DE102020129654A1

DE102020129654A1 - Systematische anordnungen für traktionsbatteriepacks elektrifizierter fahrzeuge

Info

Publication number: DE102020129654A1
Application number: DE102020129654.1A
Authority: DE
Inventors: Brad Warren Probert; Micah Smith; Eric Yoo; Tarek OBEID
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-05-20
Also published as: US11876202B2; CN112803098A; US11431056B2; US20210143378A1; US20220359939A1

Abstract

Diese Offenbarung stellt systematische Anordnungen für Traktionsbatteriepacks elektrifizierter Fahrzeuge bereit. Diese Offenbarung legt ausführlich beispielhafte Batteriepackausgestaltungen zur Verwendung in elektrifizierten Fahrzeugen dar. Beispielhafte Batteriepacks können eine Gehäusebaugruppe beinhalten, die ein oder mehrere Batteriearrays unterbringt. Die Batteriearrays können effizient relativ zueinander innerhalb der Gehäusebaugruppe angeordnet sein, um einen offenen Kanal innerhalb der Gehäusebaugruppe zu bilden. Kühlmittelleitungen und/oder Verdrahtungsleitungen können innerhalb des offenen Kanals positioniert und/oder durch diesen geführt sein, um das batterieinterne Komponentenvolumen zu maximieren, ohne die Gesamtfläche der Gehäusebaugruppe zu erhöhen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Traktionsbatteriepacks elektrifizierter Fahrzeuge und insbesondere effiziente interne Anordnungen von Batteriepacks zur Volumenmaximierung von batterieinternen Komponenten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es werden elektrifizierte Fahrzeuge entwickelt, welche die Abhängigkeit von Brennkraftmaschinen verringern oder vollständig beseitigen. Im Allgemeinen unterscheiden sich elektrifizierte Fahrzeuge dadurch von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, dass sie selektiv durch eine oder mehrere batteriebetriebene elektrische Maschinen angetrieben werden. Herkömmliche Kraftfahrzeuge sind im Gegensatz dazu vollständig auf die Brennkraftmaschine angewiesen, um das Fahrzeug anzutreiben.
Ein Hochspannungs-Traktionsbatteriepack versorgt die elektrischen Maschinen und andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs typischerweise mit Leistung. Eine Gehäusebaugruppe des Batteriepacks bringt eine Vielzahl von batterieinternen Komponenten unter, einschließlich unter anderem Batteriearrays und elektronischen Batteriekomponenten. Eine ineffiziente Anordnung dieser Komponenten innerhalb der Gehäusebaugruppe kann das Gewicht und die Kosten des Batteriepacks unnötig erhöhen.
KURZDARSTELLUNG
Ein Batteriepack gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem eine Gehäusebaugruppe, ein erstes Batteriearray, das innerhalb der Gehäusebaugruppe untergebracht ist, ein zweites Batteriearray, das innerhalb der Gehäusebaugruppe untergebracht ist, eine batterieinterne Struktur, die zwischen dem ersten Batteriearray und dem zweiten Batteriearray innerhalb der Gehäusebaugruppe angeordnet ist, eine Kühlmittelleitung, die über das strukturelle Querelement geführt ist, und eine Verdrahtungsleitung, die über die Kühlmittelleitung geführt ist.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Batteriepacks erstreckt sich die Gehäusebaugruppe entlang einer Mittellängsachse und erstreckt sich die batterieinterne Struktur senkrecht relativ zu der Mittellängsachse.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Batteriepacks ist die batterieinterne Struktur ein starres Querelement, das ein Paar sich in Längsrichtung erstreckender Seitenwände der Gehäusebaugruppe verbindet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist ein drittes Batteriearray von dem ersten Batteriearray an einer ersten Seite der batterieinternen Struktur beabstandet, ist ein viertes Batteriearray von dem zweiten Batteriearray an einer zweiten Seite der batterieinternen Struktur beabstandet und erstreckt sich ein offener Kanal zwischen dem ersten und dem dritten Batteriearray und dem zweiten und dem vierten Batteriearray.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks erstreckt sich die Gehäusebaugruppe entlang einer Mittellängsachse und halbiert die Mittellängsachse den offenen Kanal.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks teilen sich das erste und das dritte Batteriearray eine erste Wärmetauscherplatte und teilen sich das zweite und das vierte Batteriearray eine zweite Wärmetauscherplatte.