DE102019112195A1

DE102019112195A1 - Batteriepacks eines elektrifizierten Fahrzeugs mit verbesserter Verteilung des Wärmeübergansstellenmaterials

Info

Publication number: DE102019112195A1
Application number: DE102019112195.7A
Authority: DE
Inventors: Amar MARPU; Patrick Daniel Maguire
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2019-11-14
Also published as: US11069933B2; US20190348726A1; US11721853B2; CN110473996A; US20210313636A1

Abstract

Diese Offenbarung beschreibt ausführlich beispielhafte Batteriepackausführungen zur Verwendung in elektrifizierten Fahrzeugen. Ein beispielhafter Batteriepackmontageprozess kann Stützen von einer oder mehreren Komponenten, wie etwa einer Wärmetauscherplatte, des Batteriepacks gegen ein Verbiegen während des Montageprozesses beinhalten. Das Stützen der Wärmetauscherplatte, um die Platte während des Batteriepackmontageprozesses relativ flach zu halten, verbessert die Strömungsverteilung eines Wärmeübergangsstellenmaterials (TIM), wodurch eine verbesserte TIM-Abdeckung und eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen Batteriezellen und der Wärmetauscherplatte des Batteriepacks erreicht werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Batteriepacks eines elektrifizierten Fahrzeugs und insbesondere Batteriepacks eines elektrifizierten Fahrzeugs, die eine verbesserte Verteilung des Wärmeübergangsstellenmaterials (thermal interface material - TIM) durch Stützen einer Wärmetauscherplatte des Batteriepacks während des Montageprozesses aufweisen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der Wunsch, den Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen zu verringern, ist hinlänglich dokumentiert. Deshalb werden Fahrzeuge entwickelt, welche die Abhängigkeit von Brennkraftmaschinen 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 darauf angewiesen, dass die Brennkraftmaschine das Fahrzeug antreibt.
Ein Hochspannungstraktionsbatteriepack versorgt die elektrischen Maschinen und andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs typischerweise mit Leistung. Der Batteriepack beinhaltet eine Vielzahl von Batteriezellen, die Energie zum Versorgen dieser elektrischen Verbraucher mit Leistung speichern. Die Batteriezellen erzeugen während der Lade- und Entladevorgänge Wärme. Diese Wärme muss abgeleitet werden, um ein gewünschtes Leistungsniveau der Batterie zu erreichen. Wärmetauscherplatten, die häufig als „Kälteplatten“ bezeichnet werden, können zum Ableiten der Wärme verwendet werden.
KURZDARSTELLUNG
Ein Verfahren gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem das Stützen einer Wärmetauscherplatte eines Batteriepacks gegen eine Verbiegung während eines Montageprozesses.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorhergehenden Verfahrens wird die Wärmetauscherplatte während des Montageprozesses im Wesentlichen flach gehalten.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem der vorhergehenden Verfahren beinhaltet das Stützen der Wärmetauscherplatte Positionieren eines Einsatzes des Batteriepacks an einem starren Arbeitsplatz und Positionieren der Wärmetauscherplatte an dem Einsatz.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren beinhaltet der starre Arbeitsplatz eine konvexe Oberfläche in Berührung mit einer Unterseite des Einsatzes.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren berührt die konvexe Oberfläche die Unterseite des Einsatzes nahe einem Mittelpunkt des Einsatzes.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren beinhaltet das Stützen der Wärmetauscherplatte Positionieren eines Einsatzes des Batteriepacks an einem starren Arbeitsplatz, Positionieren eines Strukturmaterials, wie etwa eines Schaumstoffblocks, innerhalb des Einsatzes und Positionieren der Wärmetauscherplatte innerhalb des Einsatzes, sodass sich der Schaumstoffblock zwischen dem Einsatz und der Wärmetauscherplatte befindet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren beinhaltet das starre Stützen der Wärmetauscherplatte Positionieren eines Schaumstoffblocks innerhalb eines Einsatzes des Batteriepacks und Positionieren der Wärmetauscherplatte innerhalb des Einsatzes, sodass sich der Schaumstoffblock zwischen dem Einsatz und der Wärmetauscherplatte befindet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren besteht der Schaumstoffblock aus einem Material auf Schaumpolymerbasis.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren Anwenden einer Vielzahl von Sickenlinien eines Wärmeübergangsstellenmaterials auf der Wärmetauscherplatte und Positionieren eines Batterieeinsatzes an der Vielzahl von Sickenlinien. Das Bewegen des Batterieeinsatzes in die Vielzahl von Sickenlinien breitet das Wärmeübergangsstellenmaterial zwischen dem Batterieeinsatz und der Wärmetauscherplatte aus.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren erfolgen das Anwenden der Vielzahl von Sickenlinien und Bewegen des Batterieeinsatzes in die Vielzahl von Sickenlinien nach dem starren Stützen der Wärmetauscherplatte des Batteriepacks.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren Härten des Wärmeübergangsstellenmaterials nach dem Bewegen des Batterieeinsatzes in die Vielzahl von Sickenlinien.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Verfahren wird die Wärmetauscherplatte während des Montageprozesses im Wesentlichen starr gestützt.
