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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe für ein Kraftfahrzeug. Die Baugruppe umfasst einen elektrischen Energiespeicher mit einem Speichergehäuse, in dessen Innenraum eine Vielzahl von Speicherkomponenten angeordnet ist, und mit zumindest einem in einer Gehäusewand des Speichergehäuses angeordneten Ablaufventil zum Ablassen von in dem Innenraum angesammelter Flüssigkeit in eine Umgebung des elektrischen Energiespeichers. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher für Kraftfahrzeuge. Diese können beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, verwendet werden und versorgen zumindest eine Fahrzeugkomponente, beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine, mit Energie. Energiespeicher weisen üblicherweise eine Vielzahl von Speicherkomponenten, beispielsweise miteinander verschaltete Speicherzellen, auf, welche in einem Innenraum eines Speichergehäuses des elektrischen Energiespeichers angeordnet sind. In dem Speichergehäuse kann auch eine kühlmittelführende Kühleinrichtung zum Kühlen der Speicherkomponenten angeordnet sein. Darüber hinaus kann das Speichergehäuse zum Bereitstellen eines Druckausgleiches zwischen dem Innenraum und einer Umgebung des Kraftfahrzeugs ein Druckausgleichselement aufweisen, welches zum Druckausgleich einen Luftaustausch zwischen der Umgebung und dem Innenraum des Speichergehäuses bereitstellt.
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Dabei kann es, beispielsweise bei feucht-heißem Außenklima, vorkommen, dass sich ein Klima innerhalb des Speichergehäuses an das Außenklima angleicht, indem Luft über das Druckausgleichselement in den Innenraum strömt. Wenn die Temperatur der Kühleinrichtung unterhalb eines Taupunktes der eindringenden Luft liegt, so kondensiert an der Kühleinrichtung Flüssigkeit aus der Luft und sammelt sich in dem Innenraum des Speichergehäuses an. Auch kann eine Undichtigkeit der kühlmittelführenden Kühleinrichtung des Energiespeichers zu der Ansammlung von Flüssigkeit in dem Innenraum führen. Um eine Beschädigung der Speicherkomponenten zu verhindern, ist es üblich, die Flüssigkeit aus dem Speichergehäuse abzutransportieren.
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Dazu ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
DE 10 2011 015 926 A1 , ein Batteriesystem mit einem Batteriegehäuse bekannt, das eine Ventileinrichtung aufweist. Diese ist dazu vorgesehen, einen Fluidstrom von der Umgebung in das Innere des Batteriegehäuses hinein zu unterbinden, umgekehrt aber einen Austritt von eventuell im Innern des Batteriegehäuses befindlichen Wassers aus dem Batteriegehäuse heraus zu ermöglichen. Die Herausforderung besteht dabei darin, die Ventileinrichtung bzw. das Ablaufventil so auszugestalten, dass sie in dem geöffneten Zustand beim Ablassen der Flüssigkeit kein Eindringen von Flüssigkeit, beispielsweise Schmutz und Spritzwasser, in den Innenraum des Batteriegehäuses zulässt. Dafür sind oftmals aufwändige Maßnahmen zu ergreifen. Außerdem ist die im Stand der Technik gezeigte Ventileinrichtung fluiddruckbetätigt. Um ein zu häufiges und fehlerhaftes Öffnen der Ventileinrichtung zu verhindern, müsste der Öffnungsdruck entsprechend eingestellt werden, sodass sich erst eine entsprechende Flüssigkeitsmenge im Innenraum des Speichergehäuses befinden muss, bevor sich die Ventileinrichtung öffnet. Dies kann jedoch wiederum zu einer Schädigung der Speicherkomponenten führen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Lösung bereitzustellen, wie Flüssigkeit aus einem Speichergehäuse eines elektrischen Energiespeichers abgelassen werden kann und gleichzeitig ein Eindringen von Flüssigkeit in das Speichergehäuse verhindert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Baugruppe sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Baugruppe für ein Kraftfahrzeug weist einen elektrischen Energiespeicher auf. Der Energiespeicher umfasst ein Speichergehäuse, in dessen Innenraum eine Vielzahl von Speicherkomponenten angeordnet ist, und zumindest ein in einer Gehäusewand des Speichergehäuses angeordnetes Ablaufventil zum Ablassen von in dem Innenraum angesammelter Flüssigkeit in eine Umgebung des elektrischen Energiespeichers. Außerdem umfasst die Baugruppe ein Wandungselement, welches unter Ausbildung eines von Fluid durchströmbaren Zwischenraumes beabstandet und zumindest bereichsweise überlappend mit der das zumindest eine Ablaufventil aufweisenden Gehäusewand angeordnet ist. Der Zwischenraum weist zumindest im Bereich des zumindest einen Ablaufventils eine Strömungsquerschnittverengung auf, durch welche in dem Zwischenraum bereichsweise ein fluidströmungsbedingter Unterdruck zum Öffnen des zumindest einen Ablaufventils und zum Ablassen der Flüssigkeit in die Umgebung erzeugbar ist.
