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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Vielzahl von Batteriezellen und ein Batteriegehäuse zum Aufnehmen der Batteriezellen in einem Innenraum des Batteriegehäuses, wobei das Batteriegehäuse einen Gehäuseboden, einen dem Gehäuseboden gegenüberliegenden Gehäusedeckel sowie einen aus Gehäusewänden gebildeten Gehäusemantel aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf wiederaufladbare Hochvoltbatterien bzw. Hochvoltakkumulatoren für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge. Solche Kraftfahrzeuge weisen im Antriebsstrang üblicherweise eine elektrische Antriebsmaschine bzw. einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs sowie die Hochvoltbatterie auf, welche elektrische Energie für die elektrische Antriebsmaschine bereitstellt. Solche Hochvoltbatterien umfassen eine Vielzahl von Batteriezellen, welche üblicherweise mittels Modulbefestigungen zu Zellgruppen paketiert bzw. zusammengeschlossen sind und welche in einem Innenraum eines Batteriegehäuses der Hochvoltbatterie angeordnet sind. Das Batteriegehäuse ist dabei üblicherweise starr mit einer Karosserie des Kraftfahrzeugs verbunden. Bei einem kritischen Ereignis, beispielsweise bei einem unfallbedingten Aufprall des Kraftfahrzeugs, kann es zu einer Kraftbeaufschlagung auf die Hochvoltbatterie kommen. Dieser Aufprall kann beispielsweise zu einem thermischen Ereignis der Batteriezellen und damit zu einem Brand der Hochvoltbatterie oder zu einem Kurzschluss mit der Karosserie führen, was wiederum eine Gefährdung von Fahrzeuginsassen des Kraftfahrzeugs zur Folge haben kann. Um dies verhindern, ist es aus dem Stand der Technik beispielsweise bekannt, das Batteriegehäuse besonders stabil und damit undeformierbar auszubilden. Dies kann jedoch zu einem unerwünscht hohen Gewicht der Hochvoltbatterie führen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders gewichtssparende, platzsparende und aufprallunempfindliche Hochvoltbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug weist eine Vielzahl von Batteriezellen und ein Batteriegehäuse zum Aufnehmen der Batteriezellen in einem Innenraum des Batteriegehäuses auf. Das Batteriegehäuse weist einen Gehäuseboden, einen dem Gehäuseboden gegenüberliegenden Gehäusedeckel sowie einen aus Gehäusewänden gebildeten Gehäusemantel auf. Darüber hinaus weist die Hochvoltbatterie eine wabenförmige Stützstruktur auf, welche in dem Innenraum zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel angeordnet ist, welche eine Vielzahl von sich zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel erstreckenden Wabenkammern zum Aufnehmen von jeweils einer Batteriezelle aufweist, und welche dazu ausgelegt ist, eine Aufprallenergie infolge einer aufprallbedingten Kraftbeaufschlagung auf das Batteriegehäuse aufzunehmen.
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Die Hochvoltbatterie ist insbesondere eine wiederaufladbare Traktionsbatterie für das als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildete Kraftfahrzeug. Die Batteriezellen können beispielsweise Rundzellen, Pouch-Zellen bzw. Coffee-Bag-Zellen oder prismatische Zellen sein. Vorzugsweise sind die Batteriezellen als Rundzellen ausgebildet. Das Batteriegehäuse der Hochvoltbatterie kann beispielsweise kastenförmig ausgebildet sein und einen plattenförmigen Gehäuseboden, einen plattenförmigen Gehäusedeckel sowie vier plattenförmige, den Gehäusemantel bildende Gehäusewände aufweisen. Der Gehäuseboden, der Gehäusedeckel und der Gehäusemantel umschließen den Innenraum, in welchem die Batteriezellen angeordnet sind. Das Batteriegehäuse kann beispielsweise aus Aluminium gebildet sein.
