 58 positioniert sein.
Sobald sie in den Taschen 75 der Anordnungsrahmen 58 aufgenommen wurden, können die Batteriezellen 56 einander entlang ihrer Seitenflächen 90 berühren. Der Stützbalken 70 jedes Anordnungsrahmens 58 kann axial zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 56 der Batteriebaugruppe 25 positioniert sein. Die unteren Abschnitte jeder Batteriezelle 56 sind somit durch die Stützbalken 70 voneinander getrennt (d. h. nicht zusammenhängend).
In einer Ausführungsform, wie in 5 am besten gezeigt, weisen die Stützbalken 70 eine dreieckige Querschnittsform auf, um die Batteriezellen 56 relativ zu den Anordnungsrahmen 58 zu halten. Andere Formen werden im Umfang dieser Offenbarung ebenfalls berücksichtigt. Die obere Wand 68 kann außerdem Batteriezellstützelemente beinhalten.
Die Batteriezellen 56 sind relativ zu den Stützbalken 78 angeordnet, sodass mindestens eine Fläche 92 jeder Batteriezelle 56 durch die Anordnungsrahmen 58 freiliegt. In einer Ausführungsform ist die Fläche 92 eine untere Fläche der Batteriezelle 56. Um dieses freiliegende Design zu erreichen, sind die Stützbalken 70 axial zwischen benachbarten Batteriezellen 56 positioniert, erstrecken sich jedoch nicht unterhalb der Batteriezellen 56.
In einer anderen Ausführungsform bestehen die Stützbalken 70 aus einem härteren Material, das mit einem weicheren Material überzogen ist. Zum Beispiel könnten die Stützbalken 70 aus einem Material mit relativ hartem Kunststoff (z. B. Polyethylen hoher Dichte (HDPE)) bestehen, das mit einem Material aus relativ weicherem Kunststoff (z. B. Urethanschaum) überzogen ist. Andere Materialien werden im Umfang dieser Offenbarung ebenfalls berücksichtigt.
Bei bestimmten Bedingungen, wie etwa Auflade- und Entladevorgänge, kann ein relativ signifikanter Betrag an Wärme durch die Batteriezellen 56 der Batteriebaugruppe 25 erzeugt werden. Es kann wünschenswert sein, diese Wärme zu kontrollieren, um die Kapazität und Lebensdauer der Batteriezellen 56 zu verbessern und dadurch den Betrieb und die Effizienz des Batteriepacks 24 zu verbessern. Einige bekannte Batteriebaugruppen kontrollieren die Wärme, die durch die Batteriezellen 56 erzeugt wird, unter Verwendung von einer oder mehreren thermischen Rippen (z. B. Streifen von Aluminium oder einem anderen metallischen Material), die innerhalb der Anordnungsrahmen 58 aufgenommen werden und in direktem Kontakt mit den Batteriezellen 56 positioniert sind. Die Batteriebaugruppe 25 dieser Offenbarung jedoch schließt thermische Rippen aus. Stattdessen, wie nachfolgend ausführlicher erörtert, können die Batteriezellen 56 thermisch kontrolliert werden, indem von dem Aufbau ihrer inneren Komponenten profitiert wird.
6 veranschaulicht Abschnitte eines Batteriepacks 24, das eine Batteriebaugruppe 25 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 56, die innerhalb von Anordnungsrahmen 58 gehalten werden, beinhaltet. Die Batteriebaugruppe 25 und somit die Batteriezellen 56 und Anordnungsrahmen 58 können oben auf einer Wärmetauscherplatte 94 positioniert sein, die als eine Kühlplatte bezeichnet werden kann. Die Wärmetauscherplatte 94 kann Teil der Schale 62 der Gehäusebaugruppe 60 (siehe 2) des Batteriepacks 24 sein oder könnte eine separate Struktur sein, die innerhalb der Gehäusebaugruppe 60 positioniert ist. Die Wärmetauscherplatte 94 kann zum Beispiel aus einem metallischen Material, wie etwa Aluminium, bestehen.
