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Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Heizmatte nach dem Anspruch 8.
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Die Traktionsbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs weist Batteriezellen auf, die jeweils als Zellenverbund in quaderförmigen Batteriemodulen zusammengefasst sind. Eine Anzahl solcher Batteriemodule kann in einem Batteriegehäuse angeordnet sein, das beispielhaft an der Unterseite des Fahrzeugbodens verbaut ist. Die Batteriemodule können mittels eines außerhalb des Batteriegehäuses angeordneten Kühlsystems gekühlt werden, um die Batterie-Betriebsfähigkeit zu steigern.
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In einer gattungsgemäßen Traktionsbatterie sind im Gehäuseboden des Batteriegehäuses Kühlmittelkanäle eines Kühlsystems integriert. Zudem weist die Traktionsbatterie in einer Batterie-Hochrichtung zwischen dem Gehäuseboden und der Batteriemodul-Unterseite eine Heizstruktur auf. Die Heizstruktur besteht aus einer Heizmatte mit zumindest einer elektrischen Leiterbahn, die Bestandteil eines elektrischen Heizsystems ist. In einem Batterie-Kühlfall bleibt das elektrische Heizsystem deaktiviert, während das Kühlsystem aktiviert ist, so dass die Kühlmittelkanäle im Gehäuseboden kühlmitteldurchströmt sind. Auf diese Weise kann überschüssige Wärme vom Batteriemodul abgeführt werden. Im Batterie-Kühlfall wirkt die Heizmatte als eine thermische Dämmung, wodurch die Kühlleistung des Kühlsystems beeinträchtigt ist.
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Aus der
DE 10 2014 217 338 A1 ist eine Temperiereinrichtung für eine Traktionsbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs bekannt. Aus der
DE 10 2013 017 343 A1 ist ein Verfahren zum Beheizen von Batteriezellen einer Batterie bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Traktionsbatterie bereitzustellen, bei der der Batterie-Kühlfall und/oder der Batterie-Heizfall effizienter durchführbar sind.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Heizmatte zumindest eine Material-Aussparung auf. Mit Hilfe der Material-Aussparung wird im Batterie-Kühlfall eine thermische Dämmwirkung der Heizmatte reduziert, wodurch eine effektivere Kühlung des Batteriemoduls und/oder der Batteriezelle erfolgen kann.
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Die erfindungsgemäße Batteriestruktur besteht in einer besonders vorteilhaften Anordnung aus einer Heizmatte, einer Toleranzausgleichs- und Wärmeleitmasse (Gap-Filler) und einer direkten Batteriekühlung.
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In der bevorzugten Variante besteht der Aufbau aus einer direkten Batteriekühlung, bei der die Kühlstruktur direkt mit verdampfenden Kältemittel durchströmt wird, welche unterhalb der Batterie angeordnet wird. Oberhalb des Flachrohrs befindet sich der Gehäuseboden der Batterie, darüber angeordnet ist eine Heizmatte, darüber die Ausgleichsmasse bis zur Batterie.
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Hervorzuheben ist dabei die spezielle Konstruktion der Heizmatte. Eine solche Heizmatte besteht aus mehreren Leiterbahnen, welche in einen Folie angeordnet sind. Durch einen vorteilhaften Beschnitt der Heizmatte wird die Fläche der Folie minimiert, so dass die elektrische Isolationswirkung zur Leiterbahn erhalten bleibt, es jedoch eine geringere thermische Dämmwirkung zwischen der kühlenden Batteriekühlung und der warmen Batterie im Kühlfall kommt.
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In einer Ausprägung der Erfindung ist die Heizmatte vollflächig in die Batterie integriert. Vollflächig bedeutet dabei nicht, dass der gesamte Boden der Batterie von der Heizmatte bedeckt ist, sondern dass es keine Trennung zwischen den Heizbereichen unter den einzelnen Batterien gibt. Durch größere und kleinere Leiterquerschnitte kann dabei die Wärmeleistung der Heizmatte angepasst werden, so dass unter den Batterien ein Großteil der Wärme entsteht und die Batterien erwärmt, im Bereich zwischen den Batterie der elektrische Widerstand gering ist, so dass nur wenig Wärme entsteht.
