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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Batteriepacks, die Strukturen aus verschäumbaren Polymerschäumen beinhalten.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Der Wunsch, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, ist hinlänglich dokumentiert. Deshalb werden elektrifizierte Fahrzeuge entwickelt, welche die Abhängigkeit von Brennkraftmaschinen reduzieren oder vollständig beseitigen. Im Allgemeinen unterscheiden sich elektrifizierte Fahrzeuge dadurch von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, dass sie selektiv durch batteriebetriebene elektrische Maschinen mit Leistung versorgt werden. Herkömmliche Kraftfahrzeuge sind im Gegensatz dazu vollständig auf die Brennkraftmaschine angewiesen, um das Fahrzeug anzutreiben.
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Ein Hochspannungsbatteriepack versorgt die elektrischen Maschinen und andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs typischerweise mit Leistung. Eine Gehäusebaugruppe des Batteriepacks nimmt eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die Energie speichern, um diese elektrischen Verbraucher mit Leistung zu versorgen. Verschiedene andere Innenkomponenten, einschließlich unter anderem ein batterieelektrisches Steuermodul (battery electric control module - BECM), ein gebusste elektrische Zentrale (bussed electrical center - BEC), Verkabelung und E/A-Verbinder, müssen ebenfalls innerhalb der Gehäusebaugruppe untergebracht werden. Es gibt anhaltende Bemühungen, die Menge an Verbindungselementen, Befestigungselementen, Teilen und die Montagezeit des Batteriepacks zu verringern.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Batteriepack gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem ein Batteriearray, ein elektrisches Verteilungssystem (electric distribution system - EDS) und ein verschäumbares Polymerschaumgehäuse, das jedes des Batteriearrays und des EDS einkapselt.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Batteriepacks ist das verschäumbare Polymerschaumgehäuse aus einem verschäumbaren Epoxid, einem verschäumbaren Polyurethan oder einem verschäumbaren Silikon hergestellt.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Batteriepacks enthalten die Batteriepacks eine Vielzahl von Eingangs-/Ausgangsverbindern. Die Verkabelung verbindet die Vielzahl von Eingangs-/Ausgangsverbindern mit der BEC.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks liegt die Vielzahl von Eingangs-/Ausgangsverbindern außerhalb des verschäumbaren Polymerschaumgehäuses frei.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist das Batteriearray benachbart zu einer Wärmetauscherplatte positioniert.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist ein Wärmeleitmaterial zwischen dem Batteriearray und der Wärmetauscherplatte angeordnet.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist die Wärmetauscherplatte innerhalb des verschäumbaren Polymerschaums eingekapselt.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist eine Sammelschiene oder Verkabelung relativ zu einem Abschnitt des Batteriearrays durch eine Halteklammer gesichert.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks bildet das verschäumbare Polymerschaumgehäuse einen Abstandshalter, der sich innerhalb einer Lücke erstreckt, die zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle des Batteriearrays gebildet ist.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks beinhaltet das Batteriepack ein elektronisches Batteriesteuermodul (BECM) und eine gebusste elektrische Zentrale (BEC), und das verschäumbare Polymerschaumgehäuse kapselt jedes des Batteriearrays, des EDS, des BECM und der BEC ein.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriepacks gemäß einem anderen beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem Zusammenbauen einer Vielzahl von Komponenten in ein Batteriesystem, Positionieren des Batteriesystems in einem Hohlraum einer Formbaugruppe und Einführen eines verschäumbaren Polymerschaums in den Hohlraum. Der verschäumbare Polymerschaum verschäumt und härtet innerhalb des Hohlraums aus, um ein Gehäuse zu bilden, welches das Batteriesystem im Wesentlichen einkapselt.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Verfahrens beinhaltet das Zusammenbauen der Vielzahl von Komponenten Halten einer Sammelschiene oder Verkabelung relativ zu dem Batteriesystem mit einer Halteklammer.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren beinhaltet die Halteklammer eine Basis, ein Paar von Halteschenkeln zum Halten der Sammelschiene oder der Verkabelung und ein Paar von Positionierungsschenkeln zum Beibehalten einer Positionierung der Halteklammer relativ zu dem Batteriesystem oder der Formbaugruppe.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Einführen des verschäumbaren Polymerschaums Einspritzen des verschäumbaren Polymerschaums durch einen Anguss der Formbaugruppe.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Einführen des verschäumbaren Polymerschaums Entlüften von Luft durch eine Entlüftungsöffnung der Formbaugruppe.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren beinhaltet der verschäumbare Polymerschaum ein verschäumbares Epoxid, ein verschäumbares Polyurethan oder ein verschäumbares Silikon.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren füllt der verschäumbare Polymerschaum eine Vielzahl von Lücken zwischen benachbarten Batteriezellen eines Batteriearrays des Batteriesystems aus.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren kapselt das Gehäuse im Wesentlichen jedes von einem Batteriearray, einem elektronischen Batteriesteuermodul (BECM), einer gebussten elektrischen Zentrale (BEC) und einem elektrischen Verteilungssystem (EDS) des Batteriesystems ein.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren liegt ein Eingangs-/Ausgangsverbinder des Batteriesystems außerhalb des Gehäuses frei.