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks beinhaltet die erste Wärmetauscherplatte einen ersten Anschluss und beinhaltet die zweite Wärmetauscherplatte einen zweiten Anschluss. Die Kühlmittelleitung ist mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbunden.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist ein Wärmeleitmaterial (thermal interface material - TIM) zwischen dem ersten und dritten Batteriearray und der ersten Wärmetauscherplatte angeordnet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks sind die Kühlmittelleitung und die Verdrahtungsleitung innerhalb des offenen Kanals geführt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks beinhaltet eine Befestigungsklemme eine Basis, die an der batterieinternen Struktur befestigt ist, einen ersten Arm, der mit dem ersten Batteriearray in Kontakt steht, und einen zweiten Arm, der mit dem zweiten Batteriearray in Kontakt steht.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks erstreckt sich die Gehäusebaugruppe entlang einer Mittellängsachse und erstrecken sich das erste und das zweite Batteriearray entlang von Achsen, die senkrecht zu der Mittellängsachse verlaufen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist die Verdrahtungsleitung eine batterieinterne Verdrahtungsleitung oder ein Hochspannungskabelbaum.
Ein Batteriepack gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem eine Gehäusebaugruppe, die eine Wanne und eine Abdeckung beinhaltet, eine Wärmetauscherplatte, die an einem Boden der Wanne positioniert ist, und eine erste Reihe von Batteriearrays, die in der Nähe der Wärmetauscherplatte positioniert ist. Die erste Reihe von Batteriearrays beinhaltet ein erstes Batteriearray und ein zweites Batteriearray, das von dem ersten Batteriearray beabstandet ist. Ein offener Kanal erstreckt sich zwischen dem ersten Batteriearray und dem zweiten Batteriearray und zwischen der Abdeckung und einem Abschnitt der Wärmetauscherplatte, der zwischen dem ersten Batteriearray und dem zweiten Batteriearray angeordnet ist. Eine Kühlmittelleitung ist innerhalb des offenen Kanals geführt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Batteriepacks ist die Kühlmittelleitung mit einem Einlassanschluss oder einem Auslassanschluss der Wärmetauscherplatte verbunden.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Batteriepacks erstreckt sich die Gehäusebaugruppe entlang einer Mittellängsachse und halbiert die Mittellängsachse den offenen Kanal.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist eine zweite Wärmetauscherplatte an dem Boden der Wanne positioniert, ist eine zweite Reihe von Batteriearrays in der Nähe der zweiten Wärmetauscherplatte positioniert und ist eine batterieinterne Struktur zwischen der ersten und der zweiten Reihe von Batteriearrays angeordnet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks erstreckt sich eine Länge des offenen Kanals entlang einer Mittellängsachse der Gehäusebaugruppe und erstreckt sich die batterieinterne Struktur entlang einer Achse, die quer zu der Mittellängsachse verläuft.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist die Kühlmittelleitung über die batterieinterne Struktur innerhalb des offenen Kanals geführt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist eine Verdrahtungsleitung über die Oberseite der Kühlmittelleitung innerhalb des offenen Kanals geführt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines beliebigen der vorstehenden Batteriepacks ist die Verdrahtungsleitung eine batterieinterne Verdrahtungsleitung oder ein Hochspannungskabelbaum.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorhergehenden Absätze, der Patentansprüche oder der folgenden Beschreibung und Zeichnungen, einschließlich beliebiger ihrer verschiedenen Aspekte oder jeweiligen individuellen Merkmale, können unabhängig voneinander oder in einer beliebigen Kombination betrachtet werden. In Verbindung mit einer Ausführungsform beschriebene Merkmale sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, sofern derartige Merkmale nicht unvereinbar sind.
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.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang eines elektrifizierten Fahrzeugs.
2 veranschaulicht einen Batteriepack eines elektrifizierten Fahrzeugs.
3 ist eine perspektivische Ansicht des Batteriepacks aus 2, wobei ausgewählte Abschnitte entfernt sind, um einen Innenraum des Batteriepacks besser zu veranschaulichen.