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Der elektrischer Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher und dient als wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. Traktionsakkumulator für das Kraftfahrzeug. Der elektrische Energiespeicher weist das Speichergehäuse auf, welches beispielsweise zweiteilig aus einer Gehäuseunterschale mit einer Gehäusewand in Form von einem Gehäuseboden und einer Gehäuseoberschale mit einer Gehäusewand in Form von einem Gehäusedeckel gebildet sein kann. Seitenbereiche der Gehäuseoberschale und der Gehäuseunterschale können Gehäusewände in Form von Gehäuseseitenwänden ausbilden, welche einen umlaufenden Gehäusemantel ausbilden. In dem von den Gehäusewänden umschlossenen Innenraum des Speichergehäuses sind eine Vielzahl von Speicherkomponenten, beispielsweise Speicherzellen, eine Steuereinrichtung, elektrische Verbindungselemente, Sensoreinrichtungen, etc. angeordnet. Auch kann eine kühlmittelführende Kühleinrichtung in dem Innenraum angeordnet sein, welche zum Kühlen der Speicherkomponenten ausgelegt ist. Zumindest eine der Gehäusewände kann ein Druckausgleichselement, beispielsweise eine atmungsaktive Membran oder ein Ventil, aufweisen, über welches ein Luftaustausch mit der Umgebung möglich ist.
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Außerdem weist zumindest eine der Gehäusewände, vorzugsweise der Gehäuseboden, zumindest ein Ablaufventil auf, über welches Flüssigkeit aus dem Innenraum in die Umgebung des Energiespeichers abgelassen werden kann. Diese Flüssigkeit kann beispielsweise Kondenswasser sein, welches aus der in den Innenraum transportierten und an der Kühleinrichtung kondensierten Luft stammt. Auch kann die Flüssigkeit Kühlmittel sein, welche infolge eines Defekts, beispielsweise eines Kühlerbruches, aus der Kühleinrichtung ausgetreten ist. Um zu verhindern, dass diese Flüssigkeit die Speicherkomponenten schädigt, wird sie über das zumindest eine Ablaufventil aus dem Innenraum transportiert.
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Das zumindest eine Ablaufventil weist einen Ventilkörper und einen Ventilsitz mit einer Ablassöffnung auf. Im geschlossenen Zustand des Ablaufventils verschließt der Ventilkörper die Ablassöffnung und verhindert einen Flüssigkeitsaustausch zwischen der Umgebung und dem Innenraum, sodass weder Flüssigkeit über die Ablassöffnung aus dem Innenraum in die Umgebung austreten noch aus der Umgebung in den Innenraum eintreten kann. Im geöffneten Zustand des Ablaufventils gibt der Ventilkörper die Ablassöffnung zumindest teilweise frei und lässt einen Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Innenraum und der Umgebung zu, sodass Flüssigkeit aus dem Innenraum in die Umgebung austreten kann. Beispielsweise ist das zumindest eine Ablaufventil ein Pilzventil mit einem pilzförmigen Ventilkörper, welcher in dem sich in der Gehäusewand befindlichen Ventilsitz angeordnet ist und welcher durch den fluidströmungsbedingten Unterdruck zum Öffnen des Ablaufventils teilweise aus dem Ventilsitz herausziehbar ist. Das Pilzventil ist insbesondere aus Kunststoff ausgebildet und somit besonders kostengünstig und gewichtsschonend. Das Ablaufventil kann aber auch ein beliebiges anderes, beispielsweise federbelastetes, Ventil sein und beispielsweise schraubenfederbelasteten Ventilkörper aufweisen.
