DE102020201780A1 - Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, die eine Mehrzahl von Batteriezellen (7, 9) aufweist. Erfindungsgemäß sind die Batteriezellen (7, 9) in zumindest zwei Gruppen aufgeteilt, von denen die erste Gruppe aus crashrobusten Batteriezellen (7) und die zweite Gruppe aus crashsensiblen Batteriezellen (9) aufgebaut ist. In einem Crashlastfall (FS) sind die crashrobusten Batteriezellen (7) in einem crashzugewandten Bereich der Hochvoltbatterie (5) angeordnet und die crashsensiblen Batteriezellen (9) in einem crashabgewandten Bereich der Hochvoltbatterie (5) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach dem Anspruch 6.
  • Bei einem elektrisch betriebenen, zweispurigen Fahrzeug kann eine gattungsgemäße Hochvoltbatterie von fahrzeugunten in einen bodenseitig offenen Batterie-Montageraum eingesetzt sein. Der Batterie-Montageraum kann in der Fahrzeughochrichtung nach fahrzeugoben von einem, den Fahrzeuginnenraum begrenzenden Fahrzeugboden und in der Fahrzeugquerrichtung von seitlichen Schwellern definiert sein.
  • In gängiger Praxis ist die Hochvoltbatterie als crashsensible Komponente speziell bei einem Seitencrashfall vor mechanischer Beschädigung zu schützen. Vor diesem Hintergrund sind im Stand der Technik die aus den Batteriezellen aufgebauten Batteriemodule in einem bauteilsteifen Batteriegehäuse angeordnet, das mit Crashelementen ausgebildet ist. Das Batteriegehäuse wirkt im Seitencrashfall als eine lasttragende Struktur, über die eine Seitencrashkraft vom crashzugewandten Schweller zum crashabgewandten Schweller geleitet wird, und zwar unter Überbrückung der weitgehend kraftfrei verbleibenden crashsensiblen Batteriezellen. Alternativ und/oder zusätzlich kann die Last auch außerhalb der Batterie übertragen werden, zum Beispiel über einen Karosseriequerträger.
  • Die obigen Sicherheitsvorkehrungen für den Seitencrashfall sind mit einem hohen Bauteilaufwand sowie mit hohem Bauteilgewicht verknüpft, wodurch sich ein entsprechend hohes Fahrzeuggewicht ergibt.
  • Aus der US 2007/0029124 A1 ist ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie offenbart.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochvoltbatterie sowie ein elektrisch betriebenes Fahrzeug bereitzustellen, bei dem die Hochvoltbatterie im Vergleich zum Stand der Technik mit reduziertem Bauteilaufwand sowie reduziertem Bauteilgewicht vor einer mechanischen Beschädigung im Crashlastfall geschützt ist.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass eine Crashperformance von Batteriezellen je nach Batteriezellen-Bautyp unterschiedlich gut ausgeprägt ist. Vor diesem Hintergrund sind gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 die Batteriezellen der Hochvoltbatterie in zumindest zwei Gruppen aufgeteilt, von denen die erste Gruppe aus crashrobusten Batteriezellen und die zweite Gruppe aus crashsensiblen Batteriezellen aufgebaut ist. In einem Crashlastfall sind die crashrobusten Batteriezellen in einem crashzugewandten Bereich der Hochvoltbatterie angeordnet, während die crashsensiblen Batteriezellen in einem crashabgewandten Bereich der Hochvoltbatterie angeordnet sind. Bei einer solchen erfindungsgemäßen Aufteilung der Batteriezellen in der Hochvoltbatterie sind im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich weniger Robustheitsmaßnahmen zum Schutz der Hochvoltbatterie, das heißt eine Batteriequerstruktur oder Deformationselemente, zu realisieren, wodurch sich das Bauteilgewicht der Hochvoltbatterie reduziert.
  • In einer technischen Umsetzung sind sowohl die crashrobusten als auch die crashsensiblen Batteriezellen der Hochvoltbatterie als Lithium-Ionen-Batteriezellen realisiert.
  • Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass LFP-Batteriezellen mit einem auf Phosphat basierenden Kathodenmaterial, insbesondere LiFePO4, deutlich robuster gegenüber mechanischer Beanspruchung sind als die in gängiger Praxis eingesetzten NMC-Batteriezellen, deren Kathodenmaterial auf Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden, insbesondere Li(NiCoMn)O2, basiert. Solche NMC-Kathoden sind das derzeit erfolgreichste Lithium-Ionen-System. NMC-Systeme können auf elektrische Leistung oder hohe Kapazitäten ausgelegt werden. NMC-Kathoden bieten einen guten Kompromiss aus guter allgemeiner elektrochemischer Leistungsfähigkeit, hohen Energiedichten und Kosten. Die spezifische Energiedichte ist besser als die von LFP-Kathodenmaterial. Demgegenüber hat ein auf Phosphat basierendes Kathodenmaterial eine im Vergleich zum LFP-Kathodenmaterial wesentlich bessere thermische und chemische Stabilität. LFP-Zellen sind daher sehr crashsichere Zellen, die nicht zu einer Hitzeentwicklung im Crashfall führen.
  • Im Seitencrashfall kann die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie in einem Querlastpfad eingebunden sein, über den eine Seitencrashkraft von einer crashzugewandten Fahrzeugseite zu einer crashabgewandten Fahrzeugseite übertragen wird. Die Hochvoltbatterie kann hierbei in der Fahrzeughochrichtung betrachtet in etwa auf gleicher Höhe angeordnet sein, wie die seitlichen Schweller des Fahrzeugs. In diesem Fall wird die Seitencrashkraft von dem crashzugewandten Schweller über die Hochvoltbatterie zum crashabgewandten Schweller übertagen.
  • Bei dieser speziellen Einbausituation kann die Hochvoltbatterie in der Fahrzeugquerrichtung beidseitig fahrzeugäußere crashrobuste Batteriezellen aufweisen. Zwischen den beiden fahrzeugäußeren Batteriezellen-Gruppen aus crashrobusten Batteriezellen kann in der Fahrzeugmitte (das heißt fahrzeuginnen) eine Gruppe von crashsensiblen Batteriezellen angeordnet sind.
  • Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
    • 1 in einer Halbschnitt-Darstellung eine bodenseitige Karosseriestruktur eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit darin verbauter Hochvoltbatterie; und
    • 2 in einer Ansicht von unten die Karosseriebodenstruktur des Fahrzeugs mit darin verbauter Hochvoltbatterie.
  • In der 1 ist eine bodenseitige Karosseriestruktur eines zweispurigen Fahrzeugs gezeigt, die nachfolgend nur insoweit beschrieben ist, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge weist die bodenseitige Karosseriestruktur zwei seitliche, in der Fahrzeuglängsrichtung x verlaufende Schweller 1 auf, von denen in der 1 lediglich einer gezeigt ist. Die in der 1 nicht gezeigte rechte Fahrzeughälfte ist mit Bezug auf eine Längsmittelebene E im Wesentlichen spiegelbildlich zur dargestellten linken Fahrzeughälfte ausgeführt. In einem Fahrzeugboden 3 der Karosseriestruktur ist an seiner Unterseite eine Hochvoltbatterie 5 verbaut. Diese erstreckt sich in einem Montageraum in der Fahrzeugquerrichtung y zwischen den beiden Schwellern 1. Die Hochvoltbatterie 5 ist in der 1 in etwa auf gleicher Höhe wie die Schweller 1 positioniert.
  • Wie aus der 1 weiter hervorgeht, weist die Hochvoltbatterie 5 ein Batteriegehäuse 6 auf, in dessen Gehäuseinnenraum eine Batteriemodulen 11, 12 angeordnet sind. Die Batteriemodule 11, 12 weisen jeweils Zellenverbände aus Batteriezellen 7, 9 auf.
  • Die Batteriezellen 7, 9 sind erfindungsgemäß in zwei Gruppen aufgeteilt, von denen die erste Gruppe aus crashrobusten Batteriezellen 7 und die zweite Gruppe aus crashsensiblen Batteriezellen 9 aufgebaut sind. Sowohl die crashrobusten als auch die crashsensiblen Batteriezellen sind als Lithium-Ionen-Batteriezellen realisiert. Die crashrobusten Batteriezellen sind sogenannte LFP-Batteriezellen, die ein auf Phosphat basierendes Kathodenmaterial, insbesondere LiFePO4, aufweisen. Demgegenüber sind die crashsensiblen Batteriezellen 9 sogenannte NMC-Batteriezellen, die ein auf Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden basierendes Kathodenmaterial, insbesondere Li(NiCoMn)O2, aufweisen. Das NMC-Kathodenmaterial kann auf hohe elektrische Leistung und hohe Kapazitäten ausgelegt werden. Zudem bieten die NMC-Kathoden einen guten Kompromiss aus hoher allgemeiner elektrochemischer Leistungsfähigkeit, hohen Energiedichten und Kosten. Die spezifische Energiedichte von NMC-Batteriezellen ist wesentlich besser als die von LFP-Batteriezellen. Die LFP-Batteriezellen bieten eine im Vergleich zu NMC-Batteriezellen erheblich gesteigerte thermische und chemische Stabilität. LFP-Batteriezellen sind daher im Crashfall feuerfest. Bei einem Zellen-Defekt gibt das LFP-Kathodenmaterial keinen Sauerstoff ab, verbrennt nicht und ist dementsprechend unempfindlich gegen Hitze.
  • Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, sind die crashrobusten LFP-Batteriezellen 7 jeweils in den in der Fahrzeugquerrichtung y fahrzeugäußeren Batteriemodulen 11 verbaut, während die crashsensiblen NMC-Batteriezellen 9 in den fahrzeuginneren Batteriemodulen 12 verbaut sind.
  • Anhand der 2 ist ein Seitencrashfall veranschaulicht, bei dem eine Seitencrashkraft Fs in einen crashzugewandten Schweller 1 eingeleitet wird und die Hochvoltbatterie 5 in einem Querlastpfad Ly eingebunden ist. Der crashzugewandte Schweller 1 verformt sich in der Fahrzeugquerrichtung y nach fahrzeuginnen bis in kraftübertragender Anlage mit den fahrzeugäußeren Batteriemodulen 11, in denen die crashrobusten Batteriezellen 7 angeordnet sind, die deutlich robuster gegenüber mechanischer Beanspruchung sind und sich unter Abbau von Crashenergie ohne Hitzeentwicklung verformen können. Die fahrzeuginneren Batteriemodule 11 mit darin angeordneten NMC-Batteriezellen 9 werden auf diese Weise mit wesentlich reduzierter Crashenergie beaufschlagt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schweller
    3
    Fahrzeugboden
    5
    Hochvoltbatterie
    6
    Batteriegehäuse
    7
    crashrobuste Batteriezellen
    9
    crashsensible Batteriezellen
    11
    fahrzeugäußere Batteriemodule
    12
    fahrzeuginnere Batteriemodule
    FS
    Seitencrashkraft
    E
    Fahrzeugmittellängsebene
  • 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
    • US 2007/0029124 A1 [0005]

Claims (6)

  1. Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, die eine Mehrzahl von Batteriezellen (7, 9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (7, 9) in zumindest zwei Gruppen aufgeteilt sind, von denen die erste Gruppe aus crashrobusten Batteriezellen (7) und die zweite Gruppe aus crashsensiblen Batteriezellen (9) aufgebaut ist, und dass in einem Crashlastfall (FS) die crashrobusten Batteriezellen (7) in einem crashzugewandten Bereich der Hochvoltbatterie (5) angeordnet sind und die crashsensiblen Batteriezellen (9) in einem crashabgewandten Bereich der Hochvoltbatterie (5) angeordnet sind.
  2. Hochvoltbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die crashrobusten als auch die crashsensiblen Batteriezellen (7, 9) als Lithium-Ionen-Batteriezellen realisiert sind, und dass insbesondere die crashrobusten Batteriezellen (7) LFP-Batteriezellen mit einem auf Phosphat basierenden Kathodenmaterial, insbesondere LiFePO4, aufweist, und/oder dass die crashsensiblen Batteriezellen (9) ein auf Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide basierendes Kathodenmaterial, insbesondere Li(NiCoMn)O2, aufweist.
  3. Hochvoltbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Seitencrashfall (FS) die Hochvoltbatterie (5) in einem Querlastpfad (Ly) eingebunden ist, über den eine Seitencrashkraft (FS) von einer crashzugewandten Fahrzeugseite zu einer crashabgewandten Fahrzeugseite übertragbar ist.
  4. Hochvoltbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (5) in einem nach fahrzeugunten offenen Montageraum einer Karosseriebodenstruktur des Fahrzeugs einsetzbar ist, und dass insbesondere der Montageraum in der Fahrzeughochrichtung (z) nach fahrzeugoben von einem Fahrzeugboden (3) begrenzt ist und/oder der Montageraum in der Fahrzeugquerrichtung (y) durch seitliche Schweller (1) begrenzt ist, und dass insbesondere die Seitencrashkraft (FS) vom crashzugewandten Schweller (1) über die Hochvoltbatterie (5) zum crashabgewandten Schweller (1) übertragbar ist.
  5. Hochvoltbatterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (5) in der Fahrzeugquerrichtung (y) beidseitig fahrzeugaußen ausschließlich jeweils eine Gruppe von crashrobusten Batteriezellen (7) aufweist und fahrzeuginnen ausschließlich eine Gruppe von crashsensiblen Batteriezellen (9) aufweist.
  6. Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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