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In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Verfahren ist die Formbaugruppe eine zweiteilige Formbaugruppe.
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Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorstehenden Absätze, die Patentansprüche oder die nachstehende Beschreibung und die nachstehenden Zeichnungen, einschließlich ihrer verschiedenen Aspekte oder jeweiligen individuellen Merkmale, können unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination betrachtet werden. In Verbindung mit einer Ausführungsform beschriebene Merkmale sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, sofern derartige Merkmale nicht unvereinbar sind.
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Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Die der detaillierten Beschreibung beigefügten Zeichnungen lassen sich kurzgefasst wie folgt beschreiben.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang eines elektrifizierten Fahrzeugs.
- 2 veranschaulicht ein Batteriepack eines elektrifizierten Fahrzeugs.
- Die 3 und 4 veranschaulichen ausgewählte Abschnitte eines Batteriesystems des Batteriepacks aus 2. Ein Gehäuse des Batteriepacks ist in den 3 und 4 entfernt, um die Komponenten des Batteriesystems zu veranschaulichen.
- 5 veranschaulicht schematisch ein verschäumbares Polymerschaumgehäuse, das positioniert ist, um die Lücken zwischen benachbarten Batteriezellen eines Batteriesystems zu füllen.
- Die 6, 7, 8 und 9 veranschaulichen schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriepacks.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Diese Offenbarung legt ausführlich beispielhafte Batteriepackausgestaltungen zur Verwendung in elektrifizierten Fahrzeugen dar. Ein beispielhaftes Batteriepack kann ein Batteriesystem und ein verschäumbares Polymerschaumgehäuse beinhalten, welches das Batteriesystem im Wesentlichen einkapselt. Ein verschäumbarer Polymerschaum kann in eine Form eingeführt werden, verschäumen und dann rund um das Batteriesystem aushärten, um das Gehäuse zu bilden. Diese und andere Merkmale werden in den folgenden Absätzen dieser detaillierten Beschreibung ausführlicher erörtert.
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1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang 10 für ein elektrifiziertes Fahrzeug 12. Auch wenn dieses als Hybridelektrofahrzeug (hybrid electric vehicle - HEV) dargestellt ist, versteht es sich, dass die hier beschriebenen Konzepte nicht auf HEVs beschränkt sind und sich auf andere elektrifizierte Fahrzeuge ausdehnen könnten, die unter anderem Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (plug-in hybrid electric vehicles - PHEVs), Batterieelektrofahrzeuge (battery electric vehicles - BEVs), Brennstoffzellenfahrzeuge usw. beinhalten.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Antriebsstrang 10 um ein Antriebsstrangsystem mit Leistungsverzweigung, das ein erstes und ein zweites Antriebssystem einsetzt. Das erste Antriebssystem beinhaltet eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor 14 und einem Generator 18 (d. h. eine erste elektrische Maschine). Das zweite Antriebssystem beinhaltet mindestens einen Elektromotor 22 (d. h. eine zweite elektrische Maschine), den Generator 18 und ein Batteriepack 24. In diesem Beispiel wird das zweite Antriebssystem als ein elektrisches Antriebssystem des Antriebsstrangs 10 betrachtet. Das erste und das zweite Antriebssystem sind jeweils in der Lage, ein Drehmoment zum Antreiben von einem oder mehreren Sätzen von Fahrzeugantriebsrädern 28 des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu erzeugen. Wenngleich in 1 eine Konfiguration mit Leistungsverzweigung dargestellt ist, erstreckt sich die vorliegende Offenbarung auf ein beliebiges Hybrid- oder Elektrofahrzeug, einschließlich Vollhybrid-, Parallelhybrid-, Reihenhybrid-, Mildhybrid- oder Mikrohybridfahrzeugen.