4 ist eine Draufsicht auf den Batteriepack aus 2.
5 ist eine Querschnittsansicht durch den Schnitt 5-5 aus 3.
6 ist eine Querschnittsansicht durch den Schnitt 6-6 aus 3.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung legt ausführlich beispielhafte Batteriepackausgestaltungen zur Verwendung in elektrifizierten Fahrzeugen dar. Beispielhafte Batteriepacks können eine Gehäusebaugruppe beinhalten, die ein oder mehrere Batteriearrays unterbringt. Die Batteriearrays können effizient relativ zueinander innerhalb der Gehäusebaugruppe angeordnet sein, um einen offenen Kanal innerhalb der Gehäusebaugruppe zu bilden. Kühlmittelleitungen und/oder Verdrahtungsleitungen können innerhalb des offenen Kanals positioniert und/oder durch diesen geführt sein, um das batterieinterne Komponentenvolumen zu maximieren, ohne die Gesamtfläche der Gehäusebaugruppe zu erhöhen. Diese und andere Merkmale werden in den folgenden Absätzen dieser detaillierten Beschreibung ausführlicher erörtert. 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, einschließlich unter anderem Plug-in-Hybridelektrofahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicles - PHEVs), Batterieelektrofahrzeugen (battery electric vehicles - BEVs), Brennstoffzellenfahrzeugen usw.
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. einer ersten elektrischen Maschine). Das zweite Antriebssystem beinhaltet mindestens einen Elektromotor 22 (d. h. eine zweite elektrische Maschine), den Generator 18 und einen 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.
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.
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.
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 Verbrennungsmotor 14 auf ein Differential 48, um letztlich den Fahrzeugantriebsrädern 28 Traktion bereitzustellen. Das Differential 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.
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.
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 Gruppen von Batteriezellen) beinhaltet, die in der Lage ist, elektrische Leistung auszugeben, um den Elektromotor 22, den Generator 18 und/oder andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu betreiben, um 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.
In einer Ausführungsform weist das elektrifizierte Fahrzeug 12 zwei grundlegende Betriebsmodi auf. Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann in einem Elektrofahrzeug(Electric Vehicle - EV)-Modus 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 für einen Entladebetriebsmodus 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 Grundlage eines Fahrzeugsystemzustands oder nach Maßgabe durch den Fahrzeugführer betrieben werden.
Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann zusätzlich in einem Hybrid(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 für einen Betriebsmodus 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.
Die 2 und 3 veranschaulichen einen Batteriepack 24, der in einem elektrifizierten Fahrzeug, wie etwa dem elektrifizierten Fahrzeug 12 aus 1, eingesetzt werden kann. Eine stark schematische Vorderansicht des Batteriepacks 24 ist in 2 gezeigt und eine perspektivische Ansicht des Batteriepacks 24 ist in 3 gezeigt. Abschnitte (z. B. eine Abdeckung 64) des Batteriepacks 24 sind in 3 entfernt, um seinen inneren Inhalt besser zu veranschaulichen.
Der Batteriepack 24 kann eine Vielzahl von Batteriezellen 56 unterbringen, die Energie zum Versorgen unterschiedlicher elektrischer Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 mit Leistung speichert. Der Batteriepack 24 könnte innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung eine beliebige Anzahl von Batteriezellen 56 einsetzen. Dementsprechend ist diese Offenbarung nicht auf die in den 2-3 gezeigte exakte Konfiguration eingeschränkt.
Die Batteriezellen 56 können nebeneinander entlang einer oder mehrerer Stapelachsen gestapelt sein, um Gruppen von Batteriezellen 56 zu bilden, die manchmal als „Zellenstapel“ oder „Zellenarrays“ bezeichnet werden. In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen 56 prismatische Lithium-Ionen-Zellen. Allerdings könnten Batteriezellen mit anderen Geometrien (zylindrisch, beutelartig usw.), anderen Chemikalien (Nickel-Metallhydrid, Blei-Säure usw.) oder beidem alternativ innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung verwendet werden.