Ein Batteriepack gemäß einem anderen beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem einen Einsatz, ein Strukturmaterial, das an dem Einsatz positioniert ist, eine Wärmetauscherplatte, die an dem Strukturmaterial positioniert ist, ein Wärmeübergangsstellenmaterial, das auf der Wärmetauscherplatte angeordnet ist, und einen Batterieeinsatz, der an dem Wärmeübergangsstellenmaterial positioniert ist.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorhergehenden Batteriepacks ist das Strukturmaterial dazu ausgelegt, die Wärmetauscherplatte in einer im Wesentlichen flachen Auslegung in Bezug auf den Batterieeinsatz zu halten.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform von einem der vorhergehenden Batteriepacks ist das Strukturmaterial ein Schaumstoffblock, der aus einem Material auf Schaumpolymerbasis besteht.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks befindet sich eine Komponente der Batterie in direkter Berührung mit dem Wärmeübergangsstellenmaterial.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorhergehenden Batteriepacks ist das Wärmeübergangsstellenmaterial ein nachgiebiges und viskoses Material in einem ungehärteten Zustand.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorangehenden Absätze, die Patentansprüche oder die folgende Beschreibung und die Zeichnungen, einschließlich ihrer sämtlichen verschiedenen Aspekte oder entsprechenden Einzelmerkmale, 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 verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten 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 für ein elektrifiziertes Fahrzeug.
3 ist eine auseinandergezogene Ansicht des Batteriepacks aus 2.
4 veranschaulicht schematisch einen Batteriepackmontageprozess gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung.
5 veranschaulicht schematisch einen Batteriepackmontageprozess gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Offenbarung.
Die 6A und 6B veranschaulichen einen Vergleich der Abdeckung des Wärmeübergangsstellenmaterials (TIM) für eine ungestützte bzw. gestützte Wärmetauscherplatte.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt ausführlich beispielhafte Batteriepackausführungen zur Verwendung in elektrifizierten Fahrzeugen. Ein beispielhafter Batteriepackmontageprozess kann Stützen von einer oder mehreren Komponenten, wie etwa einer Wärmetauscherplatte, des Batteriepacks gegen ein Verbiegen während des Montageprozesses beinhalten. Das Stützen der Wärmetauscherplatte, um die Platte während des Batteriepackmontageprozesses flach zu halten, verbessert die Strömungsverteilung eines Wärmeübergangsstellenmaterials (TIM), wodurch eine verbesserte TIM-Abdeckung und eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen Batteriezellen und der Wärmetauscherplatte des Batteriepacks erreicht werden. Diese und andere Merkmale werden in den folgenden Absätzen dieser detaillierten Beschreibung ausführlicher erörtert.
1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang 10 für ein elektrifiziertes Fahrzeug 12. Auch wenn sie als Hybridelektrofahrzeug (Hybrid Electric Vehicle - HEV) dargestellt sind, so versteht es sich doch, dass die hierin beschriebenen Konzepte nicht auf HEV beschränkt sind und sich auf andere elektrifizierte Fahrzeuge ausdehnen könnten, die unter anderem Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicles - PHEV), Batterieelektrofahrzeuge (Battery Electric Vehicle - BEV), Brennstoffzellenfahrzeuge usw. beinhalten.
In einer Ausführungsform ist der Antriebsstrang 10 ein Antriebsstrangsystem mit Leistungsverzweigung, das ein erstes und ein zweites Antriebssystem einsetzt. Das erste Antriebssystem kann eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor 14 und einem Generator 18 (d. h. einer ersten elektrischen Maschine) beinhalten. Das zweite Antriebssystem kann mindestens einen Elektromotor 22 (d. h. eine zweite elektrische Maschine), den Generator 18 und einen Batteriepack 24 beinhalten. In diesem Beispiel wird das zweite Antriebssystem als elektrisches Antriebssystem des Antriebsstrangs 10 angesehen. Das erste und das zweite Antriebssystem sind jeweils in der Lage, Drehmoment zum Antreiben eines oder mehrerer Sätze von Fahrzeugantriebsrädern 28 des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu generieren. Wenngleich in 1 eine Konfiguration mit Leistungsverzweigung abgebildet ist, erstreckt sich diese Offenbarung auf jedes beliebige Hybrid- oder Elektrofahrzeug, einschließlich Vollhybrid-, Parallelhybrid-, Serienhybrid-, Mildhybrid- oder Mikrohybridfahrzeugen.
