DE102020119285A1 - Batteriegehäuse für Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Philipp Kellner
Christopher Volkmer
Sascha Mostofi
Immanuel Vogel
Dieter Schiebel
Thomas NEUHAUSER
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Es ist ein Batteriegehäuse (10) für ein Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einem Gehäuse (12) zum Umschließen mindestens einer Batteriezelle des Batteriemoduls, mindestens einer in mindestens einer Gehäusewand (16) des Gehäuses (12) eingebrachten nach von der Batteriezelle weg geöffneten Kühlnut (18) zum Durchleiten eines Kühlfluid und einem als ebene Platte ausgestalteten und mit der Gehäusewand (16) verbundenen Deckel (20) zum Schließen der mindestens einen Kühlnut (18). Durch die in der Gehäusewand (16) ausgebildete Kühlnut (18) kann der Deckel (20) als kostengünstige ebene Platte ausgestaltet sein, so dass bei einem geringen Herstellungsaufwand eine Kühlung eines Batteriemoduls ermöglicht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse, mit deren Hilfe ein Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs eingehaust und temperiert werden kann.
  • Aus DE 10 2017 104 710 A1 ist ein Batteriegehäuse für ein Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei das Batteriegehäuse eine Vertiefung aufweist, in die ein profiliertes Zusatzbauteil eingesetzt ist, um zwischen dem Zusatzbauteil und einem flachen Boden der Vertiefung Kühlkanäle auszubilden.
  • Es besteht ein ständiges Bedürfnis den Herstellungsaufwand für eine Kühlung eines Batteriemoduls zu reduzieren.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die bei einem geringen Herstellungsaufwand eine Kühlung eines Batteriemoduls ermöglichen.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Batteriegehäuse 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.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse für ein Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit einem Gehäuse zum Umschließen mindestens einer Batteriezelle des Batteriemoduls, mindestens einer in mindestens einer Gehäusewand des Gehäuses eingebrachten und von der Batteriezelle weg geöffneten Kühlnut zum Durchleiten eines Kühlfluid und einem als ebene Platte ausgestalteten und mit der Gehäusewand verbundenen Deckel zum Schließen der mindestens einen Kühlnut.
  • Das Gehäuse für das Batteriemodul kann auf einem Rechteckrohr basieren, in das Batteriezellen eingesetzt werden können und das danach stirnseitig verschlossen wird. Dadurch, dass in dem das Gehäuse ausbildenden Material bereits die mindestens eine Kühlnut eingebracht ist, kann ein Wärmeleitungswiderstand zwischen den Batteriezellen und dem Kühlfluid in den Kühlnuten besonders gering gehalten werden. Jedenfalls kann ein Wärmeleitwiderstand zwischen einer Kühlkanäle mit einem durchströmten Kühlfluid aufweisenden externen Kühlplatte eines Kühlsystems und dem Material des Gehäuses eingespart werden. Stattdessen ist das durch die Kühlnut strömende Kühlfluid in direktem Kontakt mit dem Material des Gehäuses. Die Kühlleistung kann dadurch verbessert sein.
  • Die mindestens eine Kühlnut ist hierbei von den Batteriezellen beziehungsweise einem von dem Gehäuse begrenzten Innenraum zur Aufnahme der Batteriezellen weg nach außen geöffnet ausgeführt. Der mit der jeweiligen Gehäusewand zu verbindende Deckel kann dadurch leicht von außen auf die Gehäusewand aufgelegt und, beispielsweise durch Kleben oder Rührreibschweißen, befestigt werden. Die Montage ist dadurch einfach gehalten. Zusätzlich ist der Deckel als ebene Platte ausgestaltet, so dass abstehende Fortsätze, Rippen oder ähnliches vermieden sind. Der Deckel kann dadurch leicht aus einer als Halbzeug vorliegenden Metallplatte oder Kunststoffplatte ausschließlich durch Stanzen mit einem geeigneten Stanzwerkzeug erzeugt werden. Die Herstellungsaufwand ist dadurch sehr gering. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass das Gehäuse bereits eine für den Anwendungszweck angepasst komplexe Struktur aufweist und gegebenenfalls sowieso nachbearbeitet wird und bei der Nachbearbeitung besonders einfach die mindestens eine Kühlnut kostengünstig erzeugt werden kann, während für die Herstellung des Deckels keine weitere Bearbeitungsschritte erforderlich sind. Insbesondere bei einer örtlich verteilten Herstellung des Gehäuses einerseits und des mindestens einen Deckels andererseits lassen sich dadurch Kostenersparnisse bei der Herstellung realisieren. Durch die in der Gehäusewand ausgebildete Kühlnut kann der Deckel als kostengünstige ebene Platte ausgestaltet sein, so dass bei einem geringen Herstellungsaufwand eine Kühlung eines Batteriemoduls ermöglicht ist.