Die Batteriezellen 56 jeder Gruppe können zusammen mit beliebigen Stützstrukturen (z. B. Array-Rahmen, Abstandshaltern, Schienen, Wänden, Platten, Bindungen usw.) zusammenfassend als Batteriebaugruppe oder Batteriearray 25 bezeichnet werden. Der in 3 dargestellte Batteriepack 24 beinhaltet vier Reihen (als Reihe R1, R2, R3 und R4 gekennzeichnet) von zwei seitlich benachbarten Batteriearrays 25 für insgesamt acht Batteriearrays 25. Eine zusätzliche Reihe R5 (d. h. eine zweite Stufe) von zwei benachbarten Batteriearrays 25 kann auf mindestens eine der Reihen R1-R4 gestapelt sein (wie veranschaulicht, ist Reihe R5 auf Reihe R4 gestapelt), um insgesamt zehn Batteriearrays 25 zu ergeben. Der Batteriepack 24 könnte jedoch eine größere oder kleinere Anzahl von Batteriearrays beinhalten und dennoch in den Umfang dieser Offenbarung fallen.
Eine Gehäusebaugruppe 60 kann jedes Batteriearray 25 des Batteriepacks 24 unterbringen. Die Gehäusebaugruppe 60 kann sich entlang einer Mittellängsachse A1 erstrecken und kann eine Wanne 62 und eine Abdeckung 64 beinhalten. Die Gehäusebaugruppe 60 kann innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung eine beliebige Größe, Form und Konfiguration beinhalten.
Die Wanne 62 kann ein Paar sich in Längsrichtung erstreckender Seitenwände 66, ein Paar sich seitlich erstreckender Seitenwände 68 und einen Boden 70, der zwischen dem Paar sich in Längsrichtung erstreckender Seitenwände 66 und dem Paar sich seitlich erstreckender Seitenwände 68 angeordnet ist, beinhalten. Die sich in Längsrichtung erstreckenden Seitenwände 66 können sich parallel zu der Mittellängsachse A1 erstrecken und die sich seitlich erstreckenden Seitenwände 68 können sich im Allgemeinen senkrecht zu der Mittellängsachse A1 erstrecken. Wenn sie an dem elektrifizierten Fahrzeug 12 befestigt sind, erstrecken sich die in Längsrichtung erstreckenden Seitenwände 66 der Wanne 62 parallel zu einer Länge von vom nach hinten des elektrifizierten Fahrzeugs 12 und erstrecken sich die seitlich erstreckenden Seitenwände 68 parallel zu der Breite des elektrifizierten Fahrzeugs 12.
In einer Ausführungsform ist die Gehäusebaugruppe 60 ein abgedichtetes Gehäuse. Während des Zusammenbaus können zum Beispiel die Batteriearrays 25 innerhalb der Wanne 62 relativ zueinander angeordnet sein, und die Abdeckung 64 kann dann fest an der Wanne 62 gesichert sein, um die Batteriearrays 25 darin abzudichten.
Jede Reihe R1-R4 der Batteriearrays 25 kann eine Wärmetauscherplatte 72 beinhalten, die manchmal als eine Kälteplatte oder Kälteplattenbaugruppe bezeichnet wird. Daher teilen sich in einer beispielhaften Ausführungsform die zwei Batteriearrays 25 jeder Reihe R1-R5 eine gemeinsame Wärmetauscherplatte 72. Die Batteriearrays 25 jeder Reihe R1-R5 können derart relativ zu der Wärmetauscherplatte 72 positioniert sein, dass die Batteriezellen 56 entweder in direktem Kontakt mit ihrer jeweiligen Wärmetauscherplatte 72 stehen oder sich in enger Nähe zu ihr befinden. In einer Ausführungsform sind die Wärmetauscherplatten 72 an dem Boden 70 der Wanne 62 positioniert und sind die Batteriearrays 25 auf der Oberseite der Wärmetauscherplatten 72 positioniert.
In einer anderen Ausführungsform kann ein Wärmeleitmaterial (TIM) 74 (schematisch in 2 gezeigt) wahlweise derartig zwischen den Batteriearrays 25 und den Wärmetauscherplatten 72 positioniert sein, dass die freiliegenden Flächen der Batteriezellen 56 in direktem Kontakt zu dem TIM 74 stehen. Das TIM 74 hält den Wärmekontakt zwischen den Batteriezellen 56 und den Wärmetauscherplatten 72 aufrecht, wodurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen diesen benachbarten Komponenten während Wärmeübertragungsereignissen erhöht wird. Das TIM 74 kann aus einem beliebigen bekannten wärmeleitenden Material bestehen. In einer Ausführungsform beinhaltet das TIM 74 ein Epoxidharz. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das TIM 74 ein Material auf Silikonbasis. Andere Materialien, einschließlich unter anderem Wärmeleitpasten, können alternativ oder zusätzlich das TIM 74 bilden.