Der Motor 14, der eine Brennkraftmaschine sein kann, und der Generator 18 können durch eine Leistungsübertragungseinheit 30, wie etwa einen Planetenradsatz, miteinander verbunden sein. Selbstverständlich können andere Arten von Leistungsübertragungseinheiten, einschließlich anderer Zahnradsätze und Getriebe, verwendet werden, um den Verwendung 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 von dem Verbrennungsmotor 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 abgegeben wird, die mit der Leistungsübertragungseinheit 30 verbunden ist. Da der Generator 18 mit dem Verbrennungsmotor 14 wirkverbunden ist, kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors 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 Drehmoment von dem Verbrennungsmotor 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 ermöglicht. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 durch das Differential 48 mechanisch mit einer Achse 50 gekoppelt, um Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 28 zu verteilen.
Der Elektromotor 22 kann zudem dazu genutzt werden, die Fahrzeugantriebsräder 28 durch Abgeben 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 Nutzbremssystems zusammen, in dem sowohl der Elektromotor 22 als auch der Generator 18 als Antriebe zum Abgeben von Drehmoment genutzt werden können. Zum Beispiel können der Elektromotor 22 und der Generator 18 jeweils elektrische Leistung an den Batteriepack 24 ausgeben.
Der Batteriepack 24 ist eine beispielhafte Traktionsbatterie eines elektrifizierten Fahrzeugs. Der Batteriepack 24 kann eine Hochspannungstraktionsbatterie sein, die eine Vielzahl von Batterieanordnungen 25 beinhaltet (d. h. Batteriebaugruppen oder Gruppierungen von Batteriezellen), die in der Lage sind, elektrische Leistung abzugeben, um den Elektromotor 22 und/oder andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu betreiben, und in der Lage sind, Leistung vom Generator 18 zu empfangen. Es könnten auch andere Arten von Energiespeichervorrichtungen und/oder -ausgabevorrichtungen verwendet werden, um das elektrifizierte Fahrzeug 12 mit elektrischer Leistung zu versorgen, einschließlich Niederspannungsbatterien.
In einer Ausführungsform weist das elektrifizierte Fahrzeug 12 zwei grundlegende Betriebsmodi auf. Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann in einem Elektrofahrzeug-(Electric Vehicle - EV-)Modus betrieben werden, in dem der Elektromotor 22 verwendet wird (im Allgemeinen ohne Unterstützung vom Verbrennungsmotor14), 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 manchen Umständen erhöhen, beispielsweise aufgrund eines Zeitraums mit Nutzbremsung. 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 Verbrennungsmotor 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 Schutzumfangs dieser Offenbarung zusätzlich zum EV- und zum HEV-Modus in anderen Betriebsmodi betrieben werden.
Die 2 und 3 stellen ein Batteriepack 24, das innerhalb eines elektrifizierten Fahrzeugs genutzt werden kann, schematisch dar. Beispielsweise könnte der Batteriepack 24 Teil des Antriebsstrangs 10 des elektrifizierten Fahrzeugs 12 aus 1 sein. 2 ist eine Querschnittsansicht des Batteriepacks 24 und 3 ist eine auseinandergezogene Ansicht des Batteriepacks 24 (ohne Abdeckung 62).
Im Batteriepack 24 ist eine Vielzahl von Batteriezellen 56 untergebracht, die elektrische Energie zum Versorgen unterschiedlicher elektrischer Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 mit Leistung speichern. Der Batteriepack 24 könnte eine beliebige Anzahl von Batteriezellen 56 innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung einsetzen. Deshalb ist diese Offenbarung nicht auf die genaue Auslegung beschränkt, die in den 2-3 gezeigt ist.
Die Batteriezellen 56 können nebeneinander gestapelt sein, um eine Gruppierung von Batteriezellen 56 zu erstellen, die manchmal als „Zellenstapel“ oder „Zellenanordnung“ bezeichnet wird. In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen 56 prismatische Lithium-Ionen-Zellen. Allerdings könnten Batteriezellen mit anderen Geometrien (zylindrisch, beutelartig usw.), anderen Chemikalien (Nickel-Metallhydrid, Blei-Säure usw.) oder beidem alternativ dazu innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung verwendet werden.