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Der Gehäuseboden und der Gehäusedeckel liegen sich entlang einer ersten Richtung, welche im eingebauten Zustand der Hochvoltbatterie im Kraftfahrzeug beispielsweise einer Fahrzeughochrichtung entspricht, gegenüber. Der Gehäusemantel kann beispielsweise Gehäusewände in Form von einer Gehäusefrontwand, einer Gehäuserückwand und zwei Gehäuseseitenwänden aufweisen. Die Gehäusefrontwand und die Gehäuserückwand liegen sich entlang einer zweiten Richtung gegenüber, welche beispielsweise einer Fahrzeuglängsrichtung entspricht. Die zwei Gehäuseseitenwände liegen sich entlang einer dritten Richtung gegenüber, welche beispielsweise einer Fahrzeugquerrichtung entspricht. Die Hochvoltbatterie kann beispielsweise im Bereich eines Unterbodens des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, sodass der Gehäuseboden einer Fahrbahn des Kraftfahrzeugs zugewandt ist und der Gehäusedeckel einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs zugewandt ist.
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In dem Innenraum des Batteriegehäuses ist außerdem die Stützstruktur angeordnet. Die Stützstruktur erstreckt sich insbesondere ausgehend von dem Gehäuseboden in Richtung des Gehäusedeckels. Die Stützstruktur ist ein gerüstartiges, insbesondere einteiliges Wabengebilde bzw. Wabenskelett mit einer Vielzahl von Wabenkammern bzw. Wabenzellen. Die Wabenkammern sind dabei umwandete Hohlräume, welche sich entlang der ersten Richtung parallel zueinander sowie parallel zu den Gehäusewänden erstrecken. In diese Hohlräume können die Batteriezellen eingeführt bzw. eingesteckt werden und dort gehalten werden. Jede Batteriezelle wird somit entlang der ersten Richtung von einer Wand der jeweiligen Wabenkammer umgeben. Es kann vorgesehen sein, dass die Stützstruktur aus Aluminium oder Kunststoff gebildet ist. Sowohl Aluminium als auch Kunststoff weisen ein geringes Gewicht auf, sodass die Hochvoltbatterie besonders gewichtssparend ausgebildet werden kann. Durch das Anordnen der Zellen in den Wabenkammern der Stützstruktur kann außerdem in vorteilhafter Weise eine Modulbefestigung, welche üblicherweise zum Verbinden der Batteriezellen zu einer Zellgruppe bzw. einem Stack vorhanden sind, entfallen. Dadurch können eine Anzahl von Batteriezellen und damit eine Reichweite des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs erhöht werden.
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Im Falle eines Aufpralls auf das Batteriegehäuse, beispielsweise bei einer Überfahrt über ein bodennahes, eine Bodenfreiheit des Kraftfahrzeugs überschreitendes Hindernis, kann es sein, dass das Batteriegehäuse entlang der ersten Richtung komprimiert wird, indem das Hindernis den Gehäuseboden mit einer Kraft beaufschlagt. Um diese Kompression zu verringern, kann die Stützstruktur den Gehäusedeckel gegenüber dem Gehäuseboden abstützen. Die Stützstruktur verhindert also eine zu starke Kompression des Batteriegehäuses entlang der ersten Richtung, indem sie die Aufprallenergie auf die vielen Wände der Wabenkammern verteilt und absorbiert. Die Stützstruktur bildet somit einen Abstandshalter zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel. Die Stützstruktur bildet hierdurch einen mittragenden Innenaufbau des Batteriegehäuses, durch welchen eine Zerstörung der in den Wabenkammern angeordneten Batteriezellen in vorteilhafter Weise verhindert werden kann.
