DE102020006169A1

DE102020006169A1 - Batteriegehäuse für eine Hochvoltbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102020006169A1
Application number: DE102020006169.9A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Häfner; Hans Kofler; Andreas Ruoff; Andreas Schurz; Yusuf Yüce
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2020-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse für eine Hochvoltbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges, umfassend eine Wanne (3), in welcher Segmente (9) zur Aufnahme von Batteriemodulen (13) ausgebildet sind und die Wanne (3) einen Rahmen (5) aufweist, wobei Wanne (3) auf einer Bodenplatte (17) aufliegt. Bei einem Batteriegehäuse, welches ein geringeres Gewicht und eine erhöhte Steifigkeit bei besserer Raumausnutzung zu Gunsten des Energieinhaltes aufweist, sind in die Wanne (3) eine innere, die Batteriemodule (13) umfassende, blockbildende Tragstruktur (7) und der die Tragstruktur (7) außen umfassende Rahmen (3) eingelegt und unter der Tragstruktur (7) ist eine Sandwich-Bodenstruktur (15) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse für eine Hochvoltbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges, umfassend eine Wanne, in welcher Segmente zur Aufnahme von Batteriemodulen ausgebildet sind und die Wanne einen Rahmen aufweist, wobei die Wanne auf einer Bodenplatte aufliegt.
Aus der DE 10 2015 119 156 A1 ist eine Batteriebaugruppe bekannt, die strukturelle Schaumstoffe umfasst. Eine aus einer Wanne und einer Abdeckung bestehende Schaumstoffschale umgibt die Batterieformation. Die Batteriebaugruppe selbst wird über Befestigungsbänder an der Fahrzeugkarosserie fixiert. Darüber hinaus besitzt die Batteriebaugruppe eine separate Stützstruktur, die eine hohe Aufprallenergieabsorption sowie eine hohe thermische Isolierung aufweist.
Die DE 10 2017 104 360 A1 offenbart ein Batteriegehäuse für ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug, umfassend ein wannenartig ausgebildetes Gehäuseteil mit mehreren mit Abstand zueinander angeordneten Trägerelementen und ein an den Trägerelementen abgestütztes Bodenteil. Das Gehäuseteil dient zur Aufnahme mehrerer Batteriemodule, die in einzelnen innenliegenden Fächern positioniert sind. Mittels dieser Anordnung wird das Batteriegehäuse am Fahrzeugunterboden befestigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Batteriegehäuse für eine Hochvoltbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges anzugeben, welches ein geringeres Gewicht und eine erhöhte Steifigkeit bei besserer Raumausnutzung zu Gunsten des Energieinhaltes aufweist.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe ist mit einem Batteriegehäuse dadurch gelöst, dass in die Wanne eine innere, die Batteriemodule umfassende, blockbildende Tragstruktur und der die Tragstruktur außen umfassende Rahmen eingelegt sind und unter der Tragstruktur eine Sandwich-Bodenstruktur ausgebildet ist. Durch diese Blockbildung wird bei geringstem Bauraum eine aktive Anbindung in den Fahrzeuglastpfad und die Nutzung der Hochvoltbatterie als Strukturkomponente zur Lasteinleitung ermöglicht. Die lasttragende Hochvoltbatterie wird dabei im Fahrzeugunterboden positioniert. Eine funktionale Trennung von Rahmen, Strukturbauteilen und Batteriemodul wird dadurch aufgehoben, wodurch das Gewicht des Systems verringert und dessen Steifigkeit erhöht wird. Es erfolgt eine Einbindung der Hochvoltbatterie in das Fahrzeug-Last-Management, während die Batteriemodule in ein Batterie-Last-Management einbezogen werden
Vorteilhafterweise umfasst die auf der Wanne aufliegende Tragstruktur ein Zellenmodulgehäuse, welches innenliegend Versteifungsstrukturen zur Einteilung des Zellmodulgehäuses in die Segmente zur Aufnahme der Batteriemodule aufweist, welche von dem außenliegenden Rahmen zur Anbindung der Batteriemodule umgeben ist, wobei zwischen einem Boden des Zellmodulgehäuses und der Bodenplatte der Fahrzeugkarosserie die einen Schaum umfassende Sandwich-Bodenstruktur angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass über den außenliegenden Rahmen eine Anbindung an die Rohbaustruktur des Fahrzeuges erfolgt und gleichzeitig eine Tragstruktur für die aus einem weichen Metall bestehende Wanne bietet. Durch die Verwendung der Versteifungsstrukturen werden Lastaufnahme und Belastungsfähigkeiten der Segmente des Zellmodulgehäuses verbessert.