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In einer weiteren Ausprägung der Erfindung wird ein weiterer Gap-Filler verwendet, welcher zwischen Gehäuseboden und Heizmatte angeordnet wird. Dieser weitere Gap-Filler hat gegenüber dem Gap-Filler zwischen dem Batteriemodul und der Heizmatte einen deutlich erhöhten Wärmeleitwiderstand. Der weitere Gap-Filler dient somit im Heizfall als thermische Dämmung gegenüber dem Gehäuseboden. Die hierdurch reduzierte Wärmeleitung zwischen Kühlstruktur und Batterie fällt bei dem gewählten Konzept der direkten Batteriekühlung weniger ins Gewicht als bei einer konventionellen Wasserkühlung, da generell mit niedrigeren Temperaturen gekühlt werden kann. Durch diese Gap-Filler-Anordnung sinkt also die Verlustwärme an die Umgebung im Heizbetrieb mit nur geringen Nachteilen im Kühlbetrieb.
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Zusammenfassend betrifft die erfindungsgemäße Batteriestruktur eine direkte Batteriekühlung, welche unterhalb einer Batterie angeordnet wird, sowie eine darüber angeordnete Heizstruktur zwischen dem Batteriemodul und der Batteriekühlung oder der Batteriezelle und der Batteriekühlung. Die Heizstruktur weist eine Heizmatte auf, welche durch Ausschnitte eine geringere thermische Dämmwirkung hat. In der Batteriestruktur können weniger als vier vollflächige Heizmatten angeordnet sein. Zudem können in der Batteriestruktur zwei verschiedene Gap-Filler verwendet werden. Der erste Gap-Filler verfügt im Vergleich zum zweiten Gap-Filler über eine bessere Wärmeleitung und ist zwischen dem Batteriemodul und der Heizmatte oder zwischen der Batteriezelle und der Heizmatte angeordnet, während der zweite Gap-Filler zwischen der Heizmatte und der Batteriekühlstruktur angeordnet ist. Ferner kann die Kühlstruktur aus einem Flachrohr bestehen, welches mehrfach um die flache Seite gebogen ist.
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Nachfolgend sind Erfindungsaspekte im Einzelnen hervorgehoben: So kann die Heizmatte aus einem Kunststoff-Flachkörper aufgebaut sein, in dessen Material die elektrische Leiterbahn elektrisch isolierend eingebettet ist. Im Hinblick auf eine großflächige Beheizung des Batteriemoduls oder der Batteriezelle ist es bevorzugt, wenn sich die elektrische Leiterbahn mäanderförmig in dem Kunststoff-Flachkörper der Heizmatte erstreckt.
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Im Hinblick auf eine Reduzierung des Bauteilgewichts ist es bevorzugt, wenn der Kunststoff-Flachkörper ein dünnwandiger Folienmaterial-Zuschnitt mit vergleichsweise geringer Materialdicke ist. Aufgrund der geringen Materialdicke ist die Heizmatte in diesem Fall nur wenig formstabil, das heißt eher biegeschlaff ausgebildet.
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Um dennoch eine einfache Handhabung der Heizmatte während des Batterie-Zusammenbaus zu gewährleisten.
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Eine solche biegeschlaff ausgeführte Heizmatte kann beim Einbau in das Batteriegehäuse gegebenenfalls schwierig handhabbar sein. Im Hinblick eine einfache Handhabung ist es bevorzugt, wenn die Material-Aussparung nicht randseitig offen im Flachkörper ausgebildet sind, sondern innen im Kunststoff-Flachkörper ausgebildet ist. Diesem Fall verlaufen die Schmalseiten des Heizmatten-Flachkörpers in der Heizmatten-Umfangsrichtung komplett unterbrechungsfrei, das heißt ohne Unterbrechung aufgrund einer randseitig offenen Material-Aussparung. Eine solche Flachkörper-Geometrie ist im Hinblick auf eine einfachere Handhabung beim Einbau der Heizmatte in das Batteriegehäuse von Vorteil.
