DE102021115697A1 - Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung (10) mit mehreren in einer einzigen Horizontalebene (XY) im Fahrzeugboden angeordneten Batteriemodulen (101-106), einem elektrischen Batteriemanagementsystem und einer Hochvolt-Stromschiene (20), die alle Batteriemodule (101-106) und das Batteriemanagementsystem elektrisch miteinander verbindet, wobei das Batteriemanagementsystem der Überwachung aller Batteriemodule (101-106) dient und als Funktionskomponenten (36,37,38,39) mindestens ein Schaltschütz, sowie für jedes Batteriemodul (101-106) eine Temperaturüberwachung und/oder eine Spannungsüberwachung aufweist. Das Batteriemanagementsystem ist von mindestens zwei Batteriemanagement-Teilmodulen (30,31) gebildet ist, die jeweils einen Teil der Gesamtheit aller Funktionskomponenten (36,37,38) aufweist und entfernt voneinander angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung mit mehreren in einer einzigen Horizontalebene im Fahrzeugboden angeordneten Batteriemodulen und mit einem elektrischen Batteriemanagementsystem zur Überwachung aller Batteriemodule.
  • Unter einem Batteriemodul wird vorliegend stets eine modulare Zusammenfassung einer Vielzahl von Batteriezellen in einem in der Regel fluiddichten und steifen Batteriemodul-Gehäuse verstanden. Ein Batteriemodul ist rechteckig und in der Regel langgestreckt ausgebildet, wobei es mit seiner Längserstreckung in Fahrzeug-Querrichtung ausgerichtet im Fahrzeugboden verbaut ist. Um möglichst viel Batteriekapazität im Fahrzeug verbauen zu können, erstreckt sich jedes Batteriemodul mit seiner Längserstreckung häufig über praktisch annähernd die gesamte Fahrzeugbreite und nimmt strukturell an der Querversteifung des Kraftfahrzeug-Rahmens teil. In Pkws, insbesondere in eher flach gebauten PKWs, werden die Batteriemodule überwiegend oder in ihrer Gesamtheit in einer einzigen Horizontalebene liegend voreinander angeordnet, wobei sie wegen ihrer großen Längserstreckung nicht auf Höhe der Vorderachse und der Hinterachse verbaut werden können.
  • In unmittelbarer Nähe der Batteriemodule ist ferner ein elektrisches Batteriemanagementsystem vorgesehen, das als Funktionskomponenten pyrotechnische Trennsysteme, Schaltschütze, Temperaturüberwachungen und Spannungsüberwachungen aufweist, letztere für jedes Batteriemodul separat. Das Batteriemanagementsystem ist in der Regel in einem einzigen baulichen Modul zusammengefasst, ist funktional und räumlich sehr umfangreich, und erstreckt sich daher häufig ebenfalls über die gesamte Fahrzeugbreite und ist vor oder hinter der Gesamtheit aller Batteriemodule angeordnet. Durch diese Anordnung wird der in Längsrichtung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse zur Verfügung stehende Raum für Batteriemodule jedoch entsprechend verringert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die elektrische Gesamtkapazität einer im Fahrzeugboden angeordneten Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Die erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung weist mehrere in einer einzigen Horizontalebene im Fahrzeugboden angeordnete Batteriemodule auf. Dies bedeutet jedoch nicht notwendigerweise, dass die Gesamtheit aller Batteriemodule in einer einzigen Horizontalebene bzw. im Fahrzeugboden angeordnet ist, mindestens jedoch der überwiegende Teil aller Batteriemodule. Ferner ist im Bereich des Fahrzeugbodens und unmittelbar angrenzend an die Batteriemodule ein elektrisches Batteriemanagementsystem vorgesehen. Das Batteriemanagementsystem dient im Wesentlichen der elektrischen Überwachung aller Batteriemodule, und weist hierzu als Funktionskomponenten mindestens ein Schaltschütz, sowie für jedes Batteriemodul eine Temperaturüberwachung und/oder eine Spannungsüberwachung auf. Alle Batteriemodule sowie das Batteriemanagementsystem sind elektrisch durch eine Hochvolt-Stromschiene miteinander verbunden.