In einer Ausgestaltung ist der Schaum direkt auf der Bodenplatte verteilt. Der Schaum unterstützt die Steifigkeit der Sandwich-Bodenstruktur durch Übertragung von Zug, Druck und Schub zwischen den einzelnen metallischen Lagen. Außerdem erfolgt eine Blockbildung gegen „punktuelles Aufsetzen“, wodurch ein Eindrücken, beispielsweise von Kühlmittelkanälen, verhindert wird.
In einer Variante ist außen unter dem Zellmodulgehäuse eine Wärme-/Kühlstruktur zur Durchströmung mit einem Kühl- oder Wärmemedium ausgebildet. Somit kann direkt an der Außenseite des Wannenbodens eine Kühl- oder Wärmemittel entlanglaufen. Die Metalllagen-Schaum-Sandwich-Bodenstruktur bildet dabei ein kombiniertes Thermo- und Aufsatzmanagement, welches wenig Bauraum benötigt. Der Schaum bildet dabei eine thermische Isolierung der Wärme-/Kühlstruktur gegen die Bodenplatte.
In einer Ausführungsform sind die in den Segmenten des Zellmodulgehäuses angeordneten Batteriemodule direkt an die Seiten der Wanne und/oder den Boden der Wanne angebunden. Durch diese blockbildende Anordnung sind die Batteriemodule bei einem Eindrücken der Hochvoltbatterie von der Seite oder von unten direkt in den Kraftfluss eingebunden. Somit wird die lasttragende Funktion des Batteriegehäuses durch die lasttragende Funktion der Batterieblöcke unterstützt.
Es ist von Vorteil, wenn die Versteifungsstrukturen des Zellmodulgehäuses parallel zur Zellstapelrichtung ausgebildet sind. Dadurch wird die Belastungsfähigkeit der Segmente des Zellmodulgehäuses verbessert.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die in dem Zellmodulgehäuse gestapelten Batteriemodule in Längsrichtung des Zellmodulgehäuses über kompressible, elastische flächige Elemente gegeneinander verspannt. Dadurch können sich über den Ladezustand und die Lebensdauer veränderliche Dicken der Batteriemodule ausgeglichen werden.
In einer weiteren Variante ist die Wanne mit einem Deckel abgeschlossen, die einen gemeinsamen Flansch zur Aufnahme einer umlaufenden Dichtung aufweisen. Die Dichtungsfunktion gegen Staub, Flüssigkeit und Gasen wird über nur eine einzige Dichtung realisiert. Somit ist eine einfache Herstellung der Dichtheit und deren Nachweis möglich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses mit Krafteinleitung in Z-Richtung,
2 das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses gem. 1 mit Krafteinleitung in X-Richtung,
3 das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses mit Krafteinleitung in Y-Richtung,
4 das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses mit Krafteinleitung in (-) X-Richtung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses, wie es in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug für die Anordnung einer Hochvoltbatterie im Fahrzeug einsetzbar ist. Das Batteriegehäuse 1 besteht aus einer aus Metall, vorzugsweise aus Blech, gefertigten Wanne 3, welche außen von einem Rahmen 5 umgeben ist. In die Wanne 3 ist ein Zellmodulgehäuse 7 eingesetzt, welches in seinem Inneren in Segmente 9 eingeteilt ist, die durch Unterteilung des Zellmodulgehäuses 7 durch mehrere als Wand ausgebildete Verstärkungselemente 11 gebildet werden. In diesen Segmenten 9 werden die Batteriemodule 13 parallel zu den Verstärkungselementen 11 positioniert. Unterhalb des Zellmodulgehäuses 7 schließt sich eine Sandwich-Bodenstruktur 15 an, die auf einem Unterboden 17 einer Fahrzeugkarosserie aufliegt. Die Sandwich-Bodenstruktur 15 besteht aus einem Schaum 19, welcher direkt auf dem Unterboden 17 der Fahrzeugkarosserie aufliegt. Auf dem Schaum 19 dehnt sich ein Bodenkühler 21 aus, auf welchem wiederum flächig Unterbodenelement 23 angeordnet ist, welches an dem außen umlaufenden Rahmen 5 fixiert ist. Die in Längsrichtung der Segmente 9 gestapelten Zellen 25 der Batteriemodule 13 sind in dieser Längsrichtung über nicht weiter dargestellte, kompressible, elastische Matten gegeneinander verspannt.