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In einer technischen Umsetzung kann der Flachkörper der Heizmatte eine rechteckförmige Grundform mit geradlinig verlaufenden Schmalseiten aufweisen, die an Flachkörper-Ecken zusammenlaufen. Die Material-Aussparung kann bevorzugt über Material-Stege von den äußeren Flachkörper-Schmalseiten beabstandet sein. In den Material-Stegen zwischen der Material-Aussparung und den äußeren Flachkörper-Schmalseiten kann die Leiterbahn verlegt sein.
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Zur Reduzierung der thermischen Dämmwirkung im Batterie-Kühlfall ist es bevorzugt, wenn die Heizmatte in der Material-Aussparung in Dickenrichtung komplett materialfrei ist, das heißt die Material-Aussparung in Heizmatten-Dickenrichtung offen ausgeführt ist. Um die thermische Leitfähigkeit der Heizstruktur weiter zu steigern, kann die Heizstruktur bevorzugt einen Mehrlagenaufbau aufweisen, der aus der Heizmatte und einer Wärmeleitpasten-Schicht besteht. Die Wärmeleitpasten-Schicht kann zwischen der Heizmatte und der Batteriemodul-Unterseite angeordnet sein. In diesem Fall kann die Material-Aussparung der Heizmatte im Batterie-Zusammenbauzustand mit der Wärmeleitpaste aufgefüllt sein. Die Wärmeleitpaste ist daher in direktem Kontakt mit einer, in der Batterie-Hochrichtung unterhalb der Heizmatte befindlichen Lage, insbesondere dem Gehäuseboden.
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Alternativ und/oder zusätzlich kann die Heizstruktur einen Dreilagenaufbau aufweisen, und zwar bestehend aus der Heizmatte, aus einer ersten Wärmeleitpasten-Schicht zwischen der Heizmatte und der Batteriemodul-Unterseite und/oder der ersten Wärmeleitpasten-Schicht zwischen der Heizmatte und der Batteriezellen-Unterseite sowie einer zweiten Wärmeleitpasten-Schicht zwischen der Heizmatte und dem Gehäuseboden. Bevorzugt ist es, wenn die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Wärmeleitpasten-Schicht kleiner bemessen ist als die Wärmeleitfähigkeit der ersten Wärmeleitpasten-Schicht.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die erste Wärmeleitpasten-Schicht dicker als die zweite Wärmeleitpasten-Schicht ausgeführt ist und/oder die Wärmeleitpaste der zweiten Wärmeleitpasten-Schicht eine kleinere Wärmeleitfähigkeit als die Wärmeleitpaste der ersten Wärmeleitpasten-Schicht aufweist. Auf diese Weise kann im Batterie-Heizfall eine Ableitung von Verlustwärme in Richtung auf den Gehäuseboden reduziert werden.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer grob schematischen Seitenansicht den Aufbau einer Traktionsbatterie;
- 2 in einer Ansicht von oben die Heizmatte in Alleinstellung;
- 3 in einer perspektivischen Teilansicht die Heizmatte in Alleinstellung;
- 4 und 5 in Ansichten entsprechend der 1 die Traktionsbatterie im Batterie-Kühlfall und im Batterie-Heizfall; und
- 6 in einer Ansicht entsprechend der 1 den Aufbau einer Traktionsbatterie gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In der 1 ist in einer grob schematischen Seitenansicht ein Ausschnitt einer Traktionsbatterie 1 gezeigt. Die Traktionsbatterie 1 weist ein Batteriegehäuse mit einem Gehäuseboden 5 auf. Auf dem Gehäuseboden 5 liegt ein Batteriemodul 7 mit einer Batteriemodul-Unterseite 8 wärmeleitend auf. Zusätzlich ist die Traktionsbatterie 1 mit einem Kühl- und einem elektrischen Heizsystem versehen.
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An einer Gehäuseboden-Unterseite 9 des Gehäusebodens 5 sind Kühlmittelkanäle 11 angeordnet, die Bestandteil des Kühlsystems sind und dem Gehäuseboden 5 zugeordnet sind. Die Kühlmittelkanäle 11 sind im Profil rechteckförmige Flachrohre.