Die Batteriezellen 56 können zusammen mit beliebigen Stützstrukturen (z. B. Anordnungsrahmen, Abstandshaltern, Schienen, Wänden, Platten, Bindungen usw.) zusammenfassend als Batterieanordnung bezeichnet werden. Der in 2 dargestellte Batteriepack 24 beinhaltet eine erste Batterieanordnung 25A und eine zweite Batterieanordnung 25B, die neben der ersten Batterieanordnung 25A positioniert ist. Obwohl der Batteriepack 24 aus 2 so dargestellt ist, dass er zwei Batterieanordnungen aufweist, könnte der Batteriepack 24 innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung auch eine größere oder kleinere Anzahl von Batterieanordnungen beinhalten. Zusätzlich sind die Batterieanordnungen 25A, 25B derart gezeigt, dass sie durchgängig angeordnet sind. Jedoch könnten die Batterieanordnungen 25A, 25B alternativ nebeneinander oder in einer beliebigen anderen Auslegung in Bezug aufeinander positioniert sein. Sofern hierin nicht anderweitig angegeben, kann sich das Bezugszeichen „25“, wenn es ohne eine alphabetische Kennung unmittelbar nach dem Bezugszeichen verwendet wird, entweder auf die Batterieanordnung 25A oder die Batterieanordnung 25B beziehen.
In einer Gehäusebaugruppe 58 ist jede Batterieanordnung 25 des Batteriepacks 24 untergebracht. In einer Ausführungsform ist die Gehäusebaugruppe 58 ein abgedichtetes Gehäuse, das einen Einsatz 60 und eine Abdeckung 62 beinhaltet, welche an dem Einsatz 60 befestigt ist, um jede Batterieanordnung 25 des Batteriepacks 24 unterzubringen und abzudichten. In einer anderen Ausführungsform sind die Batterieanordnungen 25 innerhalb des Einsatzes 60 der Gehäusebaugruppe 58 positioniert und die Abdeckung 62 kann dann über den Batterieanordnungen 25 aufgenommen werden. Innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung kann die Gehäusebaugruppe 58 jegliche Größe, Form und Konfiguration aufweisen.
Jede Batterieanordnung 25 des Batteriepacks 24 kann derartig relativ zu einer Wärmetauscherplatte 64, die manchmal als Kälteplatte bezeichnet wird, positioniert sein, dass die Batteriezellen 56 in unmittelbarer Nähe zu der Wärmetauscherplatte 64 sind. In einer Ausführungsform teilen die Batterieanordnungen 25A, 25B eine gemeinsame Wärmetauscherplatte 64. Der Batteriepack 24 könnte jedoch mehrere Wärmetauscherplatten innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung einsetzen.
Die Wärmetauscherplatte 64 kann Teil eines Flüssigkeitskühlsystems sein, das dem Batteriepack 24 zugeordnet ist und dazu ausgelegt ist, die Batteriezellen 56 für jede Batterieanordnung 25 thermisch zu verwalten. Zum Beispiel kann Wärme während Ladevorgängen, Entladevorgängen, extremen Umgebungsbedingungen oder anderen Bedingungen von den Batteriezellen 56 erzeugt und freigegeben werden. Es kann wünschenswert sein, die Wärme vom Batteriepack 24 abzuleiten, um die Kapazität, die Lebensdauer und die Leistung der Batteriezellen 56 zu verbessern. Die Wärmetauscherplatte 64 kann dazu ausgelegt sein, die Wärme aus den Batteriezellen 56 heraus zu leiten. Zum Beispiel kann die Wärmetauscherplatte 64 als ein Wärmeableiter zum Entfernen von Wärme aus den Wärmequellen (d. h. den Batteriezellen 56) fungieren. Die Wärmetauscherplatte 64 könnte alternativ dazu eingesetzt werden, die Batteriezellen 56 zu erwärmen, wie etwa zum Beispiel während extrem kalter Umgebungsbedingungen.
Wenngleich nicht als eine separate Komponente des Einsatzes 60 gezeigt, könnte die Wärmetauscherplatte 64 als eine einzelne Komponente in dem Einsatz 60 integriert sein.
Die Wärmetauscherplatte 64 kann einen Plattenkörper 66 und einen Kühlmittelkreislauf 68 beinhalten, der im Plattenkörper 66 gebildet ist. Der Kühlmittelkreislauf 68 kann einen oder mehrere Durchlässe 70 beinhalten, die sich im Plattenkörper 66 erstrecken. In einer Ausführungsform schaffen die Durchlässe 70 einen gewundenen Verlauf des Kühlmittelkreislaufs 68.
Ein Kühlmittel C kann selektiv durch die Durchlässe 70 des Kühlmittelkreislaufs 68 verteilt werden, um die Batteriezellen 56 des Batteriepacks 24 in den richtigen Wärmezustand zu versetzen. Das Kühlmittel C kann durch einen Einlass 72 in den Kühlmittelkreislauf 68 eintreten und kann den Kühlmittelkreislauf 68 durch einen Auslass 74 verlassen (siehe 3). Der Einlass 72 und der Auslass 74 können in Fluidverbindung mit einer Kühlmittelquelle (nicht gezeigt) stehen. Die Kühlmittelquelle könnte Teil eines Hauptkühlsystems des elektrifizierten Fahrzeugs 12 sein oder könnte eine dedizierte Kühlmittelquelle des Batteriepacks 24 sein. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann das Kühlmittel C einen Wärmetauscher passieren, bevor es in den Einlass 72 eintritt.