Bei Einwirkung einer Kraft in z-Richtung, die an dem Unterboden 17 der Fahrzeugkarosserie angreift, wie es in 1 gezeigt, wird diese Kraft über den Unterboden 17, den Schaum 19 auf den Bodenkühler 21 und dann auf das Unterbodenelement 23 übertragen. Über das an der Unterseite des Zellmodulgehäuses 7 entlangfließende Wärmeleitmedium 27 wird die Kraft im Zellmodulgehäuse 7 und abschließend über die innenliegenden Verstärkungselemente 11 abgebaut. Somit sind die im Lastpfad befindlichen Komponenten in die Struktur des Batteriegehäuses 1 integriert. Die in den Segmenten 9 befindlichen Zellen 25 der Batteriemodule 15 bleiben vor dieser Krafteinleitung geschützt.
2 zeigt das erfindungsgemäße Batteriegehäuse bei einer Krafteinleitung aus X-Richtung. Es ist ersichtlich, dass der Rahmen 5 rechteckig ausgebildet ist und ein Längsprofil 51 und ein Querprofil 53 aufweist. Die Außenwände 37 der Batteriemodule 13 in den Segmenten 9 sind an das Zellmodulgehäuse 7 über elastische Matten 31 angebunden. Die aus X-Richtung auf das Batteriegehäuse 1 ausgeübte Kraft wird über das Querprofil 51 des Rahmens 5 und die Sandwich-Bodenstruktur 15 (Schnitt A-A) abgebaut. Die Sandwich-Bodenstruktur 15 besteht aus dem Unterboden 17, dem Schaumstoff 19, dem Bodenkühler 21 und dem mit dem Rahmen 5 verbundenen Unterbodenelement 23. Zusätzlich sind die Außenwände 37 der Batteriemodule 13 mit in den Lastpfad eingebunden. Somit sind alle im Lastpfad befindlichen Komponenten in das Batteriegehäuse 1 integriert und die in den Segmenten 9 befindlichen Zellen 25 der Batteriemodule 13 bleiben vor dieser Krafteinleitung geschützt.
Die aus Y-Richtung auf das Batteriegehäuse 1 eingeleitet Kraft wird, wie in 3 dargestellt, über das Längsprofil 53 des Rahmens 5, der Sandwich-Bodenstruktur 15 (Schnitt B-B) und über das Zellmodulgehäuse 7 mit innenliegenden Verstärkungselementen 11 abgebaut. Die Sandwich-Bodenstruktur 15 besteht auch in diesem Fall aus dem Unterboden 17 der Fahrzeugkarosserie, dem Schaum 19, dem Bodenkühler 21 und dem Unterbodenelement 23. Somit sind auch in diesem Fall alle im Lastpfad befindlichen Komponenten in das Batteriegehäuse 1 integriert und die in den Segmenten 9 befindlichen Zellen 25 der Batteriemodule 13 bleiben vor dieser Krafteinleitung geschützt.
In 4 ist das Ausführungselement des Batteriegehäuses 1 dargestellt an welchem die Kraft aus (-) X-Richtung auf das Batteriegehäuse 1 ausgeübt wird. Die eingeleitete Kraft wird auf das Querprofil 53 des Rahmen 5, eine Elektronikplatte 33 und einem Querprofil 35 eines Zwischenrahmens abgebaut. Somit sind alle im Lastpfad befindlichen Komponenten in das Batteriegehäuse 1 integriert und der äußere Rahmen 5 kann entsprechend reduziert werden. Die auf der Elektronikplatte 33 montierten Stromschienen und Elektronikkomponenten bleiben von der Krafteinleitung geschützt.
