DE102022130777A1

DE102022130777A1 - Energiespeicher für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug mit einem derartigen Energiespeicher

Info

Publication number: DE102022130777A1
Application number: DE102022130777.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Stangl; Markus Amsz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-11-22
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2024-05-23

Abstract

Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ist im Bereich einer Bodengruppe des Kraftfahrzeugs angeordnet und speichert elektrischen Strom auf unterschiedlichen Spannungsniveaus. Der Energiespeicher hat zumindest einen Hochspannungsbereich und zumindest einen Niederspannungsbereich. Der Energiespeicher weist in dem Hochspannungsbereich eine andere Höhe als in dem Niederspannungsbereich auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Energiespeicher.
Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, d.h. ein Elektrofahrzeug, hat üblicherweise einen Antriebsspeicher, d.h. eine Antriebsbatterie, mit einer verhältnismäßig hohen Spannung zum Speichern und Abgeben der elektrischen Energie, die für einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs erforderlich ist. Weiterhin hat ein Elektrofahrzeug üblicherweise eine Niedervoltbatterie mit 12/14 V oder 24 V oder/und 48 V Spannung, um das sogenannte Bordnetz mit Strom zu versorgen. Üblicherweise sind diese elektrischen Energiespeicher unabhängig voneinander in dem Kraftfahrzeug angeordnet und weisen voneinander unabhängige Gehäuse auf. Hierzu gibt es in jüngerer Zeit Überlegungen in einer einzigen Energiespeichereinheit, d.h. in einem einzigen Energiespeichergehäuse, sowohl einen Hochspannungsbereich für einen Antrieb des Elektrofahrzeugs als auch einen Niederspannungsbereich für andere Verbraucher des Elektrofahrzeugs unterzubringen.
Aus der DE 10 2017 002 249 A1 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, wobei eine Antriebsbatterie in einem Karosseriebodenbereich unterhalb einer Fahrgastzelle zwischen den Seitenschwellern der Karosserie angeordnet ist. Die Antriebsbatterie erstreckt sich im Wesentlichen über eine gesamte Breite des Karosseriebodenbereichs unterhalb der Sitzreihen des Kraftfahrzeugs. In der Antriebsbatterie sind Vertiefungen bzw. Durchgangsöffnungen im Bereich eines Fondfußraumes zur Vergrößerung des Fondfußraumes vorgesehen. Die Antriebsbatterie hat über ihre gesamte Erstreckung mit Ausnahme der Vertiefungen bzw. Durchgangsöffnungen eine gleichbleibende Höhe.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Energiespeicher und ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem derartigen Energiespeicher, insbesondere in einem Bereich eines Kraftfahrzeugbodens, zu schaffen, wobei zum einen ein zur Verfügung stehender Bauraum optimal ausgenutzt ist und zum anderen unterschiedliche Spannungsversorgungen aus einem Energiespeicher mit einem einzigen zusammenhängenden Energiespeichergehäuse ermöglicht sind.
Diese Aufgabe wird durch einen Energiespeicher mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Patentanspruch 6 gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ist im Bereich einer Bodengruppe des Kraftfahrzeugs angeordnet und speichert elektrischen Strom auf unterschiedlichen Spannungsniveaus. Der Energiespeicher hat zumindest einen Hochspannungsbereich und zumindest einen Niederspannungsbereich. Der Energiespeicher weist in dem Hochspannungsbereich eine andere Höhe als in dem Niederspannungsbereich auf.
Hierdurch kann der Energiespeicher mit unterschiedlichen Spannungsniveaus hinsichtlich eines Bauraums des Energiespeichers optimiert werden. Üblicherweise sind Batteriezellen des Hochspannungsbereichs
Der Energiespeicher ist insbesondere einstöckig ausgebildet, d.h. dass Speicherzellen Hochspannungsbereichs und/oder des Niederspannungsbereichs des Energiespeichers nicht übereinander angeordnet sind.
Der Niederspannungsbereich hat bevorzugt eine Ausgangsspannung von nicht mehr als 60 V, beispielsweise 48 V oder 24 V oder 14 V oder 12 V. Vorteilhaft dient der Niederspannungsbereich einer Stromversorgung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs.
Der Hochspannungsbereich hat bevorzugt eine Ausgangsspannung von mehr als 300 V, beispielsweise 400 V oder 800 V. Vorteilhaft dient der Hochspannungsbereich einer Stromversorgung eines Elektromotors zum Antrieb des Kraftfahrzeugs.
Vorteilhaft hat der Energiespeicher in dem Niederspannungsbereich eine geringere Höhe als in dem Hochspannungsbereich.