In einer Ausführungsform ist das Kühlmittel C eine herkömmliche Kühlmittelgemischart, wie etwa Wasser, das mit Ethylenglycol gemischt ist. Es sind jedoch auch andere Kühlmittel, die Gase beinhalten, innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung vorgesehen.
Im Gebrauch wird Wärme von den Batteriezellen 56 in den Plattenkörper 66 der Wärmetauscherplatte 64 und dann in das Kühlmittel C geleitet, wenn das Kühlmittel C durch den Kühlmittelkreislauf 68 befördert wird. Die Wärme kann daher durch das Kühlmittel C von den Batteriezellen 56 weggetragen werden.
In einer Ausführungsform ist die Wärmetauscherplatte 64 ein stranggepresstes Teil. In einer anderen Ausführungsform besteht die Wärmetauscherplatte 64 aus Aluminium. Es sind jedoch andere Fertigungstechniken und -materialien ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung vorgesehen.
Ein Wärmeübergangsstellenmaterial (TIM) 76 kann derartig zwischen den Batterieanordnungen 25 und der Wärmetauscherplatte 64 positioniert werden, dass die freiliegenden Oberflächen der Batteriezellen 56 das TIM 76 direkt berühren. In einer Ausführungsform berühren die nach unten gerichteten unteren Flächen der Batteriezellen 56 das TIM 76 direkt. In einer anderen Ausführungsform berühren thermische Rippen, die zwischen benachbarten Batteriezellen 56 der Batterieanordnungen 25 positioniert sind, das TIM 76 direkt. Das TIM 76 behält den thermischen Kontakt zwischen den Batteriezellen 56 und der Wärmetauscherplatte 64 bei und erhöht die Wärmeleitfähigkeit zwischen diesen benachbarten Komponenten während Wärmeübertragungsereignissen.
In einer Ausführungsform beinhaltet das TIM 76 ein Epoxidharz. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das TIM 76 ein Material auf Silikonbasis. Andere Materialien, einschließlich Wärmeleitpasten, können alternativ oder zusätzlich das TIM 76 bilden.
Unter primärer Bezugnahme auf 3 kann eine Vielzahl von Sickenlinien 78 während der Montage des Batteriepacks 24 auf die Wärmetauscherplatte 64 angewandt werden. Nach dem Aushärten schaffen die Sickenlinien 78 das TIM 76 zwischen den Batteriezellen 56 der Batterieanordnungen 25 und der Wärmetauscherplatte 64. Wenn während des Montageprozesses die Batterieanordnungen 25 auf die Sickenlinien 78 bewegt (d. h. nach unten gedrückt) werden oder die Sickenlinien 78 in die Batterieanordnungen 25 bewegt (d. h. nach oben gedrückt) werden, versuchen die Sickenlinien 78, sich gleichmäßig zwischen den Batterieanordnungen 25 und der Wärmetauscherplatte 64 auszubreiten oder zu verteilen. Vor dem Härten sind die Sickenlinien 78 im Allgemeinen viskos und nachgiebig; jedoch weisen die Sickenlinien 78 auch einen gewissen Grad an Elastizität auf und können deshalb eine Widerstandskraft für die Verteilung des TIM 76 bereitstellen. Die Widerstandskraft kann zur Wärmetauscherplatte 64 übertragen werden und die Wärmetauscherplatte 64 dazu veranlassen, sich während der Montage nach unten (d. h. zum Einsatz 60) zu verbiegen. Die Verbiegung der Wärmetauscherplatte 64 kann zu einer schlechten Verteilung der Sickenlinien 78 führen, wodurch die thermische Effektivität des TIM 76 reduziert wird. Deshalb ist es wünschenswert, die Verbiegung der Wärmetauscherplatte 64 während des Batteriepackmontageprozesses im Wesentlichen zu eliminieren, um die verbreitende Verteilung des TIM 76 zu maximieren. Beispielhafte Techniken für das wesentliche Eliminieren der Verbiegung der Wärmetauscherplatte 64 während des Montageprozesses sind nachfolgend ausführlicher erörtert.
4, unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1-2, veranschaulichen einen beispielhaften Batteriepackmontageprozess gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung schematisch. Die Wärmetauscherplatte 64 kann während des Montageprozesses im Wesentlichen flach gehalten werden (d. h. wenig bis keine Biegung), um ihre Verbiegung zu verhindern und die Abdeckung des TIM 76 zu maximieren. In einer Ausführungsform eliminiert eine Kombination aus dem Stützen des Einsatzes 60 und Integrieren eines Schaumstoffblocks 80 (d. h. eines Strukturmaterials) in das Batteriepack 24 die Verbiegung der Wärmetauscherplatte 64.
