DE202014008335U1 - Akkupack für ein Elektrofahrzeug mit Bauteilen aus Verbundwerkstoff - Google Patents

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Abstract

Akkupack (16, 18, 20) für ein Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Grundplatte (13) ein Akkumodul angeordnet ist, der aus identischen Basis-Akkumodulen (3) aufgebaut ist, die zu größeren Untereinheiten, insbesondere einem Akku-Submodul (7), verbunden werden können, und – zwischen der Grundplatte und dem Akkumodul und auf der anderen Seite des Akkumoduls eine Schicht aus flammhemmendem Material (10) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein neuartiges Akkupack, das sich besonders für ein Fahrgestell eignet, das im Wesentlichen aus einem oder mehreren Leichtbaumaterialien besteht, die in der Regel brennbare Kunststoffe enthalten.
  • Elektrofahrzeuge stellen besondere Anforderungen an die Konstruktion des Fahrgestells, insbesondere hinsichtlich einer sicheren Unterbringung der Akkus, deren Schutz vor Beschädigungen, und deren Überwachung.
  • Die Fahrgestelle von käuflich erhältlichen Elektrofahrzeugen verwenden oft noch in größerem Umfang Materialien, die herkömmlicherweise zum Automobilbau eingesetzt wurden, wie Stahl und Aluminium. Nachteilig ist, dass die Materialien aufwändig verschweißt werden müssen. Ferner müssen größere Bauteile aus Stahl und Aluminium gegossen oder gepresst werden.
  • Die Materialien und das Konzept zur Komplettherstellung von Elektrofahrzeugen lässt sich nicht auf die Umrüstung von KFZs mit Verbrennungsmotoren auf einen Elektroantrieb übertragen. Dies gilt auch für die Entwicklung eines Fahrgestells für käuflich erhältliche Karosserien, z. B. Karosserien in Oldtimerform. Die Unterbringung der Akkupacks ist bei der vorhandenen und marktüblichen Technologie bis dato unvorteilhaft gelöst.
  • Angesichts der aufwändigen Herstellung mit bestehenden Technologien lässt sich das Baukonzept auch nicht flexibel an unterschiedliche Fahrzeugmodelle anpassen. Ein weiter Nachteil ist, dass für den Zusammenbau der Einzelteile in der Regel industrielle Fertigungstechniken erforderlich sind.
  • Ein Baukonzept für KFZs muss ferner in der Lage sein, flexibel ausreichend Akkupacks zu integrieren, um die für eine zufriedenstellende Reichweite des Fahrzeugs erforderliche Akkuleistung und – kapazität zur Verfügung zu stellen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Akkupack bereitzustellen,
    • – das sich leicht und flexibel in ein Fahrgestell für ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug integrieren lässt,
    • – das sich insbesondere für Fahrgestelle eignet, die im Wesentlichen aus leichten Verbundwerkstoffen bestehen, die brennbar sind oder keinen optimalen Brandschutz bieten, im Unterschied zu herkömmlichen Materialien aus Metall,
    • – flexibel an unterschiedliche Fahrzeugtypen angepasst werden kann,
    • – wirtschaftlich produziert und leicht erweitert werden kann (da es auf identischen Basiseinheiten beruht)
    • – es ermöglicht unterschiedlichste Akkukapazitäten mit minimalen Modifikationen zu realisieren,
    • – das als tragfähiges Element zur Festigkeit des Fahrgestells beitragen kann,
    • – bei guter Leistung effizient gesteuert werden kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Akkupack für ein Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Grundplatte ein Akkumodul angeordnet ist, der aus identischen Basis-Akkumodulen aufgebaut ist, die zu größeren Untereinheiten, insbesondere einem Akku-Submodul, verbunden werden können, und
    • – zwischen der Grundplatte und dem Akkumodul und auf der anderen Seite des Akkumoduls jeweils mindestens eine Schicht aus flammhemmendem Material vorgesehen ist.
  • Beschreibung der Figuren
  • Die 1 bis 8 erläutern beispielhaft und schematisch eine vorteilhafte Ausführungsform zum Aufbau des Akkupacks incl. den darin befindlichen Akkumodulen und Akku-Submodulen.
  • Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform eines Basis-Akkumoduls bestehend aus 14 sog. „18650 Zellen, angeordnet in 2 Reihen à Zellen gemäß den 1 + 2.
