DE102020105614B4 - Batterieanordnung für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Batterieanordnung (10) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit
einem Batteriegehäuse (12) zur Aufnahme von Batteriezellen zum elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs,
einer außerhalb des Batteriegehäuses (12) vorgesehenen Steuerelektronik (14) zur Steuerung der Batteriezellen,
einem mit dem Batteriegehäuse (12) verbundenen Modulgehäuse (16) zum Abdecken der Steuerelektronik (14) und
einem zwischen der Steuerelektronik (14) und dem Modulgehäuse (16) vorgesehenen Modulwärmeleitelement (28) zur Abfuhr von in der Steuerelektronik (14) erzeugter Wärme an das Modulgehäuse (16) durch
Wärmeleitung, dadurch gekennzeichnet, dass
an einer von der Steuerelektronik (14) und von dem Batteriegehäuse (12) weg weisenden Außenseite (34) des Modulgehäuses (16) ein Außenwärmeleitelement (30) zur Abfuhr von in dem Modulgehäuse (16) aufgenommener Wärme an ein strukturelles Metallbauteil (32) des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung, mit deren Hilfe ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann.
  • Aus DE 10 2015 219 558 A1 ist eine im Innern eines Batteriegehäuses einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug untergebrachte Steuerelektronik zur Steuerung der Traktionsbatterie bekannt, wobei die Steuerelektronik über eine Wärmeleitvorrichtung mit einem von einer Batteriekühlung gekühlten Batteriegehäusebereich des Batteriegehäuses thermisch gekoppelt ist, so dass die Batteriekühlung nicht nur die Traktionsbatterie, sondern auch die Steuerelektronik aktiv kühlen kann.
  • Aus DE 10 2015 117 974 A1 , CN 110 534 830 A und US 2019 / 0 214 618 A1 ist jeweils ein Batteriegehäuse für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem eine Steuerelektronik außerhalb des Batteriegehäuses vorgesehen ist und deren Wärmeentwicklung über ein Wärmeleitelement abgeführt wird.
  • Es besteht ein ständiges Bedürfnis in einer Batterieanordnung entstehende Wärme einfach und kostengünstig abzuführen.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, die eine einfache und kostengünstige Abfuhr von in einer Batterieanordnung entstehender Wärme ermöglichen.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
  • Erfindungsgemäß ist eine Batterieanordnung für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug vorgesehen mit einem Batteriegehäuse zur Aufnahme von Batteriezellen zum elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs, einer außerhalb des Batteriegehäuses vorgesehenen Steuerelektronik zur Steuerung der Batteriezellen, einem mit dem Batteriegehäuse verbundenen Modulgehäuse zum Abdecken der Steuerelektronik und einem zwischen der Steuerelektronik und dem Modulgehäuse vorgesehenen Modulwärmeleitelement zur Abfuhr von in der Steuerelektronik erzeugter Wärme an das Modulgehäuse durch Wärmeleitung, wobei an einer von der Steuerelektronik und von dem Batteriegehäuse weg weisenden Außenseite des Modulgehäuses ein Außenwärmeleitelement zur Abfuhr von in dem Modulgehäuse aufgenommener Wärme an ein strukturelles Metallbauteil des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
  • Da die Steuerelektronik nicht im Inneren des Batteriegehäuses vorgesehen ist, kann das Batteriegehäuse einfacher und kostengünstiger aufgebaut sein und insbesondere nur zur Aufnahme und gegebenenfalls zusätzlich zur Kühlung der Batteriezellen ausgelegt sein. Die dreidimensionale Gestaltung des Batteriegehäuses kann dadurch vereinfacht sein, wodurch es möglich ist durch kostengünstige Herstellungsverfahren, beispielsweise durch Stanzen aus einem Metallblech und spanloses Umformen, das Batteriegehäuse auszubilden. Da die Steuerelektronik außerhalb des Batteriegehäuses vorgesehen ist, kann die Steuerelektronik durch das Batteriegehäuse hindurch, beispielswiese kabelgebunden, mit den in dem Batteriegehäuse aufgenommenen Batteriezellen kommunizieren, beispielsweise um die gespeicherte elektrische Energie zu überwachen und/oder verschiedene Batteriezellen zum Aufladen und/oder Abgeben von elektrischer Energie zu schalten. Um die Steuerelektronik vor äußeren Einflüssen zu schützen, ist die Steuerelektronik von dem zu dem Batteriegehäuse verschiedenen Modulgehäuse abgedeckt. Das Modulgehäuse kann zum Batteriegehäuse hin geöffnet ausgestaltet sein, so dass ein von dem Modulgehäuse abgedeckter Innenraum für die Steuerelektronik an einer Seite durch das Batteriegehäuse begrenzt ist.