Zum Beispiel kann der Einsatz 60 an einem starren Arbeitsplatz 82 positioniert sein. Der Arbeitsplatz 82 stützt eine Unterseite 84 des Einsatzes 60. In einer Ausführungsform stützt der Arbeitsplatz 82 im Wesentlichen starr die Unterseite 84 des Einsatzes 60. In dieser Offenbarung bedeutet der Ausdruck „stützt im Wesentlichen starr“, dass die Verbiegung des Einsatzes 60 und/oder der Wärmetauscherplatte 64 während des Montageprozesses im Vergleich zu einem Einsatz/einer Wärmetauscherplatte, der/die während des Montageprozesses nicht im Wesentlichen starr gestützt wird, um mindestens 50 % reduziert wird.
Der Schaumstoffblock 80 kann dann innerhalb des Einsatzes 60 gefolgt von der Wärmetauscherplatte 64 positioniert werden. Der Schaumstoffblock 80 kann deshalb zwischen dem Einsatz 60 und der Wärmetauscherplatte 64 positioniert werden und stützt im Wesentlichen starr eine Unterseite 86 der Wärmetauscherplatte 64.
Die Kombination des starren Arbeitsplatzes 82 und des relativ steifen Schaumstoffblocks 80 hält die Wärmetauscherplatte 64 während der anschließenden Montageschritte flach, bei denen die Batterieanordnung(en) 25 innerhalb des Einsatzes 60 positioniert und in Kontakt mit den Sickenlinien 78 des TIM 76 bewegt werden. Die Abdeckung des TIM 76v relativ zur Wärmetauscherplatte 64 kann deshalb maximiert werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Schaumstoffblock 80 oder der starre Arbeitsplatz 82 alleine verwendet werden, um die Wärmetauscherplatte 64 während des Montageprozesses starr zu stützen.
Der Schaumstoffblock 80 kann aus einem Material auf Schaumpolymerbasis bestehen. Beispielhafte Materialien auf Schaumpolymerbasis können unter anderem expandiertes Polypropylen, expandiertes Polystyrol und expandiertes Polyethylen beinhalten. Im Allgemeinen werden diese Materialien auf Polymerbasis im Allgemeinen als relativ strukturelle und steife geschäumte Materialien auf Polymerbasis angesehen. Durch das Berücksichtigen des Konstruktionsraums, der verfügbar ist, kann die Dichte des Schaumstoffblocks 80 derart ausgewählt werden, dass er die erforderliche Steifigkeit zum Beibehalten der Ebenheit der Wärmetauscherplatte 64 während der Montage bietet.
In einer Ausführungsform wird der Schaumblock 80 nach dem Positionieren der Batterieanordnungen 25 innerhalb des Batteriepacks 24 gehalten (d. h. nicht daraus entfernt). Der Schaumstoffblock 80 ist deshalb eine einstückige strukturelle Komponente des Batteriepacks 24 bei Abschluss des Batteriepackmontageprozesses.
5 veranschaulicht schematisch einen anderen beispielhaften Batteriepackmontageprozess. In dieser Ausführungsform kann der Einsatz 60 während des Montageprozesses an einem starren Arbeitsplatz 82 positioniert werden. Der Arbeitsplatz 82 stützt im Wesentlichen starr die Unterseite 84 des Einsatzes 60. In einer Ausführungsform beinhaltet der Arbeitsplatz 82 eine hervorstehende Oberfläche 88. Die hervorstehende Oberfläche 88 kann in einer Ausführungsform eine konvexe Oberfläche sein. Die hervorstehende Oberfläche 88 kann gegen den Einsatz 60 gestellt sein, um den Einsatz 60 in die Wärmetauscherplatte 64 nahe einem Mittelpunkt der Wärmetauscherplatte 64 zu drücken, wenn die Wärmetauscherplatte 64 innerhalb des Einsatzes 60 positioniert ist. Die hervorstehende Oberfläche 88 hält die Wärmetauscherplatte 64 während der anschließenden Montageschritte flach, bei denen die Batterieanordnung(en) 25 innerhalb des Einsatzes 60 positioniert und in Kontakt mit den Sickenlinien 78 des TIM 76 bewegt werden. Die Abdeckung des TIM 76 relativ zur Wärmetauscherplatte 64 kann deshalb maximiert werden. Wenngleich nicht gezeigt, könnte der Schaumstoffblock 80 zusätzlich verwendet werden, um die Wärmetauscherplatte 64 in Kombination mit der hervorstehenden Oberfläche 88 während des Batteriepackmontageprozesses aus 5 starr zu stützen.