Die Wärmetauscherplatten 72 können Teil eines Flüssigkeitskühlsystems sein, das 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 den Batteriearrays 25 abzuführen, um die Kapazität, Lebensdauer und Leistung der Batteriezellen 56 zu verbessern. Die Wärmetauscherplatten 72 sind dazu konfiguriert, die Wärme aus den Batteriezellen 56 abzuleiten. Mit anderen Worten können die Wärmetauscherplatten 72 als Wärmesenken fungieren, um Wärme von den Wärmequellen (d. h. den Batteriezellen 56) zu entfernen. Die Wärmetauscherplatten 72 könnten alternativ dazu eingesetzt werden, die Batteriezellen 56 zu erwärmen, wie etwa während extrem kalter Umgebungsbedingungen.
In einer Ausführungsform beinhaltet jede Wärmetauscherplatte 72 einen Einlassanschluss 58 und einen Auslassanschluss 59. Der Einlassanschluss 58 und der Auslassanschluss 59 können von einem Abschnitt 99 der Wärmetauscherplatte 72, der sich zwischen den benachbarten Batteriearrays 25 jeder Reihe R1-R5 erstreckt, nach außen ragen. Eine Flüssigkeit, wie etwa ein Kühlmittel, kann durch die Einlassanschlüsse 58 in die Wärmetauscherplatten 72 geleitet werden und kann durch die Auslassanschlüsse 59 aus den Wärmetauscherplatten 72 ausgestoßen werden.
Nun hauptsächlich Bezug nehmend auf die 3-4, kann eine batterieinterne Struktur 76, wie etwa ein relativ starres Querelement, zwischen jeder benachbarten Reihe von Batteriearrays 25 positioniert sein. Im Allgemeinen verleihen die batterieinternen Strukturen 76 dem Batteriepack 24 zusätzliche Steifigkeit und stellen, wie nachstehend in Bezug auf 5 weiter erörtert, Befestigungspunkte zum Sichern der Batteriearrays 25 relativ zu der Wanne 62 bereit.
In einer Ausführungsform ist eine batterieinterne Struktur 76 zwischen den Reihen R1 und R2 der Batteriearrays 25 angeordnet, ist eine andere batterieinterne Struktur 76 zwischen den Reihen R2 und R3 angeordnet und ist noch eine weitere batterieinterne Struktur 76 zwischen den Reihen R3 und R4 angeordnet, sodass insgesamt drei batterieinterne Strukturen 76 innerhalb der Gehäusebaugruppe 60 bereitgestellt sind. Die Gesamtanzahl der batterieinternen Strukturen 76, die innerhalb der Gehäusebaugruppe 60 bereitgestellt sind, soll diese Offenbarung jedoch nicht einschränken.
Die batterieinternen Strukturen 76 können eine Verbindung zwischen den sich in Längsrichtung erstreckenden Seitenwänden 66 der Wanne 62 herstellen und sind daher in der veranschaulichten Ausführungsform in einer Fahrzeugquerausrichtung angeordnet. In einer Ausführungsform erstrecken sich sowohl die Batteriearrays 25 als auch die batterieinternen Strukturen 76 entlang von Achsen A2 (siehe 4), die im Allgemeinen senkrecht zu der Mittellängsachse A1 der Gehäusebaugruppe 60 verlaufen.