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Der Verbrennungsmotor 14, bei dem es sich um eine Brennkraftmaschine handeln kann, und der Generator 18 können durch eine Leistungsübertragungseinheit 30, wie etwa einen Planetenradsatz, verbunden sein. Natürlich können andere Arten von Leistungsübertragungseinheiten, einschließlich anderer Zahnradsätze und Getriebe, verwendet werden, um den Verbrennungsmotor 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.
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Der Generator 18 kann durch den Verbrennungsmotor 14 über die Leistungsübertragungseinheit 30 angetrieben werden, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 18 kann alternativ als Elektromotor funktionieren, um elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln, wodurch ein Drehmoment an eine Welle 38 ausgegeben 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.
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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 beinhalten, der eine Vielzahl von Zahnrädern 46 aufweist. Andere Leistungsübertragungseinheiten können ebenfalls geeignet sein. Die Zahnräder 46 übertragen Drehmoment von dem Motor 14 auf ein Differential 48, um letztlich den Fahrzeugantriebsrädern 28 Traktion bereitzustellen. Das Differenzial 48 kann eine Vielzahl von Zahnrädern beinhalten, welche die Übertragung von Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 28 ermöglichen. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 über das Differential 48 mechanisch an eine Achse 50 gekoppelt, um ein Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 28 zu verteilen.
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Der Elektromotor 22 kann zudem eingesetzt werden, um die Fahrzeugantriebsräder 28 durch ein Ausgeben eines Drehmoments an eine Welle 52 anzutreiben, welche ebenfalls mit der zweiten Leistungsübertragungseinheit 44 verbunden ist. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform wirken der Elektromotor 22 und der Generator 18 als Teil eines regenerativen Bremssystems, in dem sowohl der Elektromotor 22 als auch der Generator 18 als Elektromotoren zum Ausgeben von Drehmoment eingesetzt werden können, zusammen. Beispielsweise können der Elektromotor 22 und der Generator 18 jeweils eine elektrische Leistung an das Batteriepack 24 ausgeben.
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Bei dem Batteriepack 24 handelt es sich um eine beispielhafte Batterie eines elektrifizierten Fahrzeugs. Bei dem Batteriepack 24 kann es sich um eine Hochspannungstraktionsbatterie handeln, die eine Vielzahl von Batteriearrays 25 (d. h. Batteriebaugruppen oder Gruppierungen von Batteriezellen) beinhaltet, die in der Lage ist, eine elektrische Leistung auszugeben, um den Elektromotor 22, den Generator 18 und/oder andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu betreiben, um eine Leistung bereitzustellen, um die Räder 28 anzutreiben. Es könnten auch andere Arten von Energiespeichervorrichtungen und/oder Ausgabevorrichtungen verwendet werden, um das elektrifizierte Fahrzeug 12 mit einer elektrischen Leistung zu versorgen.
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In einer Ausführungsform weist das elektrifizierte Fahrzeug 12 zwei grundlegende Betriebsmodi auf. Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann in einem Elektrofahrzeugmodus (Electric Vehicle - EV) betrieben werden, bei dem der Elektromotor 22 verwendet wird (im Allgemeinen ohne Unterstützung von dem Verbrennungsmotor 14), um das Fahrzeug anzutreiben, wodurch der Ladezustand des Batteriepacks 24 unter bestimmten Fahrmustern/Zyklen bis zur maximal zulässigen Entladerate entladen wird. Der EV-Modus ist ein Beispiel einer Entladebetriebsart für das elektrifizierte Fahrzeug 12. Während des EV-Modus kann sich der Ladezustand des Batteriepacks 24 unter bestimmten Umständen erhöhen, beispielsweise infolge eines Zeitraums des regenerativen Bremsens. Der Verbrennungsmotor 14 ist in einem standardmäßigen EV-Modus im Allgemeinen abgeschaltet, könnte jedoch nach Bedarf auf der Grundlage eines Fahrzeugsystemzustands oder nach Maßgabe durch den Fahrzeugführer betrieben werden.