  • Das Batteriemanagementsystem ist von mindestens zwei Batteriemanagement-Teilmodulen gebildet, die jeweils einen Teil der Gesamtheit aller Funktionskomponenten aufweisen und die entfernt voneinander angeordnet sind. Jedes Batteriemanagement-Teilmodul weist hierzu ein eigenes Teilmodul-Gehäuse auf, das keine gemeinsame Gehäusewand mit dem jeweils anderen Batteriemanagement-Teilmodul hat bzw. teilt. Die umfangreiche Gesamt-Funktionalität bzw. die vielen Funktionskomponenten des Batteriemanagementsystems werden also auf mindestens zwei Module aufgeteilt, wobei diese Aufteilung funktional symmetrisch oder unsymmetrisch realisiert sein kann. Die beiden Batteriemanagement-Teilmodule können weitgehend identisch zueinander ausgebildet sein, können jedoch auch stark voneinander abweichende Funktionsumfänge aufweisen, beispielsweise die Spannungsüberwachung und die Temperaturüberwachung in einem Teilmodul und die Sicherheitseinrichtungen, also Schaltschütze und pyrotechnischen Trennsysteme in dem anderen Teilmodul. Die beiden Teilmodule können auch größenmäßig voneinander abweichen, weichen jedoch besonders bevorzugt bezüglich ihres Volumens nicht um mehr als 50 % voneinander ab. Die beiden Batteriemanagement-Teilmodule sind entfernt voneinander angeordnet, grenzen also nicht unmittelbar aneinander an. Allerdings grenzen alle Batteriemanagement-Teilmodule unmittelbar an irgendein Batteriemodul oder an die die Batteriemodule verbindende Hochvolt-Stromschiene an. Auf diese Weise werden die elektrischen Hochvolt-Leitungen kurz gehalten.
  • Durch die Mehrmodularität des Batteriemanagementsystems sind bei der Gestaltung des Fahrzeugbodens die konstruktiven Freiheiten erheblich vergrößert, sodass insbesondere die zwischen der Vorderachse und der Hinterachse in Längsrichtung zur Verfügung stehende Fahrzeuglänge ausschließlich für die Platzierung der Batteriemodule genutzt werden kann. Die Batteriemanagement-Teilmodule können dagegen dort angeordnet werden, wo ohnehin kein Batteriemodul angeordnet werden kann. Ferner können die Batteriemanagement-Teilmodule crashgeschützter angeordnet werden, wodurch sich die elektrische Crashsicherheit erhöht.
  • Vorzugsweise sind die Batteriemanagement-Teilmodule durch die Hochvolt-Stromschiene elektrisch miteinander verbunden. Die Hochvolt-Stromschiene dient primär der elektrischen Verbindung aller Batteriemodule miteinander. Zur elektrischen Verbindung der Batteriemanagement-Teilmodule mit den Batteriemodulen und zur elektrischen Verbindung der beiden Batteriemanagement- Teilmodule miteinander sind also keine wesentlichen Erweiterungen erforderlich.
  • Vorzugsweise sind zwei Batteriemanagement-Teilmodule in Fahrzeug-Längsrichtung mindestens 20 cm zueinander beabstandet angeordnet. Die beiden Batteriemanagement-Teilmodule sind im Wesentlichen durch die Hochvolt-Stromschiene elektrisch miteinander verbunden, die auch Signalleitungen aufweist.