  • Bezugszeichenliste
    • 01
    Zellhalter für z. B. 14 18650-Zellen. Die Zellhalter lassen sich über spezielle Halteclips verbinden und beliebig erweitern.
    02
    18650-Zelle mit wenigstens 2,9 Ah, Hersteller Panasonic, Samsung oder Sony
  • 3 zeigt einen seriellen Strang mit 56 parallelen Zellen, der sich durch Anordnung aus 4 × einem Basis-Akkumodul in einer Reihe ergibt.
  • Bezugszeichenliste
    • 03
    Basis-Akkumodul
  • 4 zeigt serielle Stränge. 6 × 56 parallele Zellen ergeben das Akku-Submodul mit 21,6 V Nominalspannung. 6 × 3,6 Volt in Serie ergeben 21,6 V × 162,4 Ah = 3,507 kWh.
  • Bezugszeichenliste
    • 04
    S-Strang a 3,6 Volt
  • 5 zeigt ein Akku-Submodul in Seitenansicht mit Verbindern zur seriellen Beschaltung aus 0,5 mm Nickelblech,
  • Bezugszeichenliste
    • 05
    Verbinder, z. B. aus Nickelblech, werden durch spezielles Punktschweißen mit den Zellen verbunden.
    06
    Kupferschienen zur Ableitung des Plus- und Minuspols des jeweiligen Akku-Submoduls
  • 6 zeigt ein Akkumodul bestehend aus 2 Akku-Submodulen mit jeweils 6 seriellen Strängen (2 × 21,6 Volt = 43,2 Volt Nominalspannung pro Akkumodul).
  • Bezugszeichenliste
    • 06
    Kupferschienen zur Ableitung von Plus- und Minuspol des Akku-Submoduls
    07
    Akku-Submodul
    08
    Verbinder zwischen Akku-Submodulen
    09
    Strukturelles Element aus Hartglasgewebe als Trennwand im Akkumodul
  • 7 zeigt einen Schnitt durch ein Akkupack mit Gehäuse, Heizung, Isolierung und Brandschutz. Ein Akkupack enthält ein Akkumodul, das vorzugsweise aus 2 Akku-Submodulen besteht.
  • Bezugszeichenliste
    • 03
    Basis-Akkumodul
    06
    Kupferschienen zur Ableitung von Plus- und Minuspol des Akku-Submoduls
    10
    Auskleidung mit flammhemmendem Material, z. B. Nomex 0,3 mm
    11
    Heizfolie, z. B. 0,5 mm
    12
    Faserverbundplatte, z. B. GFK, Unten 4 mm, Oben 2 mm
    13
    Aluminium Grundplatte, z. B. Unten 6 mm, Oben 2,5 mm
  • 8 zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform eines (aus 2 Akku-Submodulen) aufgebauten Akkupacks mit Gehäuse.
  • Bezugszeichenliste
    • 07
    Akku-Submodul
    09
    Strukturelles Element, z. B. aus Hartglasgewebe
    10
    flammhemmende Nomex®-Schicht, z. B. 0,3 mm
    13
    Aluminium-Grundplatte, z. B. 6 mm
    14
    Rahmen z. B. aus EPP-Schaum (expandiertem Polypropylen), wie Arpro®, 20 mm
    15
    Rahmen, z. B. aus Aluminium, 2 mm
  • Diese Ausführungsform (mit Aluminiumrahmen 15) wird vorzugsweise im Front- und/oder Heckbereich des Fahrgestells verwendet. Bei den Akkupacks, die direkt unter dem Personenabteil verwendet werden, wird der Rahmen üblicherweise nicht benötigt. Allen Ausführungsformen des Akkupacks ist jedoch gemeinsam, dass vorzugsweise das Akkumodul auch auf allen vier schmalen Seiten mit einer Schicht (10) aus flammhemmendem Material umgeben wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Akkumodul nicht nur auf der Ober- und Unterseite (siehe 7), sondern vollständig mit flammhemmendem Material umgeben ist (wobei der Ausdruck „vollständig” selbstverständlich die Anwesenheit von kleinen Öffnungen zulässt, z. B. für die Kabel oder eine Verbindung zu den Kabelkanälen zwecks Berstschutz). Zwischen der das Akkupack auf den vier schmalen Seiten umgebenden flammhemmenden Schicht (10) und dem Akkumodul kann man ferner eine Schicht („Rahmen 14”) aus einem Polymerschaum vorsehen.