  • Die von der Steuerelektronik erzeugte Wärme kann von dem Modulwärmeleitelement zu einem möglichst großen Anteil aufgenommen und durch Wärmeleitung mit einem möglichst geringen Wärmewiderstand an das Modulgehäuse abgeführt werden, um die Steuerelektronik zu kühlen. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass das beispielsweise kastenförmige Modulgehäuse eine von dem begrenzten Innenraum für die Steuerelektronik weg weisende Außenseite aufweist, über welche die abgeleitete Wärme gut abgeführt werden kann. Beispielsweise kann das Modulgehäuse vergleichbar zu einer Kühlrippe von dem Batteriegehäuse abstehen und durch natürliche Konvektion gekühlt werden. Dies kann bereits eine ausreichende Kühlung der Steuerelektronik ermöglichen, ohne dass hierzu eine kostenintensive aktive Kühlung erforderlich ist. Mit Hilfe des Modulwärmeelements kann die außerhalb des Batteriegehäuses vorgesehene Steuerelektronik passiv über das Modulgehäuse gekühlt werden, so dass eine einfache und kostengünstige Abfuhr von in einer Batterieanordnung entstehender Wärme ermöglicht ist.
  • Das Außenwärmeleitelement kann vergleichbar zu dem Modulwärmeleitelement die thermische Anbindung des Modulgehäuses an das strukturelle Metallbauteil verbessern und die Wärmeabfuhr aus dem Modulgehäuse an das strukturelle Metallbauteil erhöhen. Das Modulwärmeleitelement und das Außenwärmeleitelement sind insbesondere aus dem gleichen Material hergestellt und/oder weisen die gleichen Abmaße auf, so dass vorzugsweise das Modulwärmeleitelement und das Außenwärmeleitelement als Gleichteile ausgestaltet sind.
  • Das Modulgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt sein, beispielsweise Stahl oder Aluminium, so dass sich aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit metallischer Materialen die von dem Modulwärmeleitelement aufgenommene Wärme der Steuerelektronik leicht über das gesamte Material des Modulgehäuses verteilen kann. Dadurch kann im Wesentlichen die gesamte Fläche der Außenseite des Modulgehäuses zur Wärmeabfuhr verwendet werden. Die Außenseite des Modulgehäuses kann im Wesentlichen als eine der Form des abgedeckten Innenraums des Modulgehäuses folgende ebene Fläche ausgestaltet sein. Alternativ können an der Außenseite des Modulgehäuses Kühlrippen vorgesehen sein, um die konvektive Kühlung zu verbessern. Die in dem Batteriegehäuse aufgenommenen Batteriezellen sind insbesondere von einer in Schwerkraftrichtung unterhalb der Batteriezellen vorgesehenen Kühlvorrichtung gekühlt. Die Steuerelektronik und das Modulgehäuse können in Schwerkraftrichtung oberhalb der Batteriezellen auf dem Batteriegehäuse aufgesetzt sein.
  • Insbesondere ist das Modulgehäuse an das strukturelles Metallbauteil des Kraftfahrzeugs angepresst. Beispielsweise ist das Modulgehäuse und/oder das Batteriegehäuse mit dem strukturellen Metallbauteil befestigt, insbesondere verschraubt, so dass das Modulgehäuse gegen das strukturelle Metallbauteil angepresst werden kann. Dadurch kann das Modulgehäuse zumindest einen Teil der von dem Modulwärmeleitelement aufgenommenen Wärme an das strukturelle Metallbauteil durch Wärmeleitung abführen. Die Wärmekapazität und die Oberfläche des strukturellen Metallbauteils kann dadurch ebenfalls zur passiven Wärmeabfuhr und zur Kühlung der Steuerelektronik genutzt werden. Das strukturelle Metallbauteil ist ausgestaltet zumindest in einem gewissen Ausmaß Kräfte abzuleiten, so dass der Anpressdruck des Modulgehäuses das strukturelle Metallbauteil im Wesentlichen nicht deformiert.