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Vorzugsweise sind die Batteriezellen stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit Wänden der Wabenkammern verbunden. Zum stoffschlüssigen Verbinden können die Batteriezellen beispielsweise mit den Wänden der Wabenkammern verklebt werden. Zum kraftschlüssigen Verbinden können die Batteriezellen beispielsweise in die Wabenkammern eingeklemmt werden Durch das Verbinden der Batteriezellen mit den Wänden der Wabenkammern kann in vorteilhafter Weise ein Herausrutschen der Batteriezellen aus den Wabenkammern verhindert werden. Insbesondere weisen die Wabenkammern einen sechseckigen Querschnitt und die Batteriezellen einen runden Querschnitt auf. Beispielsweise können die Wabenkammern derart bemaßt sein, dass der kreisrunde Querschnitt der Rundzelle einen Innenkreis der sechseckigen Wabenkammern bildet. So können die Batteriezellen besonders einfach in die Wabenkammern geklemmt werden.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Stützstruktur fest mit dem Gehäuseboden und/oder mit dem Gehäusemantel verbunden ist. Beispielsweise können der Gehäuseboden, der Gehäusemantel und die Stützstruktur vor dem Befüllen bzw. Bestücken des Innenraums mit den Batteriezellen bereits mechanisch fest verbunden sein. So kann der Innenraum des Batteriegehäuses durch Einschieben der Batteriezellen in die Wabenkammern befüllt werden und das Batteriegehäuse mit dem Gehäusedeckel abgeschlossen werden. Durch die Befestigung der Stützstruktur an dem Gehäuseboden und dem Gehäusemantel kann außerdem ein besonders stabiles, crashsicheres Batteriegehäuse bereitgestellt werden. Im Falle einer Stützstruktur aus Aluminium kann diese beispielsweise mit dem Gehäuseboden und/oder dem Gehäusemantel verschweißt sein. Im Falle einer Stützstruktur aus Kunststoff kann diese beispielsweise mit dem Gehäuseboden und/oder dem Gehäusemantel verklebt sein.
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Dabei weist eine Innenkontur einer jeweiligen Wabenkammer eine Form auf, welche zu einer Außenkontur einer in der Wabenkammer angeordneten Batteriezelle unterschiedlich ist, sodass zum Zulassen einer Ausdehnung der jeweiligen Batteriezelle und/oder zum Aufnehmen eines Kühlmittels Lücken zwischen der Innenkontur und der Außenkontur gebildet sind. Durch diese unterschiedlichen Formen ist eine Querschnittsfläche einer jeweiligen Wabenkammer größer als eine Querschnittsfläche der Batteriezelle. Beispielsweise kann die Wabenkammer einen sechseckigen Querschnitt aufweisen, während die als Rundzelle ausgebildete Batteriezelle einen runden Querschnitt aufweist. So kann die Batteriezelle in ersten Bereichen der Außenkontur der Batteriezelle an der Wand der Wabenkammer anliegen und somit besonders einfach in der Wabenkammer eingeklemmt werden. In zweiten Bereichen der Außenkontur der Batteriezelle ist die Batteriezelle unter Ausbildung der Lücken beabstandet zu der Wand der Wabenkammer angeordnet. Aufgrund dieser sich entlang der ersten Richtung erstreckenden Lücken kann sich die Batteriezelle im Betrieb ausdehnen. Auch kann in die Lücken ein Kühlmittel, beispielsweise ein Kühlfluid eingefüllt werden, sodass die Batteriezellen im Betrieb der Hochvoltbatterie von dem Kühlmittel umspült und somit gekühlt werden können.