Die 6A und 6B veranschaulichen einen Seite-an-Seite-Vergleich der Abdeckung des TIM 76 für eine Wärmetauscherplatte 64-U, die während des Batteriepackmontageprozesses ungestützt war (6A), und für eine Wärmetauscherplatte 64-S, die während des Batteriepackmontageprozesses gestützt war (wie etwa in der in 4 oder 5 gezeigten Weise) (6B). Die ungestützte Wärmetauscherplatte 64-U weist eine relativ schlechte Verteilung und Abdeckung des TIM 76 auf, wie durch die relativ großen Lücken G1, die sich zwischen benachbarten Sickenlinien 78 des TIM 76 erstrecken, bewiesen. Im Gegensatz dazu weist die gestützte Wärmetauscherplatte 64-S eine erheblich verbesserte Verteilung und Abdeckung des TIM 76 auf, wie durch die reduzierten Lücken G2 zwischen den benachbarten Sickenlinien 78 des TIM 76 bewiesen. In einer Ausführungsform ist die Abdeckung des TIM 76 für die gestützte Wärmetauscherplatte 64-S bis zu 40 % höher als die ungestützt Wärmetauscherplatte 64-U.
Die Batteriepackdesigns für elektrifizierte Fahrzeuge dieser Offenbarung nutzen ein oder mehrere steife Materialien, um eine verteilte Reaktionslast von der Oberfläche des Arbeitsplatzes für die Batteriepackanordnung und dann für die Wärmetauscherplatte des Batteriepacks bereitzustellen, um eine vollständigere Strömungsverteilung des flüssigen TIM zu fördern. Die thermische Effektivität des TIM wird dadurch während der Lebensdauer des Batteriepacks verbessert.
Obwohl die unterschiedlichen nicht einschränkenden Ausführungsformen mit spezifischen Komponenten oder Schritten veranschaulicht sind, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese bestimmten Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale aus einer beliebigen der nicht einschränkenden Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten aus einer beliebigen der anderen nicht einschränkenden Ausführungsformen zu verwenden.
Es versteht sich, dass gleiche Bezugszeichen entsprechende oder ähnliche Elemente in den mehreren Zeichnungen kennzeichnen. Es versteht sich, dass, obwohl in diesen beispielhaften Ausführungsformen eine bestimmte Anordnung von Komponenten offenbart und veranschaulicht wird, andere Anordnungen ebenfalls von den Lehren der vorliegenden Offenbarung profitieren könnten.
Die vorhergehende Beschreibung ist als veranschaulichend und nicht in irgendeinem einschränkenden Sinne auszulegen. Ein Durchschnittsfachmann erkennt, dass bestimmte Modifikationen in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallen würden. Aus diesen Gründen sollten die folgenden Ansprüche genau gelesen werden, um den wahren Schutzumfang und Inhalt der dieser Offenbarung zu bestimmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren Stützen einer Wärmetauscherplate eines Batteriepacks gegen Verbiegung während eines Montageprozesses.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Wärmetauscherplatte während des Montageprozesses im Wesentlichen flach gehalten.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Stützen der Wärmetauscherplatte Positionieren eines Einsatzes des Batteriepacks an einem starren Arbeitsplatz; und Positionieren der Wärmetauscherplatte an dem Einsatz.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet der starre Arbeitsplatz eine konvexe Oberfläche in Berührung mit einer Unterseite des Einsatzes oder einer Unterseite der Wärmetauscherplatte. Gemäß einer Ausführungsform berührt die konvexe Oberfläche die Unterseite des Einsatzes nahe einem Mittelpunkt des Einsatzes oder berührt die Unterseite der Wärmetauscherplatte nahe einem Mittelpunkt der Wärmetauscherplatte.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Stützen der Wärmetauscherplatte: Positionieren eines Einsatzes des Batteriepacks an einem starren Arbeitsplatz; Positionieren eines Strukturmaterials innerhalb des Einsatzes; und Positionieren der Wärmetauscherplatte innerhalb des Einsatzes, sodass sich das Strukturmaterial zwischen dem Einsatz und der Wärmetauscherplatte befindet.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Stützen der Wärmetauscherplatte: Positionieren eines Struktumaterials innerhalb eines Einsatzes des Batteriepacks; und Positionieren der Wärmetauscherplatte innerhalb des Einsatzes, sodass sich das Strukturmaterial zwischen dem Einsatz und der Wärmetauscherplatte befindet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Strukturmaterial ein Schaumstoffblock, der aus einem Material auf Schaumpolymerbasis besteht.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch Anwenden einer Vielzahl von Sickenlinien eines Wärmeübergangsstellenmaterials auf der Wärmetauscherplatte; und Positionieren einer Batterieanordnung an der Vielzahl von Sickenlinien, wobei das Positionieren der Batterieanordnung an der Vielzahl von Sickenlinien das Wärmeübergangsstellenmaterial zwischen der Batterieanordnung und der Wärmetauscherplatte ausbreitet.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgen das Anwenden der Vielzahl von Sickenlinien und Positionieren der Batterieanordnung an der Vielzahl von Sickenlinien nach dem Stützen der Wärmetauscherplatte des Batteriepacks.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch Härten des Wärmeübergangsstellenmaterials nach dem Positionieren der Batterieanordnung an der Vielzahl von Sickenlinien.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Stützen der Wärmetauscherplatte im Wesentlichen starres Stützen der Wärmetauscherplatte während des Montageprozesses. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriepack bereitgestellt, der Folgendes aufweist: einen Einsatz; ein Strukturmaterial, das an dem Einsatz positioniert ist; eine Wärmetauscherplatte, die an dem Strukturmaterial positioniert ist; ein Wärmeübergangsstellenmaterial, das auf der Wärmetauscherplatte angeordnet ist; und einen Batterieeinsatz, der an dem Wärmeübergangsstellenmaterial positioniert ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Strukturmaterial dazu ausgelegt, die Wärmetauscherplatte in einer im Wesentlichen flachen Auslegung in Bezug auf den Batterieeinsatz zu halten.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Strukturmaterial ein Schaumstoffblock, der aus einem Material auf Schaumpolymerbasis besteht.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Komponente der Batterie in direktem Kontakt mit dem Wärmeübergangsstellenmaterial.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärmeübergangsstellenmaterial ein nachgiebiges und viskoses Material in einem ungehärteten Zustand.