  • Vorzugsweise ist das strukturelle Metallbauteil ein Karosserieelement einer Fahrzeugaußenhülle und/oder ein lastabtragendes, insbesondere mit dem Karosserieelement verbundenes, Tragrahmenelement. Das strukturelle Metallbauteil kann beispielsweise Teil der Kraftfahrzeugkarosserie und/oder Teil eines Tragrahmens für die Befestigung der Kraftfahrzeugkarosserie und eines Antriebstrangs sein. Das strukturelle Metallbauteil weist dadurch eine vergleichsweise hohe Masse und damit eine hohe Wärmekapazität auf, so dass das strukturelle Metallbauteil eine entsprechend hohe Wärmemenge speichern und über die Oberfläche konvektiv abgeben kann. Zudem kann das strukturelle Metallbauteil eine vergleichsweise große Oberfläche aufweisen, wodurch die konvektive Wärmeabfuhr verbessert ist. Wenn das strukturelle Metallbauteil Teil der Außenhülle des Kraftfahrzeugs ist, kann der an der Außenhülle entlang strömende Fahrtwind eine besonders gute passive Kühlung der Steuerelektronik erreichen.
  • Besonders bevorzugt weist das strukturelle Metallbauteil eine größere Wärmekapazität und/oder eine größere Oberfläche als das Modulgehäuse auf. Die konvektive Wärmeabfuhr der in der Steuerelektronik erzeugten Wärme kann dadurch im Wesentlichen über das strukturelle Metallbauteil erfolgen. Eine Erwärmung von anderen Kraftfahrzeugkomponenten im Inneren des Kraftfahrzeugs über die von dem Modulgehäuse aufgenommene Wärme kann vermieden werden.
  • Vorzugsweise weist die Steuerelektronik auf einer Platine angebrachte wärmeerzeugende Elektronikkomponenten auf, wobei eine von den Elektronikkomponenten weg weisende Rückseite der Platine zur passiven Kühlung der Elektronikkomponenten direkt an dem Modulwärmeleitelement anliegt, insbesondere angepresst ist. Die Elektronikkomponenten können von dem Modulwärmeleitelement weg gerichtet von der Platine in den von dem Modulgehäuse begrenzten Innenraum hinein abstehen. Die Platine weist bereits eine vergleichsweise ebene Rückseite auf, so dass ein flächiger Kontakt der Platine mit dem Modulwärmeleitelement herbeigeführt werden kann, der einen hohen Wärmestrom ermöglicht. Die von der Platine abstehenden Elektronikkomponenten können insbesondere zum Batteriegehäuse hin weisen, wodurch eine Kommunikation der Steuerelektronik durch das Batteriegehäuse hindurch erleichtert ist.
  • Besonders bevorzugt liegt das Modulwärmeleitelement zu dem Batteriegehäuse maximal weit beabstandet an dem Modulgehäuse flächig an. Die thermische Abfuhr von Wärme der Steuerelektronik und die elektrische Kommunikation der Steuerelektronik mit den Batteriezellen kann dadurch an unterschiedlichen Seiten der Steuerelektronik erfolgen, so dass eine gegenseitige Beeinträchtigung vermieden ist.