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Besonders bevorzugt weist die Hochvoltbatterie zusätzlich zu der Stützstruktur eine wabenförmige Verstärkungsstruktur mit von Batteriezellen unbefüllten Wabenkammern auf, wobei sich die Wabenkammern der Stützstruktur senkrecht zu den Wabenkammern der Verstärkungsstruktur erstrecken und wobei die Verstärkungsstruktur dazu ausgelegt ist, eine Aufprallenergie infolge einer aufprallbedingten Kraftbeaufschlagung auf das Batteriegehäuse aufzunehmen. Die Verstärkungsstruktur dient also insbesondere nur zur Energieabsorption bei einem Aufprall. Somit sind keine Batteriezellen in den Wabenkammern der Verstärkungsstruktur, welche sich parallel zu dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel erstrecken, angeordnet. Insbesondere ist ein Querschnitt der Wabenkammern der Verstärkungsstruktur kleiner als der Querschnitt der Wabenkammern der Stützstruktur. Dadurch weist die Verstärkungsstruktur durch die Wände ihrer Wabenkammern eine vergleichsweise große Materialmenge zum Aufnehmen der Aufprallenergie auf. Die Verstärkungsstruktur kann beispielsweise ebenfalls aus Aluminium oder Kunststoff gebildet sein.
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In einem ersten Fall kann vorgesehen sein, dass die Verstärkungsstruktur zwischen der mit den Batteriezellen befüllten Stützstruktur und zumindest einer der Gehäusewände angeordnet ist. In einem alternativen oder zusätzlichen zweiten Fall kann vorgesehen sein, dass die Verstärkungsstruktur in zumindest eine der Gehäusewände integriert ist, wobei sich Wabenkammern der Verstärkungsstruktur zwischen einer dem Innenraum des Batteriegehäuses zugewandten Innenseite der Gehäusewand und einer einer Umgebung des Batteriegehäuses zugewandten Außenseite der Gehäusewand erstrecken. In beiden Fällen umgibt die Verstärkungsstruktur die Stützstruktur zumindest bereichsweise. Entlang der ersten und der zweiten Richtung ist die Stützstruktur also weiter innen liegend angeordnet als die Verstärkungsstruktur. Im ersten Fall ist die Verstärkungsstruktur gemeinsam mit der Stützstruktur in dem Innenraum angeordnet. Im zweiten Fall erhöht die Verstärkungsstruktur eine Wanddicke der Gehäusewand, sodass diese besonders stabil ist.
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Beispielsweise kann jeweils eine Verstärkungsstruktur in den Gehäuseseitenwänden bzw. zwischen den Gehäuseseitenwänden und der Stützstruktur angeordnet sein, wobei sich die Wabenkammern der Verstärkungsstruktur entlang der dritten Richtung (z.B. entlang der Fahrzeugquerrichtung) erstrecken. Die Verstärkungsstruktur in bzw. an den Gehäuseseitenwänden kann beispielsweise Aufprallenergie bei einem Seitencrash des Kraftfahrzeugs aufnehmen. Auch kann jeweils eine Verstärkungsstruktur in bzw. an der Gehäusefrontwand und in bzw. an der Gehäuserückwand angeordnet sein, wobei sich die Wabenkammern der Verstärkungsstruktur entlang der zweiten Richtung (z.B. entlang der Fahrzeuglängsrichtung) erstrecken. Die Verstärkungsstruktur in bzw. an der Gehäusefrontwand kann beispielsweise Aufprallenergie bei einem Frontalcrash des Kraftfahrzeugs aufnehmen. Die Verstärkungsstruktur in bzw. an der Gehäuserückwand kann beispielsweise Aufprallenergie bei einem Auffahrunfall auf das Kraftfahrzeug aufnehmen.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und weist die Hochvoltbatterie als Traktionsbatterie auf.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfah rzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie.
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Die Fig. zeigt in schematischer Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus einer Hochvoltbatterie 1 für ein hier nicht gezeigtes elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Die Hochvoltbatterie 1 weist ein Batteriegehäuse 2 auf, welches einen Gehäuseboden 3, einen hier nicht gezeigten, dem Gehäuseboden 3 in einer Hochrichtung H gegenüberliegenden Gehäusedeckel sowie einen ebenfalls hier nicht gezeigten Gehäusemantel aufweist. Außerdem weist die Hochvoltbatterie 1 eine Vielzahl von Batteriezellen 4 auf, welche in einem Innenraum 5 des Batteriegehäuses 2 angeordnet sind und von welchen hier nur eine Batteriezelle 4 gezeigt ist. Die Batteriezelle 4 ist hier als eine zylinderförmige Rundzelle ausgebildet.