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Um das Ablaufventil zu öffnen, ist das zumindest eine Wandungselement vorgesehen. Dieses Wandungselement bildet gemeinsam mit der das Ablaufventil aufweisenden Gehäusewand Wände eines Strömungskanals aus, welcher den von einem Fluid durchströmbaren Zwischenraum ausbildet. Der Zwischenraum weist einen Einlassbereich auf, über welchen das Fluid in den Zwischenraum eintreten kann, und einen Auslassbereich auf, über welchen das Fluid wieder aus dem Zwischenraum austreten kann. Der Zwischenraum weist dabei zumindest im Bereich des Ablaufventils, welcher sich zwischen dem Einlassbereich und dem Auslassbereich befindet, die Strömungsquerschnittverengung auf, durch welche das Fluid beim Durchströmen des Zwischenraums dem Venturi-Effekt unterliegt. Dadurch wird in dem Zwischenraum im Bereich der Strömungsquerschnittverengung ein Unterdruck erzeugt, durch welchen der Ventilkörper aus dem Ventilsitz herausgezogen wird und die Ablassöffnung zum Ablassen der Flüssigkeit freigibt. Das Ablaufventil wird also insbesondere ausschließlich durch den Fluidstrom, nicht durch den Flüssigkeitsdruck der sich in dem Innenraum befindlichen Flüssigkeit aktiviert. Eine Ventilkennlinie bzw. eine Rückstellkraft des Ventilkörpers ist insbesondere so ausgelegt, dass das Ablaufventil erst bei einer Überschreitung einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit des Fluids geöffnet und bei Unterschreitung der vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit wieder geschlossen wird. Außerdem sorgt der Unterdruck bzw. Sog dafür, dass die Flüssigkeit in Richtung des Fluidstroms gefördert wird und somit von der Ablassöffnung weggesaugt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass Flüssigkeit aus der Umgebung, beispielsweise Schmutz oder Spritzwasser, über die Ablassöffnung in den Innenraum des Speichergehäuses eintrifft.
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Die Strömungsquerschnittverengung ist insbesondere durch eine Formgebung des Wandungselementes ausgebildet, wobei erste Abschnitte des Wandungselementes, welche den Einlassbereich und den Auslassbereich des Zwischenraums bilden, einen ersten Abstand zu der Gehäusewand aufweisen, und ein zweiter Abschnitt des Wandungselementes, welcher die Strömungsquerschnittverengung zwischen dem Einlassbereich und dem Auslassbereich ausbildet, einen kleineren zweiten Abstand zu der Gehäusewand aufweist. Der Einlassbereich und der Auslassbereich können beispielsweise trichterförmig sein und jeweils in einen rohrförmigen, die Querschnittverengung bereitstellenden Abschnitt des Zwischenraumes münden.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn als der Fluidstrom der Fahrtwind, welcher während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs den Zwischenraum entlang einer Fahrzeuglängsachse durchströmt, genutzt wird. Dazu ist das zumindest eine Wandungselement zumindest bereichsweise als Bodenwandung, vorzugsweise ein einer Fahrbahn des Kraftfahrzeugs zugewandtes Unterbodenblech des Kraftfahrzeugs, ausgebildet, welche bereichsweise überlappend mit dem Gehäuseboden des Speichergehäuses angeordnet ist. Der Unterdruck in dem Zwischenraum ist somit durch den Fahrtwind erzeugbar. Dadurch kann das Ablaufventil nur während einer Fahrt und dort insbesondere erst ab einer vorbestimmten Fahrtgeschwindigkeit geöffnet werden. Im Stillstand des Kraftfahrzeugs, beispielsweise im abgestellten Zustand des Kraftfahrzeugs, ist das Ablaufventil geschlossen. Das Ablaufventil kann in dem Gehäuseboden angeordnet sein. Auch kann das Ablaufventil in einer der Seitenwände des Speichergehäuses angeordnet sein. In diesem Fall ist das Unterbodenblech mit Umlenkblechen oder Rohren des Wandungselementes gekoppelt, durch welche der Unterdruck durch den Fahrtwind auch an der Seitenwand erzeugt werden kann. Hier ist das Ablaufventil vor einer Intrusion von unten geschützt.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass das Wandungselement zusätzlich eine Blende zum Schutz des Ablaufventils vor Schmutz und Spritzwasser ausbildet. Alternativ dazu kann in dem Zwischenraum eine separate Blende angeordnet sein, welche zum Schutz des Ablaufventils vor Schmutz und Spritzwasser ausgelegt ist. Durch eine solche Blende ist ein Eindringen von Schmutz und Spritzwasser, was durch den Venturi-Effekt ohnehin besonders unwahrscheinlich ist, ausgeschlossen, sodass der elektrische Energiespeicher besonders sicher gestaltet ist.