In einer Ausführungsform grenzen die freiliegenden Flächen 92 jeder Batteriezelle 56 an die Wärmetauscherplatte 94 an oder stehen in direktem Kontakt mit dieser. Die Wärmetauscherplatte 94 ist zum Leiten von Wärme aus den Batteriezellen 56 heraus konfiguriert. Mit anderen Worten, dient die Wärmetauscherplatte 94 als ein Kühlkörper, um Wärme aus den Wärmequellen (d. h. den Batteriezellen 56) bei bestimmten Bedingung zu entfernen. Die Wärmetauscherplatte 94 könnte alternativ dazu konfiguriert sein, Wärme zu den Batteriezellen 56 hinzuzufügen, wie etwa bei relativ kalten Umgebungsbedingungen.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Wärmeübergangsstellenmaterial (TIM) 96 zwischen der Batteriebaugruppe 25 und der Wärmetauscherplatte 94 angeordnet, sodass die freiliegenden Flächen 92 der Batteriezellen 56 in direktem Kontakt mit dem TIM 96 stehen. Das TIM 96 behält den thermischen Kontakt zwischen den Batteriezellen 56 und der Wärmetauscherplatte 94 und erhöht die Wärmeleitfähigkeit zwischen diesen benachbarten Komponenten während Wärmeübertragungsereignissen. Das TIM 96 kann ein beliebiges wärmeleitendes Material sein.
Wie vorstehend angedeutet, wird die Wärme, die durch die Batteriezellen 56 der Batteriebaugruppe 25 erzeugt wird, thermisch kontrolliert, ohne thermische Rippen zwischen den Batteriezellen 56 zu positionieren. Dies kann durch Profitieren von dem Aufbau der inneren Komponenten der Batteriezellen 56 erreicht werden. Zum Beispiel können die Batteriezellen 56 innere Elektrodenzellen oder Falten beinhalten, die sich um eine horizontale Achse wickeln, die im Allgemeinen parallel zur Längsachse A jedes Anordnungsrahmens 58 ist. Jede Batteriezelle 56 beinhaltet deshalb einen wärmeleitenden Pfad, der parallel zur Längsachse A entlang der Länge der Seitenflächen 90 der Batteriezellen 56 anstelle seitlich von Batteriezelle zu Batteriezelle verläuft. Durch das Freilegen der Flächen 92 durch die Anordnungsrahmen 58 können die Flächen 92 in direktem Kontakt mit entweder der Wärmetauscherplatte 94 oder dem TIM 96 stehen. Da die Batteriezellen 56 die wärmeableitende Vorrichtung entlang der gleichen Richtung des wärmeleitenden Pfads berühren, kann Wärme effizient zwischen den Batteriezellen 56 und der Wärmetauscherplatte 94 übertragen werden, ohne dass die Verwendung von thermischen Rippen erforderlich ist.
7 veranschaulicht einen anderen beispielhaften Anordnungsrahmen 158, der innerhalb einer Batteriebaugruppe eines Batteriepacks verwendet werden kann. Der Anordnungsrahmen 158 beinhaltet einen Rahmenkörper 166, der entlang einer Längsachse A angeordnet ist. Der Rahmenkörper 166 kann dreiseitig sein und beinhaltet eine obere Wand 168 und Rahmenarme 172, die sich quer von der oberen Wand 168 erstrecken. In dieser Ausführungsform fehlt dem Rahmenkörper 166 ein Stützbalken auf einem gegenüberliegenden Ende der Rahmenarme 172 von der oberen Wand 168. In einer Ausführungsform erstreckt sich die obere Wand 168 horizontal und parallel zur Längsachse A, und die Rahmenarme 172 erstrecken sich vertikal und quer zur Längsachse A.
Der Rahmenkörper 166 des Anordnungsrahmens 58 kann eine einheitliche Kunststoffstruktur sein. In einer Ausführungsform werden die obere Wand 168 und die Rahmenarme 172 ausgeformt, gegossen, bearbeitet oder anderweitig hergestellt, um die einheitliche Struktur zu bilden.
Jede gegenüberliegende Seite des Rahmenkörpers 66 beinhaltet eine Tasche 175. Die Taschen 175 können bemessen und geformt sein, um Batteriezellen 156 unterzubringen (siehe zum Beispiel 8 und 9). Der Anordnungsrahmen 158 kann eine oder mehrere Batteriezellen 156 unterbringen, wobei jede Tasche 175 in der Lage ist, eine einzelne Batteriezelle aufzunehmen.