Vorteilhaft hat eine Oberseite des Energiespeichers eine Vertiefung im Bereich des Niederspannungsbereichs. Die Vertiefung des Niederspannungsbereichs entspricht dabei der gegenüber dem Hochspannungsbereich geringeren Höhe des Niederspannungsbereichs.
Wobei eine Höhe des Hochspannungsbereichs vorteilhaft 90 mm bis 180 mm, bevorzugt 100 mm bis 150 mm, beträgt (Zellhöhen können z.B. 80 mm oder 95 mm oder 120 mm betragen). Eine Höhe des Niederspannungsbereichs ist dabei vorteilhaft um zumindest 20 mm niedriger. Der Niederspannungsbereich kann auch zumindest 30 mm oder zumindest 40 mm oder zumindest 50 mm oder zumindest 60 mm oder zumindest 70 mm oder zumindest 80 mm niedriger sein. Die Angabe der Höhe des Energiespeichers bezieht sich hierbei bevorzugt auf seine Außenabmessung und damit insbesondere auf eine Außenabmessung eines Gehäuses des Energiespeichers.
Vorteilhaft hat der Energiespeicher in dem Hochspannungsbereich eine im Wesentlichen konstante Höhe. Ferner hat der Energiespeicher vorteilhaft in dem Niederspannungsbereich eine im Wesentlichen konstante Höhe.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung hat der Energiespeicher in dem Hochspannungsbereich eine Vielzahl von aufrecht und nebeneinander angrenzend angeordneten Batteriezellen, insbesondere Rundzellen, und/oder hat der Energiespeicher in dem Niederspannungsbereich eine Vielzahl von aufrecht und nebeneinander angrenzend angeordneten Batteriezellen, insbesondere Rundzellen. Alternativ können auch, insbesondere aufrechtstehende, prismatische Batteriezellen oder Pouchbatteriezellen angeordnet sein. In dem Niederspannungsbereich kann ein anderer Batteriezellentyp als in dem Hochspannungsbereich angeordnet sein.
Vorteilhaft sind der Hochspannungsbereich und der Niederspannungsbereich in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
Das hat hinsichtlich einer Fertigung und einer Montage Vorteile. Es wird lediglich ein Energiespeicher an die Kraftfahrzeugkarosserie montiert, d.h. es ist lediglich ein Montageschritt erforderlich. Es ist im Vergleich zu mehreren Energiespeichern lediglich eine Dichtheitsprüfung des Energiespeichers erforderlich.
Ein Gehäuse des Energiespeichers ist vorzugsweise fluiddicht ausgeführt.
Bevorzugt sind der Hochspannungsbereich und der Niederspannungsbereich in dem Gehäuse voneinander getrennt ausgebildet.
Hierdurch kann beispielsweise unterschiedliche Klimatisierungskonzepten oder generell unterschiedlichen Anforderungen für den Hochspannungsbereich und den Niederspannungsbereich einfacher entsprochen werden.
Zwischen dem Hochspannungsbereich und dem Niederspannungsbereich können sich Trennwände befinden, so dass der Hochspannungsbereich und der Niederspannungsbereich baulich voneinander getrennt sind. Der Hochspannungsbereich und der Niederspannungsbereich sind beispielsweise voneinander fluiddicht abgetrennt Bereiche.
Der Energiespeicher ist bevorzugt ein Montageteil, das insbesondere als ein Teil bzw. in einem Stück, an die Bodengruppe bzw. an eine Karosserie des Kraftfahrzeugs montierbar ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Energiespeicher, der in einer Bodengruppe unterhalb einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, und wobei der Energiespeicher im Bereich eines Fußraumes vertieft ist. Bevorzugt ist der Energiespeicher im Bereich eines Fußraumes einer ersten Sitzreihe und/oder zweiten Sitzreihe vertieft. Der vertiefte Bereich bzw. die Vertiefung ist dabei durch den Niederspannungsbereich ausgebildet. Es könnten auch mehrere Vertiefungen entsprechend mehrerer Niederspannungsbereiche vorgesehen sein.
Der Energiespeicher, d.h. eine obere Seite des Energiespeichers, bildet insbesondere vorteilhaft einen Boden einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs aus.
Hierdurch kann eine sogenannte Beinfreiheit, insbesondere bei niedrigen Fahrzeugen, bei denen wenig Bauraum in Fahrzeughochrichtung (Z-Richtung) zur Verfügung steht, einfach umgesetzt werden und es kann trotzdem eine gesamte Grundfläche des Energiespeichers mit Batteriezellen belegt werden. Insbesondere bei flacheren Fahrzeugen ist eine Vertiefung des Fußraumes der zweiten Sitzreihe vorteilhaft, da eine Sitzhöhe in flacheren Kraftfahrzeugen in der zweiten Sitzreihe meist niedriger ist.
Die vorstehend genannten Merkmale könnten soweit möglich und sinnvoll beliebig miteinander kombiniert werden.
Es folgt eine Kurbeschreibung der Figuren.