  • Insbesondere weist der Deckel eine mit der Kühlnut kommunizierende Einlassöffnung zum Zuführen des Kühlfluids und/oder eine mit der Kühlnut kommunizierende Auslassöffnung zum Abführen des Kühlfluids auf. Das Kühlfluid kann dadurch durch den Deckel hindurch zugeführt und/oder abgeführt werden. Die entsprechende Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung kann bei der Erzeugung des Deckels, insbesondere durch Stanzen, leicht mit erzeugt werden, so dass der Herstellungsaufwand gering gehalten ist.
  • Vorzugsweise ist an einem Rand der Gehäusewand eine von der Kühlnut und dem Deckel begrenzte Einlassöffnung zum Zuführen des Kühlfluids und/oder eine von der Kühlnut und dem Deckel begrenzte Auslassöffnung zum Abführen des Kühlfluids ausgebildet. Das Kühlfluid kann dadurch an dem Rand des Gehäuses, insbesondere stirnseitig oder quer zur Längserstreckung des Gehäuses, zugeführt und/oder abgeführt werden. Dadurch ist es leicht möglich mehrere identisch ausgeführte Batteriegehäuse in Reihe zu schalten und für die Temperierung der Batteriezellen in den unterschiedlichen Batteriegehäusen bauraumsparend dasselbe Kühlfluid zu verwenden. Die Auslassöffnung des einen Batteriegehäuses kann über ein bauraumsparendes, insbesondere lediglich als Dichtung ausgestaltetes, Verbindungsstück mit einer gegenüberliegenden Einlassöffnung eines anderen Batteriegehäuses fluidisch verbunden werden.
  • Besonders bevorzugt ist das Gehäuse als extrudiertes Rechteckprofil, insbesondere Rechteckrohr, ausgestaltet ist, wobei die mindestens eine Kühlnut durch Druckumformen und/oder spanende Bearbeitung erzeugt ist. Das Gehäuse, das die Batteriezellen von vier verschiedenen Seiten abdecken kann, kann dadurch kostengünstig hergestellt werden. An denjenigen Gehäusewänden, an denen die mindestens eine Kühlnut erzeugt werden soll, kann leicht eine in Vergleich zu einer Gehäusewand ohne Kühlnut dickere Materialstärke vorgesehen sein. Durch eine spanlose oder spanende Bearbeitung des Materials der dafür vorgesehenen Gehäusewand kann nach dem Extrudieren leicht die mindestens eine Kühlnut eingebracht werden. Beispielsweise kann das Gehäuse unmittelbar nach dem Extrudierschritt und vor einem Kühlschritt noch warm und leicht formbar sein, so dass vor einem Verfestigen des Gehäuses in dem Kühlschritt leicht die mindestens eines Kühlnut spanlos in die Gehäusewand eingeprägt werden kann. Es ist aber auch möglich erst nach dem Verfestigen des Gehäuses die Kühlnut, beispielsweise durch Fräsen, spanend zu erzeugen.
  • Insbesondere ist die mindestens eine Gehäusewand zur Abtragung mechanischer Lasten ausgestaltet, wobei ein die mindestens eine Kühlnut begrenzendes Material der Gehäusewand zur Versteifung der Gehäusewand beiträgt. Die Gehäusewand kann dazu dimensioniert sein, nicht nur das Eigengewicht und die Gewichtskraft der aufgenommenen Batteriezellen abzutragen, sondern auch beispielsweise bei einem Unfall („Crash“) auftretender Aufprallkräfte, um die Batteriezellen vor einer mechanischen Beschädigung zu schützen. Insbesondere ist das Gehäuse entlang einer Extrusionsrichtung lasttragend, wobei die mindestens eine Kühlnut in einem oder mehreren Lastpfaden des Gehäuses vorgesehen ist. Über die Gestaltung der mindestens einen Kühlnut kann das mechanische Verhalten des Gehäuses bei der Lastabtragung beeinflusst werden. Beispielsweise kann mit Hilfe der Kühlnut eine Sollbruchstelle für ein Crash-Ereignis vorgesehen werden, um Aufprallenergie durch die Aufnahme von Formänderungsarbeit zu dissipieren und die in dem Gehäuse aufgenommenen Batteriezellen zu schützen.
  • Vorzugsweise weist die Kühlnut eine von einem geraden Verlauf abweichende Formgestaltung auf, wobei insbesondere die Kühlnut winkelig und/oder zick-zack-förmig und/oder mäanderartig verläuft. Die Geometrie und/oder der Verlauf der Kühlnut kann prinzipiell frei gewählt werden. Dadurch kann die Kontaktfläche des Kühlfluids mit dem zu temperierenden Material des Gehäuses deutlich vergrößert werden. Die Kühlleistung kann dadurch erhöht werden. Zudem kann das Kühlfluid mit einer höheren Temperatur abgeführt werden, was die passive Kühlung des Kühlfluid, beispielsweise in einem Frontkühler des Kraftfahrzeugs, erleichtert und effizienter macht. Der Wirkungsgrad der Kühlung kann dadurch verbessert werden.
