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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Batterieanordnung für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug, insbesondere ein PKW, wobei die Batterieanordnung ein an einer kühlbaren Außenhaut einer Karosserie des Fahrzeugs angeordnetes Hybrid-Batteriemodul umfasst und wobei das Hybrid-Batteriemodul über die kühlbare Außenhaut der Karosserie passiv kühlbar ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug enthaltend die erfindungsgemäße Batterieanordnung.
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Hybrid-Batteriemodule werden in Elektrofahrzeugen als Energiespeicher verwendet, aus denen sodann ein Elektromotor mit der für den Antrieb des E-Autos erforderlichen Energie versorgt wird. Die Batteriemodule erzeugen hierbei große Wärmemengen, die, um einer Schädigung der Batteriemodule vorzubeugen, abgeführt werden müssen.
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Insbesondere passiv-gekühlte Batteriemodule, d.h. solche die lediglich mittels Umgebungsluft durch Konvektion gekühlt werden, neigen im Betrieb als auch bei Stillstand des Fahrzeugs, beispielsweise bei hohen Außentemperaturen, häufig zu überhitzen. Da solche Batteriesysteme in einem den Innenraum bildenden Bereich des Fahrzeugs angeordnet sind, führt die große Wärmeentwicklung zudem zu einem unerwünschten Anstieg der Innenraumtemperatur. Um die Temperaturen im Innenraum des Fahrzeugs für die Fahrzeuginsassen konstant zu halten, muss der Temperaturanstieg durch zusätzliche Leistung der Klimaanlage kompensiert werden, was wiederum die Leistungsfähigkeit des Batteriemoduls negativ beeinflusst.
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Die Anordnung sowie das thermische Management von Hybrid-Batteriemodulen bilden somit einen entscheidenden Faktor bei der Entwicklung von Fahrzeugen, insbesondere in Bezug auf die Leistungsfähigkeit der Batteriemodule und die Kosten. So können mit einem effizienten thermischen Management die Leistung als auch die Lebensdauer von derartigen Hybrid-Batteriemodulen signifikant gesteigert werden.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Wasser- oder Luft-basierte Kühlkonzepte bekannt, mit denen Hybrid-Batteriemodule thermisch regelbar sind. Die aus dem Stand der Technik bekannten Konzepte sind jedoch vergleichsweise sehr komplex aufgebaut und wirken sich, insbesondere in Bezug auf die Größe, den Energieverbrauch und die Kosten der Hybrid-Batteriemodule, nachteilig aus.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Kühlkonzept für ein Hybrid-Batteriemodul bereitzustellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. So können die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmalen kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
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Die erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst zunächst ein an einer kühlbaren Außenhaut einer Karosserie des Fahrzeugs angeordnetes Hybrid-Batteriemodul, das über die kühlbare Außenhaut der Karosserie passiv kühlbar ist. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Batterieanordnung eine zwischen dem Batteriemodul und der kühlbaren Außenhaut der Karosserie angeordnete und mit einem thermischen-Fluid betriebene Kühleinheit auf, mit der das Batteriemodul thermisch regelbar ist.
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Die Kühleinheit ist dabei derart ausgestaltet, dass das Hybrid-Batteriemodul in mindestens zwei Zuständen anordenbar ist. In einem ersten Zustand befindet sich das Batteriemodul über das thermische-Fluid in Kontakt mit der kühlbaren Außenhaut der Karosserie, so dass eine Wärmeübertragung an die Außenumgebung ermöglicht wird. Sofern die Arbeitstemperatur des Batteriemoduls eine Temperatur erreicht, die eine optimale Arbeitstemperatur überschreitet, wird das Batteriemodul in den ersten Zustand angeordnet. Die unerwünschte Wärmeentwicklung wird sodann über das thermische-Fluid und die Karosserie an die Außenumgebung übertragen. Die Karosserie bildet hierbei einen Kühlkörper. Sofern das Fahrzeug im Betrieb ist, wird die Karosserie zusätzlich durch den Fahrtwind gekühlt. In einem zweiten Zustand ist das Batteriemodul mit dem thermischen-Fluid und somit auch mit der Karosserie nicht in Kontakt, so dass nahezu keine Wärmeübertragung stattfinden kann. Sofern die Außentemperatur die optimale Arbeitstemperatur des Batteriemoduls unterschreitet, wird das Batteriemodul in den zweiten Zustand angeordnet, um die Wärmeübertragung zu minimieren.