Die benachbarten Batteriearrays 25 jeder Reihe R1-R4 können voneinander beabstandet sein, um einen offenen Kanal 78 zu bilden, der sich entlang einer Mitte der Wanne 62 erstreckt. Der offene Kanal 78 kann sich horizontal zwischen Endplatten 80 der benachbarten Batteriearrays 25 erstrecken und kann sich vertikal zwischen oberen Flächen 82 der Wärmetauscherplatten 72 und einer inneren Fläche 84 der Abdeckung 64 erstrecken (siehe z. B. 6). In einer Ausführungsform erstreckt sich der offene Kanal 78 dergestalt entlang der Mittellängsachse A1, dass eine Mittellinienachse des offenen Kanals 78 mit der Mittellängsachse A1 zusammenfällt. In einer anderen Ausführungsform halbiert die Mittellängsachse A1 den offenen Kanal 78. Die Einlassanschlüsse 58 und Auslassanschlüsse 59 der Wärmetauscherplatten 72 und Abschnitte der batterieinternen Strukturen 76 können sich innerhalb des offenen Kanals 78 erstrecken, blockieren jedoch den offenen Kanal 78 nicht vollständig, da diese Strukturen kürzer als die Batteriearrays 25 sind. Wie nachstehend in Bezug auf 6 weiter erörtert, können verschiedene zusätzliche batterieinterne Komponenten durch den offenen Kanal 78 geführt sein, um diesen Raum besser zu nutzen, um die Gesamtpackeffizienz des Batteriepacks 24 zu erhöhen.
Unter Bezugnahme auf 5 können die batterieinternen Strukturen 76 eine Befestigungsfläche zum Befestigen der Batteriearrays 25 relativ zu der Wanne 62 der Gehäusebaugruppe 60 bereitstellen. Diese Befestigungsverbindung kann erreicht werden, indem eine oder mehrere Befestigungsklemmen 86 verwendet werden, die zwischen benachbarten Batteriearrays 25 benachbarter Reihen R1-R4 positioniert sein können.
Die Befestigungsklemme 86 kann dazu konfiguriert sein, Klemmlasten L auszuüben, um die Batteriearrays 25 relativ zu der Gehäusebaugruppe 60 zu halten. In einer Ausführungsform übt jede Befestigungsklemme 86 die Klemmlasten L in einer vertikalen Richtung aus (d. h. entlang einer z-Achse relativ zu dem Batteriepack 24). Die Befestigungsklemmen 86 können daher einer Bewegung der Batteriearrays 25 in der z-Achsen-Richtung widerstehen, um die Batteriearrays 25 relativ zu der Wanne 62 der Gehäusebaugruppe 60 zu halten.
In einer Ausführungsform sind die Befestigungsklemmen 86 aus einem Kunststoffmaterial, wie etwa Nylon, hergestellt. In einer anderen Ausführungsform sind die Befestigungsklemmen 86 aus einem metallischen Material, wie etwa Stahl, hergestellt.
Andere Materialien sind im Rahmen dieser Offenbarung ebenso vorgesehen.
Jede Befestigungsklemme 86 kann fest an einer der batterieinternen Strukturen 76 gesichert sein. Ein oder mehrere Befestigungselemente 88, wie etwa Gewindebefestigungselemente, können durch eine Basis 90 der Befestigungsklemme 86 und in die batterieinterne Struktur 76 eingeführt werden, um die Batteriearrays 25 innerhalb der Gehäusebaugruppe 60 zu halten. Arme 92, die sich von der Basis 90 der Befestigungsklemme 86 erstrecken, können fest an einem der Batteriearrays 25 gesichert sein oder nicht. In jedem Fall ist die Befestigungsklemme 86 dazu ausgestaltet, die Klemmlasten in Bezug auf obere Flächen der Batteriearrays 25 aufrechtzuerhalten.
6 ist eine Querschnittsansicht durch den Schnitt 6-6 aus 3 und veranschaulicht Abschnitte des offenen Kanals 78 der Gehäusebaugruppe 60 im Querschnitt. Eine oder mehrere Kühlmittelleitungen 94 können durch den von dem offenen Kanal 78 gebildeten Raum geführt sein. Die Gesamtzahl der Kühlmittelleitungen 94, die innerhalb des offenen Kanals 78 geführt sind, soll diese Offenbarung nicht einschränken. Die Kühlmittelleitung 94 kann innerhalb des offenen Kanals 78 über die Oberseite der batterieinternen Struktur 76 geführt sein.