  • Besonders bevorzugt weist der Deckel eine auf einen Zentrierkörper der Gehäusewand aufsteckbare Zentrieröffnung auf. Die Zentrieröffnung kann beispielsweise auf den Zentrierkörper aufgesteckt beziehungsweise aufgepresst werden. Dadurch kann die Relativlage des Deckels relativ zu der die Kühlnut aufweisenden abzudeckenden Gehäusewand präzise vorgegeben werden, ohne dass der Deckel hierzu abstehende Ansätze oder Laschen aufweisen muss. Die Zentrierung und die Lagepositionierung des Deckels kann dadurch ohne eine komplizierte dreidimensionale Formgestaltung des Deckels erreicht werden.
  • Insbesondere weist das Gehäuse mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier, mit mindestens einer Kühlnut, vorzugsweise mit mehreren Kühlnuten, versehene Gehäusewände auf. Im Gegensatz zu einer zur Kühlung der Batteriezellen vorgesehenen mit einem Kühlfluid durchströmten Unterbodenplatte kann das Gehäuse und die darin aufgenommenen Batteriezellen von mehr als einer Seite gekühlt werden. Die Kühlleistung und/oder die Kühleffizienz kann dadurch verbessert sein.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einer Batteriezelle und einem Batteriegehäuse, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zum Umschließen der mindestens einen Batteriezelle, wobei die Batteriezelle direkt oder ausschließlich nur über eine Wärmeleitschicht an der mit der mindestens einen Kühlnut versehenen Gehäusewand anliegt. Ein Wärmeübertragungswiderstand zwischen der zu kühlenden Batteriezelle und dem über die Gehäusewand mediendicht getrennten Kühlfluid kann dadurch minimiert werden. Durch die in der Gehäusewand ausgebildete Kühlnut kann der Deckel als kostengünstige ebene Platte ausgestaltet sein, so dass bei einem geringen Herstellungsaufwand eine Kühlung eines Batteriemoduls ermöglicht ist.
  • Vorzugsweise ist die einzige aktive Temperierung der mindestens einen Batteriezelle ausschließlich über den Wärmeaustausch der mindestens einen Batteriezelle mit dem in der mindestens einen Kühlnut strömbaren Kühlfluid vorgesehen. Eine zusätzliche Unterbodenkühlung kann eingespart werden und/oder durch die Kühlleistung der in der mindestens einen Gehäusewand eingebrachten mindestens einen Kühlnut ersetzt sein. Der konstruktive Aufwand für die Kühlung der Batteriezellen kann dadurch kostengünstig gering gehalten werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
    • 1: eine schematische perspektivische Ansicht eines Batteriegehäuses vor der Montage,
    • 2: eine schematische perspektivische Ansicht des Batteriegehäuses aus 1 nach der Montage,
    • 3: eine schematische Schnittansicht des Batteriegehäuses aus 2 und
    • 4: eine schematische Frontalansicht einer alternativen Ausführungsform des Batteriegehäuses aus 2.
  • Das in 1 dargestellte Batteriegehäuse 10 kann zur Aufnahme von Batteriezellen verwendet werden, um ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs auszubilden. Das Batteriegehäuse 10 weist ein aus einen Kunststoffmaterial hergestellte extrudiertes Gehäuse 12 auf, das als Rechteckprofil ausgestaltet ist und in dem beispielsweise eine der Extrusionsrichtung entsprechenden in Längsrichtung des Gehäuses 12 verlaufende Trennwand 14 eingesetzt ist, um das Gehäuse 12 in mehrere Teilkammern zu unterteilen. Beispielsweise in einer oberen Gehäusewand 16 des Gehäuses 12 sind mehrere insbesondere mäanderförmig verlaufende Kühlnuten 18 eingebracht, durch die ein Kühlfluid strömen kann, um das Gehäuse 12 und die in dem Gehäuse 12 aufgenommenen Batteriezellen zu temperieren, insbesondere zu kühlen und/oder vorzuwärmen. Mit Hilfe eines als ebene Platte ausgestalteten Deckels 20 können die Kühlnuten 18 geschlossen werden, so dass ein durch die Kühlnut 18 der Gehäusewand 16 und einer Unterseite des Deckels 20 begrenzter Kühlkanal ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ kann auch in den anderen Wänden des Gehäuses 12 mindestens eine von einem anderen Deckel verschlossene Kühlnut vorgesehen sein, um die Kühlleistung zur Kühlung der Batteriezellen entsprechend zu erhöhen, wie in 3 dargestellt ist.