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Für die thermische Regelung können unterschiedliche Parameter herangezogen werden. Vorzugsweise sind diese ausgewählt aus der Gruppe umfassend Batterietemperatur, Außentemperatur, Fahrzeuginnenraumtemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, Außenhauttemperatur, Batterie-Ladungszustand und/oder Kombinationen hiervon.
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Als kühlbare Außenhaut der Karosserie eignet sich grundsätzlich jede Oberfläche der Karosserie, die mit der Außenumgebung in direktem Kontakt steht, beispielsweise Kotflügel, Motorhaube, Türen oder das Dach. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante wird die kühlbare Außenhaut der Karosserie jedoch durch den Unterboden der Karosserie gebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst die Kühleinheit einen Aktuator mit dem das Batteriemodul in eine erste, das thermische-Fluid kontaktierbare, Höhenposition und eine zweite, das thermische-Fluid nicht-kontaktierbare, Höhenposition anordenbar ist. Das Batteriemodul kann somit in lediglich zwei unterschiedlichen Höhenpositionen angeordnet werden. In der ersten Höhenposition ist das Batteriemodul in das thermische-Fluid eingetaucht, so dass eine Wärmeübertragung an die Außenumgebung ermöglicht wird. In der zweiten Höhenposition ist das Batteriemodul über dem Fluidniveau des thermischen-Fluids angeordnet, so dass durch eine zwischen dem thermischen-Fluid und dem Batteriemodul vorhandene isolierende Luftschicht nahezu keine Wärmeübertragung stattfinden kann.
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Der Aktuator ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend hydraulisch- oder pneumatisch angetriebene Aktuatoren, bimetallische-Aktuatoren und/oder Aktuatoren auf Basis einer Formgedächtnislegierung.
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In einer alternativen Ausführungsvariante weist die Kühleinheit anstelle eines Aktuators eine Pumpeneinheit auf. Mit der Pumpeneinheit ist die Kühleinheit mit dem thermischen-Fluid befüll- oder entleerbar. Das Batteriemodul ist hierbei in einem definierten Abstand parallel zum Unterboden fest angeordnet, so dass zwischen der kühlbaren Außenhaut der Karosserie und dem Batteriemodul eine isolierende, mit Luft gefüllte, Kammer gebildet wird, die mit dem thermischen-Fluid befüllt werden kann. Durch Befüllen der Kammer kann das Batteriemodul entsprechend wieder im ersten Zustand, eine das thermische-Fluid kontaktierbare Position, oder im zweiten Zustand, eine das thermische-Fluid nicht-kontaktierbare Position, angeordnet werden.
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Da die kühlbare Außenhaut der Karosserie als auch die Auflagefläche des Batteriemoduls in der Regel kleinere Unebenheiten aufweisen, wird durch den direkten Kontakt des Batteriemoduls mit dem thermischen-Fluid, d.h. das Batteriemodul taucht in das thermische-Fluid zu einem Teil ein, die Bildung von einzelnen Hot-Spots wirkungsvoll verhindert.