  • Insbesondere ist das Modulgehäuse thermisch mit dem Batteriegehäuse durch Wärmeleitung gekoppelt, wobei ein über die Außenseite des Modulgehäuses abgeführter Wärmestrom größer als ein von dem Modulgehäuse an das Batteriegehäuse abgeführter Wärmestrom ist, wobei insbesondere bei auf eine designierte Betriebstemperatur erwärmten Batteriezellen ein Wärmestrom von dem Batteriegehäuse an das Modulgehäuse vorgesehen ist. Das insbesondere metallische Modulgehäuse kann mit dem insbesondere metallischen Batteriegehäuse über einen flächigen Kontakt, der insbesondere über einen Befestigungsflansch erreicht wird, miteinander verbunden werden, wodurch auch eine thermische Koppelung erfolgen kann. Die in der Steuereinrichtung erzeugte Wärme wird jedoch vorwiegend über die Außenseite des Modulgehäuses, insbesondere über das thermisch angekoppelte strukturelle Metallbauteil, abgeführt und eher nicht über das Batteriegehäuse, wobei ein Wärmestrom zwischen dem Modulgehäuse und dem Batteriegehäuse nicht grundsätzlich ausgeschlossen ist. In der Regel kann ein Wärmestrom von dem Modulgehäuse zum Batteriegehäuse in Vergleich zu dem über die Außenseite des Modulgehäuses abgeführten Wärmestrom vernachlässigt werden, so dass eine thermische Isolierung zwischen dem Modulgehäuse und dem Batteriegehäuse nicht erforderlich ist. Stattdessen ist es sogar möglich, dass in den Batteriezellen erzeugte Wärme, die von einer Kühleinrichtung nicht vollständig abgeführt ist und sich infolge natürlicher Konvektion in einem oberen Bereich des Batteriegehäuses sammelt und das Batteriegehäuse im oberen Bereich erwärmt, von dem Batteriegehäuse aufgenommen und über das Modulgehäuse abgeführt wird. Die für die Kühlung der Steuerelektronik vorgesehene passive Kühlung kann dadurch auch einen Beitrag leisten die Batteriezellen zu kühlen, so dass die zur Kühlung der Batteriezellen vorgesehene Kühleinrichtung einfacher und kostengünstiger aufgebaut sein kann. Insbesondere ist es möglich nur in einem unteren Bereich der Kraftfahrzeugbatterie eine Kühlung durch die Kühleinrichtung vorzusehen und im oberen Bereich des Batteriegehäuses verbleibende Wärme über das für die Steuereinrichtung vorgesehene Modulgehäuse abzuführen.
  • Vorzugsweise ist das Modulwärmeleitelement und/oder das Außenwärmeleitelement aus einem deformierbaren Material zum Ausgleich von Oberflächenunebenheiten hergestellt. Das Modulwärmeleitelement und/oder das Außenwärmeleitelement ist beispielsweise als Wärmeleitpad und/oder Gap Filler ausgestaltet, so dass ein eher wärmeisolierender Luftspalt durch ein wärmeleitendes Material ausgefüllt werden kann. Insbesondere wenn das Modulwärmeleitelement und/oder das Außenwärmeleitelement zwischen den thermisch anzubindenden Teilen verpresst ist, können auch Oberflächenunebenheiten ausgeglichen werden. Das deformierbare Material des Modulwärmeleitelements beziehungsweise des Außenwärmeleitelements weist beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit λ von 1,0 W/m2K ≤ λ ≤ 8,0 W/m2K und/oder eine auf die unbelastete Materialdicke bezogene Deformierbarkeit von bis zu ± 10% auf.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
    • 1: eine schematische Schnittansicht einer Batterieanordnung.
  • Die in 1 dargestellte Batterieanordnung 10 kann für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendet werden. Die Batterieanordnung 10 weist ein Batteriegehäuse 12 einer Traktionsbatterie zum rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs auf, in dem mehrere Batteriezellen zur Speicherung und zur Abgabe elektrischer Energie aufgenommen sind. Diese Batteriezellen werden mit Hilfe einer Steuerelektronik 14 überwacht und gesteuert. Die Steuerelektronik 14 ist außerhalb des Batteriegehäuses 12 vorgesehen und mit Hilfe eines Modulgehäuses 16 vor äußeren Einflüssen geschützt. Beispielsweise ist das Modulgehäuse 16 über einen flächig auf dem oberen Ende des Batteriegehäuses 12 aufgesetzten Befestigungsflansch 18 mit dem Batteriegehäuse 12 befestigt, insbesondere verschraubt.