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Besonders bevorzugt ist das zumindest eine Ablaufventil in einem Ventilgehäuse angeordnet, welches mit dem Innenraum des Speichergehäuses fluidisch gekoppelt ist und welches zum Begrenzen eines Unterdrucks in dem Innenraum des Speichergehäuses zusätzlich ein Sicherheitsventil aufweist, welches im geschlossenen Zustand des zumindest einen Ablaufventils geöffnet ist und durch den sich in dem Zwischenraum und damit in dem Innenraum ausbildenden Unterdruck im geöffneten Zustand des Ablaufventils schließbar ist. Das Ventilgehäuse mit dem Ablaufventil und dem Sicherheitsventil kann zumindest bereichsweise in dem Innenraum oder gänzlich außerhalb des Innenraums angeordnet sein. Durch das in Richtung des Innenraumes des Speichergehäuse verschließbare Ventilgehäuse kann verhindert werden, dass sich der Unterdruck im geöffneten Zustand des Ablaufventils auch in dem Innenraum ausbreitet und die Speicherkomponenten und/oder das Speichergehäuse schädigt. Das Sicherheitsventil bildet ein Gegenventil zum Ablaufventil aus, welches das Ventilgehäuse in Richtung des Innenraums des Speichergehäuse verschließt, wenn das Ablaufventil in Richtung der Umgebung geöffnet ist und der Unterdruck in dem Ventilgehäuse einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Sobald das Ventilgehäuse in Richtung der Umgebung wieder durch das Ablaufventil verschlossen ist, öffnet das Sicherheitsventil wieder, sodass das Ablaufventil fluidisch wieder mit dem Innenraum des Speichergehäuses gekoppelt ist und sich somit Flüssigkeit am Ablaufventil zum Ablassen sammeln kann. Das Ablaufventil und das Sicherheitsventil weisen unterschiedliche Federkennlinien auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Speichergehäuse einen Anschluss zum Koppeln mit einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs auf, über welchen dem Innenraum Luft der Klimaanlage zum Trocken des Innenraums zuführbar ist. Durch die mittels der Klimaanlage zugeführte Luft kann Feuchtigkeit, welche sich zwar im Speichergehäuse, jedoch nicht im Bereich des Ablaufventils gesammelt hat, aus dem Innenraum beseitigt werden.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug. Das Wandungselement der Baugruppe bildet vorzugsweise ein Unterbodenblech des Kraftfahrzeugs aus.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Baugruppe vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Ausgestaltung einer Baugruppe;
- 2 eine schematische Darstellung der Baugruppe in einem geschlossenen Zustand eines Ablaufventils der Baugruppe; und
- 3 eine schematische Darstellung der Baugruppe in einem geöffneten Zustand des Ablaufventils.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Baugruppe 2. Die Baugruppe 2 weist einen elektrischen Energiespeicher 3 auf, welcher als Traktionsbatterie des als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs 1 dient. Außerdem weist die Baugruppe 2 ein Wandungselement 4 auf, welches hier ein Unterbodenblech 5 des Kraftfahrzeugs 1 ausbildet. Das Wandungselement 4 ist beabstandet zu einer Gehäusewand 6 eines Speichergehäuses 7 des elektrischen Energiespeichers 3, hier zu einem Gehäuseboden 8 des Speichergehäuses 7, angeordnet, sodass ein Zwischenraum 9 zwischen der Gehäusewand 6 und dem Wandungselement 4 gebildet ist. Dieser Zwischenraum 9 ist von einem Fluidstrom 10 durchströmbar. Aufgrund der hier gezeigten räumlichen Anordnung der Baugruppe 2 in dem Kraftfahrzeug 1, durch welche die Gehäusewand 6 und das Wandungselement 4 entlang der Fahrzeughochrichtung H beabstandet zueinander angeordnet sind, ist der Fluidstrom 10 hier der Fahrtwind 11, welcher den Zwischenraum 9 bei einer Vorwärtsfahrt des Kraftfahrzeugs 1 in Fahrzeuglängsrichtung L durchströmt. Das Wandungselement 4 weist eine Venturiblechform auf, durch welche der Zwischenraum 9 eine Strömungsquerschnittverengung 12 aufweist.