1 ist eine schmatische Draufsicht auf eine Bodengruppe eines Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Seitenansicht der Bodengruppe des Kraftfahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Ansicht eines Schnitts entlang der Linie A-A der Bodengruppe des Kraftfahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Nachstehend ist unter Bezugnahme auf 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel hat ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug, einen Energiespeicher 1, der unterhalb einer Fahrgastzelle zwischen einer Vorderachse 7 mit Vorrädern 8, und einer Hinterachse 9 mit Hinterrädern 10 im Bereich einer Bodenbaugruppe einer Karosserie des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Der Energiespeicher 1 bildet entweder unmittelbar einen Karosserieboden einer Fahrgastzelle aus oder es ist über dem Energiespeicher 1 ein Karosseriebodenblech angeordnet, das einer äußeren Kontur des Energiespeichers angepasst ist. Der Energiespeicher 1 erstreckt sich im Wesentlichen über eine gesamte bzw. einen Großteil der Breite der Bodenbaugruppe. Der Energiespeicher 1 hat einen Hochspannungsbereich 3 mit einer Spannung von beispielsweise 400 V oder 800 V. Der Hochspannungsbereich 3 dient einer Stromversorgung eines Antriebs des Kraftfahrzeugs. Ferner hat der Energiespeicher 1 einen Niederspannungsbereich 5 mit einer Spannung von beispielsweise 12/14 V, 24 V oder 48 V, der für ein Stromversorgung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs und zahlreicher Verbraucher in dem Kraftfahrzeug dient. Der Energiespeicher 1 hat ein einziges zusammenhängendes, gasdichtes Gehäuse, in dem sich sowohl der Hochspannungsbereich 3 als auch der Niederspannungsbereich 5 befinden. Der Hochspannungsbereich 3 weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Batteriezellen 31 auf und der Niederspannungsbereich 5 weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Batteriezellen 51 auf. Die Batteriezellen 31 und die Batteriezellen 51 können beispielsweise prismatische Batteriezellen oder rundzylindrische Batteriezellen sein. Die Batteriezellen 31, 51 sind beispielsweise hochkant, d.h. stehend, in dem Energiespeicher 1 angeordnet. Weder im Hochspannungsbereich 3 noch im Niederspannungsbereich 5 sind Batteriezellen übereinander angeordnet.
Wie in der Seitenansicht von 2 gezeigt ist, hat der Energiespeicher 1 im Hochspannungsbereich 3 ein Höhe h1 von ungefähr 100 mm bis 180 mm. Im Niederspannungsbereich 5 hat der Energiespeicher 1 eine niedrigere Höhe h2, die um ca. 20 mm bis 80 mm niedriger als die Höhe h1 des Hochspannungsbereichs 3 ist. Dies resultiert aus den unterschiedlichen Höhen der Batteriezellen 31 und 51. Entsprechend der Höhen der Batteriezellen 31, 51 sind die Höhen h1 und h2 des Energiespeichergehäuses gestaltet. In der Seitenansicht von 2, die den Energiespeicher 1 von außen darstellt, zeigen gestrichelte Linien eine Grenze zwischen dem Niederspannungsbereich 5 und den vorne und hinten angrenzenden Hochspannungsbereichen 3. Der Energiespeicher 1 ist unterhalb einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs angeordnet. Über dem Energiespeicher 1 befinden sich eine erste Sitzreihe 11 und eine zweite Sitzreihe 13. Unter der zweiten Sitzreihe 13 hat der Energiespeicher 1 einen sogenannten zweiten Stock 15, in dem Elektrik-/Elektronikkomponenten, z.B. eine Leistungselektronik, untergebracht sind.
Der Niederspannungsbereich 5 mit der geringeren Höhe h2 ist vorteilhaft im Bereich eines Fußraums der hinteren Sitzreihe 13 ausgebildet. Somit ist hinsichtlich eines Sitzkomforts der hinteren Sitzreihe 13 eine Vertiefung 6 im Boden der Fahrgastzelle ausgebildet, der entweder durch den Energiespeicher 1 selbst oder ein entsprechendes Karosseriebodenblech, das einer äußeren Kontur des Energiespeichers 1 folgt, ausgebildet ist. Die Vertiefung 6 ist durch den Niederspannungsbereich 5 gebildet. Auf dem Boden der Fahrgastzelle, also der Oberseite des Energiespeichers 1 oder einem entsprechend geformten Bodenblech, befinden sich gegebenenfalls noch eine entsprechende Verkleidung mit einem Bodenbelag, beispielsweise einem Teppich, und Dämmschichten. Der Niederspannungsbereich 5 erstreckt sich über eine gesamte Breite des Energiespeichers 1. Die Vertiefung 6 in dem Energiespeichergehäuse 1 ist jedoch nur auf der linken Seite und der rechten Seite des Energiespeichergehäuses 1 vorhanden, wie aus 1 hervorgeht. In der Mitte zwischen der linken Vertiefung 6 und der rechten Vertiefung 6 hat der Energiespeicher die Höhe h1, wobei ein Raum 17 über den niedrigen Batteriezellen 51 zur Unterbringung von Elektrik-/Elektronikkomponenten sowie für Batteriezellenklimatisierungsleitungen genutzt ist, die den vorderen Hochspannungsbereich 3 mit dem hinteren Hochspannungsbereich 3 miteinander verbinden. Mit anderen Worten sind durch den Raum 17 der vordere Hochspannungsbereich 3 und der hintere Hochspannungsbereich 3 elektrisch/elektronisch sowie hinsichtlich einer Klimatisierung der Batteriezellen 31 miteinander verbunden und der Raum 17 bildet in gewisser Weise einen Mitteltunnel des Energiespeichers 1 zwischen dem vorderen und dem hinteren Hochspannungsbereich 3 aus.
In der geschnittenen Seitenansicht (entlang der Linie A-A in 1) von 3 sind schematisch die Batteriezellen 31 und 51 im Inneren der Hochspannungsbereiche 3 und des Niederspannungsbereichs 3 gezeigt. Weiterhin ist eine der Vertiefungen 6 im Energiespeichergehäuse sowie der Raum 17 gezeigt.
Zusätzlich oder alternativ können auch Niederspannungsbereiche und entsprechend Vertiefungen in dem Energiespeicher im Bereich des vorderen Fußraums vorgesehen sein.
Insgesamt ist gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch geschickte Anordnung des Niederspannungsbereichs 5, der niedrigere Batteriezellen 51 als die Batteriezellen 31 des Hochspannungsbereichs 3 aufweist, ein Fußraum für den Insassen hinsichtlich mehr Komfort verbessert bzw. eine Sitzposition des Insassen dadurch verringert, so dass das Kraftfahrzeug insgesamt flacher ausgeführt sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017002249 A1 [0003]