Der Anordnungsrahmen 158 kann zusätzlich ein oder mehrere Befestigungsgehäuse 178 beinhalten. Die Befestigungsgehäuse 178 sind integrierte Elemente des Rahmenkörpers 166 des Rahmenarms 158. Die Befestigungsgehäuse 178 können aus den Rahmenarmen 172 in einer Richtung weg von einem Mittelpunkt des Rahmenkörpers 166 vorstehen. In einem nicht einschränkenden Beispiel sind die Befestigungsgehäuse 178 sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der Rahmenarme 172 angeordnet (z. B. nahe einer Verbindung zwischen den Rahmenarmen 172 und der oberen Wand 168 und an einem gegenüberliegenden Ende der Rahmenarme 172 von der Verbindung). Jedes Befestigungsgehäuse 178 kann eine Öffnung 180 zum Aufnehmen einer Stange oder eines anderen Befestigungselements beinhalten, um einer Batteriebaugruppe Kompression zu verleihen.
Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 kann eine Vielzahl der Anordnungsrahmen 158 Seite an Seite gestapelt sein, um eine Batteriebaugruppe 125 zu schaffen. Jeder Anordnungsrahmen 158 der Batteriebaugruppe 125 kann zwei Batteriezellen 156 unterbringen. Sobald sie in den Taschen 175 der Anordnungsrahmen 158 aufgenommen wurden, können die Batteriezellen 156 einander entlang ihrer Seitenflächen 190 berühren. Da die Anordnungsrahmen 158 dreiseitig sind und dadurch eine beliebige untere Wand oder einen Stützbalken ausschließen, können die Batteriezellen 156 derart angeordnet sein, dass mindestens eine Fläche 192 jeder Batteriezelle 156 vollständig freiliegt, um eine andere Struktur zu berühren, wie etwa eine wärmeableitende Struktur. In einer Ausführungsform ist die Fläche 192 eine untere Fläche der Batteriezelle 156.
10 veranschaulicht Abschnitte eines Batteriepacks 124, das die vorstehend beschriebene Batteriebaugruppe 125 beinhaltet. Die Batteriebaugruppe 125 und somit die Batteriezellen 156 und Anordnungsrahmen 158 können über, oder oben auf, einer Wärmetauscherplatte 194 positioniert sein. In einer Ausführungsform grenzen die freiliegenden Flächen 192 jeder Batteriezelle 156 an die Wärmetauscherplatte 194 an oder stehen in direktem Kontakt mit dieser. Die Wärmetauscherplatte 194 leitet Wärme aus den Batteriezellen 156, um die innerhalb der Batteriezellen 156 erzeugte Wärme zu kontrollieren.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Wärmeübergangsstellenmaterial (TIM) 196 zwischen der Batteriebaugruppe 125 und der Wärmetauscherplatte 194 angeordnet, sodass die freiliegenden Flächen 192 der Batteriezellen 156 in direktem Kontakt mit dem TIM 196 stehen. Das TIM 196 behält den thermischen Kontakt zwischen den Batteriezellen 156 und der Wärmetauscherplatte 194, wodurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen diesen benachbarten Komponenten während Wärmeübertragungsereignissen erhöht wird.
Wie die vorstehend in Bezug auf 6 erörterte Ausführungsform kann die durch die Batteriezellen 156 der Batteriebaugruppe 125 erzeugte Wärme ohne Verwenden von thermischen Rippenthermisch kontrolliert werden. Dies kann durch Profitieren von dem Aufbau der inneren Komponenten der Batteriezellen 156 erreicht werden. Zum Beispiel können die Batteriezellen 156 innere Zellen oder Falten beinhalten, die sich um eine horizontale Achse wickeln, die im Allgemeinen parallel zur Längsachse A jedes Anordnungsrahmens 158 ist. Jede Batteriezelle 156 beinhaltet deshalb einen wärmeleitenden Pfad, der parallel zur Längsachse A entlang der Länge der Seitenflächen 190 der Batteriezellen 156 anstelle seitlich von Batteriezelle zu Batteriezelle verläuft. Durch das Freilegen der Flächen 192 durch die Anordnungsrahmen 158 (hier an der Unterseite der Anordnungsrahmen 158) können die Flächen 192 in direktem Kontakt mit entweder der Wärmetauscherplatte 194 oder dem TIM 196 stehen. Da sich der direkte Kontakt in der gleichen Richtung des wärmeleitenden Pfads erstreckt, kann Wärme effizient zwischen den Batteriezellen 156 und der Wärmetauscherplatte 194 übertragen werden, ohne dass die Verwendung von thermischen Rippen erforderlich ist.