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An einer Gehäuseboden-Oberseite 13 des Gehäusebodens 5 ist eine Heizmatte 17 angeordnet, die direkt auf der Gehäuseboden-Oberseite 13 aufliegt. In einer Batterie-Hochrichtung B ist zwischen der Heizmatte 17 und einer Batteriemodul-Unterseite 19 des Batteriemoduls 7 eine Wärmeleitpasten-Schicht 20 aus einer Wärmeleitpaste 21 vorgesehen, die zusammen mit der Heizmatte 17 eine zweilagige Heizstruktur 23 bildet. Die Heizstruktur 23 ist Bestandteil des elektrischen Heizsystems. Die Heizmatte 17 ist aus einem Flachkörper 25 aus einem elektrisch isolierenden Folienmaterial-Zuschnitt mit darin eingebetteten Leiterbahnen 27 aufgebaut. Die Heizmatte 17 erstreckt sich nicht komplett geschlossenflächig zwischen der Gehäuseboden-Oberseite 13 und der Batteriemodul-Unterseite 19. Stattdessen sind in der Heizmatte 17 zwei Material-Aussparungen 28 vorgesehen. Die Material-Aussparungen 28 der Heizmatte 17 sind mit der Wärmeleitpasten-Schicht 20 aufgefüllt. In den Material-Aussparungen 28 liegt das Batteriemodul 7 nur unter Zwischenlage der Wärmeleitpaste 21 auf der Gehäuseboden-Oberseite 13 auf.
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In der 2 ist die Heizmatte 17 in einer Draufsicht gezeigt. Die Heizmatte 17 weist eine rechteckförmige Grundform auf. Die Leiterbahnen 27 verlaufen mäanderförmig in der Heizmatte 17. Die Leiterbahnen 17 weisen Leiterbahn-Anschlüsse 29 auf, die von einer Heizmatten-Seite 31 seitlich nach außen abragen. Über die Leiterbahn-Anschlüsse 29 werden die Leiterbahnen 27 mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden. In einem aktivierten Zustand des Heizsystems werden die Leiterbahnen 27 mit elektrischem Strom versorgt, sodass sich die Leiterbahnen 27 aufgrund ihres elektrischen Widerstandes erwärmen und diese Wärme an das Batteriemodul 7 abgeben.
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In der 3 ist ein Ausschnitt der Heizmatte 17 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die Heizmatte 17 ist von Flachkörper-Schmalseiten 33 begrenzt, die an Flachkörper-Ecken 35 (in 3 nur eine Flachkörper-Ecke dargestellt) zusammenlaufen. Innerhalb des von den Flachkörper-Schmalseiten 33 und den Flachkörper-Ecken 35 begrenzten Bereich weist die Heizmatte 17 die Material-Aussparungen 28 auf, in denen die Heizmatte 17 materialfrei ist. Das heißt, dass sich in den Bereichen der Material-Aussparungen 28 weder Teile des Flachkörpers 25, noch der Leiterbahnen 27 befinden. Im eingebauten Zustand der Heizmatte 17 können die Bereiche der Material-Aussparungen 28 daher mit der Wärmeleitpaste 21 gefüllt sein, sodass das Batteriemodul 7 nur unter Zwischenlage der Wärmeleitpaste 21 auf der Gehäuseboden-Oberseite 13 aufliegt. Die Material-Aussparungen 28 sind über Material-Stege 39 und somit über einen Materialabstand D von den Flachkörper-Schmalseiten 33 beabstandet. Die Leiterbahnen 17 sind in den Material-Stegen 39 der Heizmatte 17 eingebettet.
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Die Flachkörper-Schmalseiten 33 bilden in Heizmatten-Umfangsrichtung U der Heizmatte 17 zusammen mit den Flachkörper-Ecken 35 eine geschlossene Außenkontur der Heizmatte 17. Die Material-Aussparungen 28 erstrecken sich in Heizmatten-Umfangsrichtung U an keiner Stelle bis zu den Flachkörper-Schmalseiten 33, sondern sind durch die Material-Stege 39 von diesen getrennt.