  • 9 zeigt schematisch und beispielhaft die Unterbringung der Akkupacks und eines Kabelkanals incl. Antriebseinheit. Diese Skizze zeigt schematisch und beispielhaft die Aufnahme und Platzierung der Akkupacks im Front- und Heckbereich sowie im Fahrzeugschwerpunkt des Zwischenbodens. Ebenso ist die Darstellung des Kabelkanals erkennbar. Dieser dient gleichzeitig als Kühlluftkanal und zur Lichtbogenführung im Brandfall.
  • Bezugszeichenliste
    • 16
    hintere Akkupacks
    17
    Antriebseinheit
    18
    mittlere Akkupacks
    19
    Kabeltunnel/Kühlluftkanal
    20
    vordere Akkupacks
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Im Folgenden wird die Erfindung noch weiter im Detail beschrieben:
    Ein Vorteil der Erfindung ist der integrierte Brandschutz im Akkupack, der dadurch erforderlich wird, dass die Akkus in ein Fahrgestell eingesetzt werden sollen, welches Leichtbaumaterialien verwendet, die zumindest teilweise brennbar sind. Ein typisches Beispiel für solche Leichtbaumaterialien ist ein Schichtverbundwerkstoff, worin die äußeren Schichten aus Faser-verstärktem Kunststoff bestehen und die innere Schicht ein Schaumstoff ist.
  • In dem erfindungsgemäßen Akkupack für ein Elektrofahrzeug, ist auf einer Grundplatte (13)
    • – ein Akkumodul angeordnet, der aus identischen Basis-Akkumodulen (3) aufgebaut ist, die zu größeren Untereinheiten, insbesondere einem Akku-Submodul (7), verbunden werden können, und
    • – sowohl zwischen der Grundplatte und dem Akkumodul und auf der anderen Seite des Akkumoduls eine Schicht aus flammhemmendem Material (10) vorgesehen ist.
  • In diesem Akkupack sind die Basis-Akkumodule (3) vorzugsweise aus jeweils gleichen Akkuzellen (2) aufgebaut, die in zwei Reihen angeordnet sind, und pro Reihe mindestens 4 und vorzugsweise bis zu 10, stärker bevorzugt 6 bis 8, insbesondere 7 Akkuzellen (2) nacheinander angeordnet sind. Die Akkuzellen in diesen Reihen sind vorzugsweise auch in Reihe geschaltet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Akkupacks ist die Platte (13) aus Metall. Ferner ist es bevorzugt, dass auf der anderen, der Grundplatte gegenüberliegenden, Seite des Akkumoduls auf der Schicht aus flammhemmendem Material (10) eine äußere Schicht (12) aus Faserverstärktem Kunststoff, insbesondere Glasfaser-verstärktem Kunststoff (GFK oder HGW) angeordnet ist.
  • Vorzugsweise enthält das flammhemmemde Material als Hauptbestandteil ein aromatisches Polyamid, wie Nomex® (oder besteht aus diesem). Die Schicht ist vorzugsweise eine textile Schicht (z. B. gewebt, gewirkt, oder ein Vlies) aus flammhemmendem aromatischem Polyamid. Alternativ enthält die Schicht aus flammhemmemdem Material mit Stickstoff gefüllte, im Brandfall schmelzende Glaskügelchen, sog. „Pyro bubbles”.
  • Es ist ebenfalls bevorzugt, dass
    • – ein Akkumodul aus mehreren, vorzugsweise zwei, miteinander verbunden Akku-Submodulen (7) aufgebaut ist, worin
    • – jeweils ein Akku-Submodul (7) aus mehreren miteinander verbundenen Strängen (4) aus Basis-Akkumodulen (3) besteht, vorzugsweise 2 bis 10, insbesondere 6 Strängen (4), und
    • – jeweils 2 bis 6, insbesondere 4 Basis-Akkumodule (3) an ihren kurzen Seiten zu einem Strang (4) aus Basis-Akkumodulen verbunden werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Akkupacks ist dadurch gekennzeichnet, dass sich an einer Stirnseite des Akkumoduls, vorzugsweise einer der beiden kurzen Seiten, mindestens eine Platine als Teil eines Batteriemanagementsystem (BMS) befindet, welche alle Akkuzellen (2) im Akku-Submodul (7) in Bezug auf Spannung und Temperatur überwacht.