In einer Ausführungsform kann eine der Kühlmittelleitungen 94 eine Verbindung zwischen einem Auslassanschluss 59 der Wärmetauscherplatte 72 (d. h. einer ersten Wärmetauscherplatte) der Reihe R1 von Batteriearrays 25 und einem Einlassanschluss 58 der Wärmetauscherplatte 72 (d. h. einer zweiten Wärmetauscherplatte) der Reihe R2 von Batteriearrays 25 herstellen, um die Wärmetauscherplatten 72 fluidisch zu verbinden. Ein Fluid F kann innerhalb der Kühlmittelleitung 94 zwischen den Wärmetauscherplatten 72 übertragen werden, um die Batteriezellen 56 der Batteriearrays 25 thermisch zu verwalten.
Eine oder mehrere Verdrahtungsleitungen 96 können ebenfalls innerhalb des offenen Kanals 78 geführt sein. Die Gesamtzahl der Verdrahtungsleitungen 96, die innerhalb des offenen Kanals 78 geführt sind, soll diese Offenbarung nicht einschränken. Die Verdrahtungsleitungen 96 können innerhalb eines Abschnitts des offenen Kanals 78 verlaufen, der sich zwischen oberen Flächen der Batteriearrays 25 und der inneren Fläche 84 der Abdeckung 64 der Gehäusebaugruppe 60 erstreckt. Daher sind in dieser Ausführungsform die Verdrahtungsleitungen 96 über die Oberseite der Kühlmittelleitungen 94 geführt.
Die Verdrahtungsleitungen 96 können eine beliebige Art von Batterieverdrahtung beinhalten.
In einer Ausführungsform sind die Verdrahtungsleitungen 96 batterieinterne Verdrahtungsleitungen, die mit einem Batterieenergiesteuermodul und/oder einer elektronischen Batteriesteuerung zum Überwachen des Zustands der Batteriezellen 56 der Batteriearrays 25 verbunden sind. In einer anderen Ausführungsform ist die Verdrahtungsleitung 96 ein Hochspannungskabelbaum zum Verbinden des Batteriepacks 24 mit einer Hochspannungsvorrichtung, wie etwa einem Elektromotor oder Generator des elektrifizierten Fahrzeugs 12.
Die beispielhaften Batteriepacks dieser Offenbarung integrieren effiziente interne Anordnungen zum Maximieren des batterieinternen Komponentenvolumens, ohne die Gesamtgröße des Batteriepacks zu erhöhen. Die effizienten internen Anordnungen integrieren strategisch positionierte batterieinterne Hardware zum Bilden eines offenen Kanals, durch den verschiedene zusätzliche batterieinterne Komponenten geführt werden können. Die effizienten internen Anordnungen reduzieren Gewicht und Kosten, die mit dem Batteriepack verbunden sind, was zu einer verbesserten Leistung, Reichweite und Kundenzufriedenheit des elektrifizierten Fahrzeugs führt.
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.
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.
Die vorstehende Beschreibung soll als veranschaulichend und nicht in einschränkendem Sinne ausgelegt werden. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, 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.

Claims

Batteriepack, umfassend: eine Gehäusebaugruppe; ein erstes Batteriearray, das innerhalb der Gehäusebaugruppe untergebracht ist; ein zweites Batteriearray, das innerhalb der Gehäusebaugruppe untergebracht ist; eine batterieinterne Struktur, die zwischen dem ersten Batteriearray und dem zweiten Batteriearray innerhalb der Gehäusebaugruppe angeordnet ist; eine Kühlmittelleitung, die über das strukturelle Querelement geführt ist; und eine Verdrahtungsleitung, die über die Kühlmittelleitung geführt ist.
Batteriepack nach Anspruch 1, wobei sich die Gehäusebaugruppe entlang einer Mittellängsachse erstreckt und sich die batterieinterne Struktur senkrecht relativ zu der Mittellängsachse erstreckt.
Batteriepack nach Anspruch 1 oder 2, wobei die batterieinterne Struktur ein starres Querelement ist, das ein Paar sich in Längsrichtung erstreckender Seitenwände der Gehäusebaugruppe verbindet.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: ein drittes Batteriearray, das von dem ersten Batteriearray an einer ersten Seite der batterieinternen Struktur beabstandet ist; ein viertes Batteriearray, das von dem zweiten Batteriearray an einer zweiten Seite der batterieinternen Struktur beabstandet ist; und einen offenen Kanal, der sich zwischen dem ersten und dem dritten Batteriearray und dem zweiten und dem vierten Batteriearray erstreckt, und wobei sich die Gehäusebaugruppe wahlweise entlang einer Mittellängsachse erstreckt und die Mittellängsachse den offenen Kanal halbiert.