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Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Batteriemodul mittels des Aktuators zwischen der ersten und der zweiten Höhenposition höhenverstellbar anordenbar ist. Das Batteriemodul kann somit in mehreren unterschiedlichen Höhenpositionen angeordnet werden, die eine variable Wärmeübertragung ermöglichen. Die Wärmeübertragung kann sodann in Abhängigkeit der Eintauchtiefe variabel geregelt werden.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die Kühleinheit zwei, mit einer ineinandergreifenden Struktur versehene, Kühlelemente, wobei das erste Kühlelement mit dem Unterboden und das zweite Kühlelement mit dem Batteriemodul verbunden ist, und wobei beide Kühlelemente eine variable Kammer für das thermische-Fluid ausbilden.
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In Abhängigkeit der Höhenposition des Batteriemoduls können beide Kühlelemente in unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet werden, so dass die Kammer unterschiedliche Höhendurchmesser aufweisen kann. In der zweiten Höhenposition des Batteriemoduls sind beide Kühlelemente maximal zueinander beabstandet. Zwischen dem in der Kammer vorhandenem thermischen-Fluid und dem am Batteriemodul angeordneten Kühlelement existiert eine isolierende Luftschicht, so dass nahezu keine Wärmeübertragung stattfinden kann.
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Durch ein variables Absenken des Batteriemoduls in Richtung der kühlbaren Außenhaut der Karosserie bzw. der ersten Höhenposition verkleinert sich der Abstand zwischen beiden Kühlelementen bzw. Höhendurchmesser der Kammer. Das in der Kammer vorhandene thermische-Fluid wird durch Eintauchen des am Batteriemodul angeordneten Kühlelements in Abhängigkeit der jeweiligen Höhenposition verdrängt. Das Batteriemodul ist sodann über das thermische-Fluid in Kontakt mit der kühlbaren Außenhaut der Karosserie, so dass eine Wärmeübertragung an die Außenumgebung ermöglicht wird.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante ist das Batteriemodul in einem definierten Abstand parallel zur kühlbaren Außenhaut der Karosserie fest angeordnet, so dass die beiden Kühlelemente eine Kammer mit einem definierten und unveränderbaren Höhendurchmesser bzw. Abstandsdurchmesser ausbilden, der mit dem thermischen-Fluid befüllbar oder entleerbar ist. In Abhängigkeit des in der Kammer vorhandenen Volumens kann die Wärmeübertragung sodann gezielt geregelt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante kann die Kammer eine Ein- und Auslassöffnung aufweisen. Das die Kammer verlassende thermische-Fluid wird sodann über eine Rückführleitung zum Reservoir geführt. Hierdurch kann durch die Einstellung eines Volumenstroms die Regelbarkeit des Wärmeübergangs nochmals verbessert werden.
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Bevorzugt weist die ineinandergreifende Struktur eine pyramidenförmig-ausgebildete Struktur auf. Weitere Geometrien wie beispielsweise Noppenstrukturen oder kegelförmige-Strukturen sind ebenfalls möglich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wirkt die Kühleinheit mit einem HVAC-System des Fahrzeugs zusammen. HVAC-Systeme stehen hierbei für „Heating, Ventilation and Air-Conditioning-Systeme“ und sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Vorzugsweise weist das HVAC-System mindestens einen zusätzlichen luftführenden-Kanal auf, der zum Batteriemodul geführt wird, um dieses zu kühlen oder evtl. zu erwärmen.
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Weiterhin bevorzugt weist das Batteriemodul außenseitig mehrere angeordnete Kühlrippen auf, die die äußere Oberfläche des Batteriemoduls vergrößern und somit die Wärmeübertragung verbessern.
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Vorzugsweise ist das thermische-Fluid ein Gel oder ein flüssiges Kühlmittel ausgewählt aus der Gruppe der Wärmeleitpasten, bevorzugt mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise zwischen 5 und 10 W/(mK).
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug enthaltend die erfindungsgemäße Batterieanordnung. Vorzugsweise ist das Kraftahrzeug ein Personenkraftwagen (PKW). Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die vorstehende Diskussion der Merkmale und Vorteile der diversen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterieanordnung verwiesen, die unmittelbar auf die nachfolgende Diskussion der verschiedenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen übertragbar sind.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert, die lediglich beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen sind. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den Zeichnungen genannten technischen Merkmale, insbesondere technischen Mittel, einzeln und auch in Kombination miteinander, vom Fachmann zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieanordnung herangezogen werden können.