In allen Figuren zeigen die mit P1 gekennzeichneten Pfeile den Kraftfluss im Zellblock, während die mit P2 gekennzeichneten Pfeile den Kraftfluss im Batteriegehäuse verdeutlichen.
Bei der beschriebenen Lösung wirken die Verstärkungselemente 11 neben der Lastaufnahme von äußeren Kräften, beispielsweise durch Eindrücken, auch bei Kräften, die durch die Segmente 9 selbst in Längsrichtung eingebracht werden. Die kann durch eine Massenkraft bei Schock oder Spreizkräften durch ein Zell-Dicken-Wachstum erfolgen. Dies führt zur Entlastung für die Batteriemodule 13 in den Segmenten 9 und zur Reduzierung der Bewegung der Zellen 25. Der Einsatz der Verstärkungselemente 11, die als Schottwände dienen, sorgt für eine gleichmäßige Ausleitung der in Längsrichtung wirkenden Kräfte über das jeweilige Verstärkungselement 11 in das Zellmodulgehäuse 7.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015119156 A1 [0002]
DE 102017104360 A1 [0003]

Claims

Batteriegehäuse für eine Hochvoltbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges, umfassend eine Wanne (3), in welcher Segmente (9) zur Aufnahme von Batteriemodulen (13) ausgebildet sind und die Wanne (3) einen Rahmen (5) aufweist, wobei Wanne (3) auf einer Bodenplatte (17) aufliegt, dadurch gekennzeichnet, dass in die Wanne (3) eine innere, die Batteriemodule (13) umfassende, blockbildende Tragstruktur (7) und der die Tragstruktur (7) außen umfassende Rahmen (3) eingelegt sind und unter der Tragstruktur (7) eine Sandwich-Bodenstruktur (15) ausgebildet ist.
Batteriegehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Wanne (3) aufliegende Tragstruktur ein Zellenmodulgehäuse (7) umfasst, welches innenliegend Versteifungsstrukturen (11) zur Einteilung des Zellmodulgehäuses (7) in die Segmente (9) zur Aufnahme der Batteriemodule (13) aufweist, und der außenliegende Rahmen (5) zur Anbindung der Batteriemodule (13) ausgebildet ist, wobei zwischen einem Boden des Zellmodulgehäuses (7) und der Bodenplatte (17), die einen Schaum (19) umfassende Sandwich-Bodenstruktur (15) angeordnet ist.
Batteriegehäuse nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum (19) direkt auf der Bodenplatte (17) der Fahrzeugkarosserie verteilt ist.
Batteriegehäuse nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass außen unter dem Zellmodulgehäuse (7) eine Wärme-/Kühlstruktur (21) zur Durchströmung mit einem Kühl- oder Wärmemedium (27) ausgebildet ist.
Batteriegehäuse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellmodulgehäuse (7) nach unten über ein an dem Rahmen (5) gefügten Unterbodenelement (23) abgestützt ist, welches auf der Wärme-/Kühlstruktur (21) aufliegt.
Batteriegehäuse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Segmenten (9) des Zellmodulgehäuses (7) angeordneten Batteriemodule (13) direkt an die Seiten (37) der Wanne (3) und/oder den Boden (29) der Wanne (3) angebunden sind.
Batteriegehäuse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstrukturen (11) des Zellmodulgehäuses (7) parallel zur Zellstapelrichtung ausgebildet sind.
Batteriegehäuse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Zellmodulgehäuse (7) gestapelten Batteriemodule (13) in Längsrichtung des Zellmodulgehäuses (7) über kompressible, elastische flächige Elemente (39) gegeneinander verspannt sind.
Batteriegehäuse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (3) mit einem Deckel (31) abgeschlossen ist, die einen gemeinsamen Flansch zur Aufnahme einer umlaufenden Dichtung aufweisen.