  • Vorzugsweise ist die Platine über einen CAN-Bus parallel mit einer Steuereinheit (VCU = Vehicle Control Unit) verbunden, welche die Daten auswertet und mit der Antriebselektronik sowie dem Ladegerät kommuniziert. Insbesondere sorgt das BMS am Ende des Ladevorgangs durch passives balancieren der Zellen für gleiche Zellspannung im gesamten Akku, d. h. allen Akkupacks zusammen betrachtet.
  • Vorzugsweise sind somit auch die Basis-Akkumodule (3) aus gleichen Akkuzellen aufgebaut.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist der einheitliche Aufbau der Akkupacks, welche vorzugsweise bereits alle notwendigen elektronischen Bauteile zum Be- und Entladen, Beheizen, Temperaturüberwachung und zum Balancieren der Zellspannung in den Akkuzellen der Akkupacks enthält. In optimaler Weise sind dies Akkupacks auch als dezentrale Speichersysteme in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage geeignet.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der modulare Aufbau, der es ermöglicht, das Akkupack an die erforderliche Leistung des Elektrofahrzeugs flexibel anzupassen.

Claims (11)

  1. Akkupack (16, 18, 20) für ein Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Grundplatte (13) ein Akkumodul angeordnet ist, der aus identischen Basis-Akkumodulen (3) aufgebaut ist, die zu größeren Untereinheiten, insbesondere einem Akku-Submodul (7), verbunden werden können, und – zwischen der Grundplatte und dem Akkumodul und auf der anderen Seite des Akkumoduls eine Schicht aus flammhemmendem Material (10) vorgesehen ist.
  2. Akkupack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkumodul vollständig mit einer Schicht aus flammhemmendem Material umgeben ist.
  3. Akkupack nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-Akkumodule (3) aus jeweils gleichen Akkuzellen (2) aufgebaut sind, die in zwei Reihen angeordnet sind, und pro Reihe mindestens 4 und vorzugsweise bis zu 10, stärker bevorzugt 6 bis 8, insbesondere 7 Akkuzellen (2) nacheinander angeordnet sind.
  4. Akkupack nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (13) aus Metall ist und auf der anderen, der Grundplatte gegenüberliegenden, Seite des Akkumoduls auf der Schicht aus flammhemmendem Material (10) eine äußere Schicht (12) aus Faserverstärktem Kunststoff, insbesondere Glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) angeordnet ist.
  5. Akkupack nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Akkumodul aus mehreren, vorzugsweise zwei, miteinander verbunden Akku-Submodulen (7) aufgebaut ist, worin – jeweils ein Akku-Submodul (7) aus mehreren miteinander verbundenen Strängen (4) aus Basis-Akkumodulen (3) besteht, vorzugsweise 2 bis 10, insbesondere 6 Strängen (4), und – jeweils 2 bis 6, insbesondere 4 Basis-Akkumodule (3) an ihren kurzen Seiten zu einem Strang (4) aus Basis-Akkumodulen verbunden werden.
  6. Akkupack nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flammhemmemde Material ein aromatisches Polyamid ist oder mit Stickstoff gefüllte, im Brandfall schmelzende Glaskügelchen enthält.
  7. Akkupack nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Gehäuse an einer Stirnseite des Akkumoduls, vorzugsweise einer der beiden kurzen Seiten, eine Platine als Teil eines Batteriemanagementsystem (BMS) befindet, welche alle Akkuzellen (2) im Akku-Submodul (7) in Bezug auf Spannung und Temperatur überwacht.
  8. Akkupack nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine über einen CAN-Bus parallel mit einer Steuereinheit (VCU = Vehicle Control Unit) verbunden ist, welche die Daten auswertet und mit der Antriebselektronik sowie dem Ladegerät über das installierte Bussystem kommuniziert.
  9. Akkupack nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-Akkumodule (3) aus gleichen Akkuzellen aufgebaut sind.
  10. Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrgestell des Elektrofahrzeugs ein oder mehrere Bauteile aus einem Verbundwerkstoff enthält, der brennbare Kunstoffmaterialien enthält, und zumindest ein Akkupack gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche in räumlicher Nähe zu einem Bauteil aus Verbundwerkstoff angeordnet ist.
  11. Elektrofahrzeug nach Anspruch 10, worin das zumindest eine Akkupack in direktem Kontakt mit dem Bauteil aus Verbundwerkstoff abgeordnet ist.
DE202014008335.5U 2014-10-20 2014-10-20 Akkupack für ein Elektrofahrzeug mit Bauteilen aus Verbundwerkstoff Expired - Lifetime DE202014008335U1 (de)

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