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Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann zusätzlich in einem Hybrid-Modus (HEV-Modus) betrieben werden, in welchem der Verbrennungsmotor 14 und der Elektromotor 22 jeweils zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden. Der HEV-Modus ist ein Beispiel einer Betriebsart 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 reduzieren, um den Ladezustand des Batteriepacks 24 konstant oder ungefähr konstant zu halten, indem es den Antrieb durch den Verbrennungsmotor 14 erhöht. Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung neben dem EV- und dem HEV-Modus in weiteren Betriebsmodi betrieben werden.
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2 veranschaulicht schematisch ein Batteriepack 24, das in einem elektrifizierten Fahrzeug eingesetzt werden kann. Beispielsweise könnte das Batteriepack 24 als Teil des Antriebsstrangs 10 des elektrifizierten Fahrzeugs 12 aus 1 integriert sein. 2 ist eine zusammengebaute, perspektivische Ansicht des Batteriepacks 24.
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Das Batteriepack 24 kann ein Batteriesystem 54 und ein verschäumbares Polymerschaumgehäuse 58 beinhalten. Das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 kann das Batteriesystem 54 einkapseln. In einer Ausführungsform kapselt das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 einen Großteil der Komponenten des Batteriesystems 54 vollständig ein, wie nachstehend näher erörtert.
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Das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 kann ein abgedichtetes Gehäuse sein und innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung eine beliebige Größe, Form und Konfiguration verkörpern. In einer Ausführungsform ist das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 rechteckig. Das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 könnte jedoch alternativ dreieckig, rund, unregelmäßig usw. sein.
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Das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 kann aus einem verschäumbaren Epoxid, einem verschäumbaren Polyurethan, einem verschäumbaren Silikon, einem verschäumbaren Polypropylen, einem verschäumbaren Polystyrol oder einem verschäumbaren Polyethylen hergestellt sein. Allgemein wird jeder der vorstehenden verschäumbaren Polymerschäume als relativ strukturelle, geschäumte Materialien auf Polymerbasis betrachtet. Zusätzlich kann jeder der vorstehenden verschäumbaren Polymerschäume dazu konfiguriert sein, feuerbeständige Eigenschaften, isolierende Eigenschaften, dielektrische Eigenschaften, niedrige Viskositätseigenschaften, niedrige Formtemperatureigenschaften und niedrige Aushärtungszeiteigenschaften zu beinhalten.
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Das Batteriesystem 54 ist in 3 mit abgenommenem verschäumbarem Polymerschaumgehäuse 58 gezeigt, das nun unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben wird. Das Batteriesystem 54 des Batteriepacks 24 beinhaltet eine Vielzahl von Batteriezellen 56, die Energie zum Versorgen verschiedener elektrischer Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 mit Leistung speichern. Das Batteriesystem 54 könnte eine beliebige Anzahl von Batteriezellen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung beinhalten. Daher ist diese Offenbarung nicht auf die in 3 gezeigte genaue Batteriesystemkonfiguration beschränkt.
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Die Batteriezellen 56 können nebeneinander gestapelt sein, um eine Gruppierung von Batteriezellen 56 zu bilden, die mitunter als Batteriearray bezeichnet wird. In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Batteriezellen 56 um prismatische Lithiumionenzellen. Jedoch könnten alternativ Batteriezellen, die andere Geometrien (zylindrisch, beutelförmig usw.), andere Chemikalien (Nickel-Metallhydrid, Blei-Säure usw.) oder beides aufweisen, innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung verwendet werden.
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Das in 3 abgebildete Batteriesystem 54 beinhaltet ein erstes Batteriearray 25A, ein zweites Batteriearray 25B, ein drittes Batteriearray 25C, ein viertes Batteriearray 25D, ein fünftes Batteriearray 25E und ein sechstes Batteriearray 25F. Obwohl das Batteriesystem 54 als sechs Batteriearrays beinhaltend dargestellt ist, könnte das Batteriepack 24 eine größere oder kleinere Anzahl von Batteriearrays beinhalten und dennoch in den Umfang dieser Offenbarung fallen. Wenn hierin nicht anders angegeben, kann sich das Bezugszeichen „25“, wenn es ohne unmittelbar nach dem Bezugszeichen folgenden alphabetischen Bezeichner verwendet wird, auf ein beliebiges der Batteriearrays 25A bis 25F beziehen.