Claims

Verfahren, umfassend: während eines Montageprozesses, starres Stützen einer Wärmetauscherplatte eines Batteriepacks.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmetauscherplatte während des Montageprozesses im Wesentlichen flach gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das starre Stützen der Wärmetauscherplatte Folgendes beinhaltet: Positionieren eines Einsatzes des Batteriepacks an einem starren Arbeitsplatz; und Positionieren der Wärmetauscherplatte an dem Einsatz.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der starre Arbeitsplatz eine konvexe Oberfläche in Berührung mit einer Unterseite des Einsatzes beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die konvexe Oberfläche die Unterseite des Einsatzes nahe einem Mittelpunkt des Einsatzes berührt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das starre Stützen der Wärmetauscherplatte Folgendes beinhaltet: Positionieren eines Einsatzes des Batteriepacks an einem starren Arbeitsplatz; Positionieren eines Schaumstoffblocks innerhalb des Einsatzes; und Positionieren der Wärmetauscherplatte innerhalb des Einsatzes, sodass sich der Schaumstoffblock zwischen dem Einsatz und der Wärmetauscherplatte befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das starre Stützen der Wärmetauscherplatte Folgendes beinhaltet: Positionieren eines Schaumstoffblocks innerhalb eines Einsatzes des Batteriepacks; und Positionieren der Wärmetauscherplatte innerhalb des Einsatzes, sodass sich der Schaumstoffblock zwischen dem Einsatz und der Wärmetauscherplatte befindet, wobei der Schaumstoffblock optional aus einem Material auf Schaumpolymerbasis besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Anwenden einer Vielzahl von Sickenlinien eines Wärmeübergangsstellenmaterials auf der Wärmetauscherplatte; und Bewegen eines Batterieeinsatzes in die Vielzahl von Sickenlinien, wobei das Bewegen des Batterieeinsatzes in die Vielzahl von Sickenlinien das Wärmeübergangsstellenmaterial zwischen dem Batterieeinsatz und der Wärmetauscherplatte ausbreitet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Anwenden der Vielzahl von Sickenlinien und Bewegen des Batterieeinsatzes in die Vielzahl von Sickenlinien nach dem starren Stützen der Wärmetauscherplatte des Batteriepacks erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei verhindert wird, dass sich die Wärmetauscherplatte während des Montageprozesses verbiegt.
Batteriepack, umfassend: einen Einsatz; einen Schaumstoffblock, der an dem Einsatz positioniert ist; eine Wärmetauscherplatte, die an dem Schaumstoffblock positioniert ist; ein Wärmeübergangsstellenmaterial, das auf der Wärmetauscherplatte angeordnet ist; und einen Batterieeinsatz, der an dem Wärmeübergangsstellenmaterial positioniert ist.
Batteriepack nach Anspruch 11, wobei der Schaumstoffblock dazu ausgelegt ist, die Wärmetauscherplatte in einer im Wesentlichen flachen Auslegung in Bezug auf den Batterieeinsatz zu halten.
Batteriepack nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Schaumstoffblock aus einem Material auf Schaumpolymerbasis besteht.
Batteriepack nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei eine Komponente der Batterie in direktem Kontakt mit dem Wärmeübergangsstellenmaterial ist.
Batteriepack nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Wärmeübergangsstellenmaterial ein nachgiebiges und viskoses Material in einem ungehärteten Zustand ist.