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2 und 3 zeigen die Baugruppe 2 in einer detaillierteren Darstellung. Das Speichergehäuse 7 weist ein Druckausgleichselement 13 auf, welches einen Luftaustausch zwischen einem Innenraum 14 und einer Umgebung 15 des Speichergehäuses 7 zulässt. Durch diesen Luftaustausch kann es zu einer Kondenswasserbildung und damit zu einer unerwünschten Flüssigkeitsansammlung in dem Innenraum 14 kommen. Um die Flüssigkeit ablassen zu können, weist der elektrische Energiespeicher 3 ein Ablaufventil 16 auf, welches hier als ein Pilzventil ausgebildet ist und welches hier in dem Gehäuseboden 8 angeordnet ist. Beispielsweise kann der Gehäuseboden 8 eine Vertiefung aufweisen, in welcher das Ablaufventil 16 angeordnet ist und in welcher sich die Flüssigkeit sammeln kann. Das Ablaufventil 16 weist einen Ventilkörper 17 und einen Ventilsitz 18 auf. In 2 ist das Ablaufventil 16 im geschlossenen Zustand gezeigt und in 3 ist das Ablaufventil 16 im geöffneten Zustand gezeigt. Das Ablaufventil 16 wird dabei durch den Unterdruck bzw. Sog geöffnet, welcher aufgrund des Fluidstroms 10 in der Strömungsquerschnittverengung 12 erzeugt wird. In 2 wird der Zwischenraum 9 nicht von dem Fluidstrom 10 durchströmt, beispielsweise da sich das Kraftfahrzeug 1 im Stillstand befindet. Sobald das Kraftfahrzeug 1 fährt, strömt der Luftstrom 10, wie in 3 gezeigt, über einen Einlassbereich 19 des Zwischenraums 9 in die Strömungsquerschnittverengung 12 ein und von dort aus über einen Auslassbereich 20 des Zwischenraums 9 wieder aus.
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Aufgrund der Querschnittverengung 12 weist das Fluid 10 in dem Zwischenraum 9 unterschiedliche Drücke auf. In der Querschnittverengung 12 herrscht ein Unterdruck, welcher das Ablaufventil 16 öffnet, indem der Unterdruck bzw. Sog den Ventilkörper 17 zumindest bereichsweise aus dem Ventilsitz 18 herauszieht. Hier zieht der Unterdruck einen flügelartigen elastischen Bereich des pilzförmigen Ventilkörpers 17 nach unten, sodass eine Ablassöffnung in dem Ventilsitz 18 bereichsweise freigegeben wird. So kann Flüssigkeit, die sich in dem Innenraum 14 befindet, aus dem Innenraum 14 austreten. Die Flüssigkeit wird durch den Sog in Richtung des Auslassbereiches 20 abgesaugt und kann von dort aus in die Umgebung 15 austreten. Die Baugruppe 2 weist hier zusätzlich eine Blende 21 auf, welche gemeinsam mit dem Sog ein Eintreten von Schmutz und Spritzwasser aus der Umgebung 15 in den Innenraum 14 verhindert.
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Außerdem ist das Ablaufventil 16 hier in einem Ventilgehäuse 22 angeordnet, welches sich in dem Innenraum 14 befindet und mittels eines Sicherheitsventils 23 gegenüber dem Innenraum 14 abgeschlossen werden kann. Das Sicherheitsventil 23, welches eine zu der Federkennlinie des Ablaufventils 16 unterschiedliche Federkennlinie aufweist, kann durch den Unterdruck, welcher sich im geöffneten Zustand des Ablaufventils 16 auch in dem Ventilgehäuse 22 ausbreitet, geschlossen werden und verhindert somit einen Unterdruck in dem Innenraum 14 des Speichergehäuses 7.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011015926 A1 [0004]