  • Vorzugsweise ist mindestens ein Batteriemanagement-Teilmodul in der Horizontalebene der Batteriemodule angeordnet. Beispielsweise kann ein Batteriemanagement-Teilmodul unmittelbar angrenzend an das vorderste oder das hinterste Batteriemodul angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend ist besonders bevorzugt mindestens ein Batteriemanagement-Teilmodul in Fahrzeug Längsrichtung zwischen zwei Batteriemodulen angeordnet. Vorzugsweise ist zu beiden Querseiten des in Fahrzeug-Längsrichtung zwischen zwei Batteriemodulen angeordnete Batteriemanagement-Teilmoduls ein Freiraum über die Breite der angrenzenden Batteriemodule in Querrichtung vorgesehen.
  • Beispielsweise kann das Batteriemanagement-Teilmodul, in Fahrzeug-Querrichtung betrachtet, zwischen zwei sogenannten Fußgaragen im Fahrzeugboden angeordnet sein. Das Batteriemanagement-Teilmodul kann auf diese Weise beispielsweise mit seiner Längserstreckung in Fahrzeug-Längsrichtung orientiert fahrzeugmittig angeordnet sein. Unter einer Fußgarage wird vorliegend der freigehaltene Zwischenraum in Längsrichtung zwischen zwei Batteriemodulen verstanden, die in einem vier- oder fünfsitzigen Fahrzeug für die Fond-Passagiere eine Mulde für die unteren Fondpassagier-Extremitäten bietet.
  • Vorzugsweise erstreckt sich mindestens ein Batteriemanagement-Teilmodul in Fahrzeug-Querrichtung symmetrisch über mindestens 50 % der Quererstreckung eines angrenzenden vordersten oder hintersten Batteriemoduls. Die beiden Querenden des Batteriemanagement-Teilmoduls sind auf Höhe der Randbereiche des angrenzenden vordersten oder hintersten Batteriemoduls in ihrer Längserstreckung reduziert. Die Reduzierung der beiden Querenden des Batteriemanagement-Teilmoduls kann in Form einer Abschrägung realisiert sein, sodass sich die gesamte Quererstreckung des Batteriemanagement-Teilmoduls nicht verringert, jedoch jeweils im Randbereich die Längserstreckung verringert ist. Die Reduzierung kann auch durch vollständigen Wegfall derart erfolgen, dass die Quererstreckung des Batteriemanagement-Teilmoduls weniger als 90 % der Quererstreckung des angrenzenden Batteriemoduls beträgt. Durch die Verringerung der Längserstreckung der Querenden des Batteriemanagement-Teilmoduls kann dieses auch im Bereich der Vorderachse oder der Hinterachse zwischen den Radaufhängungen einer Achse angeordnet werden. Auf diese Weise liegt das betreffende Batteriemanagement-Teilmodul in derselben Querebene, wie die Batteriemodule, verringert jedoch nicht den für die Batteriemodule zur Verfügung stehenden Bauraum im Fahrzeug-Unterboden in Längsrichtung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse.
  • Vorzugsweise kann mindestens ein Batteriemanagement-Teilmodul oberhalb der darunterliegenden Batteriemodule angeordnet sein, und ist besonders bevorzugt, bezogen auf die Fahrzeug-Querrichtung, mittig angeordnet, beispielsweise im Bereich der vorderen Mittelkonsole zwischen dem Fahrersitz und dem Beifahrersitz. In diesem Fall kann das Batteriemanagement-Teilmodul mit seiner Längserstreckung in Fahrzeug-Längsrichtung ausgerichtet angeordnet sein.
  • Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung mit einem ersten vorderen Batteriemanagement-Teilmodul oberhalb der Batteriemodul-Horizontalebene und einem zweiten hinteren Batteriemanagement-Teilmodul in der Batteriemodule-Horizontalebene,
    • 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung mit zwei Batteriemanagement-Teilmodulen in der Batteriemodul-Horizontalebene, und
    • 3 eine schematische Darstellung der beiden Batteriemanagement-Teilmodule der 1 und 2.