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In 4 ist die Traktionsbatterie 1 in einer Seitenansicht in einem Batterie-Kühlfall dargestellt. Das Batteriemodul 7 gibt im Batterie-Kühlfall Abwärme Qab in Richtung des Gehäusebodens 5 ab. Die Abwärme Qab wird vom Kühlsystem aufgenommen und abgeleitet. Die Wärmeableitung der Abwärme Qab von dem Batteriemodul 7 zu den Kühlmittelkanälen 11 erfolgt zunächst von dem Batteriemodul 7 in die Wärmeleitpaste 21. Von der Wärmeleitpaste 21 wird die Abwärme Qab vorrangig in den Bereichen der Material-Aussparungen 28 an den Gehäuseboden 5 abgegeben. Die Wärmeleitung erfolgt vorrangig in den Bereichen der Material-Aussparungen 28, da in diesen Bereichen der thermische Widerstand geringer ist als in den Bereichen, in denen die Leiterbahnen 27 eingebettet sind. Die Wärmeableitung ist somit in den Bereichen der Material-Aussparungen 28 begünstigt.
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In 5 ist die Traktionsbatterie 1 in einer Seitenansicht in einem Batterie-Heizfall dargestellt. Im Batterie-Heizfall wird das Batteriemodul 7 von dem Heizsystem erwärmt. Im Batterie-Heizfall werden die Leiterbahnen 27 mit Strom versorgt und geben diese Heizwärme Qzu an das Batteriemodul 7 ab. Die Heizwärme Qzu wird von den Leiterbahnen 27 zunächst an den Flachkörper 25 abgegeben. Von dem Flachkörper 25 wird die Heizwärme Qzu durch die Wärmeleitpaste 21 hindurch in das Batteriemodul 7 weitergeleitet.
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In der 6 ist in einer Seitenansicht ein Ausschnitt einer Traktionsbatterie 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Traktionsbatterie 1 ist im Batterie-Heizfall dargestellt, bei dem das Batteriemodul 7 von der Heizstruktur 23 erwärmt wird. Die Traktionsbatterie 1 unterscheidet sich von der Traktionsbatterie 1 durch eine zusätzliche Wärmeleitpasten-Schicht 45. Diese zusätzliche, untere Wärmeleitpasten-Schicht 45 ist zwischen der Heizmatte 17 und der Gehäuseboden-Oberseite 13 angeordnet. Die untere Wärmeleitpasten-Schicht 45 bildet zusammen mit der Heizmatte 17 und der oberen Wärmeleitpasten-Schicht 20 die dreilagige Heizstruktur 23. Die untere Wärmeleitpasten-Schicht 45 weist gegenüber der oberen Wärmeleitpasten-Schicht 20 eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Durch die geringere Wärmeleitfähigkeit der unteren Wärmeleitpasten-Schicht 45 wird im Heizfall weniger Verlustwärme Qv an den Gehäuseboden 5 abgeben, sodass ein größerer Anteil der Heizwärme Qzu für die Erwärmung des Batteriemoduls 7 zur Verfügung steht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Traktionsbatterie
- 5
- Gehäuseboden
- 7
- Batteriemodul
- 8
- Batteriemodul-Unterseite
- 9
- Gehäuseboden-Unterseite
- 11
- Kühlmittelkanäle
- 13
- Gehäuseboden-Oberseite
- 17
- Heizmatte
- 19
- Batteriemodul-Unterseite
- 20
- Wärmeleitpasten-Schicht
- 21
- Wärmeleitpaste
- 23
- Heizstruktur
- 25
- Flachkörper
- 27
- Leiterbahnen
- 28
- Material-Aussparungen
- 29
- Leiterbahnen-Anschlüsse
- 31
- Heizmatten-Seite
- 33
- Flachkörper-Schmalseiten
- 35
- Flachkörper-Ecken
- 39
- Material-Stege
- 45
- Wärmeleitpasten-Schicht
- B
- Batterie-Hochrichtung
- D
- Materialabstand
- U
- Heizmatten-Umfangsrichtung
- Qab
- Abwärme
- Qzu
- Heizwärme
- QV
- Verlustwärme
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014217338 A1 [0004]
- DE 102013017343 A1 [0004]