Claims

Energiespeicher (1) für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wobei der Energiespeicher (1) im Bereich einer Bodengruppe des Kraftfahrzeugs angeordnet ist und elektrischen Strom auf verschiedenen Spannungsniveaus speichert, wobei der Energiespeicher (1) zumindest einen Hochspannungsbereich (3) und zumindest einen Niederspannungsbereich (5) aufweist, wobei der Energiespeicher (1) in dem Hochspannungsbereich (3) eine andere Höhe als in dem Niederspannungsbereich (5) aufweist.
Energiespeicher nach Anspruch 1, wobei der Energiespeicher (1) in dem Niederspannungsbereich (5) eine geringere Höhe als in dem Hochspannungsbereich (3) aufweist.
Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiespeicher (1) in dem Hochspannungsbereich (3) eine im Wesentlichen konstante Höhe aufweist und/oder wobei der Energiespeicher (1) in dem Niederspannungsbereich (5) eine im Wesentlichen konstante Höhe aufweist.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Energiespeicher (1) in dem Hochspannungsbereich (3) eine Vielzahl von aufrecht und nebeneinander angrenzend angeordneten Batteriezellen (31), insbesondere Rundzellen oder prismatische Zellen oder Pouchzellen, aufweist und/oder wobei der Energiespeicher (1) in dem Niederspannungsbereich (5) eine Vielzahl von aufrecht und nebeneinander angrenzend angeordneten Batteriezellen (51), insbesondere Rundzellen oder prismatische Zellen oder Pouchzellen, aufweist.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Hochspannungsbereich (3) und der Niederspannungsbereich (5) in einem gemeinsamen, insbesondere fluiddichten Gehäuse ausgebildet sind, und wobei insbesondere der Hochspannungsbereich (3) und der Niederspannungsbereich (5) in dem Gehäuse voneinander getrennt ausgebildet sind.
Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der in einer Bodengruppe unter einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, wobei der Energiespeicher (1) im Bereich eines Fußraumes eine Vertiefung (6) aufweist, und wobei sich insbesondere im Bereich der Vertiefung (6) der Niederspannungsbereich (5) befindet.
Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher nach Anspruch 6, wobei der Energiespeicher (1) sich im Wesentlichen über eine gesamte Breite der Bodengruppe erstreckt.