  • In den 1 und 2 ist jeweils eine Ausführungsform einer Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung 10; 10' dargestellt. Das Kraftfahrzeug 8 weist einen elektrischen Traktionsantrieb (nicht dargestellt) auf. Zwischen einer Kraftfahrzeug-Vorderachse 12 und einer Kraftfahrzeug-Hinterachse 13 sind im Fahrzeugboden in einer einzigen Horizontalebene XY insgesamt sechs Batteriemodule 101 - 106 angeordnet. Jedes Batteriemodul 101 - 106 weist ein eigenes steifes Batteriemodul-Gehäuse auf, das die Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls hermetisch abschirmt. Jedes Batteriemodul 101 - 106 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Quererstreckung X des Kraftfahrzeugs 8 bzw. über die gesamte Quererstreckung X der Vorderachse 12 beziehungsweise der Hinterachse 13. Die Vertikale bzw. die Fahrzeug-Hochachse ist vorliegend mit Z bezeichnet.
  • Die Batteriemodule 101 - 106 sind vorliegend derart gruppiert, dass an die Vorderachse 12 angrenzend vier unmittelbar aneinander angrenzende Batteriemodule 101 - 104 und an die Hinterachse 13 zwei unmittelbar aneinander angrenzende Batteriemodule 105,106 angeordnet sind, wobei alle Batteriemodule 101 - 106 in Längsrichtung zwischen der Vorderachse 12 und der Hinterachse 13 angeordnet sind. Zwischen den vorderen vier Batteriemodulen 101 - 104 und den hinteren zwei Batteriemodulen 105,106 ist ein Freiraum 50 mit einer Länge in Längsrichtung von ungefähr zwei Batteriemodulen vorgesehen, der eine Fußgarage für die unteren Extremitäten der Fond-Passagiere darstellt.
  • Die Batteriemodule 101 - 106 sind durch eine Hochvolt-Stromschiene 20 elektrisch miteinander verbunden und verschaltet. Die Hochvolt-Stromschiene 20 weist mehrere Hochvolt-Leitungen 22 und mehrere Signalleitungen 24 auf, die in der 3 schematisch dargestellt sind, und ist mit einer Antriebssteuerung 16 elektrisch verbunden.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist ein elektrisches Batteriemanagementsystem durch zwei Batteriemanagement-Teilmodule 30,31 realisiert, die jeweils mehrere Funktionskomponenten 36 - 39 aufweisen und entfernt voneinander angeordnet sind. Die Funktionskomponenten 36 - 39 sind jeweils ein pyrotechnische Trennsystem, sowie für jedes Batteriemodul 101 - 106 jeweils ein Schaltschütz, eine Temperaturüberwachung und eine Spannungsüberwachung.
  • Jedes Batteriemanagement-Teilmodul 30,31 weist jeweils ein eigenes Metall-Teilmodul-Gehäuse auf und ist im wesentlichen quaderförmig und langgestreckt ausgebildet. Das hintere Batteriemanagement-Teilmodul 31 ist in Fahrzeug-Längsrichtung Y zwischen dem vierten und dem fünften Batteriemodul 104,105 in der Horizontalebene aller Batteriemodule 101 - 106 liegend angeordnet, und zwar mit der Längserstreckung des Teilmoduls 31 in Fahrzeug-Längsrichtung Y ausgerichtet. Das hintere Batteriemanagement-Teilmodul 31 unterhalb der und angrenzend an die Hochvolt-Stromschiene 20 angeordnet, und teilt den Freiraum 50 in eine rechte Freiraum-Hälfte und eine linke Freiraum-Hälfte.
  • Das vordere Batteriemanagement-Teilmodul 30 ist oberhalb des ersten und des zweiten Batteriemoduls 101,102 und unmittelbar oberhalb der und unmittelbar angrenzend an die mittige zentrale Hochvolt-Stromschiene 20 angeordnet. Ferner ist das vordere Batteriemanagement-Teilmodul 30, bezogen auf die Fahrzeug Querrichtung X, mittig angeordnet. Da jedes Batteriemanagement-Teilmodul 30,31 nur einen Teilumfang aller Funktionskomponenten 36 - 39 des Batteriemanagementsystems aufweist, sind die beiden Teilmodule 30,31 über die Hochvolt-Leitungen 22 und die Signal-Leitungen 24 elektrisch miteinander verbunden.