Batteriepack nach Anspruch 4, wobei sich das erste und das dritte Batteriearray eine erste Wärmetauscherplatte teilen und sich das zweite und das vierte Batteriearray eine zweite Wärmetauscherplatte teilen, und wobei wahlweise die erste Wärmetauscherplatte einen ersten Anschluss und die zweite Wärmetauscherplatte einen zweiten Anschluss beinhaltet, wobei die Kühlmittelleitung mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbunden ist, und wahlweise ein Wärmeleitmaterial (thermal interface material - TIM) umfassend, das zwischen dem ersten und dem dritten Batteriearray und der ersten Wärmetauscherplatte angeordnet ist.
Batteriepack nach Anspruch 4, wobei die Kühlmittelleitung und die Verdrahtungsleitung innerhalb des offenen Kanals geführt sind.
Batteriepack nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Befestigungsklemme, die eine Basis beinhaltet, die an der batterieinternen Struktur befestigt ist, einen ersten Arm, der mit dem ersten Batteriearray in Kontakt steht, und einen zweiten Arm, der mit dem zweiten Batteriearray in Kontakt steht.
Batteriepack nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die Gehäusebaugruppe entlang einer Mittellängsachse erstreckt und sich das erste und das zweite Batteriearray entlang von Achsen erstrecken, die senkrecht zu der Mittellängsachse verlaufen.
Batteriepack nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verdrahtungsleitung eine batterieinterne Verdrahtungsleitung oder ein Hochspannungskabelbaum ist.
Batteriepack, umfassend: eine Gehäusebaugruppe, die eine Wanne und eine Abdeckung beinhaltet; eine Wärmetauscherplatte, die an einem Boden der Wanne positioniert ist; eine erste Reihe von Batteriearrays, die in der Nähe der Wärmetauscherplatte positioniert ist, wobei die erste Reihe von Batteriearrays ein erstes Batteriearray und ein zweites Batteriearray beinhaltet, das von dem ersten Batteriearray beabstandet ist; einen offenen Kanal, der sich zwischen dem ersten Batteriearray und dem zweiten Batteriearray und zwischen der Abdeckung und einem Abschnitt der Wärmetauscherplatte, der zwischen dem ersten Batteriearray und dem zweiten Batteriearray angeordnet ist, erstreckt; und eine Kühlmittelleitung, die innerhalb des offenen Kanals geführt ist.
Batteriepack nach Anspruch 10, wobei die Kühlmittelleitung mit einem Einlassanschluss oder einem Auslassanschluss der Wärmetauscherplatte verbunden ist.
Batteriepack nach Anspruch 10 oder 11, wobei sich die Gehäusebaugruppe entlang einer Mittellängsachse erstreckt und die Mittellängsachse den offenen Kanal halbiert.
Batteriepack nach einem der Ansprüche 10 bis 12, umfassend: eine zweite Wärmetauscherplatte, die an dem Boden der Wanne positioniert ist; eine zweite Reihe von Batteriearrays, die in der Nähe der zweiten Wärmetauscherplatte positioniert ist; und eine batterieinterne Struktur, die zwischen der ersten und der zweiten Reihe von Batteriearrays angeordnet ist, und wobei sich wahlweise eine Länge des offenen Kanals entlang einer Mittellängsachse der Gehäusebaugruppe erstreckt und sich die batterieinterne Struktur entlang einer Achse, die quer zu der Mittellängsachse verläuft, erstreckt.
Batteriepack nach Anspruch 13, wobei die Kühlmittelleitung über die batterieinterne Struktur innerhalb des offenen Kanals geführt ist.
Batteriepack nach Anspruch 14, umfassend eine Verdrahtungsleitung, die über der Oberseite der Kühlmittelleitung innerhalb des offenen Kanals geführt ist, und wobei wahlweise die Verdrahtungsleitung eine batterieinterne Verdrahtungsleitung oder ein Hochspannungskabelbaum ist.