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Die Batteriezellen 56 des ersten Batteriearrays 25A sind entlang einer ersten Längsachse A1 verteilt, die Batteriezellen 56 des zweiten Batteriearrays 25B sind entlang einer zweiten Längsachse A2 verteilt, die Batteriezellen 56 des dritten Batteriearrays 25C sind entlang einer dritten Längsachse A3 verteilt, die Batteriezellen 56 des vierten Batteriearrays 25D sind entlang einer vierten Längsachse A4 verteilt, die Batteriezellen 56 des fünften Batteriearrays 25E sind entlang einer fünften Längsachse A5 verteilt und die Batteriezellen 56 des sechsten Batteriearrays 25F sind entlang einer sechsten Längsachse A6 verteilt. In einer Ausführungsform sind die Längsachsen A1 bis A6 seitlich voneinander beabstandet und parallel zueinander, sobald die Batteriearrays 25 innerhalb des verschäumbaren Polymerschaumgehäuses 58 eingekapselt sind.
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In einer Ausführungsform kann wahlweise ein Haltegurt 65 verwendet werden, um die Batteriezellen 56 jedes Batteriearrays 25 relativ zueinander in der X-Achsen- und der Y-Achsenrichtung zu halten (siehe 4). Ein oder mehrere Haltegurte 65 können um jedes Batteriearray 25 gewickelt sein, um die Batteriezellen 56 zu halten. Die Haltegurte 65 können ein aus Polyesterfilamentgarn hergestellter Bandgurt sein, der zu einem einzelnen Gurt verwoben ist, zum Beispiel ähnlich einer Zusammensetzung eines Sicherheitsgurtes. Andere strukturelle Zusammensetzungen für die Haltegurte 65 werden ebenfalls innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung in Betracht gezogen, einschließlich Gurten auf Metall- oder Polymerbasis mit durchgehenden Fasern, wie etwa Glas oder Kohlenstoff, die über ihre Länge verlaufen.
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Jedes Batteriearray 25 des Batteriesystems 54 kann derartig in Bezug zu einer oder mehreren Wärmetauscherplatten (siehe Merkmale 60A, 60B) positioniert sein, die mitunter als Kälteplatten oder Kälteplattenbaugruppen bezeichnet werden, dass die Batteriezellen 56 mindestens eine Wärmetauscherplatte entweder direkt berühren oder sich in unmittelbarer Nähe zu dieser befinden. In einer Ausführungsform sind die Batteriearrays 25 auf mindestens einer Wärmetauscherplatte positioniert. Daher stützt die Wärmetauscherplatte die Batteriezellen 56 jedes Batteriearrays 25 in der Z-Achsenrichtung zumindest teilweise.
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In einer Ausführungsform teilen sich die Batteriearrays 25A, 25B, 25C eine erste Wärmetauscherplatte 60A und die Batteriearrays 25D, 25E und 25F teilen sich eine zweite Wärmetauscherplatte 60B. Alternativ könnte jedes Batteriearray 25 relativ zu seiner eigenen Wärmetauscherplatte positioniert sein, oder alle Batteriearrays können sich eine einzelne Wärmetauscherplatte teilen.
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Ein Wärmeleitmaterial (thermal interface material - TIM) 62 (am besten in 4 gezeigt) kann wahlweise derartig zwischen den Batteriearrays 25 und den Wärmetauscherplatten 60A, 60B positioniert sein, dass freiliegende Flächen der Batteriezellen 56 das TIM 62 direkt berühren. Das TIM 62 hält den Wärmekontakt zwischen den Batteriezellen 56 und den Wärmetauscherplatten 60A, 60B aufrecht, wodurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen diesen benachbarten Komponenten während Wärmeübertragungsereignissen erhöht wird.
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Das TIM 62 kann aus einem beliebigen bekannten wärmeleitenden Material bestehen. In einer Ausführungsform beinhaltet das TIM 62 ein Epoxidharz. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das TIM 62 ein Material auf Silikonbasis. Andere Materialien, einschließlich Wärmeleitpasten, können alternativ oder zusätzlich das TIM 62 bilden.