- 1 zeigt eine stark vereinfachte schematische Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Batterieanordnung mit einem Batteriemodul, das in einem zweiten Zustand angeordnet ist,
- 1a zeigt die erfindungsgemäße Batterieanordnung gemäß 1, wobei das Batteriemodul in einem ersten Zustand angeordnet ist,
- 2 zeigt eine stark vereinfachte schematische Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Batterieanordnung mit einem Batteriemodul, das in einem zweiten Zustand angeordnet ist,
- 2a zeigt die erfindungsgemäße Batterieanordnung gemäß 2, wobei das Batteriemodul in einem ersten Zustand angeordnet ist,
- 3 zeigt eine stark vereinfachte schematische Querschnittsdarstellung einer dritten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Batterieanordnung mit einem Batteriemodul, das in einem zweiten Zustand angeordnet ist, und
- 3a zeigt die erfindungsgemäße Batterieanordnung gemäß 3, wobei das Batteriemodul in einem ersten Zustand angeordnet ist.
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Die in 1 gezeigte Batterieanordnung 1 für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein E-Auto (nicht dargestellt), umfasst einen Teilbereich einer kühlbaren Außenhaut 11 einer Karosserie 10, vorzugsweise eines Unterbodens 11 des Kraftfahrzeugs. Weiterhin umfasst die Batterieanordnung 1 ein Batteriemodul 20 sowie eine zwischen dem Batteriemodul 20 und dem Unterboden 11 angeordnete und mit einem thermischen-Fluid 31 betriebene Kühleinheit 30, mit der das Batteriemodul 20 thermisch regelbar ist.
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Die Kühleinheit 30 weist in der gezeigten Ausführungsvariante vier Wandelemente 32 auf, die sich vom Unterboden 11 senkrecht erstrecken und mit dem Unterboden 11 eine Wanne 33 ausbilden.
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Die Wanne 33 ist mit einem gelartigen thermischen-Fluid 31 befüllt, das vorzugsweise einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von mindestens 5W/(mK) aufweist. Weiterhin ist innerhalb der Wanne 33 das Batteriemodul 20 angeordnet, das mit einem Aktuator-Sensor-System (nicht dargestellt) in zwei unterschiedlichen Höhenpositionen angeordnet werden kann.
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In 1 ist das Batteriemodul 20 im zweiten Zustand und somit in einer zweiten Höhenposition angeordnet. In der zweiten Höhenposition ist das Batteriemodul 20 über dem Fluidniveau des thermischen-Fluids 31 angeordnet. Infolge der zwischen dem thermischen-Fluid 31 und dem Batteriemodul 20 vorhandenen isolierenden Luftschicht 38 findet nahezu keine Wärmeübertragung statt. Dieser Zustand wird bevorzugt sofern die Außentemperatur die optimale Arbeitstemperatur des Batteriemoduls 20 unterschreitet.
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Sofern die Arbeitstemperatur des Batteriemoduls 20 eine Temperatur erreicht, die eine optimale Arbeitstemperatur überschreitet, wird das Batteriemodul 20 mittels des Aktuator-Sensor-Systems in die erste Höhenposition (erster Zustand) abgesenkt, so dass das Batteriemodul 20 in das thermische-Fluid 31 eintaucht (1a). Zwischen dem Batteriemodul 20 und dem Unterboden 11 der Karosserie 10 wird über das thermische-Fluid 31 eine thermische Verbindung hergestellt, so dass eine Wärmeübertragung ermöglicht wird. Die unerwünschte Wärmeentwicklung wird sodann über das thermische-Fluid 31 und die Karosserie 10, die als ein Kühlkörper dient, an die Außenumgebung übertragen.