  • Die Steuerelektronik 14 weist eine Platine 20 und von der Platine 20 in einen von dem Modulgehäuse 16 und dem Batteriegehäuse 12 begrenzten Innenraum 22 hinein abstehende Elektronikkomponenten 24 auf. Die Platine 20 der Steuerelektronik 14 ist an einer zum Batteriegehäuse 12 weisenden maximal zum Batteriegehäuse 12 beabstandeten Innenseite 26 des Modulgehäuses 16 befestigt. Hierbei ist zwischen einer von dem Elektronikkomponenten 24 weg weisenden Rückseite der Platine 20 und der Innenseite 26 des Modulgehäuses 16 ein, insbesondere als thermisch leitender Gap Filler ausgestaltetes, Modulwärmeleitelement 28 vorgesehen. Das Modulwärmeleitelement 28 ist insbesondere zwischen der Platine 20 und dem Modulgehäuse 16 verpresst. Das Modulgehäuse 16 wiederum ist über ein zwischengeschaltetes, insbesondere als thermisch leitender Gap Filler ausgestaltetes, Außenwärmeleitelement 30 gegen ein strukturelles Metallbauteil 32 des Kraftfahrzeugs gepresst. Das Außenwärmeleitelement 30 kann zwischen einer Außenseite 34 des Modulgehäuses 16 und dem strukturellen Metallbauteil 32 verpresst sein. Das strukturelle Metallbauteil 32 kann beispielsweise Teil der Kraftfahrzeugkarosserie und/oder Teil eines lastabtragenden Tragrahmens sein. Die in der Steuereinrichtung 14 erzeugte Wärme kann durch Wärmeleitung an das Modulgehäuse 16 und/oder an das strukturelle Metallbauteil 32 abgeleitet werden, wo die Wärme durch natürliche Konvektion passiv abgeführt werden kann, ohne hierzu eine aktive Kühlung vorzusehen.

Claims (10)

  1. Batterieanordnung (10) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem Batteriegehäuse (12) zur Aufnahme von Batteriezellen zum elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs, einer außerhalb des Batteriegehäuses (12) vorgesehenen Steuerelektronik (14) zur Steuerung der Batteriezellen, einem mit dem Batteriegehäuse (12) verbundenen Modulgehäuse (16) zum Abdecken der Steuerelektronik (14) und einem zwischen der Steuerelektronik (14) und dem Modulgehäuse (16) vorgesehenen Modulwärmeleitelement (28) zur Abfuhr von in der Steuerelektronik (14) erzeugter Wärme an das Modulgehäuse (16) durch Wärmeleitung, dadurch gekennzeichnet, dass an einer von der Steuerelektronik (14) und von dem Batteriegehäuse (12) weg weisenden Außenseite (34) des Modulgehäuses (16) ein Außenwärmeleitelement (30) zur Abfuhr von in dem Modulgehäuse (16) aufgenommener Wärme an ein strukturelles Metallbauteil (32) des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
  2. Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (16) an das strukturelle Metallbauteil (32) des Kraftfahrzeugs angepresst ist.
  3. Batterieanordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das strukturelle Metallbauteil (32) ein Karosserieelement einer Fahrzeugaußenhülle und/oder ein lastabtragendes, insbesondere mit dem Karosserieelement verbundenes, Tragrahmenelement ist.
  4. Batterieanordnung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das strukturelle Metallbauteil (32) eine größere Wärmekapazität und/oder eine größere Oberfläche als das Modulgehäuse (16) aufweist.
  5. Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (16) zum Batteriegehäuse (12) hin geöffnet ausgestaltet ist, wobei ein von dem Modulgehäuse (16) abgedeckter Innenraum (22) für die Steuerelektronik (14) an einer Seite durch das Batteriegehäuse (12) begrenzt ist.
  6. Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (14) auf einer Platine (20) angebrachte wärmeerzeugende Elektronikkomponenten (24) aufweist, wobei eine von den Elektronikkomponenten (24) weg weisende Rückseite der Platine (20) zur passiven Kühlung der Elektronikkomponenten (24) direkt an dem Modulwärmeleitelement (28) anliegt, insbesondere angepresst ist.
  7. Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulwärmeleitelement (28) zu dem Batteriegehäuse (12) maximal weit beabstandet an dem Modulgehäuse (16) flächig anliegt.
  8. Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (16) thermisch mit dem Batteriegehäuse (12) durch Wärmeleitung gekoppelt ist, wobei ein über die Außenseite (34) des Modulgehäuses (16) abgeführter Wärmestrom größer als ein von dem Modulgehäuse (16) an das Batteriegehäuse (12) abgeführter Wärmestrom ist, wobei insbesondere bei auf eine designierte Betriebstemperatur erwärmten Batteriezellen ein Wärmestrom von dem Batteriegehäuse (12) an das Modulgehäuse (16) vorgesehen ist.
  9. Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulwärmeleitelement (28) und/oder das Außenwärmeleitelement (30) aus einem deformierbaren Material zum Ausgleich von Oberflächenunebenheiten hergestellt ist.
  10. Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (14) und das Modulgehäuse (16) in Schwerkraftrichtung oberhalb der Batteriezellen auf dem Batteriegehäuse (12) aufgesetzt sind.
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