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Die Wärmetauscherplatten 60A, 60B können Teil eines Flüssigkeitskühlsystems sein, das dem Batteriesystem 54 zugeordnet ist und zum thermischen Verwalten der Batteriezellen 56 jedes Batteriearrays 25 konfiguriert ist. Zum Beispiel kann Wärme während Ladevorgängen, Entladevorgängen, extremen Umgebungsbedingungen oder anderen Bedingungen von den Batteriezellen 56 erzeugt und freigesetzt werden. Es kann wünschenswert sein, die Wärme von dem Batteriesystem 54 abzuführen, um die Kapazität, Lebensdauer und Leistung der Batteriezellen 56 zu verbessern. Die Wärmetauscherplatten 60A, 60B sind dazu konfiguriert, die Wärme aus den Batteriezellen 56 abzuleiten. Mit anderen Worten können die Wärmetauscherplatten 60A, 60B als Wärmesenken fungieren, um Wärme von den Wärmequellen (d. h. den Batteriezellen 56) zu entfernen. Die Wärmetauscherplatten 60A, 60B könnten alternativ dazu eingesetzt werden, die Batteriezellen 56 zu erwärmen, wie etwa während extrem kalter Umgebungsbedingungen.
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Das Batteriesystem 54 kann eine Vielzahl von elektrischen Komponenten (siehe Merkmale 64-72) beinhalten, die eine elektrische Baugruppe des Batteriesystems 54 herstellen. Die elektrischen Komponenten können eine gebusste elektrische Zentrale (BEC) 64, ein batterieelektrisches Steuermodul (BECM) 66, ein elektrisches Verteilungssystem 68 beinhalten, das einen oder mehrere Kabelbäume 69, Verkabelung 70, eine Vielzahl von Eingangs-/Ausgangs(E/A)-Verbindern 72 usw. beinhalten kann. In einer Ausführungsform sind, sobald sie innerhalb des verschäumbaren Polymerschaumgehäuses 58 eingekapselt sind, nur die E/A-Verbinder 72 (und Abschnitte einer Verbinderkopfhalterung 74, welche die E/A-Verbinder 72 trägt) unbedeckt von dem verschäumbaren Polymerschaumgehäuse 58 und liegen daher außerhalb des verschäumbaren Polymerschaumgehäuses 58 frei (siehe 2).
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Wie am besten in 5 gezeigt, die das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 in einem ausgehärteten Zustand veranschaulicht, bedeckt und füllt das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 alle Lücken um und zwischen den Batteriezellen 56 der Batteriearrays 25. Zum Beispiel kann das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 während des Aushärtungsprozesses Abstandshalter 76 bilden. Die Abstandshalter 76 sind zwischen benachbarten Batteriezellen 56 der Batteriearrays 25 gebildet und sind somit zum Füllen von Lücken oder Räumen innerhalb des Batteriesystems 54 konfiguriert. Alternativ können dünne Abstandshalter zwischen den Batteriezellen 56 vorinstalliert sein, wenn die Batteriearrays 25 zusammengebaut sind. Daher werden alle Teile, die innerhalb des verschäumbaren Polymerschaumgehäuses 58 eingekapselt sind, mit wenig bis keinen Lücken oder Abständen dazwischen zusammengefügt. Diese lückenlose Anordnung zwischen den eingekapselten Komponenten des Batteriesystems 54 kann dabei helfen, die Komponenten zu halten, während gleichzeitig die Haltbarkeit, Energieabsorption und Lastverteilung verbessert werden.
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Die 6, 7, 8 und 9 veranschaulichen unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1-5 schematisch ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen des Batteriepacks 24 aus 2. Unter Bezugnahme auf 6 können zunächst die Komponenten des Batteriesystems 54 des Batteriepacks 24 zusammengebaut und in ihren relativen Positionen in Bezug aufeinander gestuft werden. Der Zusammenbau des Batteriesystems 54 kann Folgendes beinhalten: Zusammenbauen jedes Batteriearrays 25 durch Zusammenstapeln der Batteriezellen 56, Positionieren der Batteriearrays 25 an den Wärmetauscherplatten 60A, 60B (mit oder ohne dazwischen angebrachtem TIM 62), Sichern des BECM 66 an Ort und Stelle über den Batteriearrays 25, Sichern der BEC 64 an Ort und Stelle über den Batteriearrays 25, Anbringen des EDS 68 sowohl an dem BECM 66 als auch den Batteriearrays 25, Verbinden der Verkabelung 70 mit der BEC 64, Verbinden der E/A-Verbinder 72 mit der Verbinderkopfhalterung 74 und Verbinden der Verkabelung 70 mit den E/A-Verbindern 72.