  • In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung 10` dargestellt. Hier entspricht das vordere Batteriemanagement-Teilmodul 31 dem hinteren Batteriemanagement-Teilmodul 31 des in der 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels. Das hintere Batteriemanagement-Teilmodul 33 des in der 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels ist querriegel-artig unmittelbar angrenzend an das hinterste Batteriemodul 106 und in der Horizontalebene XY aller Batteriemodule 101 - 106 liegend angeordnet. Das hintere Batteriemanagement-Teilmodul 33 ist zwischen den beiden Rädern der Hinterachse 13 angeordnet. Aus diesem Grund sind die beiden Querenden 34,34' des Batteriemanagement-Teilmoduls 33 auf Höhe der Randbereiche des angrenzenden hintersten Batteriemoduls 106 in ihrer Längsstreckung reduziert, im vorliegenden Fall entsprechend angeschrägt.

Claims (8)

  1. Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung (10;10') mit mehreren in einer einzigen Horizontalebene (XY) im Fahrzeugboden angeordneten Batteriemodulen (101-106), einem elektrischen Batteriemanagementsystem und einer Hochvolt-Stromschiene (20), die alle Batteriemodule (101-106) und das Batteriemanagementsystem elektrisch miteinander verbindet, wobei das Batteriemanagementsystem der Überwachung aller Batteriemodule (101-106) dient und als Funktionskomponenten (36,37,38,39) mindestens ein Schaltschütz, sowie für jedes Batteriemodul (101-106) eine Temperaturüberwachung und/oder eine Spannungsüberwachung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem von mindestens zwei Batteriemanagement-Teilmodulen (30,31 ;31,33) gebildet ist, die jeweils einen Teil der Gesamtheit aller Funktionskomponenten (36,37,38) aufweist und entfernt voneinander angeordnet sind.
  2. Fahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung (10;10') nach Anspruch 1, wobei zwei Batteriemanagement-Teilmodule (30,31;31,33) in Fahrzeug-Längsrichtung (Y) mindestens 20 cm zueinander beabstandet angeordnet sind.
  3. Fahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung (10;10') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Batteriemanagement-Teilmodule (30,31;31,33) durch die Hochvolt-Stromschiene (20) elektrisch miteinander verbunden sind.
  4. Fahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung (10;10') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens ein Batteriemanagement-Teilmodul (31;33) in der Horizontalebene der Batteriemodule (101-106) angeordnet ist.
  5. Fahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung (10;10') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens ein Batteriemanagement-Teilmodul (31) in Fahrzeug-Längsrichtung (Y) zwischen zwei Batteriemodulen (104,105) angeordnet ist.
  6. Fahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung (10;10') nach Anspruch 5, wobei zu beiden Querseiten des in Fahrzeug-Längsrichtung (Y) zwischen zwei Batteriemodulen (104,105) angeordnete Batteriemanagement-Teilmoduls (31) ein Freiraum über die Breite der angrenzenden Batteriemodule (101 - 106) vorgesehen ist.
  7. Fahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung (10') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens ein Batteriemanagement-Teilmodul (33) sich in Fahrzeug-Querrichtung (X) symmetrisch über mindestens 50 % der Quererstreckung eines angrenzenden vordersten oder hintersten Batteriemoduls (106) erstreckt, wobei die beiden Querenden des Batteriemanagement-Teilmoduls (33) auf Höhe der Randbereiche des angrenzenden vordersten oder hintersten Batteriemoduls (106) in ihrer Längserstreckung reduziert sind.
  8. Fahrzeug-Traktionsbatterie-Anordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens ein Batteriemanagement-Teilmodul (30) oberhalb der darunter angeordneten Batteriemodule (101,102) und, bezogen auf die Fahrzeug-Querrichtung (X), mittig angeordnet ist.
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