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Die Hochvoltbatterie 1 weist eine wabenförmige, einteilige Stützstruktur 6 auf, welche eine Vielzahl von Wabenkammern 7 aufweist. Jede Batteriezelle 4 kann dabei in einer Wabenkammer 7 angeordnet werden und entlang der Hochrichtung H von einer Wand 8 der Wabenkammer 7 umgeben werden. Die Wabenkammern 7 weisen einen polygonalen, hier sechseckigen, Querschnitt auf. Durch diesen sechseckigen Querschnitt weist eine Innenkontur 9 der Wabenkammer 7 eine zu einer Au ßenkontur 10 der als Rundzelle ausgebildeten Batteriezelle 4 unterschiedliche Form auf. Dadurch können die Batteriezellen 4 in die Wabenkammern 7 eingeklemmt und dort gehalten werden. Außerdem werden durch diese unterschiedlichen Formen Lücken zwischen der Wand 8 der Wabenkammer 7 und der Batteriezelle 4 gebildet, in welche beispielsweise ein Kühlmittel zum Kühlen der Batteriezelle 4 eingefüllt werden kann und aufgrund welcher sich die Batteriezelle 4 im Betrieb ausdehnen kann.
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Die Stützstruktur 6 dient dazu, in Falle eines Aufpralls auf die Hochvoltbatterie 1, beispielsweise bei einem Crash bzw. Unfall des Kraftfahrzeugs, die Batteriezellen 4 zu schützen, indem die Stützstruktur 6 die Aufprallenergie aufnimmt bzw. absorbiert. Die Stützstruktur 6 ist dazu als ein mittragendes Gerüst in dem Innenraum 5 ausgebildet, welches bei dem Aufprall den Gehäusedeckel gegenüber dem Gehäuseboden 3 abstützen kann. Dadurch kann verhindert werden, dass das Batteriegehäuse 2 und damit die Batteriezellen 4 entlang der Hochrichtung H komprimiert und hierdurch zerstört werden. Die Stützstruktur 6 kann dabei beispielsweise fest mit dem Gehäuseboden 3 verbunden sein, sodass die Batteriezellen 4 zum Befüllen des Innenraums 5 des Batteriegehäuses 2 einfach in die Wabenkammern 7 eingesteckt bzw. eingeschoben werden können.
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Außerdem weist die Hochvoltbatterie 1 eine wabenförmige Verstärkungsstruktur 11 auf, welche hier in Querrichtung Q angrenzend an der Stützstruktur 6 angeordnet ist. Wabenkammern 12 der Verstärkungsstruktur 11 sind unbefüllt und erstrecken sich senkrecht zu den befüllten Wabenkammern 7 der Stützstruktur 6. Ein Querschnitt der Wabenkammern 12 ist kleiner als ein Querschnitt der Wabenkammern 7, sodass die Verstärkungsstruktur 11 dichter mit Wabenkammern 12 bepackt ist als die Stützstruktur 6. Die Verstärkungsstruktur 11 dient ebenfalls zur Energieabsorption bei einem Aufprall auf die Hochvoltbatterie 1, beispielsweise bei einem Seitencrash oder Frontalcrash des Kraftfahrzeugs. Die Verstärkungsstruktur 11 und die Stützstruktur 6 können beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff gebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochvoltbatterie
- 2
- Batteriegehäuse
- 3
- Gehäuseboden
- 4
- Batteriezelle
- 5
- Innenraum
- 6
- Stützstruktur
- 7
- Wabenkammer
- 8
- Wand
- 9
- Innenkontur
- 10
- Außenkontur
- 11
- Verstärkungsstruktur
- 12
- Wabenkammer
- H
- Hochrichtung
- Q
- Querrichtung