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In einer Ausführungsform, wie in 7 gezeigt, können eine oder mehrere Halteklammern 78 verwendet werden, um Komponenten 80 des Batteriesystems 54 zu positionieren und vorübergehend an Ort und Stelle zu halten, bevor das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 um das Batteriesystem 54 gebildet wird. Die Komponenten 80 können Sammelschienen (zum elektrischen Verbinden der Batteriezellen 56 und/oder benachbarten Batteriearrays 25), Verkabelungen (wie etwa die Verkabelung 70 oder die Kabelbäume 69) oder andere elektrische Komponenten des Batteriesystems 54 oder eine beliebige Kombination dieser Komponenten sein.
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Jede Halteklammer 78 kann eine Basis 82, ein Paar von Halteschenkeln 84 und ein Paar von Positionierungsschenkeln 86 beinhalten. Die Halteschenkel 84 können senkrecht von der Basis 82 wegragen und die Positionierungsschenkel 86 können quer von der Basis 82 wegragen. In einer Ausführungsform befinden sich die Halteschenkel 84 zwischen den Positionierungsschenkeln 86 und werden daher von den Positionierungsschenkeln 86 flankiert.
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Die Halteschenkel 84 können verwendet werden, um die Komponenten 80 zu halten, und die Positionierungsschenkel 86 können verwendet werden, um eine Positionierung der Halteklammer 78 relativ zu dem Batteriesystem 54 und einer Formbaugruppe 88, die das Batteriesystem 54 aufnehmen kann, aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform ist die Basis 82 zwischen benachbarten Batteriezellen 56 eines Batteriearrays 25 einsetzbar, und die Positionierungsschenkel 86 sind so positioniert, dass sie an Abschnitten des Batteriesystems 25 und/oder Abschnitten der Formbaugruppe 88 anliegen, um die Positionierung der Halteklammer 78 und der Komponente 80 relativ zu dem Batteriesystem 54 herzustellen.
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Sobald es zusammengebaut ist, kann das Batteriesystem 54 innerhalb eines Hohlraums 90 der Formbaugruppe 88 positioniert werden (siehe 6). Das Batteriesystem 54 kann durch kleine Abstandsmerkmale, Aufsteckhalterungen, die an den Wärmetauscherplatten festgehalten sind, Formen in den Wärmetauscherplatten, Endplatten oder anderweitig, oder Stiftschiebevorrichtungen an der Unterseite des Werkzeugs getragen werden, von denen jedes dazu ausgestaltet wäre, das Batteriesystem 54 im Wesentlichen über dem Boden des Formhohlraums zu halten, sodass das verschäumte Polymer in den Raum dazwischen fließen und sich darin ausdehnen kann und den unteren Abschnitt des Batteriesystems im Wesentlichen oder vollständig mit einer verschäumten Polymergrenze umschließen kann. In einer Ausführungsform ist die Formbaugruppe 88 eine zweiteilige Formbaugruppe. Die spezifische Konfiguration der Formbaugruppe 88 soll diese Offenbarung jedoch nicht einschränken.
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Als Nächstes kann, wie in 8 gezeigt, ein verschäumbarer Polymerschaum 92 in den Hohlraum 90 der Formbaugruppe 88 eingeführt werden. In einer Ausführungsform wird der verschäumbare Polymerschaum 92 entweder bei niedrigen oder hohen Drücken durch einen Anguss 94 der Formbaugruppe 88 in den Hohlraum 90 eingespritzt.