Die beispielhaften Batteriebaugruppen dieser Offenbarung profitieren vom Aufbau der inneren Komponenten der Batteriezellen, um eine ausreichende Wärmeübertragung zu erreichen, ohne thermische Rippen zu verwenden, die axial zwischen den Batteriezellen positioniert sind. Die Beseitigung der thermischen Rippen führt zu Kostenreduzierungen, Gewichtsreduzierungen und kleineren Packungsgrößen aufgrund der Fähigkeit, die Batteriezellen näher beieinander zu positionieren.
Wenngleich die unterschiedlichen nicht einschränkenden Ausführungsformen der Darstellung nach spezifische Komponenten oder Schritte aufweisen, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese bestimmten Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale von einer der nicht einschränkenden Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten von einer der anderen nicht einschränkenden Ausführungsformen zu verwenden.
Es versteht sich, dass gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen entsprechende oder ähnliche Elemente kennzeichnen. Es versteht sich, dass, wenngleich in diesen Ausführungsbeispielen eine bestimmte Anordnung von Komponenten offenbart und veranschaulicht wird, andere Anordnungen ebenfalls von den Lehren dieser Offenbarung profitieren könnten.
Die vorstehende Beschreibung ist als veranschaulichend und nicht in irgendeinem einschränkenden Sinne auszulegen. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass bestimmte Modifikationen durch den Umfang dieser Offenbarung abgedeckt sein könnten. Deshalb sollten die nachstehenden Patentansprüche aufmerksam gelesen werden, um den eigentlichen Umfang und Inhalt dieser Offenbarung zu erfassen.

Claims

Batteriepack, umfassend: eine wärmeableitende Struktur; einen Anordnungsrahmen, der an der wärmeableitenden Struktur positioniert ist; und eine Batteriezelle, die durch den Anordnungsrahmen gehalten wird und derart angeordnet ist, dass mindestens eine Fläche der Batteriezelle von dem Anordnungsrahmen freiliegt und an der wärmeableitenden Struktur angrenzt.
Batteriepack nach Anspruch 1, wobei die wärmeableitende Struktur eine Wärmetauscherplatte oder ein Wärmeübergangsstellenmaterial (TIM) ist.
Batteriepack nach Anspruch 2, wobei das TIM zwischen der Fläche der Batteriezelle und einer Wärmetauscherplatte angeordnet ist.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anordnungsrahmen rechteckig geformt ist und eine obere Wand, einen Stützbalken und Rahmenarme, die sich zwischen der oberen Wand und dem Stützbalken erstrecken, beinhaltet, und wobei der Stützbalken optional einen ersten Abschnitt der Batteriezelle von einem zweiten Abschnitt einer benachbarten Batteriezelle trennt.
Batteriepack nach Anspruch 4, wobei der Stützbalken einen rechteckig geformten Querschnitt beinhaltet.
Batteriepack nach Anspruch 4, wobei die obere Wand eine erste Breite beinhaltet und der Stützbalken eine zweite Breite beinhaltet, die eine kleinere Breite als die erste Breite ist.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anordnungsrahmen dreiseitig ist und eine obere Wand und Rahmenarme, die sich von der oberen Wand erstrecken, beinhaltet.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fläche der Batteriezelle eine untere Fläche ist.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Anordnungsrahmen entlang einer Längsachse erstreckt und ein wärmeleitender Pfad der Batteriezelle sich parallel zur Längsachse entlang einer Länge einer Seitenfläche der Batteriezelle erstreckt.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anordnungsrahmen eine thermische Rippe, die in Kontakt mit der Batteriezelle positioniert ist, ausschließt.
Verfahren, umfassend: Halten einer Batteriezelle innerhalb eines Anordnungsrahmens einer Batteriebaugruppe, sodass mindestens eine Fläche der Batteriezelle entweder an ein Wärmeübergangsstellenmaterial (TIM) oder eine Wärmetauscherplatte angrenzt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine Fläche durch den Anordnungsrahmen freiliegt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die mindestens eine Fläche eine untere Fläche der Batteriezelle ist.
Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei die Batteriebaugruppe oben auf der Wärmetauscherplatte positioniert ist und das TIM zwischen der Batteriebaugruppe und der Wärmetauscherplatte angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11, 12, 13 oder 14, wobei die Batteriebaugruppe thermische Rippen ausschließt.