  • Wie in 2 dargestellt ist, kann der Deckel 20 eine Zentrieröffnung 22 aufweisen, die auf einen in der Gehäusewand 16 ausgebildeten Zentrierkörper 24 aufgesteckt werden kann, um eine definierte Relativlage des Deckels 22 relativ zu der Gehäusewand 16 vorzugeben, ohne dass der Deckel 20 aus der Materialebene des Deckels 20 abstehende Erhebungen benötigt. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Deckel 20 für die verschiedenen Kühlkanäle jeweils eine Einlassöffnung 26 und eine Auslassöffnung 28 auf, über die das Kühlfluid orthogonal zur Extrusionsrichtung des Gehäuses 12 eintreten und austreten kann. Über die Einlassöffnung 26 und die Auslassöffnung 28 kann der jeweilige Kühlkanal an einen Kühlkreislauf angeschlossen werden, der insbesondere einen externen Wärmetauscher, insbesondere ein durch Fahrtwind luftgekühlter Frontkühler des Kraftfahrzeugs, aufweist, um das erwärmte Kühlfluid wieder auf eine gewünschte Betriebstemperatur, vorzugsweise passiv, abzukühlen.
  • Wie in 4 dargestellt ist kann zusätzlich oder alternativ zumindest einer der Einlassöffnungen 26 und/oder einer der Auslassöffnungen 28 an der Stirnseite des Gehäuses 12 vorgesehen sein. Hierzu kann die zugehörige Kühlnut 18 zur Stirnseite des Gehäuse 12 hin geöffnet ausgeführt sein, so dass sich an der Stirnseite des Gehäuses zwischen der Kühlnut 18 und dem Deckel 20 die Einlassöffnung 26 beziehungsweise die Auslassöffnung 28 ergibt.
  • 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 102017104710 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Batteriegehäuse für ein Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse (12) zum Umschließen mindestens einer Batteriezelle des Batteriemoduls, mindestens einer in mindestens einer Gehäusewand (16) des Gehäuses (12) eingebrachten und von der Batteriezelle weg geöffneten Kühlnut (18) zum Durchleiten eines Kühlfluid und einem als ebene Platte ausgestalteten und mit der Gehäusewand (16) verbundenen Deckel (20) zum Schließen der mindestens einen Kühlnut (18).
  2. Batteriegehäuse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (20) eine mit der Kühlnut (18) kommunizierende Einlassöffnung (26) zum Zuführen des Kühlfluids und/oder eine mit der Kühlnut (18) kommunizierende Auslassöffnung (28) zum Abführen des Kühlfluids aufweist.
  3. Batteriegehäuse nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass an einem Rand der Gehäusewand (16) eine von der Kühlnut (18) und dem Deckel (20) begrenzte Einlassöffnung (26) zum Zuführen des Kühlfluids und/oder eine von der Kühlnut (18) und dem Deckel (20) begrenzte Auslassöffnung (28) zum Abführen des Kühlfluids ausgebildet ist.
  4. Batteriegehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) als extrudiertes Rechteckprofil, insbesondere Rechteckrohr, ausgestaltet ist, wobei die mindestens eine Kühlnut (18) durch Druckumformen und/oder spanende Bearbeitung erzeugt ist.
  5. Batteriegehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gehäusewand (16) zur Abtragung mechanischer Lasten ausgestaltet ist, wobei ein die mindestens eine Kühlnut (18) begrenzendes Material der Gehäusewand (16) zur Versteifung der Gehäusewand (16) beiträgt.
  6. Batteriegehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlnut (18) eine von einem geraden Verlauf abweichende Formgestaltung aufweist, wobei insbesondere die Kühlnut (18) winkelig und/oder zick-zack-förmig und/oder mäanderartig verläuft.
  7. Batteriegehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (20) eine auf einen Zentrierkörper (24) der Gehäusewand (16) aufsteckbare Zentrieröffnung (22) aufweist.
  8. Batteriegehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass Gehäuse (12) mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier, mit mindestens einer Kühlnut (18), vorzugsweise mit mehreren Kühlnuten (18), versehene Gehäusewände (16) aufweist.
  9. Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einer Batteriezelle und einem Batteriegehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Umschließen der mindestens einen Batteriezelle, wobei die Batteriezelle direkt oder ausschließlich nur über eine Wärmeleitschicht an der mit der mindestens einen Kühlnut (18) versehenen Gehäusewand (16) anliegt.
  10. Batteriemodul nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die einzige aktive Temperierung der mindestens einen Batteriezelle ausschließlich über den Wärmeaustausch der mindestens einen Batteriezelle mit dem in der mindestens einen Kühlnut (18) strömbaren Kühlfluid vorgesehen ist.
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