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Unter Bezugnahme auf 9 kann der verschäumbare Polymerschaum 92 damit beginnen, um das Batteriesystem 54 herum zu verschäumen, sobald er in den Hohlraum 90 eintritt. Während der Verschäumung kann der verschäumbare Polymerschaum 92 im Wesentlichen alle Lücken 96 zwischen benachbarten Batteriezellen 56 ausfüllen und kann im Wesentlichen einen Großteil der Komponenten des Batteriesystems 54 an ihrem Platz einkapseln, einschließlich der Komponenten 80, die vorübergehend durch die Halteklammern 78 gehalten werden. Eine Entlüftungsöffnung 98 der Formbaugruppe 88 kann ermöglichen, dass Luft A während der Verschäumung des verschäumbaren Polymerschaums 92 aus dem Hohlraum 90 entweicht.
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Nach einer relativ kurzen Zeitspanne beginnt der verschäumbare Polymerschaum 92 auszuhärten, wodurch das Gehäuse 58 um das Batteriesystem 54 gebildet wird. Infolge der Verschäumung und Aushärtung des verschäumbaren Polymerschaums 92 werden alle Lücken zwischen den benachbarten Batteriearrays 25, den elektrischen Bussen, dem EDS 68, der BEC 64, dem BECM 66 und den anderen internen Komponenten des Batteriesystems 54 bis hinaus zur peripheren Grenze des Hohlraums 90 gefüllt und die Batteriesystemelemente werden im Wesentlichen mit einem starren, haltbaren und widerstandsfähigen Schaumstoffgehäuse bedeckt. Das verschäumbare Polymerschaumgehäuse 58 hilft dadurch, die Batteriesystemkomponenten unter Verwendung einer minimalen Menge an Befestigungselementen zu halten. Die Verwendung des verschäumbaren Polymerschaums 92 eliminiert effektiv die Möglichkeit einer relativen Bewegung zwischen den Komponenten des Batteriesystems 54, sobald der Aushärtungsprozess abgeschlossen ist. Die Verwendung des verschäumbaren Polymerschaumgehäuses 58 kann ferner die Eliminierung verschiedener Komponenten erleichtern, die traditionell innerhalb von Batteriepacks notwendig waren, wie etwa Sammelschienenabdeckungen über den Oberseiten der Batteriearrays, Batteriezellenabstandshalter, Arrayrahmen, Arrayendplatten, Verkabelungsisolierung und das BEC-Basisgehäuse, BEC-Busse und andere tragende Komponenten, die Teil der BEC sind.
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Die Verwendung des verschäumbaren Polymerschaumgehäuses 58 ersetzt auch die Summe der herkömmlichen Komponenten, die das Gehäuse (Wanne, Abdeckung, Befestigungselemente, Dichtungen, Zugangsplatten usw.) umfassen, durch eine einzige singuläre Gehäusekomponente: das ausgehärtete verschäumte Polymerschaumgehäuse 58.
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Die beispielhaften Batteriepacks dieser Offenbarung beinhalten verschäumbare Polymerschaumgehäuse, die zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Batteriepackbaugruppen bereitstellen. Neben verschiedenen anderen Vorteilen ermöglicht das Einkapseln von Batteriesystemkomponenten innerhalb eines verschäumbaren Polymerschaumgehäuses die Reduzierung von Gesamtteilen beim Zusammenbau, erhöht die Energieabsorptionsfähigkeiten und Haltbarkeitslasten, verbessert die Wärmeleistung, erhöht den Herstellungsdurchsatz und stellt einen internen und externen Brandschutz bereit.
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Wenngleich die unterschiedlichen nicht einschränkenden Ausführungsformen als bestimmte Komponenten oder Schritte aufweisend veranschaulicht sind, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese konkreten 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.
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Es versteht sich, dass gleiche Bezugszeichen einander entsprechende oder ähnliche Elemente in den mehreren Zeichnungen kennzeichnen. Es versteht sich, dass in diesen beispielhaften Ausführungsformen zwar eine bestimmte Komponentenanordnung offenbart und veranschaulicht ist, andere Anordnungen aber ebenfalls von den Lehren dieser Offenbarung profitieren könnten.
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Die vorstehende Beschreibung ist als veranschaulichend und nicht in irgendeinem einschränkenden Sinne auszulegen. Ein Durchschnittsfachmann würde verstehen, dass bestimmte Modifikationen durch den Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung abgedeckt sein könnten. Daher sollten die nachstehenden Patentansprüche genau gelesen werden, um den wahren Schutzumfang und Inhalt der vorliegenden Offenbarung zu bestimmen.