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In den 2 sowie 2a ist eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Batterieanordnung 1 dargestellt. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsvariante umfasst die Kühleinheit 30 zwei, mit einer ineinandergreifenden Struktur 34 versehene, Kühlelemente 35, 36. Die ineinandergreifende Struktur 34 weist vorzugsweise eine pyramidenförmig ausgebildete Struktur auf. Das erste Kühlelement 35 ist mit dem Unterboden 11 und das zweite Kühlelement 36 ist mit dem Batteriemodul 20 fest verbunden. Zwischen beiden Kühlelementen 35, 36 befindet sich eine variable Kammer 37.
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In Abhängigkeit der Höhenposition des Batteriemoduls 20 können beide Kühlelemente 35, 36 in unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet werden, so dass die Kammer 37 unterschiedliche Höhendurchmesser aufweisen kann. In der zweiten Höhenposition des Batteriemoduls 20 sind beide Kühlelemente 35, 36 maximal zueinander beabstandet (2). Zwischen dem in der Kammer 37 vorhandenem thermischen-Fluid 31 und dem am Batteriemodul angeordneten Kühlelement 36 existiert eine isolierende Luftschicht 38, so dass nahezu keine Wärmeübertragung stattfinden kann.
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Durch ein Absenken des Batteriemoduls 20 in Richtung des Unterbodens 11 verkleinert sich der Abstand zwischen den beiden Kühlelementen 35, 36 bzw. der Höhendurchmesser der Kammer 37, so dass das darin befindliche thermische-Fluid 31 durch Eintauchen des am Batteriemodul 20 angeordneten Kühlelements 36 verdrängt wird. Das Batteriemodul 20 bildet sodann mit dem thermischen-Fluid 31 eine thermische Verbindung aus, so dass eine Wärmeübertragung an die Karosserie 10 ermöglicht wird (2a). In Abhängigkeit der Eintauchtiefe des Kühlelements 36 kann die Wärmeübertragung gezielt geregelt werden.
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Eine weitere dritte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Batterieanordnung 1 ist in den 3 und 3a dargestellt. Im Unterschied zu der in den 2 und 2a dargestellten Ausführungsvariante ist das Batteriemodul 20 in einem definierten Abstand parallel zum Unterboden 11 fest angeordnet, so dass die beiden Kühlelemente 35, 36 eine Kammer 37 mit einem definierten und unveränderbaren Höhendurchmesser bzw. Volumen ausbilden, der mit dem thermischen-Fluid 31 befüllbar oder entleerbar ist.
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Hierzu weist die Kühleinheit 30 anstelle eines Aktuator-Sensor-Systems eine Pumpeneinheit 40 auf, mit der das Batteriemodul 20 in einen ersten oder einen zweiten Zustand angeordnet werden kann. Die Pumpeneinheit 40 weist eine Pumpe 41, ein Reservoir 42 für das thermische-Fluid 31 sowie eine Leitung 43 auf, die die Pumpeneinheit 40 mit der Kammer 37 fluidisch verbindet. Über die Pumpe 41 kann die Kammer 37 mit dem thermischen-Fluid 31, beispielsweise einem Kühlmittel, befüllt oder entleert werden.
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In Abhängigkeit der Wärmeentwicklung des Batteriemoduls 20 kann über das in die Kammer 37 eingefüllte Volumen die Wärmeübertragung gezielt geregelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterieanordnung
- 10
- Karosserie
- 11
- kühlbare Außenhaut, Unterboden
- 20
- Batteriemodul
- 30
- Kühleinheit
- 31
- thermisches-Fluid
- 32
- Wandelement
- 33
- Wanne
- 34
- Struktur
- 35
- Kühlelement
- 36
- Kühlelement
- 37
- Kammer
- 38
- Luftschicht
- 40
- Pumpeinheit
- 41
- Pumpe
- 42
- Reservoir
- 43
- Leitung
